CN110208497A - 一种便携式土壤给水度测试仪及测试方法 - Google Patents

一种便携式土壤给水度测试仪及测试方法 Download PDF

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李鸿雁
薛丽君
鲍珊珊
冶雪艳
赵玉红
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Jilin University
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Jilin University
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/24Earth materials

Abstract

本发明涉及一种便携式土壤给水度测试仪及测试方法,其特征在于:包括供水系统、渗透系统和数据采集处理系统;通过土样装置、水柱供水、土样水流渗透达到饱和、土壤含水量数据采集和释水量收集及计量来实现该便携式土壤给水度测试仪的工作;通过水流方向自下而上渗透土样,便于排气,大大节省了饱和时间;水柱和土柱采用同径圆柱并标注高度刻度,只测量土柱中土样高度H1和水柱中释水量高度H2,H2/H1即为土壤给水度,原理清晰、计算简便;同时采用仪器法和直测法来测量土壤给水度,保证了测试结果的精确性和可靠性;解决了传统给水度测试方法人力、物力、财力的浪费问题,而且本技术机理明确且能够实时观测土壤含水量动态变化过程。

Description

一种便携式土壤给水度测试仪及测试方法
技术领域
本发明涉及土壤水分实验领域,尤其涉及一种便携式土壤给水度测试仪及测试方法。
背景技术
在重力作用下,从饱和的土壤中释放的最大水量体积和土体体积的比值,叫做土壤的给水度。给水度反映了土壤释水和贮水能力,是排水工程设计、地下水资源评价、地下水可开采量计算、潜水动态预测、农田灌水排水计算等研究领域最基本的水文地质参数,其精度直接影响相关研究的可靠性。因此,给水度的准确测定和计算具有重要的理论和实际意义。
目前,给水度确定方法大致可概括为两类,一类是特定点给水度计算,包括非稳定流抽水试验法、漏斗疏干法、试坑法、原状土筒测法等;另一类是研究区面平均给水度计算,包括水量平衡法、实际开采量法等。其中,原状土筒测法是室内方法,通过简易的实验室注水排水装置获得给水度。主要步骤如下:利用特制的圆形测筒套取原状土,安装给水度测试装置,然后向测筒内注水,待土柱达到饱和后开始排水,自由重力水完全释放时的水量体积与土柱体积的比值,即为该土壤的给水度。
该方法简单直观,但在实际操作中存在三个问题:
(1)土壤难以达到完全饱和状态:筒测法是先将土壤饱和再排水的方法,注水过程中,很难保证土壤中的气体可以全部排出,致使土壤不能达到完全饱和,导致给水度计算值偏小。
(2)释水时间过长:土柱重力水全部释放完毕需要很长时间,因为实验中需要测量重力水的体积,如果在重力水完全排除前就进行测量,会导致给水度计算值偏小;若等待重力水完全排除,会导致实验周期拉长,造成人力物力浪费。
(3)土壤水动态变化过程无法观测:筒测法只能通过排除重力水的水量和土柱体积的比值确定最终的给水度,无法实时反映土壤水的动态变化过程。
鉴于传统的原状土筒测法存在以上不足,因此加强相关理论研究,探寻改进措施,研究一种新型方法或仪器成为现今科研工作者面临的一项挑战。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种便携式土壤给水度测试仪及测试方法,目前常用的筒测法存在土壤难以达到完全饱和状态、释水时间过长、土壤水动态变化过程无法观测等问题。
