CN108982807A - 一种识别多孔材料对土壤持水性影响的动态监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种识别多孔材料对土壤持水性影响的动态监测系统，包括：实验组实验箱体，所述实验组实验箱体内分层填充具有设定容重的土壤，多孔材料安装在箱体中心位置，在所述多孔材料的周围以预定间隔布设土壤水分传感器；多个对照组实验箱体，所述对照组实验箱体内分层填充具有设定容重的土壤，在对应于所述实验组实验箱体的相应位置以预定间隔布设土壤水分传感器；人工降雨装置，设置于所述实验组和对照组实验箱体上方，用于实验前根据设定雨强进行预降雨，使实验箱体中土壤水分饱和，所述人工降雨装置包括有压输水管、降雨喷头和流量监测器；集雨装置，设置于所述实验组和对照组实验箱体下方，用于收集并释放雨水。

Description

一种识别多孔材料对土壤持水性影响的动态监测系统

技术领域

本发明属于土壤水分监测技术领域，具体涉及一种识别多孔材料对土壤持水性影响的动态监测系统。

背景技术

土壤实质上是由无数具有蓄水作用的团粒和微粒结构组成的布满大小不同孔隙的疏松多孔体。土壤自身的孔隙结构，加上土壤颗粒表面吸力和颗粒间毛管吸力的作用，使得土体单元拥有较大的吸持水能力，称为土壤的持水性。土壤持水能力的影响因素众多，主要包括：土壤结构、土壤有机质、土壤粘粒含量、总孔隙度、毛管孔隙度等。其中，土壤孔隙度和粘粒含量是最主要的影响因素。目前，增强土壤持水能力的方法主要包括土壤免耕、秸秆覆盖、土质改良和增施保水剂等，相关研究也多聚焦在上述措施对土壤持水性的影响分析上。关于多孔材料对土壤持水性影响的研究却鲜有报道。

多孔材料基于自身较高的孔隙结构，使其能自然、就地和连续地对降雨进行渗透、缓冲和排放。将多孔材料安装在土壤中，通过与四周土体建立水力联系，可大幅度增加土体单元持水能力。多孔材料快渗、快排和保持水分的功能，使其广泛应用于海绵城市“绿色基础设施建设”中。然而，截止到目前，多孔材料埋设于土壤中，对土壤持水性的影响大小，及其有效影响范围至今无人考证。

针对上述不足，精确、定量的识别出多孔材料对土壤持水性的影响，成为本发明拟解决的问题。

发明内容

为精确、定量地分析多孔材料对土壤持水性的影响，本发明提出了一种多孔材料对土壤持水性影响的动态监测系统。

本发明的技术方案如下：本发明提供一种识别多孔材料对土壤持水性影响的动态监测系统，包括：

实验组实验箱体，所述实验组实验箱体内分层填充具有设定容重的土壤，多孔材料安装在箱体中心位置，在所述多孔材料的周围以预定间隔布设土壤水分传感器；

多个对照组实验箱体，所述对照组实验箱体内分层填充具有设定容重的土壤，在对应于所述实验组实验箱体的相应位置以预定间隔布设土壤水分传感器；

人工降雨装置，设置于所述实验组和对照组实验箱体上方，用于实验前根据设定雨强进行预降雨，使实验箱体中土壤水分饱和，所述人工降雨装置包括有压输水管、降雨喷头和流量监测器；

集雨装置，设置于所述实验组和对照组实验箱体下方，用于收集并释放雨水。

优选地，所述实验箱体为长方体，采用5mm钢板焊制，尺寸为1m×1m×1m，底部均匀开设出流孔，并分层铺设包括200目过滤网、10cm碎石、10cm瓜子皮和反渗土工布的过滤层，箱体四角焊有底座，底座底部焊有万向轮。

优选地，所述集雨装置为锥形四面体结构，采用8mm无色亚克力板胶粘而成，并与实验箱体通过卡槽连接；集雨装置一边刻有刻度以方便读数；底部安有带塞出水口以进行雨水的收集和释放。

另一方面，一种识别多孔材料对土壤持水性影响的方法，其特征在于，包括步骤：

S1：设定土壤容重，于实验箱体内分层填充土壤，同时将多孔材料安装在实验箱体中心位置，在多孔材料的周围以预定间隔布设土壤水分传感器，设立实验组，进一步，除了未安装多孔材料之外，按照上述S1步骤设立多个对照组；

