CN108459150A - 研究土壤蒸发特征的室内模拟装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种研究土壤蒸发特征的室内模拟装置及其方法，涉及岩土介质领域的土壤蒸发技术。本装置包括研究对象——土壤（00）；设置有蒸发单元（10）、环境单元（20）和采集单元（30）；蒸发单元（10）由地下水模拟槽（11）、进水土槽（12）、蒸发土槽（13）、土样放置器（14）和隔温层（15）组成；环境单元（20）由恒温室（21）和人造光源矩阵（22）组成；采集单元（30）由土壤三参数传感器（31）、数据采集器（32）、电脑（33）和气象站（34）组成。本发明可以在室内完成蒸发模拟实验，可重复试验，可设置土级配、土密度和毛细水等变量条件；操作简单，不需要太多繁琐步骤；制造成本低，可以同时进行多组试验，效率高。
Description
技术领域
本发明涉及岩土介质领域的土壤蒸发特征技术，尤其涉及一种研究土壤蒸发特征的室内模拟装置及其方法。
背景技术
岛礁吹填后，在岛礁建设过程中，植被种植是一个重要的问题。作为吹填岛的主体介质，钙质土是一种不同于陆源土的特属土，钙质土亦可称作碳酸盐类土，通常是指包括海洋生物（珊瑚、海藻和贝壳等）的富含碳酸钙或其它碳酸盐类物质的特殊岩土介质。钙质土长期在碳酸盐溶液中，经物理、生物化学作用，其中包括有机碎屑及岩屑的破碎和胶结过程，经过一定的压力、温度和溶解的变化过程，而形成的一种碳酸盐沉积物。由于其与陆源土存在的较大差异，已有的土壤蒸发特征不适用于钙质土，而由于吹填岛礁的条件很难实现现场蒸发试验，因此设计一种室内的土壤蒸发模拟装置有着重要的意义。
发明内容
本发明的目的就在于克服现有技术存在的问题，提供一种研究土壤蒸发特征的室内模拟装置及其方法，以进行室内的模拟蒸发试验来弄清土壤的蒸发特征。
一、研究土壤蒸发特征的室内模拟装置（简称装置）：
本装置包括研究对象——土壤；
设置有蒸发单元、环境单元和采集单元；
蒸发单元由地下水模拟槽、进水土槽、蒸发土槽、土样放置器和隔温层组成；
环境单元由恒温室和人造光源矩阵组成；
采集单元由土壤三参数传感器、数据采集器、电脑和气象站组成；
其位置和连接关系是：
恒温室放置在水平地面上；
蒸发单元和采集单元放置在恒温室内；
人造光源矩阵悬挂于恒温室内蒸发单元正上方；
地下水模拟槽开口向上放置在恒温室内水平地面上；
进水土槽放置在地下水模拟槽内；
蒸发土槽放置在进水土槽上；
土样放置器由蒸发土槽侧壁插入；
隔温层包裹在进水土槽和蒸发土槽外；
土壤三参数传感器由蒸发土槽侧壁插入；
土壤三参数传感器、数据采集器和电脑依次连接；
气象站放置在恒温室内渗透单元右侧。
二、研究单颗粒贯通内孔隙渗透性的试验方法（简称方法）
本方法包括下列步骤：
A、首先安装好恒温室；
B、将地下水模拟槽和进水土槽放置到设计位置；
C、将第一层蒸发土槽与进水土槽用螺丝连接固定；
D、向进水土槽内填装提前配制好的土壤至蒸发土槽的
土样放置插孔位置；
E、向土样放置槽内填装步骤D内同样的土壤，将土样放置槽放到土样放置
框内，将组装好的土样放置器通过蒸发土槽侧壁的土样放置器插孔插入；
F、继续填装土壤至蒸发土槽顶面，再安装下一层蒸发土槽并重复步骤E、F
的操作至所有蒸发土槽均安装并装样完毕；
G、将保温层包裹在进水土槽和蒸发土槽外；
H、将土壤三参数传感器与数据采集器和电脑连接调试完毕后由蒸发土槽
侧壁的土壤三参数传感器插孔插入；
I、安装气象站；