为解决上述技术问题,本发明的技术方案为:一种便携式土壤给水度测试仪,其创新点在于:包括供水系统、渗透系统和数据采集处理系统;所述供水系统连接在渗透系统上向渗透系统提供水源;所述数据采集处理系统通过传感器与渗透系统相连进行数据收集与处理;
所述供水系统包括供水水柱和连接软管;所述供水水柱上设置有注水口和供水孔且供水水柱内设置有水源;所述连接软管一端连接在供水水柱的供水孔上且供水孔上该端部设置有开关阀,所述连接软管的另一端连接在渗透系统上,通过开关阀的控制实现供水系统对渗透系统的供水;
所述渗透系统包括土柱和进/出水舱;所述土柱的侧壁沿着竖直方向设置有一个容纳压力传感器的安装孔;所述进/出水舱设置在土柱的底端且与土柱的底端之间通过法兰相连;所述进/出水舱上设置有进/出水口,且进/出水口通过连接软管与供水水柱相连;所述进/出水舱的水平高度低于供水水柱的供水孔水平高度;所述进/出水口的进水使土柱内土样达到饱和,出水使土柱内土样水分不断排出;
所述数据采集处理系统包括计算机、压力传感器和数据采集器;所述压力传感器设置在土柱上的安装孔内对土柱内实验土样进行水分测试,压力传感器监测数据,通过压力传感器表面压力的变化和预置的算法可换算出土壤含水量;压力传感器通过数据线与数据采集器相连;数据采集器与计算机相连。
进一步的,所述供水水柱与土柱为同径同高透明有机玻璃圆柱体结构;供水水柱与土柱上均设置有高度刻度。
一种便携式土壤给水度测试仪的测试方法,其创新点在于:具体步骤如下:
S1:装置土样:将土柱内的过滤板上放置一层铜纱网,铜纱网粒径小于试样粒径,然后将试样装入渗透装置内,并将压力传感器安装在土柱与测压管平行的测孔内;
S2:平整土样:将土柱内试样上表面整平,在试样上轻放一张圆形滤纸;测量土柱高度,记录为H1;
S3:渗透土样:将供水水柱放置到土柱以上的一定高度,以形成高度差达到水头压力向供水水柱内注水,打开供水水柱上的供水孔和土柱上进/出孔上的开关阀,通过软管从土柱底部向土柱内供水;
S4:饱和土样:不断观察土柱中土样渗透情况,当土样顶部滤纸浸湿时,说明土样已全部达到饱和,关闭供水水柱的供水孔和土柱的进/出孔上的开关阀,停止供水;
S5:数据采集与释水收集:设置电脑控制软件的采样时间间隔,准备好容器以收集释水量;打开土柱上的进/出孔开关阀,同时进行压力传感器测得的土壤含水量数据采集和土样排水的收集;当出水口无水流出时,认为释水结束;
S6:直测法土壤给水度测量:将收集的释水量倒入供水水柱,读取水面高度记为H2;H2/H1即为土壤给水度;
S7:仪器法土壤给水度推求:根据土壤水分动态机理,即重力水衰减速率大于分子水衰减速率,土壤含水量衰退曲线上的拐点处即为田间持水量;排水开始时压力传感器监测数据即为土壤饱和含水量,饱和含水量减去田间持水量即为土壤给水度。
S8:测试结果合理性分析:将仪器法和直测法所测得的土壤给水度测试结果进行比较分析,以论证结果的合理性。
进一步的,所述S7仪器法土壤给水度推求中,排水开始时压力传感器监测数据结束标准为当土壤含水量数值两次采样数值变化不超过0.01%时,结束采样。
本发明的优点在于:
1)本发明中解决了传统给水度测试方法人力、物力、财力的浪费问题,而且本技术机理明确且能够实时观测土壤含水量动态变化过程。通过水流方向自下而上渗透土样,便于排气,提高渗透效率,大大节省了饱和时间;供水水柱与土柱形成水头差,使土柱中土样处于有压渗透状态,大大缩短使土样达到饱和的时间。