S2：预降雨，使实验箱体中的土壤水分饱和；

S3：设定时间间隔，连续记录各土壤水分传感器监测数据；

S4：设置网格精度，采用三次样条插值法，对相同时刻，水平和垂直方向上土壤水分传感器监测数据进行空间插值，计算多孔材料不同距离处土壤水分动态变化过程；

S5：对比分析实验组和对照组，确定多孔材料对土壤持水性的有效影响范围：

S51：将多个对照组各格点不同时刻的土壤含水量数据求算术平均；

S52：计算实验组与对照组相同位置处土壤含水量变化过程差异量，计算公式如下：

式中，C₁表示第一差异量；N表示监测土壤含水量总历时；W_aji表示i时刻实验组j位置处土壤含水量数值；W_bji表示i时刻对照组j位置处土壤含水量数值；

设定第一差异量阈值，若相邻两格点实验组与对照组土壤含水量变化过程一个小于第一差异量阈值，一个大于第一差异量阈值，则两格点中心位置距离多孔材料的距离，即为多孔材料对土壤持水性的第一可能有效影响范围；

S53：计算实验组相邻格点土壤含水量变化过程差异量，计算公式如下：

式中，C₂表示第二差异量；N表示监测土壤含水量总历时；W_ai表示实验组i时刻a位置处土壤含水量；W_bi表示实验组i时刻b位置处(与a相邻)土壤含水量。

设定第二差异量阈值，第一个小于第二差异量阈值的相邻格点中心距离多孔材料的距离，即为多孔材料对土壤持水性的第二可能有效影响范围；

S54：同时满足S62和S63条件的相邻格点中心距离多孔材料的距离，确定为最终的有效影响范围。

所述方法进一步包括步骤：S6：根据对照组和实验组产水量差值，确定多孔材料对土壤持水性的影响大小。

具体而言，所述S6的具体步骤为：

S61：设定时间间隔，获取各时刻土壤产水量；

S62：设定偏差阈值，当相邻两时刻土壤产水量差值小于偏差阈值时，认为产流结束；

S63：记录并整理实验组和对照组产流结束时，土壤产水总量，二者求差，即为多孔材料对土壤持水性的影响大小，公式如下：

ΔD＝D_d末-D_s末

式中，△D表示多孔材料对土壤持水性的影响大小；D_d末表示产流结束时刻对照组土壤产水量；D_s末表示产流结束时刻实验组土壤产水量。

附图说明

在下文中将参照附图更完全地描述本发明的一些示例实施例；然而，本发明可以以不同的形式体现，不应当被认为限于本文所提出的实施例。相反，附图与说明书一起例示本发明的一些示例实施例，并用于解释本发明的原理和方面。

在图中，为了例示清楚，尺寸可能被夸大。贯穿全文，相同的附图标记指代相同的元件。

图1示意性示出根据本发明的识别多孔材料对土壤持水性影响的方法的流程图；

图2示意性示出根据本发明的识别多孔材料对土壤持水性影响的动态检测系统的整体布置图；

图3a-c分别以透视视图、水平剖面视图和垂直剖面视图的方式示意性示出根据本发明的识别多孔材料对土壤持水性影响的动态检测系统中多孔材料及水分传感器布置方案；

图4为集雨装置的透视图；

图5示意性示出识别多孔材料对土壤持水性影响范围的原理图；以及

图6示意性示出识别多孔材料对土壤持水性影响大小的原理图，

其中，1：实验箱体；11：土壤水分传感器；12：过滤层；13：出流孔；2：多孔材料；3：人工降雨装置；31：有压出水管；32：降雨喷头；33：流量监测器；4：集雨装置；41：带塞出水口；5：底座；6：万向轮；7：数据记录仪。

具体实施方式

在下面的详细描述中，本发明的某些示例性实施例简单地通过例示的方式被示出和描述。如本领域技术人员将认识到的那样，所描述的实施例可以以各种不同的方式修改，所有这些都不脱离本发明的精神或范围。因此，图和描述将被视为在本质上是例示性的，而不是限制性的。

