CN108169100B - 一种原位测定降雨入渗参数的装置及测定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种原位测定降雨入渗参数的装置及测定方法，包括供水系统和入渗区，供水瓶包括水槽和设置在水槽上方的密闭水箱，密闭水箱的底部设置有进气管和出水管，进气管和出水管均伸入水槽中，所述雨滴模拟装置包括铁丝网和安装在铁丝网上的若干滴水口，水槽底部通过连接水管与滴水口连通；构成了可以模拟不同降雨强度的供水系统，与现有降雨模拟器相比十分经济实惠且便于操作；有效入渗区采用灌浆帷幕的方法将试验区土体与周围土体隔离开来，避免了水在入渗过程中的侧流，也避免了蒸发蒸腾等外界环境的干扰，同时也可得到在天然条件下研究区内湿润土壤排干水份需要的时间。
Description
技术领域
本发明涉及水文地质与工程地质领域，具体涉及一种原位测定降雨入渗参数的装置及测定方法。
背景技术
与降雨入渗相关的参数，如入渗速率、入渗影响深度等，对暴雨洪水管理、地质灾害防治、农林牧业发展等有着重要作用。对暴雨洪水管理来说，国内常用SWMM—Horton模型来模拟城市某一单一降水事件或长期的水量和水质模拟，模型中所需要的参数有最大入渗速率、最小入渗速率、衰减常数、枯萎点、排干时间、最大入渗容积。对于以上6个的参数，在实际中一般选用经验常数或者用双环试验、单环试验甚至饱和入渗系数来近似代替，这对精确模拟降水事件及相关灾害的防止来说是不够严密和谨慎的。
单环法和双环法测定非饱和带入渗速率的主要原理是在试验场地用铁环固定一圈渗水区，在单环内进行保持恒水头给土层供水，或在内外环间造水帷幕防止内环水的侧向渗透，当单位时间注入的水量保持稳定时，根据达西定律就可计算出土层的渗透系数K(K＝V/I＝Q/A)。该方法不能阻止水向四周的入渗，也不能将土层中的空气完全排尽，且补给条件为面状补给，不能贴合实际降雨补给条件，试验时间越久，蒸发等因素的干扰就会越发明显。
为了更为准确地测定出非饱和带的入渗速率，及常用水事件模型SWMM—Horton模型中参数的测定，有必要提出一套完整的试验方案及装置来实现这一目的。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，为了解决现有原位测定非饱和入渗系数方法(单环法、双环法)中不能控制入渗向四周扩散、无法排尽空气、不能模拟实际降雨条件等的问题，本发明的目的是提供一种原位测定最大入渗速率、最小入渗速率、衰减常数、枯萎点、排干时间、最大入渗容积的装置及其测定方法，具有测量精度高、易操作、可循环利用等优点，解决了现常用原位测定土壤入渗速率的不足，为SWMM—Horton模型中参数的赋值提供了更为准确的参考。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种原位测定降雨入渗参数的装置，包括供水系统和入渗区，其中，供水系统包括放置在脚手架上的供水瓶和位于入渗区上方的雨滴模拟装置，供水瓶包括水槽和设置在水槽上方的密闭水箱，密闭水箱的底部设置有进气管和出水管，进气管和出水管均伸入水槽中，所述雨滴模拟装置包括铁丝网和安装在铁丝网上的若干滴水口，水槽底部通过连接水管与滴水口连通；所述入渗区包括设置于地面下的灌浆帷幕以及设置在地面上的底端与灌浆帷幕开口完全重合集雨器，灌浆帷幕圈起的土壤构成有效入渗区，集雨器的上下均开口且集雨器顶部设置有可开闭的盖子。
