CN109738230A - 一种采集壤中流的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采集壤中流的装置，包括装有土壤的土槽，在土壤中插有多个采集壤中流的装置采集不同点的土壤水分，对肉眼看不到的土槽内部土壤水分进行数据采集和分析。本发明采集壤中流的装置可以埋设在土壤中并且可以对不同深度的土壤进行采集和分析其含水量，因而使得对土壤湿润锋的运移情况及其对降雨的响应关系更为客观的进行反映。

Description

一种采集壤中流的装置

技术领域

本发明涉及水文学实验研究技术领域，尤其涉及一种可观测土壤湿润锋的运移情况及分层收集壤中流的装置，可用于研究不同下垫面、雨强、坡度土壤含水率对土壤水分运移情况的响应关系。

背景技术

在气候变化和人类活动的双重影响下，流域水循环演变发生着深刻变化。气候变化通过改变降水、气温、日照、风、相对湿度等影响水文循环，进而改变降水、径流、蒸发、土壤湿度等水文要素的时空分布。人类活动则通过改变流域下垫面和水量的时空分布格局等影响水文循环过程。因此在降雨过程中土壤水分变化对径流的响应关系，或者不同坡度、雨强、下垫面对径流的响应关系亟需开展相关的研究工作，这也是目前水文学研究的热点之一。

在目前的研究工作中，土壤水分运动对径流响应关系的研究，多采用自行设计的土槽，在室内用过人工模拟降雨过程，观测土槽中土壤湿润锋的运移情况及其对降雨的响应关系。但是这种土槽的设计大多四周全用钢板焊接，无法从外部观测土壤水分的变化情况，仅能利用从土壤中埋设水分传感器获得的数据了解土壤水分的状态变化。壤中流的收集也仅采用单一的导流装置收集，无法对不同深度的壤中流进行分层收集。

改进后的装置可用于相关领域对于土壤水分运移状态的研究，可分层收集不同土壤深度的壤中流，并实时观测土壤湿润锋的运移状态。对于水文学领域，可利用该装置对不同坡度、雨强、植被覆盖度下降雨对径流及壤中流的响应关系。同样，对于水土保持方面，可通过改进前端导流装置的设计及填土过程中对土壤容重的控制，模拟降雨过程中土壤的侵蚀状态。

但是，现有通过玻璃窗口直接观测土壤水分的运动情况的装置虽然使得观察更加直观，但是土壤内部的水分移动更加复杂，玻璃窗口仅仅反映出部分事实，而不能精准的对肉眼看不到的土壤层内部的土壤湿润锋情况进行展示。

发明内容

本发明设计了一种采集壤中流的装置，其解决了以下技术问题：（1）现有技术中不能实时对不同深度并且肉眼看不到的壤中流进行采集和检测。（2）现有实验过程中土壤水分运移深度的观测及壤中流分层收集的问题。

为了解决上述存在的技术问题，本发明采用了以下方案：

一种采集壤中流的装置，包括装有土壤的土槽，在土壤中插有多个采集壤中流的装置采集不同点的土壤水分，对肉眼看不到的土槽内部土壤水分进行数据采集和分析。

进一步，采集壤中流的装置包括套筒和驱动杆（21），所述驱动杆（21）位于所述套筒中，所述套筒外壁设有刻度并且上端开口底部连接一锥形部（23），在套筒轴向的不同位置设有多个径向孔（28），在每个所述径向孔（28）中设有一伸缩移动部件（27），所述伸缩移动部件（27）一侧设置下斜面（26），所述伸缩移动部件（27）另一侧设置伸缩采集腔（22），所述伸缩采集腔（22）采集土槽土壤并通过其中的土壤水分传感器测量土壤的含水量，所述驱动杆（21）底部设有上斜面（25），所述伸缩移动部件（27）未被所述驱动杆（21）作用时，所述伸缩移动部件（27）隐藏在所述径向孔（28）中，所述下斜面（26）被所述上斜面（25）作用时，所述伸缩采集腔（22）从所述径向孔（28）被推出采集土壤水分。

进一步，还包括复位弹簧（29），所述复位弹簧（29）安装在所述径向孔（28）中，其确保所述伸缩移动部件（27）未被所述驱动杆（21）作用时，所述伸缩移动部件（27）能够返回至所述径向孔（28）中。

