CN110736822A - 一种模拟地下水蒸发的方法及其土柱实验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及土壤水环境研究领域，尤其涉及一种模拟地下水蒸发的方法及其土柱实验装置。一种模拟地下水蒸发的土柱实验装置，包括土柱筒、注水装置、底座、透水板、水样收集装置；土柱筒一端设置在底座上，另一端为顶部敞口，透水板设置在土柱筒内靠近底座处，土柱筒的侧壁上设有刻度线，土柱筒的侧壁上还设有多个出水孔及测压管孔，测压管孔连接有测压管；土柱筒底面和透水板之间的侧壁上设有进水口，注水装置通过管路与进水口连通；水样收集装置可通过管路与出水孔连通用于收集水样；出水孔上设有防漏水装置。本发明结构简单、操作简便，能够准确模拟地下饱水带以及包气带的水环境，从而反映出地下水蒸发的真实过程，满足试验要求。

Description

一种模拟地下水蒸发的方法及其土柱实验装置
技术领域
本发明涉及土壤水环境研究领域，尤其涉及一种模拟地下水蒸发的方法及其土柱实验装置。
背景技术
地下水的蒸发一直是水文地质研究领域中的重点研究对象，它主要是指地下水借土壤毛管的作用，一部分以土壤蒸发的方式进入大气，另一部分通过植物散发。如果地下水位很浅且岩土的空隙较大，则地下水可直接蒸发。在西北干旱、半干旱地区，特别是沙漠地区，浅层地下水的蒸发是该地区地下水排泄的重要方式，并且是影响地下水整体水环境的关键因素。影响地下水蒸发的因素主要有：气候因素、土壤、埋深和植被情况等。研究地下水蒸发过程中的水化学运移规律以及各因素对蒸发过程的影响对农业方面土壤水蒸发现象的研究，地下水开发利用，旱区生态环境保护等方面具有重要的意义。因此，为了探究不同影响因素下地下水蒸发规律，急需设计一种可以模拟出地下水蒸发现象的实验装置。
发明内容
为解决上述背景技术中存在的问题，本发明提出一种模拟地下水蒸发的土柱实验装置，其结构简单、操作简便，该装置能够准确模拟地下饱水带以及包气带的水环境，从而反映出地下水蒸发的真实过程，满足试验要求。
本发明解决上述问题的技术方案是：一种模拟地下水蒸发的土柱实验装置，其特殊之处在于：
包括土柱筒、注水装置、底座、透水板、水样收集装置；
所述土柱筒为筒状结构，其一端设置在底座上，另一端为顶部敞口，透水板设置在土柱筒内靠近底座处，土柱筒的侧壁上设有刻度线，土柱筒的侧壁上还设有多个出水孔及测压管孔，所述测压管孔连接有测压管；所述土柱筒底座和透水板之间的侧壁上设有进水口，所述注水装置通过管路与进水口连通；所述水样收集装置可通过管路与出水孔连通用于收集水样；
所述出水孔上设有防漏水装置。
进一步地，上述土柱筒内壁上对应出水口处设有滤网，以防止土壤进入出水孔，导致出水孔堵塞。
进一步地，上述透水板上方设有滤网，以防止土粒落入透水板下部，同时保证在饱水过程中水能够均匀进入土柱中。
进一步地，上述测压管为直角导管，向上统一延伸至与土柱筒顶端相齐平的位置。
进一步地，上述多个出水孔沿着土柱筒轴线方向设置在土柱筒侧壁上，相邻两个出水孔之间距离相等；所述测压管设置在土柱筒侧壁上与出水孔相对一侧，测压管孔位于对侧每两个相邻出水孔的中间位置。
进一步地，上述防漏水装置为软管，所述软管连接出水孔，所述软管上设有止水夹。
进一步地，上述底座为一圆盘，其上设有环形凹槽，土柱筒的下端嵌入该环形凹槽内。
进一步地，上述水样收集装置为广口玻璃瓶。
进一步地，上述透水板上均匀开设有透水微孔。
进一步地，上述透水板与土柱筒底面的距离为5cm。
另外，本发明还提出一种模拟地下水蒸发的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)经野外调查取样获取具有代表性的天然土样若干，将土样放置烘箱中105℃烘干至恒重以去除土壤中的水分；
2)将烘干的土样放至电子秤上，按照一定的干密度(如1.3g/cm3)、管直径以及饱和土的厚度计算出所需土的重量，加水，搅拌均匀，使含水率达到设定含水率(如15％)为止，装入塑料袋中，密封，放置数小时，使土样均匀，将含水率均匀的土样分次(如每次装入5cm高度的土)装入土柱筒中并压实，并根据刻度线控制装土进度；
3)从进水口进水，利用水箱使一定高度(如60cm高)的土达到饱和，利用刻度线读取水位数据判断该部分土柱是否饱和，若24小时测压管与水箱水位数据均未发生变化且齐平则认为下部土柱为饱水带，上部10cm土柱为包气带；
4)将装好的土柱放入恒温恒湿箱中，通过调节智能恒温恒湿箱设置一定温湿度，定时观察测压管水位值，待土柱内饱水部分水分蒸发一定比例(如测压管6水位减小10cm，即测压管水位在50cm处)时，自上而下分别经出水孔取出各层的水样，分别测定各层未蒸发剩余水样的同位素、水化学特征；
