CN107314963A - 便携式土壤持水量和渗透率原位测试简易装置及其测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种便携式土壤持水量和渗透速率原位测试简易装置及其测试方法，包括支架，支架上悬置流水器，流水器的进水口上方放置取样器，取样器内盛放待测样品，取样器上方安装注水池，注水池用来蓄水，且注水池内的水能够流入取样器内，流水器的出水口下方放置容器，注水池内的水渗入样品后通过流水器流入容器内，容器用于计算流入的水的体积或流速。本装置便于携带，本发明其结构和操作方法简单，能够避免以往室内试验时因采样、运样对天然土壤结构和性能的影响和干扰，也可在野外各种复杂地形和气候条件下开展试验。
Description
技术领域
本发明属于室内外土壤物理性质、水土保持及生态环境保护等相关测试技术领域，涉及便携式土壤持水量和渗透率原位测试简易装置与方法。
背景技术
水是维持生态系统的重要影响因子，是生命赖以生存的物质基础，也是土壤、植物与环境间进行物质交换的媒介。土壤的持水和渗透功能是维护生态系统、生态功能重要体现，也为区域水资源的循环和利用奠定基础。近年来，随着水土保持工程和生态环境保护的不断推进，诸多学者开展大量的有关水土保持和生态环境保护等方面的研究和讨论，也提出植被和土壤均有涵养水源的作用。在生态环境恢复和保护的研究过程中，如何定义不同地区植被根-土复合体涵养水源、保持水土的功能大小以及水在土壤中的流动循环，则需要进一步了解生态环境中土壤及根-土复合体的持水和渗透能力，然而涉及不同地域、不同生态环境条件下土壤持水量和渗透率的原位测试技术，在试验装置及测试方法方面遇到一些困难，也是有待进一步完善和解决的问题之一。
经市场调查和查阅文献资料表明，目前国内外有关测试土壤持水量或渗透率的仪器相对较多，但适合野外复杂地形和气候条件，即能现场原位测试土壤持水量，又能测定渗透性的便携式简易试验装置及技术尚未形成，如果从野外取样后带回实验室进行测试，则取样过程和样品运输过程中对土壤结构、天然含水量的维持带来诸多人为和外部因素的干扰。为实现天然原位土壤的持水性和渗透性试验，分析野外复杂地形条件下水体在土壤中的运移规律，测试单位面积或单位体积的原状土样在特定气候条件和植被根系作用下的渗透性和饱和持水量，进一步揭示不同地区植被根-土复合体的特性以及涵养水源、保持水土的功能等，需要采用适宜野外复杂地形和气候的便携式土壤持水量和渗透率原位测试简易装置，这也是设计该测试装置和试验方法的主要目的。
发明内容
本发明根据野外复杂地形和气候条件，综合考虑试验过程中诸多因素对试验结果的影响，为达到即能同时现场测试土壤持水量和渗透性，又能确保试验结果真实性与准确性的目的，结合对现有仪器设备在野外试验的欠缺或不足，设计并提供野外便携式土壤持水量和渗透率原位测试简易装置与测试方法，实现上述目的的技术方案如下：
便携式土壤持水量和渗透速率原位测试简易装置，包括支架，其特征在于：支架上悬置流水器，流水器的进水口上方放置取样器，取样器内盛放待测样品，取样器上方安装注水池，注水池用水蓄水，且注水池内的水能够流入取样器内，流水器的出水口下方放置容器，注水池内的水渗入样品后通过流水器流入容器内，容器用于计算流入的水的体积和流速。
本装置便于携带，其结构和操作方法简单，能够避免以往室内试验时因采样、运样对天然土壤结构和性能的影响和干扰，也可在野外各种复杂地形和气候条件下开展试验。如果借助上述便携式野外土壤持水量和渗透率原位测试简易装置，可以有效掌握单位体积、特殊植被根系作用下土壤的渗透性和饱和持水量，为今后探究不同地区植被根-土复合体的特性奠定基础，测试结果可作为田间灌溉和水土流失规律的理论依据，也为研究土壤的涵养水源、保持水土功能和开展生态环境保护工作具有重要的指导意义。
附图说明
图1为本发明主视图。
图2为本发明剖面结构示意图。
图3为本发明俯视图。
图4为本发明底座结构示意图。