进一步，所述套筒包括固定套筒（20）和滑动套筒（30），所述滑动套筒（30）套在所述固定套筒（20）外部并且能够沿着所述固定套筒（20）的轴向上下移动，所述固定套筒（20）轴向的不同位置设有多个所述径向孔（28），所述滑动套筒（30）也对应设有多个通孔（32），当所述滑动套筒（30）向上移动时，使得所述通孔（32）与所述径向孔（28）连通能够向土壤释放出所述伸缩采集腔（22），当所述所述滑动套筒（30）向下移动复位时，使得所述通孔（32）与所述径向孔（28）不通避免土壤或水进入所述伸缩采集腔（22）中。

进一步，多个驱动杆（21）通过一连接板（24）连接，气缸作用在所述连接板（24）使得多个驱动杆（21）同步运动，确保每个采集壤中流的装置可以在同一时间测得土壤水分的含量。

一种可观测土壤湿润锋的运移情况及分层收集壤中流的土槽，所述土槽中装有土壤，所述土槽底部设有防水装置（6），土槽的一个侧面设有防止降雨过程中土壤侧漏的保护网，保护网位于土槽内部的一侧连接多个壤中流分层收集装置（7），壤中流分层收集装置（7）其作用是防止上层壤中流产流以后沿前端土壤剖面流入下层壤中流收集装置（7）中，保护网位于土槽外部的一侧连接设有多个导流装置（4），导流装置（4）用以收集和观测地表径流和壤中流，每个导流装置（4）与每个壤中流分层收集装置（7）对应设置；土槽的其他侧面由钢板（1）和钢化玻璃（2）拼装而成；所述实验器材可收集降雨过程中的地表径流，土壤层不同高度的壤中流及地下径流，并通过所述钢化玻璃（2）观测土壤水分的运动，在土槽的土壤中可以插入多个采集壤中流的装置。

进一步，保护网包括细纱网（9）和铁网（10），细纱网（9）自下而上垂直布设于土槽中土壤和铁网（10）之间，以防止降雨过程中的土壤侧漏；壤中流分层收集装置（7）的钢片通过所述铁网（10）与导流装置（4）连接，三者的连接处进行密封以防止壤中流通过钢片与导流装置（4）连接处的孔隙进入下层导流装置（4）。

进一步，壤中流分层收集装置（7）的钢片在垂直方向置于所述导流装置（4）上部。

进一步，多个壤中流分层收集装置（7）和多个导流装置（4）根据实验要求在不同深度布设，不同的导流装置（4）之间通过玻璃胶进行密封。

进一步，防水装置（6）位于土槽的最下端，防水装置（6）通过玻璃胶使其与土槽四周紧密结合在一起。

进一步，钢板（1）和钢化玻璃（2）都为多块，每块钢化玻璃（2）夹持在两块钢板（1）之间或者每块钢板（1）夹持在两块钢化玻璃（2）之间，钢化玻璃（2）贴有刻度尺（3）。

进一步，所述实验器材分别收集降雨过程中的0-10cm、10-20cm、20-60cm、60-100cm之间的壤中流。

该采集壤中流的装置具有以下有益效果：

（1）本发明采集壤中流的装置可以埋设在土壤中并且可以对不同深度的土壤进行采集和分析其含水量，因而使得对土壤湿润锋的运移情况及其对降雨的响应关系更为客观的进行反映。

（2）本发明设置多个采集壤中流的装置时通过气缸和连接板的配合实现多个采集壤中流的装置同时采集和测量，可以使得获得数据更加真实的反映整个降雨情况。

（3）本发明的套筒分为固定套筒和滑动套筒，通过上下移动滑动套筒可以使得伸缩采集腔得到有效保护，避免采集的土壤并非所需要收集深度的土壤或采集的时间并非所预设的时间。

（4）本发明可实现不同土壤深度的壤中流分层收集，以及实时观测土壤水分的入渗深度。该实验器材主要用于室内人工模拟降雨，研究不同植被盖度、坡度、雨强及前期土壤含水率对土壤水分运移的响应关系。

