CN109060633B - 一种静态测量土壤孔隙率的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种静态测量土壤孔隙率的方法及装置，该方法包括采样过程和测量计算过程，能够快速通过简单的计算方法得到较准确的土壤潜势氡浓度。本发明利用闭环气路测量装置内氡浓度的变化规律，改变测量装置体积得到不同测量体积下测量装置内氡浓度的变化，即可计算得出土壤孔隙率，计算得出土壤孔隙率η。本发明通过计算得出准确的土壤孔隙率η，采样测量过程及计算方法简单，降低了测量难度，节约了测量成本。

Description

一种静态测量土壤孔隙率的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种辐射探测技术，特别是一种静态测量土壤孔隙率的方法及装置。

背景技术

土壤孔隙率是土壤颗粒之间的孔隙体积占土壤总体积的比率。土壤孔隙率是反映土壤特性的一个重要指标。现有技术中测量土壤孔隙率有经验计算法、水银压入法、土壤容重和比重计算法、图像处理法以及体积差计算法等，但都有一定的局限性，存在测量准确性不高，获得的数据误差较大，操作复杂等问题。

经验计算方法由其它土的指标(天然重度、含水量、土粒相对密度、水的重度)换算得来，大部分指标(天然重度、含水量、土粒相对密度)在测量过程中均会有误差，换算过程中的误差会放大，并且测量步骤比较繁琐，故换算得来的数据不准确，而且该方法适用于实验室操作，不适合工程现场应用。水银压入法由于需要压力作用，要用到水银测孔仪，而且不适合应用于土质较软的土壤，因为可能会导致土样被压力压散，所以这种方法一般用于进行较硬固体的孔径分析。另外，水银以及仪器价格不菲，使用此方法时试验成本较高，而且水银属于有毒化学品，使用不当会对实验人员和环境造成危害。图像处理法设备费和使用费都较高，只有条件较好的机构才使用，一般研究人员往往不具备这样的条件。气压比重计法测量周期长，操作复杂，无法满足实时信息获取的需要，极大地限制了它的实际应用。土壤容重和比重计算法对于不同土壤质地，土粒密度差异是客观存在的。并且确定不同土壤质地的土粒密度费工费时，通常以石英砂样本的容重作为典型参考值，这无形中就增加了测量数据的误差。

专利文献CN107741391A公开了一种测量土壤孔隙率的方法，其利用电阻率与土壤孔隙度之间的关系，通过测量土壤电阻率来得到土壤孔隙率，这种方法在采样测量过程中不必破坏土壤原有结构，可以最大限度地保留土壤的原始密度、含水量等要素，但是这种方法仍然存在计算复杂，需要先建立土壤孔隙率与土壤电阻率之间的关系模型，且模型为粗略估计模型，引入了误差，影响计算精度。

发明内容

本发明目的是克服现有技术的上述不足，提供一种静态测量土壤孔隙率的方法及装置，该方法包括采样过程和测量计算过程，能够快速通过简单的计算方法得到较准确的土壤孔隙率。本发明通过利用闭环气路测量装置内氡浓度的变化规律，改变测量装置体积得到不同测量体积下测量装置内氡浓度的变化，计算得出准确的土壤孔隙率η。采用本发明提供的方法能够得到准确的土壤孔隙率η，其采样测量过程及计算方法简单速，降低了测量难度，节约了测量成本。

本发明的具体技术方案是：

本发明提供一种静态测量土壤孔隙率的方法，其特征在于：包括采样过程和测量计算过程。

S1、采样过程：

利用通过螺纹连接有环刀手柄、体积为V的钢制环刀，切割自然状态的土壤，使土样充满其中。不可左右摇动，以使土壤自然结构不被破坏，直到环刀全部压入土中。然后用小铲将环刀从土中挖出，取下手柄，并用小刀仔细沿环刀两端边缘修整削平，切除多余的土壤。

修整完成后，将取好样的环刀上端盖上滤膜，下端盖上密封盖，然后再通过螺纹连接环刀手柄组成土壤切割装置，土壤切割装置通过气路管道与测氡仪和气泵连接，组成一个闭环气路测量装置。

