CN107144513B - 一种土壤水分入渗率测试装置 - Google Patents

Abstract

一种土壤水分入渗率测试装置，包括装置主体，装置主体具有储水腔和位于储水腔上方的负压调节腔，储水腔的底部设有开口并于开口中安装有入渗盘，负压调节腔通过一负压调节管与外部环境连通，负压调节管安装在装置主体上并能调节负压调节管与负压调节腔的连通口到负压调节腔底部的间距，负压调节管与外部环境的连通口位于负压调节腔上方，储水腔通过进气管与负压调节腔连通，进气管与负压调节腔的连通口高于负压调节管与负压调节腔的连通口，还包括用于测量储水腔中水量的水量测量组件。该土壤水分入渗率测试装置具有体积小、携带和使用方便、适用性好等优点。

Description

一种土壤水分入渗率测试装置

技术领域

本发明涉及测试装备技术领域，具体涉及一种土壤水分入渗率测试装置。

背景技术

土壤入渗试验是农业水土专业试验检测通常项目，对土壤水分入渗参数的检测是研究土壤入渗特性及入渗规律的关键，同时也为农田灌溉确定合理的灌溉技术参数提供重要依据。进行土壤的入渗试验，检测设备就显地尤其重要。现有进行土壤入渗试验的测试设备存在以下缺陷：

1、均为人工操作设备，操作项目包括土样装卸、水头调节、数据读取以及数据处理，而且整个测试过程均要求试验人员参与检测。

2、现有土壤入渗率的测试装备在坡地上进行测量时，测量数据准确度不够。存在自动化程度低，人员劳动工作量大，无法在坡地上进行测量等缺点。

3、在测试过程中，试验数据的读取主体为试验人员，读取结果受到试验人员的心理状态，测试经验的影响，这样存在的偶然误差也容易导致错误发生，将直接影响土壤入渗特性的准确度。

4、目前的有些土壤入渗设备是将调节负压的部分与储水部分分开的，这样的装置显得有些冗杂，不便于携带。

5、土壤入渗设备在非单次测量过程中需要不断往供水室里加水，加水过程中需要不断地对装置进行拆卸，这样容易导致设备损坏。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种体积小、携带和使用方便、适用性好的土壤水分入渗率测试装置。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种土壤水分入渗率测试装置，包括装置主体，所述装置主体具有储水腔和位于储水腔上方的负压调节腔，所述储水腔的底部设有开口并于开口中安装有入渗盘，所述负压调节腔通过一负压调节管与外部环境连通，所述负压调节管安装在装置主体上并能调节负压调节管与负压调节腔的连通口到负压调节腔底部的间距，所述负压调节管与外部环境的连通口位于负压调节腔上方，所述储水腔通过进气管与负压调节腔连通，所述进气管与负压调节腔的连通口高于所述负压调节管与负压调节腔的连通口，还包括用于测量储水腔中水量的水量测量组件。

上述的土壤水分入渗率测试装置，优选的，所述入渗盘的孔隙度范围为27%~49%，孔径大小范围为7.97×10^-14mm~2.4×10^-2mm。

上述的土壤水分入渗率测试装置，优选的，所述进气管的管径等于进气管与储水腔的连通口到入渗盘的间距。

上述的土壤水分入渗率测试装置，优选的，所述水量测量组件为采用压力传感器检测储水腔中水压力再转化为水量值的测量仪，所述测量仪的压力传感器安装在储水腔的底部。

上述的土壤水分入渗率测试装置，优选的，所述储水腔包括相互独立的上部腔体和下部腔体；所述装置主体由上主体和下主体构成，所述上主体和下主体通过转动机构相连并可绕水平轴线相对转动，所述负压调节腔和上部腔体设于上主体上，所述下部腔体设于下主体上，所述上部腔体和下部腔体通过一连通软管连通，所述进气管伸入到下部腔体中，且进气管于上主体和下主体之间设有一段软管段。

上述的土壤水分入渗率测试装置，优选的，所述土壤水分入渗率测试装置还包括用于控制连通软管通断的第一通断控制组件和用于控制软管段通断的第二通断控制组件。

上述的土壤水分入渗率测试装置，优选的，所述上主体包括第一透明圆管、隔板和橡胶塞，所述第一透明圆管的下端封闭、上端开口，所述隔板安装在第一透明圆管中并将第一透明圆管的管腔分隔成负压调节腔和上部腔体，所述橡胶塞密封安装在第一透明圆管的上端开口中，所述橡胶塞设有安装通孔，所述负压调节管滑动密封配合安装在所述安装通孔中；所述下主体包括第二透明圆管，所述第二透明圆管的下端开口、上端封闭，所述入渗盘安装在第二透明圆管的下端开口中。

