CN111220526A - 土壤不均匀渗漏的监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及土壤不均匀渗漏的监测装置，包括土体子系统、集水子系统、测量子系统，土体子系统包括取土容器、原状土柱；集水子系统包括连接容器、最少一个环刀、与环刀一一对应的漏斗、与漏斗一一对应的排水软管、多孔板；测量子系统包括烧杯、用来称重并记录烧杯总重的自动记录称重系统、电导率仪。本发明实现同步监测土体优先流渗漏的非均匀性和非平衡性特征参数，非均匀性是通过水平布置的多套集水子系统中渗漏量来表征，非平衡特性是通过水分、溶质穿透土体的非对称性来描述。本发明采用模块化设计方式，装置拆卸、组装操作方便，子系统模块均可以循环利用。
Description
技术领域
本发明涉及一种土壤不均匀渗漏的监测装置，属于水文实验、土壤水文技术领域。
背景技术
优先流是土壤水运动和溶质运移的常见形式，具有非均匀、非平衡的基本特征。优先流形式的渗漏加大了农田灌溉、施肥的渗漏水平，缩短了污染物在土壤中停留降解时间，加大了浅层地下水污染风险，优先流形式渗漏量监测是降雨入渗补给、浅层地下水污染防控的关键内容。由于内在、外在因素的影响，诸如土壤裂隙分布、土壤动物孔穴、根系等，异质土体内优先路径改变了优先流过程及空间分布。定量表述优先流的非均匀性、非平衡性是该领域研究的关键技术瓶颈，常用的染色示踪实验、穿透实验等方法仅仅刻画了优先流非均匀性或非平衡性单一方面的特征，前者以优先路径空间分布的非均匀性表征优先流程度，后者以水分、溶质运移的非平衡性表征优先流程度。文献“入渗水量和试验尺度对土壤水非均匀流动的影响”以入渗深度的非均匀系数来描述优先流程度，尚未解决不均匀渗漏量及其组成。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提供了土壤不均匀渗漏的监测装置，具体技术方案如下：
土壤不均匀渗漏的监测装置，包括土体子系统、集水子系统、测量子系统，所述集水子系统和测量子系统均垂直设置在土体子系统的正下方，所述土体子系统包括取土容器和位于取土容器内部的原状土柱；所述集水子系统包括与取土容器相连通的连接容器、最少一个环刀、与环刀一一对应的漏斗、与漏斗一一对应的排水软管、位于连接容器下方的多孔板，所述漏斗包括锥部和颈部，所述环刀的下端位于漏斗锥部的内部，所述环刀和漏斗的锥部均设置在连接容器的内部，所述连接容器的内部还填充有将环刀和漏斗锥部覆盖的滤层，所述多孔板的板面设置有与漏斗颈部相适配的安装孔，漏斗的颈部穿过安装孔且漏斗的颈部与排水软管的上端连通，所述排水软管位于多孔板的下方；所述测量子系统包括烧杯、用来称重并记录烧杯总重的自动记录称重系统、设置在烧杯内部的电导率仪，所述排水软管的下端设置在烧杯的内部。
作为上述技术方案的改进，还包括用来支撑土体子系统和集水子系统的辅助子系统，所述辅助子系统为支架，所述支架设置在多孔板的下方。
作为上述技术方案的改进，所述取土容器为圆管状结构；采用UPVC管制成，其外径为40cm，壁厚0.5cm。
作为上述技术方案的改进，所述原状土柱为圆柱状结构，用取土容器按土壤剖面层位要求原状截取；原状土柱的直径为39cm，高度为20-40cm。
作为上述技术方案的改进，所述环刀的刀口向上，环刀的刀口切入至原状土柱。
作为上述技术方案的改进，所述漏斗锥部的大端内径为环刀外径的1.2-1.5倍。
作为上述技术方案的改进，所述滤层为细石英砂层，细石英砂层是由粒径为0.5-1.2mm的细石英砂填充制成。
作为上述技术方案的改进，所述多孔板和漏斗颈部之间的接缝用玻璃胶做防水处理。
本发明的有益效果：
1、本发明实现同步监测土体优先流渗漏的非均匀性和非平衡性特征参数，非均匀性是通过水平布置的多套集水子系统中渗漏量来表征，非平衡特性是通过水分、溶质穿透土体的非对称性来描述。
2、本发明采用模块化设计方式，装置拆卸、组装操作方便，子系统模块均可以循环利用。当一组土柱实验完成后，可更换土体子系统，进行下一组实验。
附图说明
图1为本发明所述土壤不均匀渗漏的监测装置的结构示意图；
图2为本发明所述土壤不均匀渗漏的监测装置的内部示意图；
