CN108956944A - 一种多孔介质水分和溶质运移试验装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

多孔介质水分和溶质运移试验装置及实验方法，涉及土壤物理学研究领域。多孔介质水分和溶质运移试验装置包括土柱、水分测量装置、渗透液收集装置、供液装置、缓冲装置、底盘、浓度测量装置和数据处理系统；土柱水平布置，其内填充多孔介质，土柱的上部侧壁设有多个测定孔，下部侧壁设有多个收集孔，测定孔和收集孔交错布置，每个测定孔内安装一个水分测量装置，每个收集孔内安装一个渗透液收集装置，土柱的一端通与缓冲装置相连，另一端与底盘相连；缓冲装置的进液口与供液装置的出液口相连；每个水分测量装置均包括土壤水分传感器，土壤水分传感器的探针通过测定孔插入多孔介质内，浓度测量装置用于测量渗透液收集装置收集的渗透液的电导率。

Description

一种多孔介质水分和溶质运移试验装置及实验方法

技术领域

本发明涉及土壤物理学研究领域，特别涉及一种多孔介质水分和溶质运移试验装置及实验方法。

背景技术

随着现代农业的发展和科学技术水平不断提高，防止农药等化工产品、企业废污水污染土壤及地下水，以及由于土壤溶质随土壤水径流迁移引起土壤污染物的扩散和土壤生产力的降低，已经受到世界各国的普遍关注。而多孔介质中的水分作为溶质的载体，它对多孔介质中污染物的运移过程起到极其重要的作用。因此，揭示多孔介质中水分运动特征是控制污染物扩散的基础。

目前对多孔介质水分和溶质测定技术、多孔介质中水分扩散及溶质运移理论进行了大量的研究工作，并逐步由简单的实验研究发展为利用数学模型拟合预测多孔介质中水分扩散率及溶质运移机制。近年来越来越普遍采用分数阶Richard方程来描述多孔介质中水分运动特征，利用分数阶对流扩散方程来描述多孔介质中溶质的迁移运动规律，模拟计算的可靠性受所涉及的多孔介质含水率及多孔介质的溶质运移参数的影响，因此，可以准确测量多孔介质的含水率和溶质迁移参数具有极其重要的现实意义。

传统的测量多孔介质的含水率及溶质迁移参数的方法主要有水平土柱法、垂直土柱法、多孔介质水分、溶质特征曲线计算法。垂直土柱法不能消除重力影响，适用于入渗时间不是很长的情况。多孔介质水分特征曲线计算法根据测得多孔介质水分或溶质特征曲线推求多孔介质的水力参数及溶质迁移参数，但该方法所用的多孔介质样本不一致，容易因为介质的填装产生样本误差。传统水平土柱可以消除重力及水平压力的影响，计算方法简单，但是传统的水平土柱由于条件限制，受到底部边壁效应的影响较大，无法充分模拟出扩散过程为在半无限长水平土柱扩散的假设条件。因此传统的水平土柱法得到的含水率及溶质迁移参数仍有较大误差。

发明内容

本发明提供了一种多孔介质水分和溶质运移试验装置，所述多孔介质水分和溶质运移试验装置包括土柱、水分测量装置、渗透液收集装置、供液装置、缓冲装置、底盘、浓度测量装置和数据处理系统；

土柱水平布置，其内填充待测的多孔介质，土柱的上部侧壁设有多个测定孔，下部侧壁设有多个收集孔，测定孔和收集孔交错布置，每个测定孔内安装一个水分测量装置，每个收集孔内安装一个渗透液收集装置，渗透液收集装置用于收集所述多孔介质的渗透液，土柱的一端通与缓冲装置相连，另一端与底盘相连，底盘上设有渗透液孔；

缓冲装置的进液口与供液装置的出液口相连，且缓冲装置的进液口中心与供液装置的出液口中心在同一水平高度上，缓冲装置设有溶剂入口；

每个水分测量装置均包括土壤水分传感器，土壤水分传感器的探针通过测定孔插入所述多孔介质内，且与数据处理系统相连，水分测量装置用于测量所述多孔介质的含水率；

浓度测量装置包括电导电极和电导率仪，电导电极和电导率仪相连，电导率仪与数据处理系统相连，浓度测量装置用于测量所述渗透液收集装置收集的渗透液的电导率，数据处理系统能够根据浓度测量装置测量的电导率得到渗透液的浓度；

