CN108445191B - 一种冻土中土壤冰含量的测量方法及测量设备 - Google Patents

Abstract

本发明属于土壤检测技术领域，尤其涉及一种冻土中土壤冰含量的测量方法及测量设备。所述测量方法包括：将冻土土样放入可以读取体积的恒容容器中，然后向容器中注入0℃的冰水，直至淹没冻土土样，得第一土水混合物，并读取第一土水混合物的体积；将第一土水混合物中的土壤冰融化，得第二土水混合物，并读取第二土水混合物的体积；结合第一土水混合物和第二土水混合物的体积，算得冻土土样中土壤冰的体积，冰的密度已知，从而推算得冻土土样中土壤冰的质量。所述测量设备包括所述容器，该容器包括底座和设于底座顶端的上端盖，上端盖构造有刻度线。本发明的测量方法，测量成本低，操作便捷，省时省力，误差因素少；测量设备结构简单，制造成本低。

Description

一种冻土中土壤冰含量的测量方法及测量设备

技术领域

本发明属于土壤检测技术领域，尤其涉及一种冻土中土壤冰含量的测量方法及测量设备，适用于野外及室内的天然冻土和人工冻土中含水量的测量。

背景技术

一般情况下，当土壤的温度低于0℃时，在土壤大孔隙中存在的水分开始发生相变，水分由液态水变为固态冰；而土壤中的毛管水和存在于土壤表面的薄膜水则处于液态，即土壤的未冻水。冻土中的水分和未冻水共同存在对土壤水文过程、热力学特性、机械性能以及环境变化过程具有很大的影响。同时冻土中冰的含量对冻土的剪切力和冻土坡面的稳定性也会产生复杂的影响。因此，准确测量冻土含冰量是研究冻土物理特性的一项重要指标。

目前，冻土含冰量的测定方法主要包括两种，一种是单独一种技术或设备直接测量获取冻土含冰量；另外一种是两种技术或设备配合使用获取土壤中液体水水分和土壤中总的土壤水分(包括液态水和固态冰)，通过计算得到冻土中的含冰量。第一种测量方法包括：气体膨胀法、热脉冲法、介电光谱法等。气体膨胀法通过测量土壤中水分冻结过程体积膨胀引起的气体压力变化，间接反应土壤中冰的含量；热脉冲法通过测量土壤中冰融化过程中引起的热导率的变化来推导土壤中冰的含量，气体膨胀法和热脉冲法对测量人员技术要求高，并且测量时间长，在实验室应用还存在一些限制，介电光谱法测量土壤中冰含量时，由于土壤总冰的介电常数高于空气，所以测得的土壤冰含量往往比实际值偏高。两种技术或设备配合使用来测量土壤中冰含量的方法包括介电导管传感器和中子仪、TDR和伽马射线衰减法。由于两种一起在土壤中的感应体积范围不一样，所以测量结果存在一定的误差并且测量仪器对测试人员专业要求高，价格昂贵。因此，研究一种简单、方便、省时的冻土含冰量的直接测量方法意义重大。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明旨在提供一种冻土中土壤冰含量的测量方法，以解决传统间接测量方法成本高、操作复杂的技术问题。

针对该测量方法，本发明同时提供了一种测量设备。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种冻土中土壤冰含量的测量方法，其包括以下步骤：

将冻土土样放入可以读取体积的容器中，然后向所述容器中注入水，直至淹没所述冻土土样，得第一土水混合物，并读取所述第一土水混合物的体积；

将所述第一土水混合物中的土壤冰融化，得第二土水混合物，并读取所述第二土水混合物的体积；

结合所述第一土水混合物和第二土水混合物的体积，算得所述冻土土样中土壤冰的体积，从而算得所述冻土土样中土壤冰的质量。

进一步地，所述容器为容量瓶。

进一步地，向所述容器中注入的水为0℃的水。

进一步地，将所述第一土水混合物中的土壤冰融化的方式为：将所述容器在室温下静置1～2h，直至所述第一土水混合物中的土壤冰完全融化。

进一步地，算得所述冻土土样中土壤冰的体积的方式为：

式中：

V_i——冻土土样中土壤冰的体积，cm³，

V′——第一土水混合物的体积，cm³，

V″——第二土水混合物的体积，cm³，

ρ_w——水密度，取值1g/cm³，

ρ_i——冰密度，取值0.9g/cm³。

进一步地，计算公式(1)通过如下计算公式得出：

ρ_iV_i-ρ_wV_水＝0 (2)，

V_i-V_水＝V′-V″ (3)，

式中：V_水——土壤冰融化成水后的体积，cm³。

进一步地，算得所述冻土土样中土壤冰的质量的方式为：

M_i＝ρ_iV_i (4)，

式中：M_i——冻土土样中土壤冰的质量，g。

本发明还提供了一种上述测量方法所采用的测量设备，其包括所述容器，所述容器包括底座和设于所述底座顶端的上端盖，所述底座和上端盖相连通，所述上端盖整体呈倒漏斗状，所述上端盖构造有刻度线。