J、打开人造光源矩阵，开始试验，每隔一段时间称量土样放置槽
和其内土壤的总质量，当最近两次质量相差小于1%时结束试验；
K、可配置不同级配和含水量的土壤进行试验；
L、需要考虑毛细水作用时向地下水模拟槽内注水，不考虑毛细水这一条件时无需加水。
本发明具有下列的优点和积极效果：
①可以在室内完成蒸发模拟实验，可重复试验，可设置土级配、土密度和毛细水等变量条件；
②操作简单，不需要太多繁琐步骤；
③制造成本低，可以同时进行多组试验，效率高。
附图说明
图1是本装置的结构方框图；
图2是本装置的结构示意图；
图3是蒸发单元10的结构示意图；
图4是地下水模拟槽11的结构示意图；
图5是进水土槽12的结构示意图；
图6是蒸发土槽13的结构示意图；
图7是土样放置器14的结构示意图；
图8是环境单元20的结构示意图；
图9是恒温室21的结构示意图；
图10是人造光源矩阵22的结构示意图；
图11是采集单元30的结构示意图。
图中：
00—土壤；
10—蒸发单元；
11—地下水模拟槽；
12—进水土槽，
121—底座，122—砂筒，123—法兰盘，124—进水孔；
13—蒸发土槽，
131—下矩形法兰盘，132—砂桶，133—上矩形法兰盘，
134—土样放置器插孔，135—三参数传感器插孔；
14—土样放置器，
141—土样放置槽，142—土样放置框；
15—隔温层；
20—环境单元
21—恒温室，211—恒温机；
22—人造光源矩阵，221—灯泡，222—灯罩；
30—采集单元
31—土壤三参数传感器；
32—数据采集器；
33—电脑；
34—气象站，
341—总辐射传感器，342—光合有效辐射传感器，
343—蒸发传感器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明：
一、装置
1、总体
如图1、2，本装置包括研究对象——土壤00；
设置有蒸发单元10、环境单元20和采集单元30；
蒸发单元10由地下水模拟槽11、进水土槽12、蒸发土槽13、土样放置器14和隔温层15组成；
环境单元20由恒温室21和人造光源矩阵22组成；
采集单元30由土壤三参数传感器31、数据采集器32、电脑33和气象站34组成；
其位置和连接关系是：
恒温室21放置在水平地面上；
蒸发单元10和采集单元20放置在恒温室21内；
人造光源矩阵22悬挂于恒温室21内蒸发单元10正上方；
地下水模拟槽11开口向上放置在恒温室21内水平地面上；
进水土槽12放置在地下水模拟槽11内；
蒸发土槽13放置在进水土槽12上；
土样放置器14由蒸发土槽13侧壁插入；
隔温层15包裹在进水土槽12和蒸发土槽13外；
土壤三参数传感器31由蒸发土槽13侧壁插入；
土壤三参数传感器31、数据采集器32和电脑33依次连接；
气象站34放置在恒温室21内渗透单元10右侧。
工作机理：阳光照射在土层上面，由土层表面向下一定深度内热量会发生传导，随着深度加深，传导的热量逐渐减小，因此，不同深度处的土的蒸发程度存在差异，为了模拟现场情况，将蒸发主体周围加设隔温层，使得土层内的热量均来自于土表的光辐射，每隔一段时间称量各个深度的土样质量即可算出该段时间内各个深度的土层蒸发量。
2、功能单元
1）蒸发单元
如图3，蒸发单元10由地下水模拟槽11、进水土槽12、蒸发土槽13、土样放置器14和隔温层15组成；
其位置和连接关系是：
在地下水模拟槽11内盛装有水，进水土槽12置于地下水模拟槽11内，在进水土槽12上依次连接有若干蒸发土槽13，土样放置器14插入蒸发土槽13内，在进水土槽12和蒸发土槽13侧壁均包裹有隔温层15；