2)本发明中供水水柱与土柱同径,只用释水高度和土样高度之比即可求出土壤给水度,测试更快捷方便;采用直测法和仪器法进行土壤给水度测量,保证了实验结果的可靠性。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明的一种便携式土壤给水度测试仪工作原理示意图。
图2为本发明的一种便携式土壤给水度测试仪的土壤含水量过程线图。
具体实施方式
下面的实施例可以使本专业的技术人员更全面地理解本发明,但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
如图1所示的一种便携式土壤给水度测试仪,包括供水系统1、渗透系统2和数据采集处理系统3;所述供水系统1连接在渗透系统上向渗透系统提供水源;所述数据采集处理系统3通过传感器与渗透系统2相连进行数据收集与处理。
供水系统1包括供水水柱11和连接软管12;所述供水水柱11上设置有注水口和供水孔13且供水水柱11内设置有水源;所述连接软管12一端连接在供水水柱11的供水孔上且供水孔13上该端部设置有开关阀14,所述连接软管的另一端连接在渗透系统2上,通过开关阀14的控制实现供水系统1对渗透系统2的供水。
渗透系统2包括土柱21和进/出水舱22;所述土柱21的侧壁沿着竖直方向等间距至少设置有三个容纳压力传感器的安装孔;所述进/出水舱22设置在土柱的底端且与土柱21的底端之间通过法兰相连;所述进/出水舱22上设置有进/出水口,且进/出水口通过连接软管12与供水水柱11相连;所述进/出水舱22的水平高度低于供水水柱11的供水孔13水平高度;所述进/出水口的进水使土柱21内土样达到饱和,出水使土柱21内土样水分不断排出。
数据采集处理系统3包括计算机31、压力传感器32和数据采集器;所述压力传感器32设置在土柱上的安装孔内对土柱21内实验土样进行水分测试,压力传感器32通过压力的变化以及预置在计算机中的算法,可换算出土壤含水量;压力传感器32通过数据线与数据采集器相连;数据采集器与计算机31相连。
供水水柱11与土柱21为同径同高透明有机玻璃圆柱体结构;供水水柱11与土柱21上均设置有高度刻度。
一种便携式土壤给水度测试仪的测试方法,具体步骤如下:
S1:装置土样:将土柱内的过滤板上放置一层铜纱网,铜纱网粒径小于试样粒径,粒径0.5-1.2mm,然后将试样装入渗透装置内,并将压力传感器安装在土柱与测压管平行的测孔内;
S2:平整土样:将土柱内试样上表面整平,在试样上轻放一张圆形滤纸;测量土柱高度,记录为H1;
S3:渗透土样:将供水水柱放置到土柱以上的一定高度,以形成高度差达到水头压力向供水水柱内注水,打开供水水柱上的供水孔和土柱上进/出孔上的开关阀,通过软管从土柱底部向土柱内供水;
S4:饱和土样:不断观察土柱中土样渗透情况,当土样顶部滤纸浸湿时,说明土样已全部达到饱和,关闭供水水柱的供水孔和土柱的进/出孔上的开关阀,停止供水;
S5:数据采集与释水收集:设置电脑控制软件的采样时间间隔,准备好容器以收集释水量;打开土柱上的进/出孔开关阀,同时进行压力传感器测得的土壤含水量数据采集和土样排水的收集;当出水口无水流出时,认为释水结束;
S6:直测法土壤给水度测量:将收集的释水量倒入供水水柱,读取水面高度记为H2;H2/H1即为土壤给水度;
S7:仪器法土壤给水度推求:根据土壤水分动态机理,即重力水衰减速率大于分子水衰减速率,土壤含水量衰退曲线上的拐点处即为田间持水量;排水开始时压力传感器监测数据即为土壤饱和含水量,饱和含水量减去田间持水量即为土壤给水度。
S8:测试结果合理性分析:将仪器法和直测法所测得的土壤给水度测试结果进行比较分析,以论证结果的合理性。
S7仪器法土壤给水度推求中,排水开始时压力传感器监测数据结束标准为当土壤含水量数值两次采样数值变化不超过0.01%时,结束采样。
