CN111122827B - 一种精确控制地下水埋深试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种精确控制地下水埋深试验装置，属于农业用试验装置技术领域，试验装置包括供水机构，还包括用来盛放土壤层且顶部为开口结构的模拟箱，供水机构包括给水箱，给水箱内部借助竖直设置的隔板分隔成供水腔和给水腔，隔板上开设的连通口处设置有密封阀板，密封阀板的下端与隔板铰接、上端为自由端且借助连杆与设置在给水腔内的浮球铰接，给水腔内设置有限位结构，浮球卡接在限位结构内部并具有升降自由度，密封阀板借助浮球的下降或上升具有张开或闭合的旋转自由度，给水腔底部的出水口与模拟箱下端的进水口连接且连接处设置有开关阀。通过供水腔内液面的位置变化即可精确控制模拟地下水埋深，结构简单，操作方便，成本低廉。
Description
技术领域
本发明属于农业用试验装置技术领域，涉及到地下水埋深试验装置，特别是一种精确控制地下水埋深试验装置。
背景技术
地下水埋深影响作物土壤水分吸收和盐分运移，影响作物生长发育和产量，适宜的地下水水位能够改善土壤微生物活性和生物酶活性，从而改善作物的土壤环境，提高根系活力，增加作物产量。
随着城市化进程快速发展，人口剧增，农业用水急剧增加，土壤盐碱化进程日趋加快，已经严重影响土壤质量和环境，导致土壤功能减退，生态系统失衡。因此，利用盐碱化土壤地下水，同时改良盐碱地，受到越来越多人的重视，研究不同地下水埋深对盐碱化土壤的影响成为重中之重。现在的研究方式是在试验区域内开展相关试验研究，这样不能精确控制地下水埋深。另外，需要很大的研究区域以提供多种不同的地下水位埋深，需要耗费很多的人力和物力。
发明内容
本发明为了克服现有技术的缺陷，设计了一种精确控制地下水埋深试验装置，通过供水腔内液面的位置变化即可精确控制模拟地下水埋深，结构简单，操作方便，成本低廉。
本发明所采取的具体技术方案是：一种精确控制地下水埋深试验装置，包括用来给待试验的土壤层加水的供水机构，关键在于：所述的试验装置还包括用来盛放土壤层且顶部为开口结构的模拟箱，供水机构包括给水箱，给水箱内部借助竖直设置的隔板分隔成供水腔和给水腔，隔板上开设的连通口处设置有密封阀板，密封阀板的下端与隔板铰接、上端为自由端且借助连杆与设置在给水腔内的浮球铰接，给水腔内设置有限位结构，浮球卡接在限位结构内部并具有升降自由度，密封阀板借助浮球的下降或上升具有张开或闭合的旋转自由度，给水腔底部的出水口与模拟箱下端的进水口连接且连接处设置有开关阀。
所述的试验装置还包括用来显示地下水埋深的水位指示柱，水位指示柱的下端与模拟箱下端的出水口连通且该出水口的进口端设置有第一过滤网。
所述的模拟箱的数量为至少两个，试验装置还包括分水管，分水管的一端是与给水腔底部的出水口连接的进水端、另一端是封闭端，分水管的侧壁上设置有至少两个用来与不同模拟箱下端的进水口连接的分水口，每个分水口处都设置有开关阀。
所述的连杆与密封阀板之间为可拆卸式连接，给水箱内密封阀板的数量为至少两个，所有的密封阀板沿竖直方向排列，每个密封阀板都是借助锁紧件与隔板形成为可拆卸式固定连接。
所述的限位结构包括至少三个限位柱，所有的限位柱排列围成圆形的限位腔，浮球位于限位腔内，连杆位于相邻两个限位柱之间。
在供水腔内设置有同时与给水箱内壁和隔板紧密接触的横板，横板位于密封阀板上方，横板上开设有一组过水孔，横板上端面设置有第二过滤网。
在供水腔内设置有指示浮标。
在模拟箱的侧壁上沿竖向设置有一组土壤取样孔。
所述的给水箱为透明箱体，在给水箱与供水腔相对应的外壁上沿竖直方向设置有刻度线。
在密封阀板朝向隔板的一侧设置有密封圈。