还包括观测区，观测区包括顺灌浆帷幕外壁开挖的探坑和插接在灌浆帷幕侧壁上的若干组水份计和水势计，包括在集雨器侧壁紧贴地面处通过开孔连通导水管一端，导水管另一端联通的量筒，还包括紧贴集雨器外壁插接在地面的蒸发测定装置。
密闭水箱的顶部设置有通过密封盖密封的注水口，进气管顶部开口高于密闭水箱中的液面，且进气管的底部开口高于出水管的底部开口或者进气管的底部开口与出水管的底部开口平齐；水槽底部高于滴水口，水槽底部的连接水管为橡胶管，连接水管上装有控制水流速度的控制阀门；滴水口为输液器针头，滴水口的针头端固定于铁丝网的网格内。
所述蒸发测定装置包括竖直插入地面的水份计和罩住水份计透明玻璃罩。
集雨器高25cm且插入地面5cm；灌浆帷幕15的高为3m，内径1m；探坑的截面为梯形，深3m，坑底宽0.5m，探坑的斜坡上设置有连接地面的梯子；相邻两组水份计和水势计之间的间隔为20cm；进气管的底部开口与水槽的底面之间的距离为50cm。
本发明还提供了一种原位测定降雨入渗参数的测定方法，包括以下步骤，：
步骤1：在模拟降雨前测出入渗区内土体的初始含水率；
步骤2：关闭控制阀门，在供水瓶中装水，水槽中保持50cm的恒定水头；关闭集雨器顶部盖子，封闭入渗区；打开控制阀门，启动供水系统，通过控制阀门调节降雨强度，记录密闭水箱中水位下降的速度，当流速达到设计雨强时，打开集雨器顶部盖子；
步骤3：按照设计的时间间隔，测量量筒内余水量并读取水份计和水势计的读数；整个测量过程直至量筒内的余水量变化达到稳定时结束；根据所观测的数据生成t-f曲线，其中f为SWMM—Horton模型中的入渗能力，用Horton方程拟合后可得出入渗区内土体的最小入渗速率、最大入渗速及衰减常数；
步骤4：降雨模拟结束后，移除雨滴模拟装置，使入渗区内土体在自然环境中进行自我恢复，在此过程中，读取水份计和水势计的读数直至读数恢复到步骤1所得初始含水率，这段恢复时间即为排干时间；
步骤5：实验室内利用土壤最大吸湿水量确定枯萎点。在分析天平上称出干燥而洁净的铝盒重量W1；称取入渗区内的土体过1mm筛孔的风干土样放入铝盒中，盖上盒盖；将盒盖盖紧后称重，后打开盒盖放入保湿器中吸水并称重，重复吸水称重直至相邻两次吸水后的土样重量差不超过0.005g完成土样吸水，取吸水后所有称量值中的最大值作为W2；然后，将盒盖打开放入烘箱中烘干后取出，盖上盒盖冷却至室温后称重，重复上述烘干称重直至相邻两次烘干称重的重量差不超过0.003g，选取所有烘干称重值中的最小值作为W3，则：
土壤最大吸湿水含量(％)＝(W2-W3)/(W3-W1)×100％
凋萎含水量(％)＝2×土壤最大吸湿水含量(％)。
所述步骤1中的含水率测试方法如下，利用洛阳铲提出3m厚的原状土，测出每一段土体的含水率或者直接从水份计和水势计上读取初始值。
所述步骤3中，水份计和水势计测读时间间隔为5～10分钟，余水量10～30分钟测量一次。
所述步骤4的排干时间在自然风干场地的过程中读取水份计和水势计的读数来确定，当水份计和水势计的读数达到步骤1中得到的初始值即完成排干。
在步骤1前，取有效入渗区内原状样在相同的降雨模拟条件下做室内的模拟试验，根据室内原状土的入渗情况，估算出不同降雨强度下，现场试验一次模拟所需水量及入渗总时长和测量的时间间隔。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果，其中供水系统利用传统马氏瓶原理可以保持恒水头供水，用带有控制阀门的橡皮管与用滴水口和铁丝网组成的雨滴模拟器相连，构成了可以模拟不同降雨强度的供水系统，与现有降雨模拟器相比十分经济实惠且便于操作；有效入渗区采用灌浆帷幕的方法将试验区土体与周围土体隔离开来，避免了水在入渗过程中的侧流，也避免了蒸发蒸腾等外界环境的干扰，同时也可得到在天然条件下研究区内湿润土壤排干水份需要的时间。