上述的土壤水分入渗率测试装置，优选的，所述转动机构包括一组以上转动连接组件，所述转动连接组件包括分别固接于上主体和下主体上的两个转动连接件，两个转动连接件通过螺栓和螺帽相互铰接。

上述的土壤水分入渗率测试装置，优选的，所述土壤水分入渗率测试装置还设有用于向上部腔体中加水的加水组件；所述加水组件包括安装在上主体上的水斗，所述水斗与上部腔体同时通过进水通道和通气通道连通，所述进水通道设有第一通断控制阀，所述通气通道设有第二通断控制阀，所述水斗的底部设有排放阀门。

上述的土壤水分入渗率测试装置，优选的，所述土壤水分入渗率测试装置还设有用于支撑并调节上主体水平度的可调水平支撑机构，所述可调水平支撑机构包括安装在上主体上的三根以上可调伸缩脚杆；各可调伸缩脚杆还设有呈平板状的平衡脚板，所述平衡脚板球铰接安装在可调伸缩脚杆的下端；所述上主体上安装有水平仪；所述负压调节管上设有负压值刻度。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的土壤水分入渗率测试装置，将压力调节腔和储水腔一体化集中设置在装置本体上，其体积小，方便携带和使用，可随时在野外快速测定原状土壤的入渗率，不仅不会对原状土壤进行破坏，而且测量速度快。且其负压值可以通过负压调节管来调节，能够满足不同的测试要求，具有较好的适用性。

附图说明

图1为土壤水分入渗率测试装置的结构示意简图。

图例说明：

1、装置主体；11、储水腔；111、上部腔体；112、下部腔体；113、连通软管；12、负压调节腔；101、第一透明圆管；102、隔板；103、橡胶塞；104、第二透明圆管；2、入渗盘；3、负压调节管；4、进气管；41、软管段；5、压力传感器；6、加水组件；61、水斗；62、进水通道；63、通气通道；64、第一通断控制阀；65、第二通断控制阀；66、排放阀门；7、可调水平支撑机构；71、可调伸缩脚杆；72、平衡脚板；8、止水夹；9、水平仪。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本实施例的土壤水分入渗率测试装置，包括装置主体1，装置主体1具有储水腔11和位于储水腔11上方的负压调节腔12，储水腔11的底部设有开口并于开口中安装有入渗盘2，负压调节腔12通过一负压调节管3与外部环境连通，负压调节管3安装在装置主体1上并能调节负压调节管3与负压调节腔12的连通口到负压调节腔12底部的间距，负压调节管3与外部环境的连通口位于负压调节腔12上方，储水腔11通过进气管4与负压调节腔12连通，进气管4与负压调节腔12的连通口高于负压调节管3与负压调节腔12的连通口，还包括用于测量储水腔11中水量的水量测量组件。上述储水腔11、负压调节腔12、负压调节管3、进气管4和入渗盘2构成一个马里奥特瓶装置，通过调节负压调节管3与负压调节腔12的连通口到负压调节腔12底部的间距，可以调节储水腔11内部负压。

本实施例中，入渗盘2的孔隙度范围为27%~49%，孔径大小范围为7.97×10^-14mm~2.4×10^-2mm。该入渗盘2是一个类似于沙土的土壤结构的多孔结构，由不锈钢材料烧结制成，具有一定的持水性、释水性。当负压调节管3调节的范围是0.5-7cmh₂o负压时，该入渗盘2可保持住储水腔11里的水不通过入渗盘2渗漏到大气中；而当入渗盘2平整地接触到土壤时，储水腔11中的水又在土壤基质势的作用下流经入渗盘2入渗到土壤中。上述结构的入渗盘2基于土壤毛管孔隙理论设计，经试验测定，其不仅具有符合土壤结构特征的持水性，且能够有效使水分与土壤充分的接触，保证水分均匀入渗。

本实施例中，进气管4的管径等于进气管4与储水腔11的连通口到入渗盘2的间距。由于在入渗过程中，随着储水腔11上部水位的降低，会在储水腔11上部形成一段负压，此时气体从进气管4底部以气泡形式冒出来补偿这段负压，而进气管4的管径等于进气管4与储水腔11的连通口到入渗盘2的间距，可使进气管4底端与入渗盘2之间的距离要大于气泡的直径，避免气泡冒出而影响入渗过程。优选的，进气管4的管径以及进气管4与储水腔11的连通口到入渗盘2的间距最佳为6mm，不仅可保证气泡冒出不影响入渗过程，同时气泡虹吸偏移量为零。