本发明的有益效果是：初始时，开关阀处于关闭状态，给水箱内没水，密封阀板处于张开状态，使该处的连通口导通，向给水箱的供水腔内加水，水位不断上升，当水位到达导通的连通口处时，继续加水，水通过连通口进入到给水腔内，当给水腔内的水量达到额定量时，浮球上升到设定的最高处，此时密封阀板与隔板紧密接触处于闭合状态，供水腔与给水腔的连通口断开。继续向供水腔内加水使供水腔内的水量达到设定最大量，然后打开开关阀，使给水腔内的水进入到装有待试验的土壤层的模拟箱内，当给水腔内的水量低于额定量，浮球随水面下降而下降，通过连杆带动密封阀板张开，供水腔内的水进入到给水腔内，当给水腔内的水量再次达到额定量时，浮球再次上升到设定的最高处，此时密封阀板与隔板紧密接触再次处于闭合状态，当水面再次下降时，密封阀板再次张开，如此重复，直至水充分渗透到土壤层中、给水腔内的水面不再下降为止，此时从模拟箱内取出土样进行检测即可。本发明通过浮球的升降来控制密封阀板的开关状态，通过供水腔内液面的位置变化即可精确控制模拟地下水埋深，结构简单，操作方便，成本低廉。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明中给水箱的内部结构示意图。
附图中，1代表模拟箱，2代表给水箱，3代表隔板，4代表密封阀板，5代表连杆，6代表浮球，7代表土壤取样孔，8代表水位指示柱，9代表分水管，10代表分水口，11代表开关阀，12代表限位柱，13代表第二过滤网。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做详细说明：
具体实施例，如图1和图2所示，一种精确控制地下水埋深试验装置，包括用来给待试验的土壤层加水的供水机构，所述的试验装置还包括用来盛放土壤层且顶部为开口结构的模拟箱1，供水机构包括给水箱2，给水箱2内部借助竖直设置的隔板3分隔成供水腔和给水腔，隔板3上开设的连通口处设置有密封阀板4，密封阀板4位于给水腔内，密封阀板4的下端与隔板3铰接、上端为自由端且借助连杆5与设置在给水腔内的浮球6铰接，连杆5为PVC管，给水腔内设置有限位结构，浮球6卡接在限位结构内部并具有升降自由度，浮球的重力大于密封阀板4的开合力，密封阀板4借助浮球6的下降或上升具有张开或闭合的旋转自由度，给水腔底部的出水口与模拟箱1下端的进水口连接且连接处设置有开关阀11。
作为对本发明的进一步改进，试验装置还包括用来显示地下水埋深的水位指示柱8，水位指示柱8的下端与模拟箱1下端的出水口连通且该出水口的进口端设置有第一过滤网。利用水位指示柱8可以更加直观地显示出模拟箱1内的液位，方便观察记录，第一过滤网可以防止模拟箱1的出水口被杂质堵塞。
作为对本发明的进一步改进，模拟箱1的数量为至少两个，试验装置还包括分水管9，分水管9的一端是与给水腔底部的出水口连接的进水端、另一端是封闭端，分水管9的侧壁上设置有至少两个用来与不同模拟箱1下端的进水口连接的分水口10，每个分水口10处都设置有开关阀11。利用分水管9、分水口10和开关阀11相互配合，将多个模拟箱1同时与一个给水箱2连接，结构简单，操作方便。
作为对本发明的进一步改进，连杆5与密封阀板4之间为可拆卸式连接，给水箱2内密封阀板4的数量为至少两个，所有的密封阀板4沿竖直方向排列，每个密封阀板4都是借助锁紧件与隔板3形成为可拆卸式固定连接。将连杆5与不同的密封阀板4连接，平衡时模拟箱内的液面高度也各不相同，可以满足不同地下水埋深的试验需求。锁紧件为螺栓、螺丝或铆钉，取材方便，成本低廉。
作为对本发明的进一步改进，限位结构包括至少三个限位柱12，所有的限位柱12排列围成圆形的限位腔，浮球6位于限位腔内，连杆5位于相邻两个限位柱12之间，结构简单，使用方便，既不影响水的流动，又能有效防止浮球6横向移动，使浮球6可以灵活地垂直移动。
作为对本发明的进一步改进，在供水腔内设置有同时与给水箱2内壁和隔板3紧密接触的横板，横板位于密封阀板4上方，横板上开设有一组过水孔，横板上端面设置有第二过滤网13。既不允许水的通过，又可以防止杂质进入到给水腔内而堵塞给水腔底部的出水口。