进一步的，通过在观测区设置简易蒸发测定装置可以测出试验区地面水份的变化，代替有效入渗区的蒸发量，比购买专业蒸发测定装置大大节省了成本；顺灌浆帷幕侧壁开挖探坑一方面可以检查注浆是否完全隔离了内外土体，另一方面在壁上可插放水份计和水势计用来读取任意时刻入渗区内含水量和水势，这些数据对研究非饱和土体的渗透特性是非常必要的；由于较强的雨强会形成地面径流，水份只能部分入渗，故用导管将多余的水导流到量筒中，再与供水系统中的水量作对比就可以得到实际渗入到入渗区内的水量，且用量筒中的水量变化达到稳定来代替有效渗透区内渗透稳定更加直观和方便。总体来说，该试验可有效控制降雨补给条件、动态观测研究土体在一场降雨中的水份变化及水势变化情况，具有测量精度高、易操作、可循环利用等优点，解决了现常用原位测定土壤入渗速率的不足，为SWMM—Horton模型中参数的赋值提供了更为准确的参考。
进一步的，通过在步骤1前的室内模拟实验，以便定做合适的供水装置、设定适宜的降雨强度及观测间隔，室内试验完成后，便可估算出对于现场100cm×300cm的圆柱状入渗区在同样降雨条件下所需要的补给量，由此定做合适大小的供水装置。
附图说明
图1是现场测定SWMM—Horton模型中降雨入渗参数的装置图
附图中：1-密封盖，2-进气管，3-出水管，4-水槽，5-支架，6-液面，7-橡胶水管，8-滴水口，9-铁丝网，10-控制阀门，11-脚手架，12-第一梯子，13-集雨器，14-有效入渗区，15-灌浆帷幕，16-导水管，17-水份计，18-水势计，19-量筒，20-玻璃罩，21-探坑，22-第二梯子。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明包括供水系统Ⅰ、入渗区Ⅱ和观测区Ⅲ，其中，供水系统Ⅰ包括放置在脚手架11上的供水瓶和位于入渗区Ⅱ上方的雨滴模拟装置，供水瓶包括水槽4和设置在水槽4上方的密闭水箱，密闭水箱的底部设置有进气管2和出水管3，进气管2和出水管3均伸入水槽4中，所述雨滴模拟装置包括铁丝网9和安装在铁丝网9上的若干滴水口8，水槽4底部通过连接水管7与滴水口8连通；所述入渗区Ⅱ包括设置于地面下的灌浆帷幕15以及设置在地面上的底端与灌浆帷幕15开口完全重合集雨器13，灌浆帷幕15圈起的土壤构成有效入渗区14，集雨器13的上下均开口且集雨器13顶部设置有可开闭的盖子；还包括观测区Ⅲ，观测区Ⅲ包括顺灌浆帷幕15外壁开挖的探坑21和插接在灌浆帷幕15侧壁上的若干组水份计17和水势计18，包括在集雨器13侧壁紧贴地面处通过开孔连通导水管16一端，导水管16另一端联通的量筒19，还包括紧贴集雨器13外壁插接在地面的蒸发测定装置。
密闭水箱的顶部设置有通过密封盖1密封的注水口，进气管2顶部开口高于密闭水箱中的液面，且进气管2的底部开口高于出水管3的底部开口或者进气管2的底部开口与出水管3的底部开口平齐；水槽4底部高于滴水口8，水槽4底部的连接水管7为橡胶管，连接水管7上装有控制水流速度的控制阀门10；滴水口8为输液器针头，滴水口8的针头端固定于铁丝网9的网格内。
所述蒸发测定装置包括竖直插入地面的水份计17和罩住水份计17透明玻璃罩20。