在进水土槽12和蒸发土槽13内设置有土壤00。
（1）地下水模拟槽11
如图4，地下水模拟槽11是顶部开口的长方体容器。
其功能是：模拟地下水，提供毛细水所需水源。
（2）进水土槽12
如图5，进水土槽12包括从下到上依次连接的底座121、砂筒122和矩形法兰盘123，在砂筒122的外壁下部设置有进水孔124；
其功能是：模拟地下水水位以下的饱和土体。
（3）蒸发土槽13
如图6，蒸发土槽13包括从下到上依次连接的下矩形法兰盘131、砂桶132和上矩形法兰盘133，在砂桶132外壁的下部和中部分别设置有土样放置器插孔134和土壤三参数传感器插孔135。
其功能是：蒸发的主体部分，为土样放置器14内的需称量土样提供土环境。
（4）土样放置器14
如图7，土样放置器14由土样放置槽141和土样放置框142组成，土壤00放置槽141插入土样放置框142内；
土样放置槽141是一种抽屉结构，其上设置有诸多小孔；
土样放置框142是一种和土样放置槽141适配的盒子，其上设置有诸多小孔。
将需要称量的土样放置在土样放置槽141内，又将土样放置槽141插入到到土样放置框142内，再将整个装样的土样放置器14从蒸发土槽13侧壁的土样放置器插孔134插入到蒸发土槽13。
其功能是：将需要测量的土样与蒸发土槽13内的土样分离，但又不影响其与蒸发土槽13内土的水分交换。
（5）隔温层15
如图3，在进水土槽12和蒸发土槽13侧壁均包裹有隔温层15。
其功能是：隔绝侧壁外来热量，使得土层内热量均来自于土表面受光辐射产生的热量。
2）环境单元20
如图8，环境单元20包括恒温室21和人造光源矩阵22；
在恒温室21的顶面设置有人造光源矩阵22。
（1）恒温室21 如图9，恒温室21是一侧壁设置有门的长方体房间，在侧壁上设有恒温机211；
其功能是：创造恒温环境，减小空气温度对蒸发强度的影响。
（2）人造光源矩阵22
如图10，人造光源矩阵22由灯泡221和灯罩222组成；
其功能是：模拟现实光源。
3）采集单元30
如图11，采集单元30包括土壤三参数传感器31、数据采集器32、电脑33和气象站34；气象站34包括总辐射传感器341、光合有效辐射传感器342和蒸发传感器343；
土壤三参数传感器31经土壤三参数传感器插孔135插入蒸发土槽13的土样00内；
气象站34设置于恒温室21内渗透单元10右侧。
土壤三参数传感器31和气象站34分别与数据采集器32连接，数据采集器32电脑连接。
其功能是：收集本系统的实际光照参数和表面蒸发量，以及测量蒸发槽内的实时含水量。
Claims (5)
1.一种研究土壤蒸发特征的室内模拟装置，包括研究对象——土壤（00）；
其特征在于：
设置有蒸发单元（10）、环境单元（20）和采集单元（30）；
蒸发单元（10）由地下水模拟槽（11）、进水土槽（12）、蒸发土槽（13）、土样放置器（14）和隔温层（15）组成；
环境单元（20）由恒温室（21）和人造光源矩阵（22）组成；
采集单元（30）由土壤三参数传感器（31）、数据采集器（32）、电脑（33）和气象站（34）组成；
其位置和连接关系是：
恒温室（21）放置在水平地面上；
蒸发单元（10）和采集单元（20）放置在恒温室（21）内；
人造光源矩阵（22）悬挂于恒温室（21）内蒸发单元（10）正上方；
地下水模拟槽（11）开口向上放置在恒温室（21）内水平地面上；
进水土槽（12）放置在地下水模拟槽（11）内；
蒸发土槽（13）放置在进水土槽（12）上；