5)重复步骤1～4，调节恒温恒湿箱的温湿度，设置相同结构但温度或湿度不同的土柱进行对比试验。
进一步地，上述恒温恒湿箱采用40A砂浆养护箱，有效容积为510mm×620mm×1230mm，设定温度为0－90℃，精度为±2℃，设定湿度为20－70％，精度为±5％RH，其有效容积内可以对土柱筒周边空气的温湿度进行精确控制。
本发明的优点：
本发明一种模拟地下水蒸发的土柱实验装置，其结构简单、操作简便，该装置能够准确模拟地下饱水带以及包气带的水环境，从而反映出地下水蒸发的真实过程，满足试验要求；并且利用本发明可以通过改变外部环境的种种变量，从而探究不同外部条件下的地下水蒸发情况，解决了传统有机玻璃柱高度高、不易搬运、土柱制作以及后期水样采集不便的困难。本发明一种模拟地下水蒸发的方法，其利用上述一种模拟地下水蒸发的土柱实验装置，可以探究不同温湿度对地下水蒸发影响，用来研究在不同温湿度条件下的蒸发过程中，地下水中同位素、水化学特征以及水质的变化。
附图说明
图1是本发明一种模拟地下水蒸发的土柱实验装置的结构示意图。
其中，1-土柱筒，2-出水孔，3-注水装置，4-底座，5-透水板，6-测压管，7-刻度线，8-水样收集装置，9-进水口。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。
参见图1，一种模拟地下水蒸发的土柱实验装置，包括土柱筒1、注水装置3、底座4、透水板5、水样收集装置8。
所述土柱筒1为筒状结构，其一端设置在底座4上，另一端为顶部敞口，透水板5设置在土柱筒1内靠近底座4处，土柱筒1的侧壁上设有刻度线7，土柱筒1的侧壁上还设有多个出水孔2及测压管孔，出水孔2及测压管孔直径为5mm。所述测压管孔连接有测压管6；所述土柱筒1底面和透水板5之间的侧壁上设有进水口9，所述注水装置3通过管路与进水口9连通；所述水样收集装置8可通过管路与出水孔2连通用于收集水样；所述出水孔2上设有防漏水装置。
所述测压管6为直角导管，向上统一延伸至与土柱筒1顶端相齐平的位置，当各测压管内水位一致时，此时水位值为精确水位值。
防漏水装置为软管，所述软管连接出水孔2，所述软管上设有止水夹。
所述底座4为一机玻璃板圆盘，其上设有环形凹槽，土柱筒1的下端嵌入该环形凹槽内。
所述底座4直径为20cm，厚度为2cm，其上分布的环形凹槽深5mm，宽6mm。所述土柱筒1外径为15cm，筒壁厚6mm。
所述注水装置3为顶端可敞口且配有有机玻璃盖，底部及四壁除出水孔外密闭的水箱，水箱下部侧壁上设有出水口，通过连接水箱并调整水箱高度以实现注水。所述注水装置3中柱状水箱的壁厚为10mm，直径为40cm，高30cm，通过调整水箱放置高度控制饱水进度，饱水采用多次均匀饱水。
所述水样收集装置8为广口玻璃瓶。
所述透水板5上均匀开设有透水微孔。
所述透水板5与土柱筒1底面的距离为5cm。
当然，本发明的装置尺寸可以根据不同实验需要进行调节。
作为本发明的一个优选实施例，所述土柱筒1内壁上对应出水口处设有滤网，以防止土壤进入出水孔2，导致出水孔2堵塞。所述透水板5上方设有滤网，以防止土粒落入透水板5下部，同时保证在饱水过程中水能够均匀进入土柱中。
作为本发明的一个优选实施例，所述多个出水孔2沿着土柱筒1轴线方向设置在土柱筒1侧壁上，相邻两个出水孔2之间距离相等；所述测压管6设置在土柱筒1侧壁上与出水孔2相对一侧，测压管孔位于对侧每两个相邻出水孔2的中间位置。出水孔2距离土柱筒1底面分别为0cm、10cm、20cm、30cm、40cm、50cm，对立侧的测压管孔距离土柱筒1底面分别为5cm、15cm、25cm、35cm、45cm、55cm。
本发明装置用于探究不同温湿度对地下水蒸发影响的试验装置，用来研究在不同温湿度条件下的蒸发过程中，地下水中同位素、水化学特征以及水质的变化，具体操作如下：
1)经野外调查取样获取具有代表性的天然土样若干，将土样放置烘箱中105℃烘干至恒重以去除土壤中的水分；
2)将烘干的土样放至电子秤上，按照一定的干密度(如1.3g/cm3)、管直径以及饱和土的厚度计算出所需土的重量，加水，搅拌均匀，使含水率达到设定含水率(如15％)为止，装入塑料袋中，密封，放置数小时，使土样均匀，将含水率均匀的土样分次(如每次装入5cm高度的土)装入土柱筒1中并压实，并根据刻度线7控制装土进度；
3)从进水口9进水，利用注水装置3使土柱筒1一定高度(如60cm高)的土达到饱和，利用刻度线7读取水位数据判断该部分土柱是否饱和，若24小时测压管6与注水装置3水位数据均未发生变化且齐平则认为下部土柱为饱水带，上部10cm土柱为包气带；