附图序号说明：漏斗1、取样器2、注水池3、容器4、底座5、支撑杆6、安装边7、聚水管8、锚钉9、滤网10
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细的说明。
便携式土壤持水量和渗透速率原位测试简易装置，包括支架，支架上悬置流水器，所述流水器为漏斗1，漏斗1的进水口上方放置取样器2，取样器2内盛放待测试的样品，取样器2上方安装注水池3，注水池3内用来蓄水，漏斗1的出水口下方放置容器4，所述容器4可以是量杯或烧杯，注水池3内的水渗入样品后流入量杯或烧杯内。注水池1、容器4的侧面上分别设置刻度，方便计算和观看水流的速度或体积。
具体的支架包括底座5，底座5大体为一板状结构，更具体的可以是三角形板，本发明中所涉及的三角形形状之间的放置互相对应，底座5的上方插设至少两根支撑杆6，漏斗1为聚水漏斗，漏斗1的边缘向外延伸出一安装边7，螺栓穿过安装边7后与支撑杆6连接在一起，或者，支撑杆6的上端具有外螺纹，插孔内具有内螺纹，支撑杆6直接与安装边7的插孔适配连接。为了支架的稳固，支撑杆6选取三根，采用三角形分布的形式插接在底座5上，支撑杆6与底座5之间可以采取螺纹连接的方式，支撑杆6也可以直接插入在底座5上。为了方便放置取样器2，漏斗1的安装边7也向上的略凸出一点，使安装边7的高度略高于漏斗进水口的高度，如此，取样器2的底部正好坐落在安装边7包围的空间内，形成卡槽式连接，本发明中安装边7可以不是环形的，而是直接向外延伸出的三根平面的安装边7，采用这样的结构一是可以减轻漏斗1的重量，二是可以节约材料。所述聚水漏斗3的出水口延伸出一截聚水管8，聚水管8可以将水流收拢，避免水滴飞溅。
支撑杆6的外围、在底座5上设置至少两个插孔，所述插孔内插入锚钉9，锚钉9可将整个装置固定在野外任何平坦地面上，很方便的插入土中。优选插孔为三个，三根锚钉9形成稳固的三角形的支撑。而插孔内可以设置内螺纹，支撑杆6下端设置外螺纹，上述螺纹适配连接，使锚钉9与底座5之间连接关系稳固，而且方便拆卸。所述支撑杆6可以选用直径15mm的不锈钢实心钢杆进行制作，总长度为30～40cm。选取的材质和尺寸不仅具有一定的强度，而且小巧，方便携带。
本发明中的注水池3内的水可以直接使用野外存在的水，例如，雨水，江河湖海的水，溪水等等，使用野外的水进行实验，有可能水中的杂质比较多，为了避免杂质影响水的流出与流速，在注水池3的底部安装设置滤网，还可以进一步的在滤网上铺设滤纸，可以过滤更加细小的杂质。注水池3内的水通过取样器2会慢慢渗出，流入漏斗1内，再从漏斗1的聚水管8流入烧杯内，在漏斗1的进水口位置也可以设置滤网10，网孔直径为1mm，而滤网上可以进一步铺设滤纸，进一步保证水流的纯净、水速的准确，所述注水池的高度为8cm，内径为8cm，采用有机玻璃制作，方便观察。同时由于滤网的设置，当需要安装取样器时，只要把取样器放置在滤网上即可，而漏斗的安装边形成扶持漏斗的侧壁。
为了取样方便，取样器2选取环刀，环刀的底端设置刀刃。所述环刀为一空心圆柱体，圆柱体的底端形成刀刃，便于切取野外植被根-土复合体原状试样，也方便将取样器2插入取样环境的土中。注水池3底部可以与环刀内壁套接，如此注水池3与环刀可以牢靠的接触，不会随意歪倒。所述环刀为不锈钢环刀，高度为10cm，厚度2mm，内径为8cm。
所述容器4在试验时安置在底座5的中心，可收集从聚水漏斗1下端流出的水体，底座5的中心可以具有凹槽，容器4的底端容置在凹槽内；试验中容器也可用量筒等其他测液态体积的工具代替，容积可视试验需求而定。上述的数据可以根据实际需要进行选取，本发明中的容器、长短、大小等参数的设定不局限在本发明中的具体尺寸。
下面详细的描述本装置测试土壤持水量和渗透率的步骤：
步骤(1)、将聚水漏斗、支撑杆、底座连接好，在试验区旁边用锚钉在平坦地面上固定好；
步骤(2)、将环刀放在待测地面上，并将环刀轻轻压入待测土层中，确保环刀整体没入土层内；