如图1所示，本发明提供了一种多孔材料对土壤持水性影响的动态监测系统和识别方法，具体包括以下步骤：

S1：设立对照组和实验组，安装实验装置，搭建土壤水分变化动态监测系统；其具体表现为，所述实验装置包括人工降雨装置、实验箱体、土壤水分传感器、数据记录仪、集雨装置、箱体底座和万向轮7部分。其中，人工降雨装置包括有压输水管、降雨喷头和流量监测器三部分；实验箱体采用5mm钢板焊制，规格为1m×1m×1m，箱体底部均匀开孔，并分层铺设200目过滤网、10cm碎石、10cm瓜子皮和反渗土工布，箱体四角焊有底座，底座底部焊有万向轮。集雨装置为锥形四面体结构，采用8mm无色亚克力板胶粘而成，并与实验箱体通过卡槽连接，装置一边刻有刻度，方便读数，底部装有出水孔(含胶塞)，可进行雨水的收集和释放。

装置组装完成后，设定土壤容重，于实验箱体内按10cm一层分层填土，并在填土过程中，将多孔材料安装在实验箱体中心位置。同时，于多孔材料周围以水平和垂直方向，间隔5cm布设土壤水分传感器(FDR)，箱体顶部安装数据记录仪，完成土壤水分变化动态监测系统的搭建，如图2所示。

再次，设立三个对照组和一个实验组，进行对照实验。对照组除未安装多孔材料外，其余装置与实验组相同。

S2：实验前预降雨，使实验箱体土壤水分饱和；其具体表现为，利用人工降雨装置设定雨强接近当地50％频率降雨雨强，进行预降雨；当对照组和实验组实验箱体底部均出现渗水时，停止降雨，记录时间，认为此时土壤水分饱和。

S3：利用土壤水分传感器，连续监测实验箱体内土壤水分动态变化；其具体表现为，预降雨完成，实验箱体土壤水分饱和后，开启数据记录仪，设定时间间隔为30分钟，连续记录土壤水分传感器监测数据。

S4：采用三次样条插值法，对相同时刻，同一方向(水平和垂向)土壤水分传感器监测数据进行空间插值，获取多孔材料不同距离处土壤水分动态变化过程；其具体表现为，按照土壤水分传感器埋设位置，沿水平和垂直方向记录各测点不同时刻土壤水分数据，参见图3右侧的上下两个平面图，分别给出了实验箱体的水平和垂直剖面图以示出土壤水分传感器的埋设位置；采用三次样条插值法，设定网格精度为0.5cm×0.5cm，差值获得未测点土壤水分变化过程，其具体计算公式为：

θ(x)＝a_i+b_i(x-x_i)+c_i(x-x_i)²+d_i(x-x_i)³

式中：θ(x)表示未测点位置x处土壤含水量；x表示未测点距离多孔材料中心处距离；x_i表示第i个监测点距离多孔材料中心处距离；a_i、b_i、c_i、d_i是与第i和(i+1)个监测点土壤含水量相关的参数

S5：对比分析，确定多孔材料对土壤持水性的有效影响范围，其中所述多孔材料对土壤持水性的有效影响范围是指其对土壤水变化的最大扰动半径；其具体表现为，将三个对照组土壤含水量监测数据求算术平均，作为对照组；

首先，条件1：计算实验组和对照组相同位置处土壤含水量变化过程的差异量，计算公式如下：

式中，C₁表示第一差异量；N表示监测土壤含水量总历时；W_aji表示i时刻实验组j位置处土壤含水量数值；W_bji表示i时刻对照组j位置处土壤含水量数值。

设定第一差异量阈值为5％，若相邻两格点实验组与对照组土壤含水量变化过程一个小于第一差异量阈值，一个大于第一差异量阈值，则两格点中心位置距离多孔材料的距离，即为多孔材料对土壤持水性的第一可能有效影响范围(参见图5中的位置1)；