在本发明的优选实施例中，集雨器13高25cm且插入地面5cm；灌浆帷幕15的高为3m，内径1m；探坑21的截面为梯形，深3m，坑底宽0.5m，探坑21的斜坡上设置有连接地面的梯子22；相邻两组水份计17和水势计18之间的间隔为20cm；进气管2的底部开口与水槽4的底面之间的距离为50cm。
本发明的搭建过程如下，步骤1，确定试验点，并由试验点中心向外120cm范围的圆内造一圈灌浆帷幕15，以防止入渗测流及自然降水等外界条件的干扰，灌浆面积宽20cm，深3m。同时，在灌浆帷幕15上部，即以地面试验点为圆心0.5m为半径的范围内安装集雨器13，集雨器13为高30cm上下均敞口的圆柱，集雨器13下部5cm插入地面，上部25cm露出地面；在集雨器13侧边底部开孔并接一导水管16，导水管16出口置于量筒19中，量筒19放置在探坑21底部，该导水管16的作用是将多余的雨水引流至量筒19内，测出余水量。
步骤2，待灌浆凝固后，于灌浆帷幕15外围一侧开挖梯形探坑21，探坑21深3m，坑底宽0.5m，探坑16左壁即灌浆帷幕15右外壁保持竖直，其他方向根据实际情况开挖出一定的坡度，防止探坑坍塌，在探坑16右侧斜坡上固定一梯子22，方便工作人员下进入探坑16读取数据。在开挖探坑16的过程中可观察到帷幕灌浆15是否达到理想效果，若不合格，需继续加注灌浆；探坑16完工后，在左侧直立的坑壁水平插放水份计17和水势计18，从地面至坑底，每隔20cm放置一组，共计15组，水份计17和水势计18应平行放置，水份计17和水势计18的作用是可测出任意时刻有效入渗区14的含水率和土壤水势的大小。
步骤3，灌浆帷幕15和探坑16造好后便可以在地面搭建支架，建议使用施工脚手架11，拆卸方便、安全可靠。脚手架11高2m，宽2m，长3m～5m，上部搭设铁板，下方腾空，可供工作人员活动，脚手架11旁设有第一梯子12，以便上台操作供水系统Ⅰ。
步骤4，脚手架11搭建完毕后即可安装供水系统Ⅰ，供水系统Ⅰ由放置在脚手架11上的供水瓶和位于入渗区Ⅱ正上方的雨滴模拟装置组成，供水瓶由上、下两部分组成，上部是置于铁架5之上的顶部有密封盖1、下部有进气管2和出水管3的密封水箱；下部是一水槽4用于承接上瓶出水管3流下的水，内外气压平衡后，水槽4中的水位会稳定在6处；下部水槽4底部接一橡胶管7，橡胶管7上装有控制水流速度的控制阀门10；雨滴模拟装置由铁丝网9和若干滴水口8组成，铁丝网9可选用2cm×2cm规格，滴水口8的喷口端固定于铁丝网9的网格内，滴水口8的软管端插入水槽4底部的橡胶管7内，接口处做好密封工作，防止漏水。
在试验前，应取有效入渗区14内原状样在相同的降雨模拟条件下做室内的模拟试验，根据室内原状土的入渗情况，估算出不同降雨强度下，现场试验一次模拟所需水量及入渗总时长、测量的时间间隔等设计值，以便定做合适的供水装置、设定适宜的降雨强度及观测间隔。室内试验完成后，便可估算出对于现场100cm×300cm的圆柱状入渗区在同样降雨条件下所需要的补给量，由此定做合适大小的供水装置。现场试验设计图见附图，上部为供水系统，中间平面为地面，下部柱状区域为本次试验的有效入渗区14。现使用本发明装置测定的具体步骤如下：
步骤1：模拟降雨前，先利用洛阳产提取原状土或用水分计之际读数来测出土体的初始含水率；
步骤2：关闭水流控制阀门，在供水瓶中装满足够的水，水槽中水头保持50cm的恒定水头(可调)，并准备好备用供水瓶，以防水不够时更换注水瓶。
在集雨器上部加盖，封闭有效入渗区14；打开水流控制阀门，启动降雨装置，通过水流控制器来调整降雨强度(雨强大于入渗能力、雨强小于入渗能力等)，记录供水瓶中水位下降的速度，当流速达到设计雨强时，打开集雨器上部的盖子，试验启动。