通过供液装置向所述土柱内的多孔介质供水，通过溶剂入口向所述土柱内的多孔介质加入瞬时源实验试剂后，数据处理系统采集并记录不同时刻水分测量装置的含水率读数，得到测定孔处的多孔介质的含水率随时间变化的曲线；渗透液收集装置在不同时刻收集所述多孔介质的渗透液，并采用浓度测量装置依次测量渗透液收集装置收集的渗透液的电导率，数据处理系统采集并记录浓度测量装置的电导率读数，同时根据电导率与渗透液浓度的对应曲线得到渗透液的浓度，得到收集孔处的多孔介质的渗透液浓度随时间变化的曲线。

所述渗透液收集装置包括渗透液收集管和收集管阀门；

渗透液收集管通过所述收集孔插入至所述多孔介质内，渗透液收集管位于所述土柱内的部分均匀分布有多个渗透收集孔，渗透液收集管位于所述土柱外的部分安装有收集管阀门。

所述渗透液收集管和所述土柱之间设有橡胶塞。

所述收集管阀门为球阀，球阀通过螺纹旋接在所述渗透液收集管上。

所述供液装置包括马氏瓶、进气管、进水口、阀门和支架；

马氏瓶安装在支架上，进水口位于马氏瓶的顶部，进气管的下端口插入马氏瓶内，阀门安装在马氏瓶的出液口处，马氏瓶的出液口与所述缓冲装置的进液口相连，马氏瓶的出液口中心、进气管的下端口中心及所述缓冲装置的进液口中心在同一水平高度上。

所述缓冲装置包括水室，水室的一端设有进液口，另一端通过法兰与所述土柱相连，水室的另一端与所述土柱之间设有铁丝网，水室的进液口与所述供液装置的出液口相连，水室内装有卵石，水室的顶部设有排气管，排气管上安装有排气阀，水室底部设有泄水管，泄水管上安装有泄水阀，排气管用于排气同时作为所述溶剂入口。

所述浓度测量装置还用于测量通过所述渗透液孔渗出的溶液的电导率，每隔相同时间间隔便通过所述渗透液孔收集多孔介质的渗出液，且使用所述浓度测量装置测量渗出液的电导率，若每隔相同时间间隔所收集的渗出液的体积相同，则判断多孔介质处于饱和状态；若每隔相同时间间隔收集的渗出液的体积相同、且渗出液的电导率持续不变且与所述供液装置内的溶液的电导率相同，则判断所述多孔介质处于饱和无溶质存在的状态。

所述多孔介质水分和溶质运移试验装置还包括两个底座，所述土柱水平放置在两个底座上。

所述土柱的材质为有机玻璃。

一种采用所述多孔介质水分和溶质运移试验装置进行实验的方法，所述方法包括：

1）填装土柱：将所述土柱与所述底盘连接，依次加入砂石及隔离纱网，将所述水分测量装置的土壤水分传感器安装在所述土柱的测定孔内、将所述渗透液收集装置安装在所述土柱的收集孔内，加入待测的多孔介质，再依次加入隔离纱网和砂石，将所述缓冲装置与所述土柱连接；

2）土柱供水：向所述供液装置内加水，记录所述供液装置内的水量，将所述供液装置的出液口与所述缓冲装置的进液口相连，且使所述供液装置的出液口中心与所述缓冲装置的进液口中心在同一水平高度上，通过所述溶剂入口加入瞬时源实验试剂，打开所述供液装置的出液口处的阀门，并同时记录下实验开始的时间，待所述缓冲装置内充满水后，记录所述供液装置内的水量；