附图说明

图1：本发明土槽的立体结构示意图；

图2：本发明土槽的俯视图；

图3：本发明土槽的侧面示意图；

图4：本发明土槽的内部示意图；

图5：本发明采集壤中流的装置未工作时示意图；

图6：本发明采集壤中流的装置工作时示意图；

图7：本发明采集壤中流的装置中伸缩采集腔未伸出示意图；

图8：本发明采集壤中流的装置中伸缩采集腔伸出示意图。

附图标记说明：

1—钢板；2—钢化玻璃；3—刻度尺；4—导流装置；5—顶端四周钢片；6—防水装置；7—壤中流分层收集装置；8—钢柱；9—细纱网；10—铁网；

20—固定套筒；21—驱动杆；22—伸缩采集腔；23—锥形部；24—连接板；25—上斜面；26—下斜面；27—伸缩移动部件；28—径向孔；29—复位弹簧；30—滑动套筒；31—通孔。

具体实施方式

下面结合图1至图8，对本发明做进一步说明：

一种可观测土壤湿润锋的运移情况及分层收集壤中流的土槽，实验设计土槽的长宽高为5m×2m×1.3m，可实现较大尺度上模拟降雨过程中不同下垫面、坡度、雨强及前期土壤含水率对土壤水分运移的响应关系。

如说明书附图所示，可观测土壤湿润锋的运移情况及分层收集壤中流的实验器材主要包括：底层的防水装置6、侧面的钢化玻璃2、细纱网9、铁网10、壤中流分层收集装置7以及导流装置4。

其中，（1）土槽底部的防水装置6可防止土壤水分下漏，使水分侧向运动，最终从收集地下径流的导流装置流出，以达到收集地下径流的目的。底层防水装置6位于土槽最下端，铺设后通过玻璃胶使其与土槽四周紧密结合在一起。

（2）土槽两侧安装的钢化玻璃2上贴有透明的刻度尺3，可以实时观测一场降雨过程中湿润锋的运移深度。侧面透明的钢化玻璃2与土槽两侧的钢板1相接，下端与底部三角铁相连，上端与顶部三角铁相连。

（3）土槽前端出口的纵剖面保护网由铁网9及细纱网10组成，主要为防止降雨过程中前端土壤侧漏。同时细纱网9的铺设需根据壤中流分层收集装置7进行分层铺设，以防止壤中流产流后沿细纱网9流入土槽底部。细纱网10铺设在土槽前端铁网9内侧，且根据壤中流分层收集装置进行分层铺设。铁网9一侧与细纱网10相连，另一侧与前端导流装置4相连接，其四周则分别焊接在土槽两侧的钢板1及上下端的三角铁上。

（4）壤中流分层收集装置7其作用主要为防止上层壤中流产流以后沿前端土壤剖面流入下层壤中流收集装置7中。壤中流分层收集装置7的钢片通过前端铁网10与导流装置4连接在一起，且钢片置于导流装置4上部。钢片与导流装置及铁网连接处的孔隙用玻璃胶进行密封。

（5）土槽的导流装置4主要用以收集和观测地表径流和壤中流，同时导流装置可根据实验要求在不同深度布设。土槽前端导流装置4采用分层错开、均匀分布的设计。导流装置4主要通过铆钉与土槽两侧的钢板1连接在一起，不同导流装置4之间主要通过玻璃胶进行密封。

（6）土槽填土过程中对顶端四周预留10 cm高的钢板，以防止降雨过程中雨滴溅蚀及表层水土的侧向冲刷流失。

（7）土槽的尺寸可以根据具体研究需要进行更改设计。

一种可观测土壤湿润锋的运移情况及分层收集壤中流的土槽制作步骤如下：

土槽安装过程中，首先利用三角铁将土槽两侧及前后部分连接在一起，并将其直接焊接在底板上。同时在土槽内紧贴导流装置处垂直均匀布设三根钢柱，钢柱上端与土槽前端顶部三角铁焊接，下端与土槽前端底部焊接。然后将设计的铁网从土槽内部放入并与土槽前端两侧三角铁及中间的铁柱焊接。分层截流所用钢片通过铁网与导流装置用玻璃胶进行黏接，以防止壤中流通过钢片与导流装置连接处的孔隙进入下层导流装置。同时，钢片与铁网链接处的孔隙也需用玻璃胶密封，以防止壤中流通过钢片与铁网连接处的孔隙进入下层导流装置。细纱网自下而上垂直布设于土壤和铁网之间，以防止降雨过程中的土壤侧漏。