本实施例中，水量测量组件为采用压力传感器5检测储水腔11中水压力再转化为水量值的测量仪，测量仪的压力传感器5安装在储水腔11中的底部，采用该种水量测量组件的自动化程度更高，减小了因人为造成的误差，提高了测试的准确度和精度。上述测量仪的仪器部分为现有技术，安装在测试装置的外部，其对压力传感器5检测的压力信号进行处理得到土壤入渗率，并且测量仪还具有信息存储功能，可对信息和数据进行自动收集、记录。

本实施例中，储水腔11包括相互独立的上部腔体111和下部腔体112；装置主体1由上主体和下主体构成，上主体和下主体通过转动机构相连并可绕水平轴线相对转动，负压调节腔12和上部腔体111设于上主体上，下部腔体112设于下主体上，上部腔体111和下部腔体112通过一连通软管113连通，进气管4伸入到下部腔体112中，且进气管4于上主体和下主体之间设有一段软管段41，上部腔体111和下部腔体112通过连通软管113连通以及进气管4设置软管段41，不会干扰上主体和下主体的相对转动，同时又能够保证连通性。在土体表面为坡面时，需使入渗盘2与坡面贴合，由于上主体和下主体通过转动机构相连可绕水平轴线相对于转动，可调节上主体相对于下主体转动至保持竖直状态（也即调节上主体的水平度），这样既能保证入渗盘2与坡面贴合，又能确保负压调节腔12内的液位相对于负压调节腔12和负压调节管3的横截面平行，也即使负压调节腔12内的液位与负压值刻度平面平行，进而保证负压值的读取准确。

上述转动机构包括两组转动连接组件，各转动连接组件包括分别固接于上主体和下主体上的两个转动连接件，两个转动连接件通过螺栓和螺帽相互铰接，两个相互铰接的转动连接件可绕螺栓轴线相对转动，且两组转动连接组件的转动轴线共线，这样上主体可绕螺栓轴线相对于下主体转动，且转动的稳定性好。具体的，上主体和下主体上分别锚固固定一个钢环，各钢环从边缘处向外延伸出两个钢片，各钢片分别作为一个转动连接件，固定在上主体上的钢环的两个钢片分别通过螺栓和螺帽与固定在下主体上的钢环的两个钢片铰接。在其他实施例中，转动机构也可以仅包括一组转动连接组件。

本实施例中，土壤水分入渗率测试装置还包括用于控制连通软管113通断的第一通断控制组件和用于控制软管段41通断的第二通断控制组件。第一通断控制组件和第二通断控制组件均为止水夹8，止水夹8夹紧连通软管113和软管段41时可阻断连通软管113和软管段41的内部通道，松开止水夹8可使连通软管113和软管段41的内部通道连通。

本实施例中，上主体包括第一透明圆管101、隔板102和橡胶塞103，第一透明圆管101的下端封闭、上端开口，隔板102安装在第一透明圆管101中并将第一透明圆管101的管腔分隔成负压调节腔12和上部腔体111，橡胶塞103密封安装在第一透明圆管101的上端开口中，橡胶塞103设有安装通孔，负压调节管3滑动密封配合安装在安装通孔中，负压调节管3可在安装通孔中滑动调节安装位置，进而调整负压调节管3下端的高度，也即调整负压调节管3与负压调节腔12的连通口到负压调节腔12底部的间距；下主体包括第二透明圆管104，第二透明圆管104的下端开口、上端封闭，第二透明圆管104的下端开口作为储水腔11安装入渗盘2的开口，入渗盘2安装在第二透明圆管104的下端开口中。上述第一透明圆管101和第二透明圆管104均为有机玻璃管，入渗盘2以镶嵌方式可拆卸的安装在第二透明圆管104的下端口，能够进行自由拆卸。上述结构的上主体和下主体易于制作和装配，成本低。

本实施例中，土壤水分入渗率测试装置还设有用于向上部腔体111中加水的加水组件6；加水组件6包括安装在上主体上的水斗61，水斗61与上部腔体111同时通过进水通道62和通气通道63连通，进水通道62设有第一通断控制阀64，通气通道63设有第二通断控制阀65，水斗61的底部设有排放阀门66。加水时，打开第一通断控制阀64和第二通断控制阀65，关闭排放阀门66，将水加入到水斗61中，水即可通过进水通道62进入到储水腔11中，而储水腔11中的空气可以通过通气通道63排出。加水完成后，关闭第一通断控制阀64和第二通断控制阀65，打开排放阀门66可将水斗61中的水排干。上述通气通道63和储水腔11的连通口位于进水通道62和储水腔11的连通口上方，储水腔11可以加水至其中液面与通气通道63和储水腔11的连通口平齐。通过加水组件6向储水腔11补充水，而不需要往复的拆装入渗盘2，提高了补水的操作简便性和效率，减小了测试装置的破损几率。并且该加水组件6的结构简单，操作控制简便。由于上主体可以调节水平度，也即可调节上部腔体111内的液位与上部腔体111的横截面平行，方便加水和准确控制加水量。