作为对本发明的进一步改进，在供水腔内设置有指示浮标，观察液面时更加直观、方便，指示浮标可以是红色、黄色或其它鲜艳的颜色。
在模拟箱1的侧壁上沿竖向设置有一组土壤取样孔7，在不伤害表层根系的前提下，可以分层取土样，简单省时。土壤取样孔7的直径为4-6cm且优选为5cm，足够大的孔径可以取出足够多的土样，方便进行后续的研究。相邻的土壤取样孔7之间的竖直间距为18-22cm且优选为20cm，可以取出多层土样，方便进行后续的研究。
作为对本发明的进一步改进，给水箱为透明箱体，在给水箱2与供水腔相对应的外壁上沿竖直方向设置有刻度线，方便查看记录液面高度。
作为对本发明的进一步改进，在密封阀板4朝向隔板3的一侧设置有密封圈，密封效果更好，测量结果更准确。
本发明在具体使用时，隔板3上沿竖直方向可开设多个连通口，每个连通口处都设置有密封阀板4，当浮球6与最下方的密封阀板4连接时，浮球6上升到设定的最高处时，水面的高度为40cm；当浮球6与由下向上数第二个密封阀板4连接时，浮球6上升到设定的最高处时，水面的高度为60cm；当浮球6与由下向上数第三个密封阀板4连接时，浮球6上升到设定的最高处时，水面的高度为80cm；当浮球6与由下向上数第四个密封阀板4连接时，浮球6上升到设定的最高处时，水面的高度为100cm；当浮球6与由下向上数第五个密封阀板4连接时，浮球6上升到设定的最高处时，水面的高度为120cm；当浮球6与由下向上数第六个密封阀板4连接时，浮球6上升到设定的最高处时，水面的高度为140cm；依次类推即可。
模拟箱1和给水箱2都是圆柱状箱体，隔板3是圆筒状结构，如图2所示，隔板3的最右端与给水箱2的内壁紧密接触，隔板3的容积大于模拟箱1位于隔板3外部的容积。模拟箱1和给水箱2处于同一水平面上且二者的底板厚度相等。模拟箱1上沿竖直方向开设有四个直径为5cm的土壤取样孔7。给水箱2下端开设有直径为2cm的出水口，且该出水口处连接有分水管9。
初始时，开关阀11处于关闭状态，给水箱2内没水，根据试验对地下水埋深的要求，选择相应高度的密封阀板4，然后将连杆5与该密封阀板4铰接，同时将该密封阀板4与隔板3之间的锁紧件拆卸下来，使该密封阀板4处于张开状态，该处的连通口导通，而其它密封阀板4则借助锁紧件与隔板3密封固定在一起，浮球6降到最低处。向给水箱2的供水腔内加水，水位不断上升，当水位到达导通的连通口处时，继续加水，水通过连通口进入到给水腔内，当给水腔内的水量达到额定量时，浮球6上升到设定的最高处，此时密封阀板4与隔板3紧密接触处于闭合状态，供水腔与给水腔的连通口断开。
继续向供水腔内加水使供水腔内的水量达到设定最大量，然后打开开关阀12，使给水腔内的水进入到装有待试验的土壤层的模拟箱1内，当给水腔内的水量低于额定量，浮球6随水面下降而下降，通过连杆5带动密封阀板4张开，供水腔内的水进入到给水腔内，当给水腔内的水量再次达到额定量时，浮球6再次上升到设定的最高处，此时密封阀板4与隔板5紧密接触再次处于闭合状态，当水面再次下降时，密封阀板4再次张开，如此重复，直至水充分渗透到土壤层中、给水腔内的水面不再下降为止，此时通过模拟箱1的水位指示柱8读出模拟箱1内的液位值即可。
本发明通过浮球6的升降来控制密封阀板4的开关状态，通过供水腔内液面的位置变化即可精确控制模拟地下水埋深，而且将浮球6与不同的密封阀板4连接，即可研究不同地下水埋深对植物的影响，成本低廉，运行方便。
下面给出两个具体实施例，两个实施例的模拟箱1内所装土壤种类相同。
实施例1、模拟箱1是内径为15cm、高度为100cm的透明PVC圆柱形箱体且顶端开口，隔板3是内径为15cm、高度为100cm的透明PVC圆筒，给水箱2是内径为20cm、高度为100cm的透明PVC圆柱形箱体且顶端开口。向模拟箱1内加含盐量为5％的干盐碱土14000cm3，土柱高度是80cm。