进一步地，所述上端盖包括呈倒漏斗状的漏斗部，以及连接部；所述连接部的顶端和底端分别与所述漏斗部和底座连接；所述连接部呈圆筒状，且所述连接部的下端构造有内螺纹，所述底座的上端构造有与所述内螺纹相配合的外螺纹。

优选的，所述外螺纹和内螺纹的高度均为10～12mm。

进一步地，所述底座呈圆筒状，顶端敞口；所述底座的直径为100～106mm，所述底座的高度为70～75mm。所述连接部的顶端和底端均敞口，且所述连接部的直径与所述底座的直径相同。

优选的，所述漏斗部包括头部和尾部；所述尾部的顶端和底端分别与所述头部和连接部连接；所述头部呈圆筒状，内径为10～12mm，高度为75～80mm，所述头部在高度为69mm处构造有体积示意刻度线，所述体积示意刻度线指示的容器体积为150cm³；所述尾部呈锥状，所述尾部的侧面与底面的夹角为30°，所述尾部的高度为20～25mm。

优选的，整个所述容器的高度为197～200mm，壁厚为3～4mm，材质为透明有机玻璃。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有以下有益效果：

本发明所述的冻土中土壤冰含量的测量方法，无需使用昂贵的仪器、设备或试剂，测量成本低，测量方法简单直接；而且所述测量设备结构简单，制造成本低廉；无需专业人员指导操作，操作便捷，实用性强，易学易用，省时省力；设备稳定性好，可以测量任意质地、任意低于0℃温度下原状冻土的土壤冰含量。

附图说明

图1为本发明实施例所述测量设备的容器的结构示意图；

图2为本发明实施例所述容器的底座的结构示意图；

图3为本发明实施例所述容器的上端盖的结构示意图；

其中，1、底座；2、上端盖；3、漏斗部；4、连接部；5、内螺纹；6、外螺纹；7、头部；8、尾部；9、注入的水；10冻土土样。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；除非另有说明，“缺口状”的含义为除截面平齐外的形状。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本实施例在进行冻土测量之前，首先进行了冻土土样的制备，即：(1)在室内进行冻土样品的配制时，首先将风干土壤过2cm的筛网，然后利用筛分好的土壤配制成一定含水率的土壤样品，最后将配制好的土壤放入单个网格体积为16cm³的网格塑料模具中(根据试验需要可选用不同体积规格的模具)。把盛满土壤的网格塑料模具放入冷冻设备中，调制设备的温度参数(-30～-15℃)，制备试验所需冻土样品。(2)野外冻土取样时，首先利用斧头和瓦刀取大块冻土样品，然后利用锉刀按照所需的冻土样品体积，将大块冻土分离成理想的冻土样品，利用塑料袋密封后带入室内进行测试研究。

本实施例提供的冻土中土壤冰含量的测量方法具体包括以下步骤：

将冻土土样放入可以读取体积的容器中，然后向容器中注入水，直至淹没冻土土样，得第一土水混合物，并读取第一土水混合物的体积；

将第一土水混合物中的土壤冰融化，得第二土水混合物，并读取第二土水混合物的体积；

结合第一土水混合物和第二土水混合物的体积，算得冻土土样中土壤冰的体积，从而算得所述冻土土样中土壤冰的质量。

具体而言：

容器为容量瓶。向容器中注入的水为0℃的水。

将第一土水混合物中的土壤冰融化的方式为：将容器在室温下静置1～2h，直至第一土水混合物中的土壤冰完全融化。因为冰的密度比水的密度小，所以冰融化成水后体积会减小，容量瓶内液体的体积会减小，通过读取或记录液面下降的高度，即可得知冰融化前后的第一土水混合物的体积减小量(即V′—V″，而且两者均可直接在容量瓶上读出)。

算得冻土土样中土壤冰的体积的方式为：

式中：

V_i——冻土土样中土壤冰的体积，cm³，

V′——第一土水混合物的体积，cm³，

V″——第二土水混合物的体积，cm³，

ρ_w——水密度，取值1g/cm³(该取值为本领域的惯常取值)，

ρ_i——冰密度，取值0.9g/cm³(该取值为本领域的惯常取值)。

由于冰融化前后的质量是不变的，而且冰融化成水后的体积减小量即为整个第一土水混合物的体积减小量，因此进一步地，计算公式(1)可通过如下计算公式得出：

ρ_iV_i-ρ_wV_水＝0 (2)，

V_i-V_水＝V′-V″ (3)，

式中：V_水——土壤冰融化成水后的体积，cm³。

算得冻土土样中土壤冰的质量的方式为：

M_i＝ρ_iV_i (4)，

式中：M_i——冻土土样中土壤冰的质量，g。

进一步地，将土壤冰的质量除以提前测得的冻土土样的初始质量即可得到土壤冰的质量百分含量。如下方计算公式(5)所示：

式中：

ω——土壤冰的质量百分含量；

M——冻土土样的初始质量，g。

如图1～图3所示，本实施例还提供了一种上述测量方法所采用的测量设备，其包括上述的容器，参见图1，容器在使用时含有冻土土样10和注入的水9。该容器包括底座1和设于底座1顶端的上端盖2，底座1和上端盖2相连通，上端盖2整体呈倒漏斗状，上端盖2构造有刻度线。