填土过程中，先在底部铺上防水装置，并用玻璃胶将其与槽子四周的连接处密封，防止水分从土槽底部流出。然后在防水布上铺10cm的细沙子并压实，接着在沙子上面铺上一层纱布，以防止上层土壤与下层沙子混合，最后再进行上层填土。填土过程中可根据具体实验要求，控制土壤容重进行分层填土。

降雨过程中本装置实现了大尺度条件下人工模拟降雨对产汇流的响应机理，同时对变化条件下土壤水分变化、不同坡度、雨强、下垫面对径流的响应关系的研究具有重要意义。

仅仅实现肉眼可观察是不够的，因此本发明采集壤中流的装置需要配合上述实验器材一同使用。

如图5-8所示，一种采集壤中流的装置，包括装有土壤的土槽，在土壤中插有多个采集壤中流的装置采集不同点的土壤水分，对肉眼看不到的土槽内部土壤水分进行数据采集和分析。

采集壤中流的装置包括套筒和驱动杆21，驱动杆21位于套筒中，套筒外壁设有刻度并且上端开口底部连接一锥形部23，在套筒轴向的不同位置设有多个径向孔28，在每个径向孔28中设有一伸缩移动部件27，伸缩移动部件27一侧设置下斜面26，伸缩移动部件27另一侧设置伸缩采集腔22，伸缩采集腔22采集土槽土壤并通过其中的土壤水分传感器测量土壤的含水量，驱动杆21底部设有上斜面25，伸缩移动部件27未被驱动杆21作用时，伸缩移动部件27隐藏在径向孔28中，下斜面26被上斜面25作用时，伸缩采集腔22从径向孔28被推出采集土壤水分。

还包括复位弹簧29，复位弹簧29安装在径向孔28中，其确保伸缩移动部件27未被驱动杆21作用时，伸缩移动部件27能够返回至径向孔28中。

套筒包括固定套筒20和滑动套筒30，滑动套筒30套在固定套筒20外部并且能够沿着固定套筒20的轴向上下移动，固定套筒20轴向的不同位置设有多个径向孔28，滑动套筒30也对应设有多个通孔32，当滑动套筒30向上移动时，使得通孔32与径向孔28连通能够向土壤释放出伸缩采集腔22，当滑动套筒30向下移动复位时，使得通孔32与径向孔28不通避免土壤或水进入伸缩采集腔22中。

多个驱动杆21通过一连接板24连接，气缸作用在连接板24使得多个驱动杆21同步运动，确保每个采集壤中流的装置可以在同一时间测得土壤水分的含量。

本发明采集壤中流的装置控制方法如下：

1、移动滑动套筒30相对于固定套筒20的位置，使得通孔32与径向孔28不通避免土壤或水进入伸缩采集腔22中。

2、将套筒通过锥形部23插入土壤中，伸缩采集腔22位于固定套筒20的径向孔28中被滑动套筒30保护。

3、需要采集壤中流时，改变滑动套筒30相对于固定套筒20的位置，使得通孔32与径向孔28连通能够向土壤释放出伸缩采集腔22。

4、启动气缸，气缸杆作用连接板24，使得一个或多个驱动杆21向下运动，驱动杆21的上斜面25向下依次作用每个伸缩移动部件27的下斜面26，使得伸缩移动部件27做水平运动并驱使各个伸缩采集腔22扎入不同深度的土壤中采集土壤流，此时与伸缩移动部件27连接的复位弹簧29被压缩。

5、伸缩采集腔22中的土壤水分传感器测量土壤的含水量并发送至电脑存储和分析。

6、采集测量完毕之后，再次启动气缸，气缸杆作用连接板24，将使得一个或多个驱动杆21向上运动，驱动杆21轴向不再顶住伸缩移动部件27，复位弹簧29释放弹性势能将伸缩移动部件27复原，伸缩采集腔22也回到固定套筒20的径向孔28中。

7、再次移动滑动套筒30相对于固定套筒20的位置，使得通孔32与径向孔28不通避免土壤或水进入伸缩采集腔22中。

8、将套筒拔出。

本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种采集壤中流的装置，包括装有土壤的土槽，在土壤中插有多个采集壤中流的装置采集不同点的土壤水分，对肉眼看不到的土槽内部土壤水分进行数据采集和分析。