步骤(3)、将环刀外围的土清理后轻轻取出环刀(含土柱)，再用削土刀将环刀两端的土削平，如果有植物根系，则用剪刀将延伸出环刀口外的根系按环刀的高低进行剪除；环刀取样环境必须保证土样或根-土复合体不被扰动；
步骤4、在漏斗上面的滤网上铺垫滤纸，并将取好的环刀及土样立即安置在提前安装好的漏斗上；
步骤(5)、将注水池安装在环刀及土样的上端，并在聚水漏斗下端的底座上安置好烧杯或量筒；
步骤(6)、将水注入注水池内，待漏斗下端聚水管内滴水时开始计时，每隔1min测量渗出水的体积，并保持注水池内的水位高度为5cm；
步骤(7)、待每min内漏出的水量保持恒定后，环刀内土柱的含水量即为待测土样的饱和含水量；如果将用环刀取出的土柱测含水量，即为野外土壤或根-土复合体的天然持水量。
步骤(8)、当每min内漏出的水量保持恒定时，根据单位时间的渗水量、渗水时间、环刀内土柱的横截面积、土柱高度和单位时间内注水厚度等，即可按下述公式计算出待测土壤或根-土复合体的渗透速度和渗透系数，试验中也可测试环刀内待测土样的温度(通过采用土壤水分速测仪测试)。
待测土壤或野外根-土复合体在某一温度条件下的渗透系数和渗透速度具体可通过下述公式计算得到：
①渗透速度的计算公式：
式中：V---渗透速度，cm/min；
Q---通过土柱渗出的水量，cm3；
A---土柱的横截面积，cm2；
t---渗透时间，min。
②渗透系数的计算公式：
式中：K---渗透速度，cm/min；
Q---通过土柱渗出的水量，cm3；
A---土柱的横截面积，cm2；
t---渗透时间，min；
l---取样环刀高度(土柱高度)，cm；
h---注水池注入水的高度，cm。
上述公式中“·”代表乘号。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)、可以根据需求测试大体积的土壤持水量或渗透速率，
(2)、本试验装置同时可以实现饱和持水量和渗透速率的测试。
(3)、装置中的注水池、聚水漏斗、支撑杆和底座等的连接方式简单，该装置易安装和拆卸，搬运方便，固定稳定，可适用于各种复杂地形条件下的现场试验；
(4)、野外现场可以试验，避免了取样、运样过程中各种影响因素的干扰或破坏；
(5)、可以现场试验，样品及重复试验可以就地取样，避免了室内试验的样品紧缺或试验失败现象。
(6)、就地试验，可配套土壤多参数测试仪器，可以测试天然持水量、某一降雨或蒸发条件下的持水量以及天然土壤的饱和持水量等参数。
以上仅为本发明实施例的较佳实施例而已，并不用以限制本发明实施例，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明实施例的保护范围内。
Claims (10)
1.便携式土壤持水量和渗透速率原位测试简易装置，包括支架，其特征在于：支架上悬置流水器，流水器的进水口上方放置取样器，取样器内盛放待测样品，取样器上方安装注水池，注水池用来蓄水，且注水池内的水能够流入取样器内，流水器的出水口下方放置容器，注水池内的水渗入样品后、再从取样器内渗出，通过流水器流入容器内，容器用于计算流入的水的体积和/或流速。
2.根据权利要求1所述的便携式土壤持水量和渗透速率原位测试简易装置，其特征在于：所述取样器为环刀，取样器的底端设置刀刃。
3.根据权利要求1所述的便携式土壤持水量和渗透速率原位测试简易装置，其特征在于：所述支架包括底座，底座的上方插设至少两根支撑杆，支撑杆的顶部设置外螺纹；所述流水器为漏斗，漏斗的边缘设置插孔，插孔内设置内螺纹，所述支撑杆顶部的外螺纹与插孔内螺纹适配连接，将流水器固定在支撑杆上。
4.根据权利要求3所述的便携式土壤持水量和渗透速率原位测试简易装置，其特征在于：支撑杆的外围、在底座上设置至少两个插孔，所述插孔内插入锚钉，锚钉能够插入在地面里。
5.根据权利要求1所述的便携式土壤持水量和渗透速率原位测试简易装置，其特征在于：所述注水池底部和/或流水器的进水口位置分别设置滤网。