具体而言：

上端盖2包括呈倒漏斗状的漏斗部3，以及连接部4。连接部4的顶端和底端分别与漏斗部3和底座1连接；连接部4呈圆筒状，且连接部4的下端构造有内螺纹5，底座1的上端构造有与内螺纹5相配合的外螺纹6。外螺纹6和内螺纹5的高度均为10mm。

进一步地，底座1呈圆筒状，顶端敞口；底座1的直径为106mm，底座1的高度为72mm。连接部4的直径与底座1的直径相同，连接部4的顶端及底端均敞口。漏斗部3包括头部7和尾部8；尾部8的顶端和底端分别与头部7和连接部4连接；头部7呈圆筒状，内径为10mm，高度为80mm，头部7在高度为69mm处构造有体积示意刻度线，体积示意刻度线指示的容器体积为150cm³；尾部8呈锥状，尾部8的侧面与底面的夹角为30°，尾部8的高度为25mm。整个容器的高度为197mm，壁厚为3mm，材质为透明有机玻璃。

在使用时，首先将待测冻土土样放入容器中，然后将容器的上端盖与底座拧紧连接，通过圆锥形的漏斗(即漏斗部)向容器中缓缓倒入0℃的冰水，待容器中冰水的液面接近体积示意刻度线时，停止倒水，利用滴管向容器中滴入冰水，直到液面到达体积示意刻度线。并且注水过程中，要及时记录所注入的水的质量。

将容器在室温环境下静置1-2h，待土壤中的冰完全融化成水后，容器内液体的体积会减小，容器的液面会下降，此时记录液面下降的高度，即为体积的减小量。根据土壤冰融化后体积的减小量，通过以上方法，即可计算出冻土土样中的土壤冰含量。

下表为通过本测量方法和测量设备得到的不同冷冻温度下的土壤冰含量的计算结果：

综上所述，本实施例所述的冻土中土壤冰含量的测量方法，无需使用昂贵的仪器、设备或试剂，该测量设备结构简单，造价低廉，测量成本低；而且所述测量设备结构简单，制造成本低廉；无需专业人员指导操作，操作便捷，实用性强，易学易用，省时省力；设备稳定性好，可以测量任意质地、任意低于0℃温度下原状冻土的土壤冰含量，误差因素少，测量精度高。

本发明的实施例是为了示例和描述而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (6)

1.一种冻土中土壤冰含量的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

将冻土土样放入可以读取体积的容器中，然后向所述容器中注入水，直至淹没所述冻土土样，得第一土水混合物，并读取所述第一土水混合物的体积；

将所述第一土水混合物中的土壤冰融化，得第二土水混合物，并读取所述第二土水混合物的体积；

结合所述第一土水混合物和第二土水混合物的体积，算得所述冻土土样中土壤冰的体积，从而算得所述冻土土样中土壤冰的质量；

算得所述冻土土样中土壤冰的体积的方式为：

式中：

V_i——冻土土样中土壤冰的体积，cm³，

V′——第一土水混合物的体积，cm³，

V″——第二土水混合物的体积，cm³，

ρ_w——水密度，取值1g/cm³，

ρ_i——冰密度，取值0.9g/cm³。

2.根据权利要求1所述的冻土中土壤冰含量的测量方法，其特征在于，所述容器为容量瓶。

3.根据权利要求1所述的冻土中土壤冰含量的测量方法，其特征在于，向所述容器中注入的水为0℃的水。

4.根据权利要求1所述的冻土中土壤冰含量的测量方法，其特征在于，将所述第一土水混合物中的土壤冰融化的方式为：将所述容器在室温下静置1～2h，直至所述第一土水混合物中的土壤冰完全融化。

5.根据权利要求1所述的冻土中土壤冰含量的测量方法，其特征在于，计算公式(1)通过如下计算公式得出：

ρ_iV_i-ρ_wV_水＝0 (2)，

V_i-V_水＝V′-V″ (3)，

式中：V_水——土壤冰融化成水后的体积，cm³。

6.根据权利要求1所述的冻土中土壤冰含量的测量方法，其特征在于，算得所述冻土土样中土壤冰的质量的方式为：

M_i＝ρ_iV_i (4)，

式中：M_i——冻土土样中土壤冰的质量，g。