图3为本发明所述环刀、漏斗的连接示意图；
图4为本发明所述集水子系统的分布示意图；
图5为本发明所述土体风干至裂隙充分发育时的实物图；
图6为采集不同位置的渗漏量进行空间插值的展布结果图；
图7为测量子系统采集的渗漏强度过程线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1～4所示，所述土壤不均匀渗漏的监测装置，包括土体子系统、集水子系统2、测量子系统3，所述集水子系统2和测量子系统3均垂直设置在土体子系统的正下方，所述土体子系统包括取土容器11和位于取土容器11内部的原状土柱5；所述集水子系统2的上沿口保持水平，所述集水子系统2包括与取土容器11相连通的连接容器21、最少一个环刀22、与环刀22一一对应的漏斗23、与漏斗23一一对应的排水软管26、位于连接容器21下方的多孔板25，所述漏斗23包括位于上方的锥部和位于下方的颈部，所述环刀22的下端位于漏斗23锥部的内部，所述环刀22和漏斗23的锥部均设置在连接容器21的内部，所述连接容器21的内部还填充有将环刀22和漏斗23锥部覆盖的滤层24，所述多孔板25的板面设置有与漏斗23颈部相适配的安装孔，漏斗23的颈部穿过安装孔且漏斗23的颈部与排水软管26的上端连通，所述排水软管26位于多孔板25的下方；所述测量子系统3包括烧杯31、用来称重并记录烧杯31总重的自动记录称重系统32、设置在烧杯31内部的电导率仪33，所述排水软管26的下端设置在烧杯31的内部。
如图1、2所示，还包括用来支撑土体子系统和集水子系统2的辅助子系统，所述辅助子系统为支架51，所述支架51设置在多孔板25的下方。
其中，所述取土容器11为圆管状结构；采用UPVC管制成，其外径为40cm，壁厚0.5cm。所述原状土柱5为圆柱状结构，用取土容器11按土壤剖面层位要求原状截取；原状土柱5的直径为39cm，高度为20-40cm。所述连接容器21为圆管状结构，为UPVC材质的直接头；所述连接容器21的内径与取土容器11的外径之间为间隙配合，连接容器21的高度为30cm。所述环刀22的刀口向上，环刀22的刀口切入至原状土柱5。所述漏斗23锥部的大端内径为环刀22外径的1.2-1.5倍。所述滤层24为细石英砂层，细石英砂层是由粒径为0.5-1.2mm的细石英砂填充制成。所述多孔板25的材质为PVC板，厚度0.3-0.5cm，大小为50cm×50cm，按照漏斗23颈部的外径加工成多孔状结构，安装孔之间的间距按照漏斗23锥部边沿大小控制。所述多孔板25和漏斗23颈部之间的接缝用玻璃胶做防水处理。所述排水软管26采用硅胶软管，管内径为8-10mm。所述环刀22的规格为50-100cm3，材质为不锈钢，集水子系统2所用规格一致的环刀22。
所述漏斗23的内壁和过滤层5之间设置有一层中速滤纸或一层100目滤网。
所述土壤不均匀渗漏的监测装置的安装流程为先安装集水子系统2、测量子系统3，并将集水子系统2垂直固定于辅助子系统，最后将土柱子系统垂直安装至集水子系统2之上。
采用环刀22的横截面汇集上端原状土柱5的渗漏水样，并通过漏斗23、排水软管26将渗漏水样收集至烧杯31内部，环刀22和漏斗23内外的空白区填充细石英砂制成滤层24，多孔板25起支撑土体子系统、滤层24及漏斗23的作用。
所述测量子系统3按照固定时间步长采集烧杯31中渗漏液的水量、电导等数据；辅助子系统起支撑土体子系统、集水子系统2的作用；所述集水子系统、测量子系统一一对应，每套土壤不均匀渗漏的监测装置中可设置多套集水子系统、测量子系统。
所述自动记录称重系统32由测力压力传感器和智能控制器组成，由智能控制器设置称重自动记录的采样频率，测力压力传感器型号为霍尼韦尔HZC-30A。
实施例2
以实施例1规格参数，开展了“极端干旱条件砂姜黑土原状土体不均匀渗漏实时监测分析”，结合试验结果对本发明进行进一步描述：
原状土体取自于五道沟水文水资源实验站试验田，该土壤为砂姜黑土，干旱开裂、遇水膨胀。前期地表无作物覆盖。原状土体取样前24h，先用10L水浇透地面，并覆盖地膜、减少蒸发，保持水分充分入渗。预先按30cm高度裁量好的取土容器11，运用四周开挖、留取中间原状土柱的方式野外采集原状土柱，取样深度为0-30cm。采样完成后转移至室内自然风干，土体下端铺设有不锈钢滤网，放置在多孔板25之上，保持土体上下两端自然透风。待土体风干至裂隙充分发育时，如图5所示，将土体转移至预先安装好的集水子系统2正上方，即可开展人工降雨模拟实验。