通过预实验，确定含盐量为5％的干盐碱土的土壤饱和水量和水柱差，首先根据土柱高度，通过连杆5将浮球6与位于该土柱高度下方的第一个密封阀板4即由下向上数第二个密封阀板4连接，使浮球6上升到设定的最高处时其底面与给水箱2底板之间的竖直距离为60cm。然后向隔板3围成的供水腔内加水，水通过连通口进入到给水腔内，使浮球6上升到设定的最高处，密封阀板4与隔板3接触密封，继续向供水腔内加水，使供水腔内的水面高度达到80cm，即与模拟箱1内的土柱等高，则给水腔内水柱的体积与模拟箱1内土柱的体积相等。然后打开开关阀11，通过浮球6的升降来控制密封阀板4的开关状态，五个小时后，水充分渗透到土柱中，给水腔内的水面不再下降，达到平衡状态，此时给水腔内的水柱高度为64cm，通过读取水位指示柱8可知，模拟箱1内的溶液高度为62cm，两个容器中液面落差为2cm，由此可见，当给水腔内水柱的体积与模拟箱1内土柱的体积相等时，达到平衡状态后，模拟箱1和给水腔中的液面几乎是等高的。14000cm3含盐量为5％的干盐碱土的土壤饱和水量是152×π÷4×(80-64)＝2827cm3，水柱差(即隔板3内液面的落差)是16cm。
以后再用实施例1的试验装置对相同土壤进行不同地下水埋深试验时，根据土柱高度，通过连杆5将浮球6与位于该土柱高度下方的第一个密封阀板4连接，加水时使供水腔内的水面高度与模拟箱1内的土柱等高即可。
实施例2、模拟箱1是内径为30cm、高度为100cm的透明PVC圆柱形箱体且顶端开口，隔板3是内径为15cm、高度为100cm的透明PVC圆筒，给水箱2是内径为20cm、高度为100cm的透明PVC圆柱形箱体且顶端开口。向模拟箱1内加含盐量5％干盐碱土38000cm3，土柱高度为53cm。
通过预实验，确定含盐量为5％的干盐碱土的土壤饱和水量和水柱差，首先根据土柱高度，通过连杆5将浮球6与位于该土柱高度下方的第一个密封阀板4即位于最下方的密封阀板4连接，使浮球6上升到设定的最高处时其底面与给水箱2底板之间的竖直距离为40cm。土壤饱和水量与土壤体积成正比，所以根据38000/14000＝x/16即可计算出实施例2的水柱差x＝43cm，向隔板3围成的供水腔内加水时水面最终高度等于模拟箱1内土柱高度加上计算得出的水柱差，即供水腔内的水面高度达到43+53＝96cm。然后向隔板3围成的供水腔内加水，水通过连通口进入到给水腔内，使浮球6上升到设定的最高处，密封阀板4与隔板3接触密封，继续向供水腔内加水，使供水腔内的水面高度达到96cm，给水腔内的水柱体积是152×π÷4×96＝16965cm3，即给水腔内的水柱体积小于模拟箱1内的土柱体积。然后打开开关阀11，通过浮球6的升降来控制密封阀板4的开关状态，八个小时后，水充分渗透到土柱中，给水腔内的水面不再下降，达到平衡状态，此时给水腔内的水柱高度为59cm，模拟箱1内的溶液高度为53cm。由此可见，给水腔内的水柱体积小于模拟箱1内的土柱体积时，为克服土壤水吸力，达到平衡状态后，两个容器中液面落差为6cm，38000cm3干盐碱土需水量是152×π÷4×(96-59)＝6538cm3。
以后再用实施例2的试验装置对相同土壤进行不同地下水埋深试验时，根据土柱高度，通过连杆5将浮球6与位于该土柱高度下方的第一个密封阀板4连接，加水时使供水腔内的水面高度等于模拟箱1内土柱高度加上计算得出的水柱差即可。
由上述实施例可以看出，本发明通过浮球的升降来控制密封阀板4的开关状态，通过供水腔内液面的位置变化即可精确控制模拟地下水埋深，结构简单，操作方便，成本低廉。
Claims (9)