3）观测及记录实验数据：打开所述多孔介质需要测量渗透液浓度的位置所对应的渗透液收集装置，通过渗透液收集装置每隔相同时间间隔收集一次多孔介质内的渗透液，并采用浓度测量装置依次测量渗透液收集装置收集的渗透液的电导率，数据处理系统采集并记录浓度测量装置的电导率读数，并根据浓度测量装置测量的电导率得到渗透液的浓度并进行记录，同时，数据处理系统每隔相同时间间隔采集一次水分测量装置的含水率读数，并对含水率读数进行记录，得到测定孔处的多孔介质的含水率随时间变化的曲线及收集孔处的多孔介质的渗透液浓度随时间变化的曲线。

本发明中的装置能够根据实验过程多孔介质的不同而在不同的位置收集多孔介质的渗透液，并对渗透液的电导率进行测量，并根据测量的电导率得到渗透液的浓度，进而得知溶质的运移情况，减小了边壁效应对溶质运移的不利影响，提高了试验数据的精确性；同时，多个渗透液收集装置的左右两侧均有多孔介质填充，使实验条件更符合半无限边界条件的设定，进一步提高了实验精度；本发明中的装置可以在多点进行含水率及渗透液浓度的测定，使实验数据更加饱满，测量结果更加准确可靠；同时本发明能够使用同一土柱连续进行多孔介质在非饱和及饱和状态下的水分及溶质运移试验，提高了通用性，整个试验过程均采用同一多孔介质，避免了由于多孔介质的填装不同而产生样本误差，保证了试验过程中多孔介质的各项一致性，减小实验误差。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的提供的多孔介质水分和溶质运移试验装置的结构示意图；

图2是本发明的渗透液收集装置的结构示意图；

图3是本发明的底盘的结构示意图。

图中：

1土柱，2渗透液收集装置，3供液装置，4缓冲装置，5底盘，6测定孔，7渗透液孔，8底座，9渗透液收集管，10收集管阀门，11渗透收集孔，12马氏瓶，13进气管，14进水口，15阀门，16支架，17水室，18排气阀，19泄水阀，20橡胶塞，21橡胶管。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1至图3所示，本发明提供了一种多孔介质水分和溶质运移试验装置，该多孔介质水分和溶质运移试验装置包括土柱1、水分测量装置、渗透液收集装置2、供液装置3、缓冲装置4、底盘5、浓度测量装置和数据处理系统；

土柱1水平布置，其内填充待测的多孔介质，土柱1的上部侧壁设有多个测定孔6，下部侧壁设有多个收集孔，测定孔6和收集孔交错布置，每个测定孔6内安装一个水分测量装置，每个收集孔内安装一个渗透液收集装置2，渗透液收集装置2用于收集多孔介质的渗透液，土柱1的一端通与缓冲装置4相连，另一端与底盘5相连，底盘5上设有渗透液孔7；

缓冲装置4的进液口与供液装置3的出液口相连，供液装置3通过缓冲装置4向土柱1内进行供水，且缓冲装置4的进液口中心与供液装置3的出液口中心在同一水平高度上，如此能够消除压力势对水在多孔介质内的扩散产生影响，缓冲装置4设有溶剂入口；

每个水分测量装置均包括土壤水分传感器，土壤水分传感器的探针通过测定孔6插入多孔介质内，且通过数据采集线与数据处理系统相连，水分测量装置用于测量多孔介质的含水率，每个测定孔6内的水分测量装置用于测量多孔介质在该测定孔处的含水率；

浓度测量装置包括电导电极和电导率仪，电导电极和电导率仪通过数据采集线相连，电导率仪与数据处理系统相连，浓度测量装置用于测量渗透液收集装置2收集的渗透液的电导率，数据处理系统能够根据浓度测量装置测量的电导率得到渗透液的浓度，不同收集孔内的渗透液收集装置2用于收集多孔介质不同位置的渗透液，将电导电极置于渗透液中，能够测出渗透液的电导率，数据处理系统中预存有电导率与渗透液浓度的对应曲线，根据该曲线以及浓度测量装置测得的电导率可以得知渗透液的浓度；