本实施例中，土壤水分入渗率测试装置还设有可调水平支撑机构7，可调水平支撑机构7用于支撑上主体并可调节上主体的水平度。该可调水平支撑机构7包括三根可调伸缩脚杆71，各可调伸缩脚杆71固定安装在上主体上。通过三根可调伸缩脚杆71可将上主体支撑在地面上，同时调整各可调伸缩脚杆71的长度，可调节使上主体保持竖直状态，也即调节上主体的水平度。设置可调水平支撑机构7后可提高测试装置放置的稳定性，并使其能适用于坡面测量，能够解决坡面测量难度大、放置不稳定、负压值不易观测的问题。

上述可调伸缩脚杆71可采用现有技术，例如，可调伸缩脚杆71可包括两根相互套接的管件，两根管件之间采用螺钉紧固定位。

本实施例中，各可调伸缩脚杆71还设有呈平板状的平衡脚板72，平衡脚板72球铰接安装在可调伸缩脚杆71的下端，能够进一步提高平衡性。第一透明圆管101上安装有水平仪9，便于配合进行调平；负压调节管3上设有负压值刻度，便于观察和调节负压值。

采用本实施例的土壤水分入渗率测试装置进行测试时，操作步骤如下：

1、选择测定点，尽量除去地表的植被和石头，整理出足够放置测试设备的平整地面。如若土表不平整，可在可调伸缩脚杆71下端平衡脚板72支撑的地面垫上一层薄薄的石英砂或硅藻土，这样能使测试设备与土壤的接触更紧密。

2、向负压调节腔12加水，将入渗水通过负压调节管3加入到负压调节腔12中，或将橡胶塞103拆卸向负压调节腔12加水。注意：不要使用蒸馏水，因为土壤中的水分含有盐分等溶解的物质，使用蒸馏水会改变土壤溶液的离子平衡，使土壤中粘粒聚集或散开。

3、负压调节腔12加满水后，打开第一通断控制阀64和第二通断控制阀65，关闭排放阀门66，往水斗61内注水从而使水加入到储水腔11中。直到储水腔11内水位与通气通道63和储水腔11的连通口平齐，关闭第一通断控制阀64和第二通断控制阀65，再打开排放阀门66排尽水斗61内的水。注意：此次加水仅仅是一次入渗开始前（或者一次入渗结束后）的加水，在入渗过程中不能加水，如果在入渗过程中加水则会改变储水腔11内的负压。

4、当测试装置竖直悬空放置的情况下入渗盘2没有水漏出时，可以开始测试。

调节好负压值。移动调节负压调节管3在橡胶塞103的安装通孔中的位置，调节负压调节管3与负压调节腔12底部的间距，使负压调节腔12中水面与负压调节管3上相应的负压值刻度持平即可。如果负压调节管3移动困难，可在负压调节管3管壁上涂抹一点真空润滑油。因为不同类型土壤的水分入渗速率不同，测定体积/时间的变化就比较困难，特别是像沙质土壤这样入渗速度非常快的土壤类型。所以，需要根据测定的土壤类型调负压值以更好的适应入渗过程，一般土壤孔隙越大，调节的负压值越大，土壤孔隙越小，调节的负压值也越小。对于大多数情况来说，2cm的负压值正合适。沙质土壤的入渗速度由于很快，负压值6cm比较合适；而对于紧实度高入渗慢的土壤来说，建议使用0.5cm的负压值。上述调节的负压值大小可以依据测量经验得到，或者通过试验测量得到，即先使入渗盘2贴合土壤，在根据入渗过程去调节合适的负压值，最后得到一个合适的负压值。需要强调的是：在单次测量过程中，一旦负压值设置好了，就不能够中间调节了。

调节好负压值后，利用水平仪9和可调伸缩脚杆71进行水平调节，使水平仪9中圆点位于中心位置。注意：在调节水平过程中，应尽量减少测试装置未达到水平而入渗的水量。此时应该将负压值调节为最小，待水平后，再将负压值调到合适位置。