步骤3：按照设计的时间间隔，测量量筒中的余水量并读取水份计和水势计的读数，其中水份计和水势计测读时间间隔为5～10分钟，余水量要密集测量，10～30分钟测量一次；直至余水量的变化达到稳定，根据所观测的数据生成t-f曲线，其中，f为SWMM—Horton模型中的入渗能力，用Horton方程拟合，即可得出所需要最小入渗速率、最大入渗速及衰减常数；
步骤4：降雨模拟结束后，拆掉试验区上部的雨滴模拟装置，使其完全暴露在自然环境中进行自我恢复，在此过程中，每隔一小时读取一次水份计和水势计的读数，直至读数恢复到初始值，这段恢复时间即为排干时间；土体恢复到自然含水率后就可进行下一次试验。
步骤5：实验室内利用土壤最大吸湿水量确定枯萎点。在分析天平上称出干燥而洁净的铝盒重量W1；称取入渗区内的土体过1mm筛孔的风干土样放入铝盒中，盖上盒盖；将盒盖盖紧后称重，后打开盒盖放入保湿器中吸水并称重，重复吸水称重直至相邻两次吸水后的土样重量差不超过0.005g完成土样吸水，取吸水后所有称量值中的最大值作为W2；然后，将盒盖打开放入烘箱中烘干后取出，盖上盒盖冷却至室温后称重，重复上述烘干称重直至相邻两次烘干称重的重量差不超过0.003g，选取所有烘干称重值中的最小值作为W3，则：
土壤最大吸湿水含量(％)＝(W2-W3)/(W3-W1)×100％
凋萎含水量(％)＝2×土壤最大吸湿水含量(％)。
Claims (8)
1.一种原位测定降雨入渗参数的装置，其特征在于，包括供水系统(Ⅰ)和入渗区(Ⅱ)，其中，供水系统(Ⅰ)包括放置在脚手架(11)上的供水瓶和位于入渗区(Ⅱ)上方的雨滴模拟装置，供水瓶包括水槽(4)和设置在水槽(4)上方的密闭水箱，密闭水箱的底部设置有进气管(2)和出水管(3)，进气管(2)和出水管(3)均伸入水槽(4)中，所述雨滴模拟装置包括铁丝网(9)和安装在铁丝网(9)上的若干滴水口(8)，水槽(4)底部通过连接水管(7)与滴水口(8)连通；所述入渗区(Ⅱ)包括设置于地面下的灌浆帷幕(15)以及设置在地面上的底端与灌浆帷幕(15)开口完全重合集雨器(13)，灌浆帷幕(15)圈起的土壤构成有效入渗区(14)，集雨器(13)的上下均开口且集雨器(13)顶部设置有可开闭的盖子；
还包括观测区(Ⅲ)，观测区(Ⅲ)包括顺灌浆帷幕(15)外壁开挖的探坑(21)和插接在灌浆帷幕(15)侧壁上的若干组水份计(17)和水势计(18)，包括在集雨器(13)侧壁紧贴地面处通过开孔连通导水管(16)一端，导水管(16)另一端联通的量筒(19)，还包括紧贴集雨器(13)外壁插接在地面的蒸发测定装置；
密闭水箱的顶部设置有通过密封盖(1)密封的注水口，进气管(2)顶部开口高于密闭水箱中的液面，且进气管(2)的底部开口高于出水管(3)的底部开口或者进气管(2)的底部开口与出水管(3)的底部开口平齐；水槽(4)底部高于滴水口(8)，水槽(4)底部的连接水管(7)为橡胶管，连接水管(7)上装有控制水流速度的控制阀门(10)；滴水口(8)为输液器针头，滴水口(8)的针头端固定于铁丝网(9)的网格内。
2.根据权利要求1所述的一种原位测定降雨入渗参数的装置，其特征在于，所述蒸发测定装置包括竖直插入地面的水份计(17)和罩住水份计(17)透明玻璃罩(20)。