通过供液装置3向土柱1内的多孔介质供水后，通过缓冲装置4的溶剂入口向土柱1内的多孔介质加入瞬时源实验试剂后，数据处理系统采集并记录不同时刻水分测量装置的含水率读数，得到测定孔6处的多孔介质的含水率随时间变化的曲线，测定孔6有多个，因此可以得到多孔介质不同位置处的含水率随时间变化的曲线，多孔介质不同位置处的含水率随时间变化的曲线能够用于多孔介质中水分扩散率的研究；渗透液收集装置2在不同时刻收集多孔介质的渗透液，并采用浓度测量装置依次测量渗透液收集装置2收集的渗透液的电导率，数据处理系统采集并记录浓度测量装置的电导率读数，转换得到收集孔处的多孔介质的渗透液浓度随时间变化的曲线，收集孔有多个，因此可以得到多孔介质不同位置处的渗透液浓度随时间变化的曲线。其中加入瞬时源实验试剂是为了模拟瞬时源污染，瞬时源污染即环境中排放污染的时间短暂的排污源，这种污染源具有突发性和污染浓度高的特点，极易造成环境危害如有毒、有害介质在埋地管道中的突然泄漏或瞬时排放的污染物在雨水作用下在土壤中的扩散，而本发明中，采用瞬时源实验试剂模拟瞬时排放的污染物在雨水作用下在土壤中的扩散，瞬时源实验试剂可根据实验需要进行合理选择，供液装置提供的水将瞬时源实验试剂稀释并在多孔介质内运移，随着溶质的运移，会引起多孔介质的渗透液的浓度会产生变化，因此通过渗透液浓度的变化可以得知溶质在多孔介质中的运移情况，得到的多孔介质不同位置处的渗透液浓度随时间变化的曲线能够用于研究多孔介质中的溶质运移机制。

本发明中，多孔介质可以为土壤或者砂石，根据实验所需进行选择；瞬时源实验试剂的浓度、种类及加入量也可根据实验需求合理选择；可以为土柱1设置两个底座8，土柱1水平安装在两个底座8上；本发明中土柱1的材质为有机玻璃。

如图2所示，渗透液收集装置2包括渗透液收集管9和收集管阀门10；

渗透液收集管9通过收集孔插入至多孔介质内，渗透液收集管9位于土柱1内的部分均匀分布有多个渗透收集孔11，渗透液收集管9位于土柱1外的部分安装有收集管阀门10，收集管阀门10可以为球阀，球阀通过螺纹旋接在渗透液收集管9上，当球阀打开时，多孔介质内的渗透液能够通过渗透液收集管9流出，可以通过容器接收渗透液收集管9流出的渗透液，然后将电导电极置于渗透液内，对渗透液的电导率进行测量。可以在渗透液收集管9和土柱1之间设置橡胶塞20，起到密封作用，还可以在球阀的上方安装致密的过滤网，防止多孔介质进入球阀内。

供液装置3包括马氏瓶12、进气管13、进水口14、阀门15和支架16；

马氏瓶12安装在支架16上，进水口14位于马氏瓶12的顶部，进水口14与马氏瓶12之间通过螺纹密封，进气管12的下端口插入马氏瓶12内，进气管12与马氏瓶12之间通过玻璃胶进行密封，阀门15安装在马氏瓶12的出液口处，马氏瓶12的出液口与缓冲装置4的进液口相连，马氏瓶12的出液口中心、进气管13的下端口中心及缓冲装置4的进液口中心在同一水平高度上。

通过进水口14向马氏瓶12内注水，打开阀门15，能使马氏瓶12内的水通过出液口流至缓冲装置4内。

缓冲装置4包括水室17，水室17的一端设有进液口，另一端通过法兰与土柱1相连，水室17和土柱1的两片法兰之间设置橡胶垫，防止漏水，水室17的另一端与土柱1之间设有铁丝网，水室17的进液口与供液装置3的马氏瓶12出液口相连，水室17内装有卵石，水室17的顶部设有排气管，排气管上安装有排气阀18，水室17底部设有泄水管，泄水管上安装有泄水阀19，排气管用于排气同时作为溶剂入口，当排气阀18打开时，可以通过排气管加入瞬时源实验试剂。