4)将装好的土柱放入恒温恒湿箱中，通过调节智能恒温恒湿箱设置一定温湿度，定时观察测压管6水位值，待土柱内饱水部分水分蒸发一定比例(如测压管6水位减小10cm，即测压管水位在50cm处)时，自上而下分别经出水孔取出各层的水样，分别测定各层未蒸发剩余水样的同位素、水化学特征；
5)重复步骤1～4，调节恒温恒湿箱的温湿度，设置相同结构但温度或湿度不同的土柱进行对比试验。
本次实验所用恒温恒湿箱采用40A砂浆养护箱，有效容积为510mm×620mm×1230mm，设定温度为0－90℃，精度为±2℃，设定湿度为20－70％，精度为±5％RH，其有效容积内可以对土柱筒周边空气的温湿度进行精确控制。
以上所述仅为本发明的实施例，并非以此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的系统领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种模拟地下水蒸发的土柱实验装置，其特征在于：
包括土柱筒(1)、注水装置(3)、底座(4)、透水板(5)、水样收集装置(8)；
所述土柱筒(1)为筒状结构，其一端设置在底座(4)上，另一端为顶部敞口，透水板(5)设置在土柱筒(1)内靠近底座(4)处，土柱筒(1)的侧壁上设有刻度线(7)，土柱筒(1)的侧壁上还设有多个出水孔(2)及测压管孔，所述测压管孔连接有测压管(6)；所述土柱筒(1)底端和透水板(5)之间的侧壁上设有进水口(9)，所述注水装置(3)通过管路与进水口(9)连通；所述水样收集装置(8)可通过管路与出水孔(2)连通用于收集水样；
所述出水孔(2)上设有防漏水装置。
2.根据权利要求1所述的一种模拟地下水蒸发的土柱实验装置，其特征在于：
所述土柱筒(1)内壁上对应出水孔(2)处设有滤网。
3.根据权利要求2所述的一种模拟地下水蒸发的土柱实验装置，其特征在于：
所述透水板(5)上方设有滤网。
4.根据权利要求3所述的一种模拟地下水蒸发的土柱实验装置，其特征在于：
所述测压管(6)为直角导管，向上统一延伸至与土柱筒(1)顶端相齐平的位置。
5.根据权利要求1-4任一所述的一种模拟地下水蒸发的土柱实验装置，其特征在于：
所述多个出水孔(2)沿着土柱筒(1)轴线方向设置在土柱筒(1)侧壁上，相邻两个出水孔(2)之间距离相等；所述测压管(6)设置在土柱筒(1)侧壁上与出水孔(2)相对一侧，测压管孔位于对侧每两个相邻出水孔(2)的中间位置。
6.根据权利要求5所述的一种模拟地下水蒸发的土柱实验装置，其特征在于：
所述防漏水装置为软管，所述软管连接出水孔(2)，所述软管上设有止水夹。
7.根据权利要求6所述的一种模拟地下水蒸发的土柱实验装置，其特征在于：
所述底座(4)为一圆盘，其上设有环形凹槽，土柱筒(1)的下端嵌入该环形凹槽内。
8.根据权利要求7所述的一种模拟地下水蒸发的土柱实验装置，其特征在于：
所述水样收集装置(8)为广口玻璃瓶；所述透水板(5)上均匀开设有透水微孔。
9.根据权利要求8所述的一种模拟地下水蒸发的土柱实验装置，其特征在于：
所述透水板(5)与土柱筒(1)底面的距离为5cm。
10.一种模拟地下水蒸发的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)获取土样若干，将土样放置烘箱中105℃烘干至恒重以去除土壤中的水分；
2)将烘干的土样放至电子秤上，按照设定的干密度、管直径以及饱和土的厚度计算出所需土的重量，加水，搅拌均匀，使含水率达到设定含水率为止，装入塑料袋中，密封，放置数小时，使土样均匀，将含水率均匀的土样分次装入土柱筒(1)中并压实，并根据刻度线(7)控制装土进度；
3)从进水口(9)进水，利用注水装置(3)使土柱筒(1)中的土达到饱和，利用刻度线(7)读取水位数据判断该部分土柱是否饱和，若24小时测压管(6)与注水装置(3)水位数据均未发生变化且齐平则认为下部土柱为饱水带，上部10cm土柱为包气带；
4)将土柱筒(1)放入恒温恒湿箱中，通过调节智能恒温恒湿箱设置一定温湿度，定时观察测压管(6)水位值，待土柱内饱水部分水分蒸发设定比例时，自上而下分别经出水孔取出各层的水样，分别测定各层未蒸发剩余水样的同位素、水化学特征；
5)重复步骤1)～4)，调节恒温恒湿箱的温湿度，设置相同结构但温度或湿度不同的土柱进行对比试验。
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