土样放置器（14）由蒸发土槽（13）侧壁插入；
隔温层（15）包裹在进水土槽（12）和蒸发土槽（13）外；
土壤三参数传感器（31）由蒸发土槽（13）侧壁插入；
土壤三参数传感器（31）、数据采集器（32）和电脑（33）依次连接；
气象站（34）放置在恒温室（21）内渗透单元（10）右侧。
2.按权利要求1所述的室内模拟装置，其特征在于：
所述的蒸发单元（10）的结构是：
在地下水模拟槽（11）内盛装有水，进水土槽（12）置于地下水模拟槽（11）内，在进水土槽（12）上依次连接有若干蒸发土槽（13），土样放置器（14）插入蒸发土槽（13）内，在进水土槽（12）和蒸发土槽（13）侧壁均包裹有隔温层（15）；
在进水土槽（12）和蒸发土槽（13）内设置有土壤（00）；
地下水模拟槽（11）是顶部开口的长方体容器；
水土槽（12）包括从下到上依次连接的底座（121）、砂筒（122）和矩形法兰盘（123），在砂筒（122）的外壁下部设置有进水孔（124）；
蒸发土槽（13）包括从下到上依次连接的下矩形法兰盘（131）、砂桶（132）和上矩形法兰盘（133），在砂桶（132）外壁的下部和中部分别设置有土样放置器插孔（134）和土壤三参数传感器插孔（135）；
土样放置器（14）由土样放置槽（141）和土样放置框（142）组成，土样放置槽（141）插入土样放置框（142）内。
3.按权利要求1所述的室内模拟装置，其特征在于：
所述的环境单元（20）的结构是：
在恒温室（21）的顶面设置有人造光源矩阵（22）；
人造光源矩阵（22）由灯泡（221）和灯罩（222）组成。
4.按权利要求1所述的室内模拟装置，其特征在于：
所述的采集单元（30）的结构是：
土壤三参数传感器（31）经土壤三参数传感器插孔（135）插入蒸发土槽（13）的土壤（00）内；
气象站（34）设置于恒温室（21）内渗透单元（10）右侧；
土壤三参数传感器（31）和气象站（34）分别与数据采集器（32）连接，数据采集器（32）电脑连接。
5.基于权利要求1-4所述试验装置的试验方法，其特征在于：
A、首先安装好恒温室（21）；
B、将地下水模拟槽（11）和进水土槽（12）放置到设计位置；
C、将第一层蒸发土槽（13）与进水土槽（12）用螺丝连接固定；
D、向进水土槽（12）内填装提前配制好的土壤（00）至蒸发土槽（13）的
土样放置插孔（134）位置；
E、向土样放置槽（141）内填装步骤D内同样的土壤（00），将土样放置槽
（141）放到土样放置框（142）内，将组装好的土样放置器（14）通过蒸发土槽（13）侧壁的土样放置器插孔（14）插入；
F、继续填装土壤（00）至蒸发土槽（13）顶面，再安装下一层蒸发土槽（13）并重复步骤E、F的操作至所有蒸发土槽（13）均安装并装样完毕；
G、将保温层（15）包裹在进水土槽（12）和蒸发土槽（13）外；
H、将土壤三参数传感器（31）与数据采集器（32）和电脑（33）连接调试
完毕后由蒸发土槽（13）侧壁的土壤三参数传感器插孔插入；
I、安装气象站（34）；
J、打开人造光源矩阵（22），开始试验，每隔一段时间称量土样放置槽（141）
和其内土壤（00）的总质量，当最近两次质量相差小于1%时结束试验；
K、可配置不同级配和含水量的土壤（00）进行试验；
L、需要考虑毛细水作用时向地下水模拟槽（11）内注水，不考虑毛细水这一条件时无需加水。
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