水室17及位于其内的大粒径的卵石能够对来自供液装置3的水起到缓冲作用，同时，通过溶剂入口滴入的瞬时源实验试剂滴落在卵石上后可以均匀的溶解在水室17的水中。

土柱的边壁会对多孔介质中溶质的运移产生影响，当多孔介质不同时，产生的影响也会不同，而本发明中的多个渗透液收集装置2分布在水平布置的土柱1的一端与另一端之间，一方面可以根据不同的多孔介质选择合适位置的渗透液收集装置2对多孔介质内的渗透液进行收集，有利于弱化边壁效应对溶质运移的影响，相对于将土柱水平放置且无论土柱内填充的是何种多孔介质，均只能在土柱的末端收集渗透液的装置来说，能够极大的减小边壁效应对溶质运移产生的影响，使得实验结果更加准确；另一方面，在土柱1的中段侧壁收集渗透液并测定渗透液的浓度，能使渗透液收集装置2的左右两侧均有多孔介质填充，渗透液收集装置2周围的收集环境相近，使实验更符合所模拟的半无限边界条件。

本发明中的浓度测量装置还用于测量通过底盘5的渗透液孔7渗出的溶液的电导率，每隔相同时间间隔便通过渗透液孔7收集多孔介质的渗出液，并使用浓度测量装置测量渗出液的电导率，若每隔相同时间间隔所收集的渗出液的体积相同，则判断多孔介质处于饱和状态，此处的饱和状态指的是多孔介质内的含水率达到了饱和状态，此时可以进行多孔介质达到饱和状态时的水分和溶质运移试验，因此，本发明中的装置既可以对非饱和状态下的多孔介质进行水分和溶质运移试验，同时，在该多孔介质达到饱和状态后，可以继续对该多孔介质进行饱和状态下的水分和溶质运移试验，使得饱和状态和非饱和状态试验过程中所用的多孔介质为同一介质，保证了试验过程中多孔介质的各项一致性，避免了由于介质的填装不同而产生样本误差，减小了试验误差，使试验结果更加准确，底盘5底部的渗透液孔7的数量可以根据实际情况合理设计；若每隔相同时间间隔收集的渗出液的体积相同、且渗出液的电导率持续不变并与供液装置内的溶液的电导率相同，则可以判断多孔介质处于饱和无溶质状态，例如，若供液装置3提供的为蒸馏水，则当相同时间间隔收集的渗出液的体积相同、且渗出液的电导率持续不变并与蒸馏水的电导率相同时，则可以判断此时多孔介质处于饱和无溶质存在的状态。

本发明中的土柱1的长度可以设计为100cm，内径为10cm，土柱1的有效填充介质的长度为90cm，其前端、末端均填装砂石，中间段填充多孔介质，多孔介质与两端的砂石之间通过致密的纱网隔开；

土柱1的前端通过法兰与缓冲装置4的水室17连接，水室17的直径为6cm，长度为6cm，水室17的上部侧壁设有直径为1cm的排气管，排气管上安装排气阀18，下部侧壁设有直径为1cm的泄水管，泄水管上安装泄水阀19；土柱1的后端与底盘5通过法兰连接，底盘5上的渗透液孔7的直径可以设计为1cm；

土柱1的上部侧壁距离土柱1与缓冲装置4连接的一端15cm、30cm、45cm、60cm和75cm处各有一个直径为4cm的测定孔6，用来安装土壤水分传感器的测定探针；土柱1的下部侧壁距离土柱1与缓冲装置4连接的一端20cm、35cm、50cm、65cm和80cm处各有一个直径为3cm的收集孔，收集孔和测定孔6交错5cm布置；渗透液收集装置2的渗透液收集管9的直径为2cm，并在渗透液收集管9和土柱1之间安装橡胶塞20，防止漏水，渗透液收集管9通过收集孔插入土柱1内部5cm，插入土柱1内的部分均匀分布有直径为2mm的渗透收集孔11，渗透液收集管9位于土柱1外的部分安装有直径为2cm的球阀。