通过测量仪测定开始时的水量，在水分入渗过程中，每间隔10秒测定并记录一次水量。待入渗稳定后（至少10次测定的水量是相等的），停止测定和记录，测量仪将数据保存至芯片内，最后得出的结果显示在显示器上。测量结束后，按下测量仪的置零键，会使测量仪恢复原始测试状态，可进行下一次测试。针对不同的入渗的速率，上述测定并记录水量的间隔时间依据具体情况的而定。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术构思前提下所得到的改进和变换也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种土壤水分入渗率测试装置，其特征在于：包括装置主体（1），所述装置主体（1）具有储水腔（11）和位于储水腔（11）上方的负压调节腔（12），所述储水腔（11）的底部设有开口并于开口中安装有入渗盘（2），所述负压调节腔（12）通过一负压调节管（3）与外部环境连通，所述负压调节管（3）安装在装置主体（1）上并能调节负压调节管（3）与负压调节腔（12）的连通口到负压调节腔（12）底部的间距，所述负压调节管（3）与外部环境的连通口位于负压调节腔（12）上方，所述储水腔（11）通过进气管（4）与负压调节腔（12）连通，所述进气管（4）与负压调节腔（12）的连通口高于所述负压调节管（3）与负压调节腔（12）的连通口，还包括用于测量储水腔（11）中水量的水量测量组件；

所述储水腔（11）包括相互独立的上部腔体（111）和下部腔体（112）；所述装置主体（1）由上主体和下主体构成，所述上主体和下主体通过转动机构相连并可绕水平轴线相对转动，所述负压调节腔（12）和上部腔体（111）设于上主体上，所述下部腔体（112）设于下主体上，所述上部腔体（111）和下部腔体（112）通过一连通软管（113）连通，所述进气管（4）伸入到下部腔体（112）中，且进气管（4）于上主体和下主体之间设有一段软管段（41）；所述土壤水分入渗率测试装置还包括用于控制连通软管（113）通断的第一通断控制组件和用于控制软管段（41）通断的第二通断控制组件；所述上主体包括第一透明圆管（101）、隔板（102）和橡胶塞（103），所述第一透明圆管（101）的下端封闭、上端开口，所述隔板（102）安装在第一透明圆管（101）中并将第一透明圆管（101）的管腔分隔成负压调节腔（12）和上部腔体（111），所述橡胶塞（103）密封安装在第一透明圆管（101）的上端开口中，所述橡胶塞（103）设有安装通孔，所述负压调节管（3）滑动密封配合安装在所述安装通孔中；所述下主体包括第二透明圆管（104），所述第二透明圆管（104）的下端开口、上端封闭，所述入渗盘（2）安装在第二透明圆管（104）的下端开口中。

2.根据权利要求1所述的土壤水分入渗率测试装置，其特征在于：所述入渗盘（2）的孔隙度范围为27%~49%，孔径大小范围为7.97×10^-14mm~2.4×10^-2mm。

3.根据权利要求1所述的土壤水分入渗率测试装置，其特征在于：所述进气管（4）的管径等于进气管（4）与储水腔（11）的连通口到入渗盘（2）的间距。

4.根据权利要求1所述的土壤水分入渗率测试装置，其特征在于：所述水量测量组件为采用压力传感器（5）检测储水腔（11）中水压力再转化为水量值的测量仪，所述测量仪的压力传感器（5）安装在储水腔（11）的底部。

5.根据权利要求1所述的土壤水分入渗率测试装置，其特征在于：所述转动机构包括一组以上转动连接组件，所述转动连接组件包括分别固接于上主体和下主体上的两个转动连接件，两个转动连接件通过螺栓和螺帽相互铰接。

6.根据权利要求1所述的土壤水分入渗率测试装置，其特征在于：所述土壤水分入渗率测试装置还设有用于向上部腔体（111）中加水的加水组件（6）；所述加水组件（6）包括安装在上主体上的水斗（61），所述水斗（61）与上部腔体（111）同时通过进水通道（62）和通气通道（63）连通，所述进水通道（62）设有第一通断控制阀（64），所述通气通道（63）设有第二通断控制阀（65），所述水斗（61）的底部设有排放阀门（66）。

7.根据权利要求1所述的土壤水分入渗率测试装置，其特征在于：所述土壤水分入渗率测试装置还设有用于支撑并调节上主体水平度的可调水平支撑机构（7），所述可调水平支撑机构（7）包括安装在上主体上的三根以上可调伸缩脚杆（71）；各可调伸缩脚杆（71）还设有呈平板状的平衡脚板（72），所述平衡脚板（72）球铰接安装在可调伸缩脚杆（71）的下端；所述上主体上安装有水平仪（9）；所述负压调节管（3）上设有负压值刻度。