1.一种精确控制地下水埋深试验装置，包括用来给待试验的土壤层加水的供水机构，其特征在于：所述的试验装置还包括用来盛放土壤层且顶部为开口结构的模拟箱(1)，供水机构包括给水箱(2)，给水箱(2)内部借助竖直设置的隔板(3)分隔成供水腔和给水腔，隔板(3)上开设的连通口处设置有密封阀板(4)，密封阀板(4)的下端与隔板(3)铰接、上端为自由端且借助连杆(5)与设置在给水腔内的浮球(6)铰接，给水腔内设置有限位结构，浮球(6)卡接在限位结构内部并具有升降自由度，密封阀板(4)借助浮球(6)的下降或上升具有张开或闭合的旋转自由度，给水腔底部的出水口与模拟箱(1)下端的进水口连接且连接处设置有开关阀(11)；
所述的限位结构包括至少三个限位柱(12)，所有的限位柱(12)排列围成圆形的限位腔，浮球(6)位于限位腔内，连杆(5)位于相邻两个限位柱(12)之间；
试验装置的使用方法是：初始时，开关阀(11)处于关闭状态，给水箱(2)内没水，密封阀板(4)处于张开状态，使该处的连通口导通，向给水箱(2)的供水腔内加水，水位不断上升，当水位到达导通的连通口处时，继续加水，水通过连通口进入到给水腔内，当给水腔内的水量达到额定量时，浮球(6)上升到设定的最高处，此时密封阀板(4)与隔板(3)紧密接触处于闭合状态，供水腔与给水腔的连通口断开；继续向供水腔内加水使供水腔内的水量达到设定最大量，然后打开开关阀(11)，使给水腔内的水进入到装有待试验的土壤层的模拟箱(1)内，当给水腔内的水量低于额定量，浮球(6)随水面下降而下降，通过连杆(5)带动密封阀板(4)张开，供水腔内的水进入到给水腔内，当给水腔内的水量再次达到额定量时，浮球(6)再次上升到设定的最高处，此时密封阀板(4)与隔板紧密接触再次处于闭合状态，当水面再次下降时，密封阀板(4)再次张开，如此重复，直至水充分渗透到土壤层中、给水腔内的水面不再下降为止，此时从模拟箱(1)内取出土样进行检测即可。
2.根据权利要求1所述的一种精确控制地下水埋深试验装置，其特征在于：所述的试验装置还包括用来显示地下水埋深的水位指示柱(8)，水位指示柱(8)的下端与模拟箱(1)下端的出水口连通且该出水口的进口端设置有第一过滤网。
3.根据权利要求1所述的一种精确控制地下水埋深试验装置，其特征在于：所述的模拟箱(1)的数量为至少两个，试验装置还包括分水管(9)，分水管(9)的一端是与给水腔底部的出水口连接的进水端、另一端是封闭端，分水管(9)的侧壁上设置有至少两个用来与不同模拟箱(1)下端的进水口连接的分水口(10)，每个分水口(10)处都设置有开关阀(11)。
4.根据权利要求1所述的一种精确控制地下水埋深试验装置，其特征在于：所述的连杆(5)与密封阀板(4)之间为可拆卸式连接，给水箱(2)内密封阀板(4)的数量为至少两个，所有的密封阀板(4)沿竖直方向排列，每个密封阀板(4)都是借助锁紧件与隔板(3)形成为可拆卸式固定连接。
5.根据权利要求1所述的一种精确控制地下水埋深试验装置，其特征在于：在供水腔内设置有同时与给水箱(2)内壁和隔板(3)紧密接触的横板，横板位于密封阀板(4)上方，横板上开设有一组过水孔，横板上端面设置有第二过滤网(13)。
6.根据权利要求1所述的一种精确控制地下水埋深试验装置，其特征在于：在供水腔内设置有指示浮标。
7.根据权利要求1所述的一种精确控制地下水埋深试验装置，其特征在于：在模拟箱(1)的侧壁上沿竖向设置有一组土壤取样孔(7)。
8.根据权利要求1所述的一种精确控制地下水埋深试验装置，其特征在于：所述的给水箱为透明箱体，在给水箱(2)与供水腔相对应的外壁上沿竖直方向设置有刻度线。
9.根据权利要求1所述的一种精确控制地下水埋深试验装置，其特征在于：在密封阀板(4)朝向隔板(3)的一侧设置有密封圈。
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