若采用本发明中的装置进行非饱和多孔介质的水分及溶质运移实验，则实验过程可以如下：

1）填装土柱：将土柱1与底盘5连接，依次加入砂石及隔离纱网，将水分测量装置的土壤水分传感器安装在土柱1的测定孔6内、将渗透液收集装置2安装在土柱1的收集孔内，加入待测的多孔介质，再依次加入隔离纱网和砂石，将缓冲装置4与土柱1连接；

具体地，土柱1与底盘5通过法兰连接，并使用螺丝和螺母固定，加入5cm厚的砂石及致密的隔离纱网，将水分测量装置的土壤水分传感器、渗透液收集装置2的渗透液收集管9固定安装在土柱1上，关闭渗透液收集装置2的收集管阀门10，加入90cm厚已经过预处理的多孔介质，若多孔介质是土壤，预处理包括风干、磨细和过筛，加入多孔介质后，振捣使多孔介质密实，铺好致密的隔离纱网，再加入5cm厚砂石，将缓冲装置4的水室17与土柱1连接，水室17内已填入卵石；

2）土柱供水：向供液装置3内加水，记录供液装置3内的水量，将供液装置3的出液口与缓冲装置4的进液口相连，且使供液装置3的出液口中心与缓冲装置4的进液口中心在同一水平高度上，通过溶剂入口加入瞬时源实验试剂，打开供液装置3的出液口处的阀门15，并同时记录下实验开始的时间，待缓冲装置4内充满水后，记录供液装置3内的水量；

具体地，向供液装置3的马氏瓶12内加入足够多的水后封闭进水口14，打开马氏瓶12的出液口处的阀门15排水至马氏瓶12内的压力恒定，关闭马氏瓶12出液口处的阀门15，记录马氏瓶12内的水量，马氏瓶12的出液口通过橡胶管21与水室17的进液口相连，马氏瓶12的出液口中心、进气管13的下端口中心及水室17的进液口中心在同一水平高度上，关闭水室17的泄水阀19，并打开排气阀18，通过排气阀18加入实验所需的瞬时源实验试剂，打开马氏瓶12的出液口处的阀门15并同时记录下实验开始的时间，待水室17内充满水后关闭排气阀18，记录马氏瓶12内水量。

3）观测及记录实验数据：打开多孔介质需要测量渗透液浓度的位置所对应的渗透液收集装置2的收集管阀门10，通过渗透液收集装置2每隔相同时间间隔收集一次多孔介质内的渗透液，并采用浓度测量装置依次测量渗透液收集装置2收集的渗透液的电导率，数据处理系统采集并记录浓度测量装置的电导率读数，并根据浓度测量装置测量的电导率得到渗透液的浓度并进行记录，同时，数据处理系统每隔相同时间间隔便采集一次水分测量装置的含水率读数，并对含水率读数进行记录，得到测定孔6处的多孔介质的含水率随时间变化的曲线及收集孔处的多孔介质的渗透液浓度随时间变化的曲线。

具体地，在湿润锋达到整个土柱1的3/4时，停止对多孔介质的含水率的测定，当从底盘5的渗透液孔7渗出的渗透液的流量及电导率读数稳定不变时，则证明此时多孔介质达到饱和状态，停止对多孔介质进行渗透液的浓度测量，实验过程结束，清理实验装置，采用该装置可以得到多孔介质不同位置处的含水率随时间变化的曲线，以及多孔介质不同位置处的渗透液浓度随时间变化的曲线，含水率随时间变化的曲线可以用来研究多孔介质中水分的扩散率，渗透液浓度随时间变化的曲线可以用来研究多孔介质中的溶质运移机制。

以上的实验过程只是对瞬时源实验情况下，非饱和多孔介质的水分及溶质运移实验的描述，本发明中的装置还可以进行连续源实验，连续源实验用于模拟污染源在固定点持续排放污水的状况，此时供液装置3内存储的为具有一定浓度的溶液，并通入土柱1内，此时水室17上方的排气阀18仅用于排气。