S2、计算过程：

启动气泵，将测量装置内氡混合均匀，测量装置中氡浓度的变化规律如下：

式中，V₁是采样土壤的体积；V₃是测量装置气路及测氡仪内空间总体积；C(t)为时间为t时测量装置内的氡浓度，单位为Bq·m^-3。

当测量装置内氡浓度趋于稳定时，由测氡仪对测量装置内的氡浓度进行测量，氡浓度记为C₁，此时

式(1)变化为：

停止气泵，在测量装置气路中添加一个体积为V₄的空腔，启动泵，待测量装置内氡浓度再次趋于稳定时，此时氡浓度为C₂，有：

将相关参数代入式(2)、式(3)求解，就可以得到土壤中土壤孔隙率η。

本发明进一步提供一种静态测量土壤孔隙率的装置，其特征在于：

所述装置为闭环气路测量装置，其由土壤切割装置、密封盖、气泵及测氡仪通过气路管道连接后组成；所述的土壤切割装置由环刀手柄、环刀组成。所述的环刀手柄的一端设有环形开口腔，环形开口腔的端口设有台阶孔，台阶孔的端口设有与环刀连接的内螺纹，环形开口腔的底部中心设有中心孔，环刀手柄的另一端焊接有一根与中心孔相通的直通管，直通管的另一端焊接有一根一端封闭一端开口的直管手柄，直管手柄上的排气孔与直通管的内孔相通。直管手柄排气孔通过气路管道与气泵的一端连接，所述气泵的另一端通过气路管道与测氡仪的一端连接，所述测氡仪的另一端通过气路管道与密封盖上的直通管连接。

环刀手柄与环刀连接后可作为把手用于采样，当组合成测量装置后，其与环刀内采样的土壤间有较大的空隙，使得气流能均匀通过土壤，将土壤中的氡通过气流均匀带出来，提高测量的准确性。

所述的环刀的一端设有刀口，环刀的另一端设有与环刀手柄连接的外螺纹。

所述密封盖带有密封垫，所述密封盖中心设有中心孔，中心孔焊接有直通管，直通管通过气路管道与测氡仪连接，所述密封盖盖在环刀有刀口的一端。

所述外螺纹不高于环刀外表面。

所述环刀手柄与环刀连接处是一斜面，便于环刀采样，在采样时用力更加均匀，避免了左右摇动，以使土壤自然结构不被破坏。

本发明与现有技术相比具有如下特点：

1、本发明提供的方法相比现有技术更加准确，本发明利用闭环气路测量装置内氡浓度的变化规律，改变测量装置体积得到不同测量体积下测量装置内氡浓度的变化，计算得出土壤孔隙率η。本发明通过计算得出准确的氡产生率A和土壤孔隙率η，从而获得准确的土壤潜势氡浓度。

2、本发明采样测量过程及计算方法简单，降低了测量难度，节约了测量成本。

3、环刀手柄与环刀连接处是一个斜面，便于环刀采样，在采样时用力更加均匀，避免了左右摇动，以使土壤自然结构不被破坏。

4、环刀手柄与环刀连接后可作为把手用于采样，在环刀手柄上设置有环形开口腔，当组合成测量装置后，其与环刀内采样的土壤间有较大的空隙，使得气流能均匀通过土壤，将土壤中的氡通过气流均匀带出来，提高测量的准确性。

附图说明

图1为本发明提供的测量装置示意图；

图2为土壤切割装置的结构示意图；

图3为附图2中的A-A剖视图；

图4为环刀手柄的结构示意图；

图5为附图4中的B-B剖视图；

图6为环刀的结构示意图；

图7为附图6中的C-C剖视图；

图8为密封盖的结构示意图；

图9为附图8的D-D剖视图。

其中：1为土壤切割装置，2为气泵，3为测氡仪，4为土壤，5为滤膜，6为密封盖，7为气路管道，1-1为环刀手柄，1-2为环刀，1-1-1为环形开口腔，1-1-2为台阶孔，1-1-3为内螺纹，1-1-4为中心孔，1-1-5为直通管，1-1-6为直管手柄，1-2-1为刀口，1-2-2为外螺纹，6-1为中心孔，6-2为直通管。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。

本发明提供一种静态测量土壤孔隙率的方法，其特征在于：包括采样过程和测量计算过程。

S1、采样过程：

利用通过螺纹连接有环刀手柄1-1、体积为V的钢制环刀1-2，切割自然状态的土壤，使土样充满其中。不可左右摇动，以使土壤自然结构不被破坏，直到环刀1-2全部压入土中。然后用小铲将环刀1-2从土中挖出，取下环刀手柄1-1，并用小刀仔细沿环刀1-2两端边缘修整削平，切除多余的土壤。

修整完成后，将取好样的环刀1-2上端盖上滤膜5，下端盖上密封盖6，然后再通过螺纹连接环刀手柄1-1组成土壤切割装置1，土壤切割装置1通过气路管道7与测氡仪3和气泵2连接，组成一个闭环气路测量装置。