再次，条件2：计算实验组相邻格点土壤含水量变化过程差异量，计算公式如下：

式中，C₂表示第二差异量；N表示监测土壤含水量总历时；W_ai表示实验组i时刻a位置处土壤含水量；W_bi表示实验组i时刻b位置处(与a相邻)土壤含水量。

设定第二差异量阈值为5％，第一个小于第二差异量阈值的相邻格点中心距离多孔材料的距离，即为多孔材料对土壤持水性的第二可能有效影响范围(参见图5中的位置2)；

同时满足条件1和条件2的相邻格点中心距离多孔材料的距离，确定为最终的有效影响范围，如图5所示。

S6：根据对照组和实验组产水量差值，确定多孔材料对土壤持水性的影响大小；其具体表现为，实验箱体底部开始渗水后，间隔5分钟记录集雨装置内水面高度，计算各时刻土壤产水量，公式如下：

式中，D_i表示i时刻土壤产水量；h_i表示i时刻集雨装置内的水面高度，h₀表示集雨装置总高度。

设定偏差阈值为1％，当相邻两时刻土壤产水量差值小于偏差阈值时，认为产流结束。记录产流结束时，实验组和对照组土壤产水总量，二者求差，即为多孔材料对土壤持水性的影响大小，计算公式如下：

ΔD＝D_d末-D_s末

式中，△D表示多孔材料对土壤持水性的影响大小；D_d末表示产流结束时刻对照组土壤产水量；D_s末表示产流结束时刻实验组土壤产水量。

参见图2，更详细地描述根据本发明的一种识别多孔材料对土壤持水性影响的动态监测系统，其主要包括：实验组实验箱体1，多个对照组实验箱体1，人工降雨装置3和集雨装置4。

实验组实验箱体1内分层填充具有设定容重的土壤，多孔材料2安装在箱体中心位置，在多孔材料的周围以预定间隔布设土壤水分传感器11。实验箱体1为长方体，采用5mm钢板焊制，尺寸为1m×1m×1m，底部均匀开设出流孔13，并分层铺设包括200目过滤网、10cm碎石、10cm瓜子皮和反渗土工布的过滤层12，箱体四角焊有底座5，底座底部焊有万向轮6。

多个对照组实验箱体1内分层填充具有设定容重的土壤，在对应于实验组实验箱体的相应位置以预定间隔布设土壤水分传感器。可以看出，除了未安装多孔材料2之外，对照组实验箱体1的搭建与实验组实验箱体1的搭建一致。

人工降雨装置3，设置于实验组和对照组实验箱体上方，用于实验前根据设定雨强进行预降雨，使实验箱体中土壤水分饱和，人工降雨装置包括有压输水管31、降雨喷头32和流量监测器33；

集雨装置4，设置于实验组和对照组实验箱体下方，用于收集并释放雨水，集雨装置4为锥形四面体结构，采用8mm无色亚克力板胶粘而成，并与实验箱体1通过卡槽连接；集雨装置4一边刻有刻度以方便读数；底部安有带塞出水口41以进行雨水的收集和释放。

Claims (3)

1.一种识别多孔材料对土壤持水性影响的动态监测系统，包括：

实验组实验箱体(1)，所述实验组实验箱体内分层填充具有设定容重的土壤，多孔材料(2)安装在箱体中心位置，在所述多孔材料的周围以预定间隔布设土壤水分传感器(11)；

多个对照组实验箱体(1)，所述对照组实验箱体内分层填充具有设定容重的土壤，在对应于所述实验组实验箱体的相应位置以预定间隔布设土壤水分传感器(11)；

人工降雨装置(3)，设置于所述实验组和对照组实验箱体上方，用于实验前根据设定雨强进行预降雨，使实验箱体中土壤水分饱和，所述人工降雨装置包括有压输水管(31)、降雨喷头(32)和流量监测器(33)；

集雨装置(4)，设置于所述实验组和对照组实验箱体下方，用于收集并释放雨水。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述实验箱体(1)为长方体，采用5mm钢板焊制，尺寸为1m×1m×1m，底部均匀开设出流孔(13)，并分层铺设包括200目过滤网、10cm碎石、10cm瓜子皮和反渗土工布的过滤层(12)，箱体四角焊有底座(5)，底座底部焊有万向轮(6)。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述集雨装置(4)为锥形四面体结构，采用8mm无色亚克力板胶粘而成，并与实验箱体(1)通过卡槽连接；集雨装置(4)一边刻有刻度以方便读数；底部安有带塞出水口(41)以进行雨水的收集和释放。