本发明中的一种多孔介质水分和溶质运移试验装置，通过供液装置为水平布置的土柱供水，同时通过缓冲装置加入瞬时源实验试剂，缓冲装置对水进行缓冲同时使水和瞬时源实验试剂混合均匀，并在土柱中的多孔介质内进行水平渗透，通过土柱上部侧壁上的水分测量装置来测量水在多孔介质内的含水率，通过土柱下部侧壁上的渗透液收集装置收集多孔介质内的渗透液，并采用浓度测量装置对渗透液的电导率进行测量，数据处理系统采集水分测量装置的含水率读数，得到多孔介质不同位置的含水率随时间变化的曲线，该曲线能够用于多孔介质中水分扩散率的研究；同时数据处理系统采集浓度测量装置的电导率读数，并转换得到电导率对应的浓度，得到多孔介质不同位置的渗透液浓度随时间变化的曲线，渗透液浓度随时间变化的曲线能够体现溶质在多孔介质中的运移机制。

本发明中的装置能够根据实验过程多孔介质的不同而在不同的位置收集多孔介质的渗透液，并对渗透液的电导率进行测量，并根据测量的电导率得到渗透液的浓度，进而得知溶质的运移情况，减小了边壁效应对溶质运移的不利影响，提高了试验数据的精确性；同时，多个渗透液收集装置的左右两侧均有多孔介质填充，使实验条件更符合半无限边界条件的设定，进一步提高了实验精度；本发明中的装置可以在多点进行含水率及渗透液浓度的测定，使实验数据更加饱满，测量结果更加准确可靠；同时本发明能够使用同一土柱连续进行多孔介质在非饱和及饱和状态下的水分及溶质运移试验，提高了通用性，整个试验过程均采用同一多孔介质，避免了由于多孔介质的填装不同而产生样本误差，保证了试验过程中多孔介质的各项一致性，减小实验误差。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种多孔介质水分和溶质运移试验装置，其特征在于：所述多孔介质水分和溶质运移试验装置包括土柱、水分测量装置、渗透液收集装置、供液装置、缓冲装置、底盘、浓度测量装置和数据处理系统；

土柱水平布置，其内填充待测的多孔介质，土柱的上部侧壁设有多个测定孔，下部侧壁设有多个收集孔，测定孔和收集孔交错布置，每个测定孔内安装一个水分测量装置，每个收集孔内安装一个渗透液收集装置，渗透液收集装置用于收集所述多孔介质的渗透液，土柱的一端通与缓冲装置相连，另一端与底盘相连，底盘上设有渗透液孔；

缓冲装置的进液口与供液装置的出液口相连，且缓冲装置的进液口中心与供液装置的出液口中心在同一水平高度上，缓冲装置设有溶剂入口；

每个水分测量装置均包括土壤水分传感器，土壤水分传感器的探针通过测定孔插入所述多孔介质内，且与数据处理系统相连，水分测量装置用于测量所述多孔介质的含水率；

浓度测量装置包括电导电极和电导率仪，电导电极和电导率仪相连，电导率仪与数据处理系统相连，浓度测量装置用于测量所述渗透液收集装置收集的渗透液的电导率，数据处理系统能够根据浓度测量装置测量的电导率得到渗透液的浓度；

通过供液装置向所述土柱内的多孔介质供水，通过溶剂入口向所述土柱内的多孔介质加入瞬时源实验试剂后，数据处理系统采集并记录不同时刻水分测量装置的含水率读数，得到测定孔处的多孔介质的含水率随时间变化的曲线；渗透液收集装置在不同时刻收集所述多孔介质的渗透液，并采用浓度测量装置依次测量渗透液收集装置收集的渗透液的电导率，数据处理系统采集并记录浓度测量装置的电导率读数，同时根据电导率与渗透液浓度的对应曲线得到渗透液的浓度，得到收集孔处的多孔介质的渗透液浓度随时间变化的曲线。