如图2所示:仪器法:传感器测得的田间持水量分别为11.20%,饱和含水量为29.85%,土壤给水度为18.65%。
如图1所示:直测法:H1=25cm,H2=4.56cm,土壤给水度为18.24%。
本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种便携式土壤给水度测试仪,其特征在于:包括供水系统、渗透系统和数据采集处理系统;所述供水系统连接在渗透系统上向渗透系统提供水源;所述数据采集处理系统通过传感器与渗透系统相连进行数据收集与处理;
所述供水系统包括供水水柱和连接软管;所述供水水柱上设置有注水口和供水孔且供水水柱内设置有水源;所述连接软管一端连接在供水水柱的供水孔上且供水孔上该端部设置有开关阀,所述连接软管的另一端连接在渗透系统上,通过开关阀的控制实现供水系统对渗透系统的供水;
所述渗透系统包括土柱和进/出水舱;所述土柱的侧壁沿着竖直方向设置有一个容纳压力传感器的安装孔;所述进/出水舱设置在土柱的底端且与土柱的底端之间通过法兰相连;所述进/出水舱上设置有进/出水口,且进/出水口通过连接软管与供水水柱相连;所述进/出水舱的水平高度低于供水水柱的供水孔水平高度;所述进/出水口的进水使土柱内土样达到饱和,出水使土柱内土样水分不断排出;
所述数据采集处理系统包括计算机、压力传感器和数据采集器;所述压力传感器设置在土柱上的安装孔内对土柱内实验土样进行水分测试,压力传感器监测数据,通过压力传感器表面压力的变化和预置的算法可换算出土壤含水量;压力传感器通过数据线与数据采集器相连;数据采集器与计算机相连。
2.根据权利要求1所述的一种便携式土壤给水度测试仪,其特征在于:所述供水水柱与土柱为同径同高透明有机玻璃圆柱体结构;供水水柱与土柱上均设置有高度刻度。
3.一种权利要求1所述的便携式土壤给水度测试仪的测试方法,其特征在于:具体步骤如下:
S1:装置土样:将土柱内的过滤板上放置一层铜纱网,铜纱网粒径小于试样粒径,然后将试样装入渗透装置内,并将压力传感器安装在土柱与测压管平行的测孔内;
S2:平整土样:将土柱内试样上表面整平,在试样上轻放一张圆形滤纸;测量土柱高度,记录为H1;
S3:渗透土样:将供水水柱放置到土柱以上的一定高度,以形成高度差达到水头压力向供水水柱内注水,打开供水水柱上的供水孔和土柱上进/出孔上的开关阀,通过软管从土柱底部向土柱内供水;
S4:饱和土样:不断观察土柱中土样渗透情况,当土样顶部滤纸浸湿时,说明土样已全部达到饱和,关闭供水水柱的供水孔和土柱的进/出孔上的开关阀,停止供水;
S5:数据采集与释水收集:设置电脑控制软件的采样时间间隔,准备好容器以收集释水量;打开土柱上的进/出孔开关阀,同时进行压力传感器测得的土壤含水量数据采集和土样排水的收集;当出水口无水流出时,认为释水结束;
S6:直测法土壤给水度测量:将收集的释水量倒入供水水柱,读取水面高度记为H2;H2/H1即为土壤给水度;
S7:仪器法土壤给水度推求:根据土壤水分动态机理,即重力水衰减速率大于分子水衰减速率,土壤含水量衰退曲线上的拐点处即为田间持水量;排水开始时压力传感器监测数据即为土壤饱和含水量,饱和含水量减去田间持水量即为土壤给水度;
S8:测试结果合理性分析:将仪器法和直测法所测得的土壤给水度测试结果进行比较分析,以论证结果的合理性。
4.根据权利要求3所述的一种便携式土壤给水度测试仪的测试方法,其特征在于:所述S7仪器法土壤给水度推求中,排水开始时压力传感器监测数据结束标准为当土壤含水量数值两次采样数值变化不超过0.01%时,结束采样。
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