3.根据权利要求1所述的一种原位测定降雨入渗参数的装置，其特征在于，集雨器(13)高25cm且插入地面5cm；灌浆帷幕(15)的高为3m，内径1m；探坑(21)的截面为梯形，深3m，坑底宽0.5m，探坑(21)的斜坡上设置有连接地面的第二梯子(22)；相邻两组水份计(17)和水势计(18)之间的间隔为20cm；进气管(2)的底部开口与水槽(4)的底面之间的距离为50cm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种原位测定降雨入渗参数的装置的测定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在模拟降雨前测出入渗区(Ⅱ)内土体的初始含水率；
步骤2：关闭控制阀门(10)，在供水瓶中装水，水槽(4)中保持50cm的恒定水头；关闭集雨器(13)顶部盖子，封闭入渗区；打开控制阀门(10)，启动供水系统，通过控制阀门(10)调节降雨强度，记录密闭水箱中水位下降的速度，当流速达到设计雨强时，打开集雨器(13)顶部盖子；
步骤3：按照设计的时间间隔，测量量筒(19)内余水量并读取水份计(17)和水势计(18)的读数；整个测量过程直至量筒(19)内的余水量变化达到稳定时结束；根据所观测的数据生成t-f曲线，其中f为SWMM—Horton模型中的入渗能力，用Horton方程拟合后可得出入渗区内土体的最小入渗速率、最大入渗速率及衰减常数；
步骤4：降雨模拟结束后，移除雨滴模拟装置，使入渗区内土体在自然环境中进行自我恢复，在此过程中，读取水份计(17)和水势计(18)的读数直至读数恢复到步骤1所得初始含水率，这段恢复时间即为排干时间；
步骤5：实验室内利用土壤最大吸湿水量确定枯萎点，在分析天平上称出干燥而洁净的铝盒重量W1；称取入渗区内的土体过1mm筛孔的风干土样放入铝盒中，盖上盒盖；将盒盖盖紧后称重，然后打开盒盖放入保湿器中吸水并称重，重复吸水称重直至相邻两次吸水后的土样重量差不超过0.005g完成土样吸水，取吸水后所有称量值中的最大值作为W2；然后，将盒盖打开放入烘箱中烘干后取出，盖上盒盖冷却至室温后称重，重复上述烘干称重直至相邻两次烘干称重的重量差不超过0.003g，选取所有烘干称重值中的最小值作为W3，则：
土壤最大吸湿水含量(％)＝(W2-W3)/(W3-W1)×100％
凋萎含水量(％)＝2×土壤最大吸湿水含量(％)。
5.根据权利要求4所述的一种测定方法，其特征在于，所述步骤1中的含水率测试方法如下，利用洛阳铲提出3m厚的原状土，测出每一段土体的含水率或者直接从水份计和水势计上读取初始值。
6.根据权利要求4所述的一种测定方法，其特征在于，所述步骤3中，水份计(17)和水势计(18)测读时间间隔为5～10分钟，余水量10～30分钟测量一次。
7.根据权利要求4所述的一种测定方法，其特征在于，所述步骤4的排干时间在自然风干场地的过程中读取水份计和水势计的读数来确定，当水份计和水势计的读数达到步骤1中得到的初始值即完成排干。
8.根据权利要求4所述的一种测定方法，其特征在于，在步骤1前，取有效入渗区(14)内原状样在相同的降雨模拟条件下做室内的模拟试验，根据室内原状土的入渗情况，估算出不同降雨强度下，现场试验一次模拟所需水量及入渗总时长和测量的时间间隔；以便定做合适的供水装置、设定适宜的降雨强度及观测间隔，室内试验完成后，便可估算出对于现场直径100cm×高300cm的圆柱状入渗区在同样降雨条件下所需要的补给量，由此定做合适大小的供水装置；整个装置的上部为供水系统，中间平面为地面，下部柱状区域为本次试验的有效入渗区(14)。
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