2.根据权利要求1所述的多孔介质水分和溶质运移试验装置，其特征在于：所述渗透液收集装置包括渗透液收集管和收集管阀门；

渗透液收集管通过所述收集孔插入至所述多孔介质内，渗透液收集管位于所述土柱内的部分均匀分布有多个渗透收集孔，渗透液收集管位于所述土柱外的部分安装有收集管阀门。

3.根据权利要求2所述的多孔介质水分和溶质运移试验装置，其特征在于：所述渗透液收集管和所述土柱之间设有橡胶塞。

4.根据权利要求2所述的多孔介质水分和溶质运移试验装置，其特征在于：所述收集管阀门为球阀，球阀通过螺纹旋接在所述渗透液收集管上。

5.根据权利要求1所述的多孔介质水分和溶质运移试验装置，其特征在于：所述供液装置包括马氏瓶、进气管、进水口、阀门和支架；

马氏瓶安装在支架上，进水口位于马氏瓶的顶部，进气管的下端口插入马氏瓶内，阀门安装在马氏瓶的出液口处，马氏瓶的出液口与所述缓冲装置的进液口相连，马氏瓶的出液口中心、进气管的下端口中心及所述缓冲装置的进液口中心在同一水平高度上。

6.根据权利要求1所述的多孔介质水分和溶质运移试验装置，其特征在于：所述缓冲装置包括水室，水室的一端设有进液口，另一端通过法兰与所述土柱相连，水室的另一端与所述土柱之间设有铁丝网，水室的进液口与所述供液装置的出液口相连，水室内装有卵石，水室的顶部设有排气管，排气管上安装有排气阀，水室底部设有泄水管，泄水管上安装有泄水阀，排气管用于排气同时作为所述溶剂入口。

7.根据权利要求1所述的多孔介质水分和溶质运移试验装置，其特征在于：所述浓度测量装置还用于测量通过所述渗透液孔渗出的溶液的电导率，每隔相同时间间隔便通过所述渗透液孔收集多孔介质的渗出液，且使用所述浓度测量装置测量渗出液的电导率，若每隔相同时间间隔所收集的渗出液的体积相同，则判断多孔介质处于饱和状态；若每隔相同时间间隔收集的渗出液的体积相同、且渗出液的电导率持续不变并与所述供液装置内的溶液的电导率相同，则判断所述多孔介质处于饱和无溶质存在的状态。

8.根据权利要求1所述的多孔介质水分和溶质运移试验装置，其特征在于：所述多孔介质水分和溶质运移试验装置还包括两个底座，所述土柱水平放置在两个底座上。

9.根据权利要求1所述的多孔介质水分和溶质运移试验装置，其特征在于：所述土柱的材质为有机玻璃。

10.一种采用权利要求1所述的多孔介质水分和溶质运移试验装置进行实验的方法，其特征在于：所述方法包括：

1）填装土柱：将所述土柱与所述底盘连接，依次加入砂石及隔离纱网，将所述水分测量装置的土壤水分传感器安装在所述土柱的测定孔内、将所述渗透液收集装置安装在所述土柱的收集孔内，加入待测的多孔介质，再依次加入隔离纱网和砂石，将所述缓冲装置与所述土柱连接；

2）土柱供水：向所述供液装置内加水，记录所述供液装置内的水量，将所述供液装置的出液口与所述缓冲装置的进液口相连，且使所述供液装置的出液口中心与所述缓冲装置的进液口中心在同一水平高度上，通过所述溶剂入口加入瞬时源实验试剂，打开所述供液装置的出液口处的阀门，并同时记录下实验开始的时间，待所述缓冲装置内充满水后，记录所述供液装置内的水量；

3）观测及记录实验数据：打开所述多孔介质需要测量渗透液浓度的位置所对应的渗透液收集装置，通过渗透液收集装置每隔相同时间间隔收集一次多孔介质内的渗透液，并采用浓度测量装置依次测量渗透液收集装置收集的渗透液的电导率，数据处理系统采集并记录浓度测量装置的电导率读数，并根据浓度测量装置测量的电导率得到渗透液的浓度并进行记录，同时，数据处理系统每隔相同时间间隔采集一次水分测量装置的含水率读数，并对含水率读数进行记录，得到测定孔处的多孔介质的含水率随时间变化的曲线及收集孔处的多孔介质的渗透液浓度随时间变化的曲线。