环刀手柄1-1与环刀1-2连接后可作为把手用于采样，在环刀手柄上设置有环形开口腔1-1-1，当组合成测量装置后，其与环刀1-2内采样的土壤间有较大的空隙，使得气流能均匀通过土壤，将土壤中的氡通过气流均匀带出来，提高测量的准确性。

S2、测量计算过程：

启动气泵2，将测量装置内氡混合均匀，测量装置中氡浓度的变化规律如下：

式中，V₁是采样土壤的体积；V₃是测量装置气路及测氡仪内空间总体积；C(t)为时间为t时测量装置内的氡浓度，单位为Bq·m^-3。

当测量装置内氡浓度趋于稳定时，由测氡仪3对测量装置内的氡浓度进行测量，氡浓度记为C1，此时

式(1)变化为：

停止气泵2，在测量装置气路中添加一个体积为V₄的空腔，启动泵，待测量装置内氡浓度再次趋于稳定时，此时氡浓度为C₂，有：

将相关参数代入式(2)、式(3)求解，就可以得到土壤中土壤孔隙率η。

本发明进一步提供一种静态测量土壤孔隙率的装置，其特征在于：

所述装置为闭环气路测量装置，其由土壤切割装置1、密封盖6、气泵2及测氡仪3通过气路管道7连接后组成；所述土壤切割装置1上的直管手柄1-1-6排气孔通过气路管道7与气泵2的一端连接，所述气泵2的另一端通过气路管道7与测氡仪3的一端连接，所述测氡仪3的另一端通过气路管道7与密封盖6上的直通管6-2连接。

所述的土壤切割装置1由环刀手柄1-1、环刀1-2组成。所述的环刀手柄1-1的一端设有环形开口腔1-1-1，环形开口腔1-1-1的端口设有台阶孔1-1-2，台阶孔1-1-2的端口设有与环刀1-2连接的内螺纹1-1-3，环形开口腔1-1-1的底部中心设有中心孔1-1-4，环刀手柄1-1的另一端焊接有一根与中心孔1-1-4相通的直通管1-1-5，直通管1-1-5的另一端焊接有一根一端封闭一端开口的直管手柄1-1-6，直管手柄1-1-6上的排气孔与直通管1-1-5的内孔相通。所述的环刀1-2的一端设有刀口1-2-1，环刀1-2的另一端设有与环刀手柄1-1连接的外螺纹1-2-2。

所述密封盖6带有密封垫，所述密封盖6中心设有中心孔6-1，中心孔焊接有直通管6-2，直通管6-2通过气路管道7与测氡仪3连接，密封盖6盖在环刀1-2有刀口1-2-1的一端。

所述外螺纹1-2-2不高于环刀1-2外表面。

所述环刀手柄1-1与环刀1-2连接处是一斜面。

所述环刀手柄1-1与环刀1-2连接后可作为把手用于采样，在环刀手柄1-1上设置环形开口腔1-1-1，当组合成测量装置后，其与环刀1-2内采样的土壤间有较大的空隙，使得气流能均匀通过土壤，将土壤中的氡通过气流均匀带出来，提高测量的准确性。

上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (1)

1.一种静态测量土壤孔隙率的方法，其特征在于：包括采样过程和测量计算过程，

S1、采样过程：

利用通过螺纹连接有环刀手柄、体积为V的钢制环刀，切割自然状态的土壤，使土样充满其中；不可左右摇动，以使土壤自然结构不被破坏，直到环刀全部压入土中；然后用小铲将环刀从土中挖出，取下手柄，并用小刀仔细沿环刀两端边缘修整削平，切除多余的土壤；

修整完成后，将取好样的环刀上端盖上滤膜，下端盖上密封盖，然后再通过螺纹连接环刀手柄组成土壤切割装置，土壤切割装置通过气路管道与测氡仪和气泵连接，组成一个闭环气路测量装置；

S2、测量计算过程：

启动气泵，将测量装置内氡混合均匀，测量装置中氡浓度的变化规律如下：

式中，A为土壤中氡的产生率；λ为氡的衰变常数；V₁是采样土壤的体积；V₃是测量装置气路及测氡仪内空间总体积；C(t)为时间为t时测量装置内的氡浓度，单位为Bq·m^-3；

当测量装置内氡浓度趋于稳定时，由测氡仪对测量装置内的氡浓度进行测量，氡浓度记为C₁，此时

式(1)变化为：

停止气泵，在测量装置气路中添加一个体积为V₄的空腔，启动泵，待测量装置内氡浓度再次趋于稳定时，此时氡浓度为C₂，有：

将相关参数代入式(2)、式(3)求解，就可以得到土壤中土壤孔隙率η。