2.根据权利要求1所述采集壤中流的装置，其特征在于：采集壤中流的装置包括套筒和驱动杆（21），所述驱动杆（21）位于所述套筒中，所述套筒外壁设有刻度并且上端开口底部连接一锥形部（23），在套筒轴向的不同位置设有多个径向孔（28），在每个所述径向孔（28）中设有一伸缩移动部件（27），所述伸缩移动部件（27）一侧设置下斜面（26），所述伸缩移动部件（27）另一侧设置伸缩采集腔（22），所述伸缩采集腔（22）采集土槽土壤并通过其中的土壤水分传感器测量土壤的含水量，所述驱动杆（21）底部设有上斜面（25），所述伸缩移动部件（27）未被所述驱动杆（21）作用时，所述伸缩移动部件（27）隐藏在所述径向孔（28）中，所述下斜面（26）被所述上斜面（25）作用时，所述伸缩采集腔（22）从所述径向孔（28）被推出采集土壤水分。

3.根据权利要求2所述采集壤中流的装置，其特征在于：还包括复位弹簧（29），所述复位弹簧（29）安装在所述径向孔（28）中，其确保所述伸缩移动部件（27）未被所述驱动杆（21）作用时，所述伸缩移动部件（27）能够返回至所述径向孔（28）中。

4.根据权利要求2或3所述采集壤中流的装置，其特征在于：所述套筒包括固定套筒（20）和滑动套筒（30），所述滑动套筒（30）套在所述固定套筒（20）外部并且能够沿着所述固定套筒（20）的轴向上下移动，所述固定套筒（20）轴向的不同位置设有多个所述径向孔（28），所述滑动套筒（30）也对应设有多个通孔（32），当所述滑动套筒（30）向上移动时，使得所述通孔（32）与所述径向孔（28）连通能够向土壤释放出所述伸缩采集腔（22），当所述所述滑动套筒（30）向下移动复位时，使得所述通孔（32）与所述径向孔（28）不通避免土壤或水进入所述伸缩采集腔（22）中。

5.根据权利要求4所述采集壤中流的装置，其特征在于：多个驱动杆（21）通过一连接板（24）连接，气缸作用在所述连接板（24）使得多个驱动杆（21）同步运动，确保每个采集壤中流的装置可以在同一时间测得土壤水分的含量。

6.根据权利要求1-5中任何一项所述采集壤中流的装置，其特征在于：

所述土槽底部设有防水装置（6），土槽的一个侧面设有防止降雨过程中土壤侧漏的保护网，保护网位于土槽内部的一侧连接多个壤中流分层收集装置（7），壤中流分层收集装置（7）其作用是防止上层壤中流产流以后沿前端土壤剖面流入下层壤中流收集装置（7）中，保护网位于土槽外部的一侧连接设有多个导流装置（4），导流装置（4）用以收集和观测地表径流和壤中流，每个导流装置（4）与每个壤中流分层收集装置（7）对应设置；土槽的其他侧面由钢板（1）和钢化玻璃（2）拼装而成；所述土槽收集降雨过程中的地表径流、土壤层不同高度的壤中流及地下径流，并通过所述钢化玻璃（2）观测土壤水分的运动。

7.根据权利要求6所述采集壤中流的装置，其特征在于：保护网包括细纱网（9）和铁网（10），细纱网（9）自下而上垂直布设于土槽中土壤和铁网（10）之间，以防止降雨过程中的土壤侧漏；壤中流分层收集装置（7）的钢片通过所述铁网（10）与导流装置（4）连接，对三者的连接处进行密封以防止壤中流通过钢片与导流装置（4）连接处的孔隙进入下层导流装置（4）。

8.根据权利要求6或7所述采集壤中流的装置，其特征在于：壤中流分层收集装置（7）的钢片在垂直方向置于所述导流装置（4）上部。

9.根据权利要求8所述采集壤中流的装置，其特征在于：多个壤中流分层收集装置（7）和多个导流装置（4）根据实验要求在不同深度布设，不同的导流装置（4）之间通过玻璃胶进行密封。

10.根据权利要求6-9中任何一项所述采集壤中流的装置，其特征在于：防水装置（6）位于土槽的最下端，防水装置（6）通过玻璃胶使其与土槽四周紧密结合在一起。