6.根据权利要求5所述的便携式土壤持水量和渗透速率原位测试简易装置，其特征在于：所述滤网上进一步铺设滤纸。
7.根据权利要求1所述的便携式土壤持水量和渗透速率原位测试简易装置，其特征在于：注水池和或容器上分别设置刻度。
8.根据权利要求1所述的便携式土壤持水量和渗透速率原位测试简易装置，其特征在于：所述流水器为漏斗，漏斗的出水口向下延伸出一截聚水管，聚水管用于水流的聚拢。
9.权利要求1所述的便携式土壤持水量和渗透速率原位测试简易装置的测试方法，其特征在于：
步骤(1)、将支架在平坦地面上固定好，并将流水器安装好；
步骤(2)、将取样器放在待测地面上，并将取样器轻轻压入待测土层中，确保取样器整体没入土层内；
步骤(3)、在土样或根-土复合体不被扰动的情况下，将取样器外围的土清理后取出含有土柱的取样器，之后将取样器两端的土削平，如果有植物根系，则将延伸出取样器下端的根系剪除；
步骤(4)、在流水器上面铺设好滤网，并将取好的取样器及土样立即安置在提前安装好的流水器上；
步骤(5)、将注水池安装在取样器的上端，并将容器放置在流水器下方的底座上；
步骤(6)、将水注入注水池内，待流水器开始滴水时计时，每隔1min测量容器内的渗出的水的体积，并保持注水池内的水位足够；
步骤(7)、待每min内漏出的水量保持恒定后，测试取样器内土柱的含水量即为待测土样的饱和含水量；
步骤(8)、当每min内漏出的水量保持恒定时，根据单位时间的渗水量、渗水时间、环刀内土柱的横截面积、土柱高度和单位时间内注水厚度的参数，即能够测算出待测土壤或根-土复合体的渗透速度和渗透系数。
10.根据权利要求9所述的便携式土壤持水量和渗透速率原位测试简易装置的测试方法，其特征在于：通过下述公式计算渗透速度和渗透系数：
①渗透速度的计算公式：
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<mrow>
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<mi>t</mi>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
式中：V---渗透速度，cm/min；
Q---通过土柱渗出的水量，cm3；
A---土柱的横截面积，cm2；
t---渗透时间，min。
②渗透系数的计算公式：
<mrow>
<mi>K</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mi>Q</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>l</mi>
</mrow>
<mrow>
<mi>t</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>A</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>h</mi>
<mo>+</mo>
<mi>l</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
</mfrac>
<mo>=</mo>
<mi>V</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mfrac>
<mi>l</mi>
<mrow>
<mi>h</mi>
<mo>+</mo>
<mi>l</mi>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
式中：K---渗透速度，cm/min；
Q---通过土柱渗出的水量，cm3；
A---土柱的横截面积，cm2；
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