在室内或无风条件的室外开展实验，以均匀布水的人工降雨装置作为布水器；自动记录称重系统32采样频率设置为1min，降雨开始前打开自动记录称重系统，至所有烧杯两次采样的质量差小于1g时停止测量。
某次实验以雨强60mm/h、降雨时长为1h，对某监测实验结果进行分析描述。非均匀性是通过水平布置的多套集水子系统中渗漏量来表征，测量子系统收集平均渗漏量47.75g±75.16g，最小渗漏量为0g，最大渗漏为273.4g。利用surfer软件的克里金插值法，对采集不同位置的渗漏量进行空间插值展布，展布结果见图6。从图6中可以看出渗漏以柱体周边渗漏量大、中间渗漏量小，空间分布不均匀。非平衡特性是通过水分、溶质穿透土体的非对称性来描述，最快渗漏时间为23min，同非均匀性分析结果一致，位于土柱周边的集水子系统初始渗漏时间明显较小。图7为某测量子系统采集的渗漏强度过程线，23min开始采集到渗漏液，58min左右渗漏强度最大，108min渗漏基本结束；总渗漏量为273.4g，超过对应环刀面积的降雨量，部分渗漏液是以大裂隙形成的优先流汇集至该环刀。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.土壤不均匀渗漏的监测装置，其特征在于：包括土体子系统、集水子系统(2)、测量子系统(3)，所述集水子系统(2)和测量子系统(3)均垂直设置在土体子系统的正下方，所述土体子系统包括取土容器(11)和位于取土容器(11)内部的原状土柱(5)；所述集水子系统(2)包括与取土容器(11)相连通的连接容器(21)、最少一个环刀(22)、与环刀(22)一一对应的漏斗(23)、与漏斗(23)一一对应的排水软管(26)、位于连接容器(21)下方的多孔板(25)，所述漏斗(23)包括锥部和颈部，所述环刀(22)的下端位于漏斗(23)锥部的内部，所述环刀(22)和漏斗(23)的锥部均设置在连接容器(21)的内部，所述连接容器(21)的内部还填充有将环刀(22)和漏斗(23)锥部覆盖的滤层(24)，所述多孔板(25)的板面设置有与漏斗(23)颈部相适配的安装孔，漏斗(23)的颈部穿过安装孔且漏斗(23)的颈部与排水软管(26)的上端连通，所述排水软管(26)位于多孔板(25)的下方；所述测量子系统(3)包括烧杯(31)、用来称重并记录烧杯(31)总重的自动记录称重系统(32)、设置在烧杯(31)内部的电导率仪(33)，所述排水软管(26)的下端设置在烧杯(31)的内部。
2.根据权利要求1所述的土壤不均匀渗漏的监测装置，其特征在于：还包括用来支撑土体子系统和集水子系统(2)的辅助子系统，所述辅助子系统为支架(51)，所述支架(51)设置在多孔板(25)的下方。
3.根据权利要求1所述的土壤不均匀渗漏的监测装置，其特征在于：所述取土容器(11)为圆管状结构；采用UPVC管制成，其外径为40cm，壁厚0.5cm。
4.根据权利要求1所述的土壤不均匀渗漏的监测装置，其特征在于：所述原状土柱(5)为圆柱状结构，用取土容器(11)按土壤剖面层位要求原状截取；原状土柱(5)的直径为39cm，高度为20-40cm。
5.根据权利要求1所述的土壤不均匀渗漏的监测装置，其特征在于：所述环刀(22)的刀口向上，环刀(22)的刀口切入至原状土柱(5)。
6.根据权利要求1所述的土壤不均匀渗漏的监测装置，其特征在于：所述漏斗(23)锥部的大端内径为环刀(22)外径的1.2-1.5倍。
7.根据权利要求1所述的土壤不均匀渗漏的监测装置，其特征在于：所述滤层(24)为细石英砂层，细石英砂层是由粒径为0.5-1.2mm的细石英砂填充制成。
8.根据权利要求1所述的土壤不均匀渗漏的监测装置，其特征在于：所述多孔板(25)和漏斗(23)颈部之间的接缝用玻璃胶做防水处理。
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