CN113702265A - 一种原位测定土壤饱和导水率的入渗仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种原位测定土壤饱和导水率的入渗仪,属于土壤物理学技术领域。其主要包括入渗管、水位传感器、缓冲垫,入渗管用透明的有机玻璃管加工而成,内径20 cm,外径20.5 cm,高80 cm。入渗管内侧下部设有卡槽,固定有记录入渗过程的水位传感器,在水位传感器上方的入渗管内侧壁上设有凸台,凸台上架设有缓冲垫,缓冲垫上开有透水孔,外侧包裹纱布,并设有连接绳。入渗管顶端设有顶盖,用于防止水分蒸发。水位传感器带有自动记录数据模块,在试验前设置好数据记录的时间间隔,可自动记录完整的入渗过程。本发明结构简单,使用便捷,具有数据连续性好、测定准确、节省人力、节约水源等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种测定近似土壤饱和导水率的装置,属于土壤物理学技术领域。
背景技术
土壤饱和导水率是指在土壤饱和时,单位水势梯度下通过单位土壤横断面积的水流通量,是非常重要的土壤水利学性质,直接或间接影响土壤入渗产流、土壤溶质迁移及土壤水分状况等。饱和导水率在空间上通常呈现出一定的变异性,且空间分异特征异常复杂,这种复杂性会直接导致土壤水文过程的复杂性。土壤水文过程除受饱和导水率空间变异的影响外,还会受其在土壤剖面上垂直分布特征的影响。一般而言,饱和导水率随土壤深度的增加而减小,但受各种因素的影响,也可能出现不同的垂直分布特征。例如饱和导水率会随土壤深度的增加而增加,也可能随土壤深度的增加呈现出波动的趋势。因此,获取准确的土壤饱和导水率是进一步深入研究土壤水文过程的前提,尤其是在水平、垂直方向变异较大的地区意义更加明显。
测定土壤饱和导水率的方法有很多种,总的来说,测定方法可以分为两大类,即室内测定方法和野外原位测定方法。室内测定方法主要指采取土壤原状土样,在试验室内通过入渗装置,测定稳定入渗速率,然后通过相应的公式推算饱和导水率。野外采取的原状土可以为柱状,也可以是立方体状,并且土样体积也可以有差异。室内测定方法的优点是操作相对简单,不受野外复杂条件的限制,但存在取样过程对土壤扰动大,从而引起较大的误差的缺点。原位测定方法主要有单环法、双环法、盘式入渗仪法、圭夫仪法及Phillp-Dunne法等。每种方法都有相应的优缺点,例如单环法与双环法相比,操作相对简单,且用水量相对较小,但是单环出口以下并非一维入渗。而双环法则能够确保内环为一维入渗,结果更加可靠。但是双环法需水量大,在野外操作时相对困难。盘式入渗仪法的优点是对土壤扰动较小,并且读数较为准确。但是该方法对下垫面要求较高,即下垫面必须水平,这使得其在坡地运用受到一定的限制。以上方法存在共同的不足之处就是操作费时费力,在土壤空间变异大、待测样点较多的地区很难发挥更好的作用。因此,设计一种便捷测定土壤饱和导水率的入渗仪,对实现土壤饱和导水率的快速、准确测定,深入了解土壤水文过程具有积极意义。
发明内容
本发明的目的是针对土壤饱和导水率测定费时、费力、费水等特点,提供一种便捷、省水的原位测定土壤饱和导水率的入渗仪。
实现本发明的目的采取的技术方案是这样的。一种原位测定土壤饱和导水率的入渗仪,包括圆筒形入渗管,在入渗管的下部内侧装设有水位传感器,在水位传感器的上方有缓冲垫,防止加水时对表层土壤结构的破坏,入渗管顶端设有顶盖,防止长时间试验中蒸发带来的误差。为了便于将缓冲垫取出入渗管,在缓冲垫上设有细绳,加完水后,牵拉细绳,可以将缓冲垫取出。与入渗仪配套使用的土壤打孔器作为辅助装置,其直径略小于入渗管直径,保证入渗管插入土壤后与土壤紧密结合。
具体设计时,所述的入渗管内径为20 cm,外径为20.5 cm,高为80 cm。入渗管材质选择透明有机玻璃,管壁上标有刻度,方便入渗过程中的观察。
所述的水位传感器采用自动记录数据的传感器,市场上可以买到。放置传感器之前先对传感器进行设置,记录的时间间隔可根据土壤入渗速率而定,对入渗较快的土壤,可设置为1 min记录一次,对入渗较慢的粘质土壤,可设置为30 min。
所述的缓冲垫用有机玻璃板制作,面板上开有透水的通孔,孔径为4 mm,缓冲垫外侧用纱布包裹。缓冲垫直径略小于入渗管内径。
本发明设计的土壤打孔器作为辅助装置,可以方便的为入渗管的放置提供空间,同时也方便测定不同深度土壤的饱和导水率,设计测定深度为5-80 cm任意层次。
本发明结构简单,使用便捷,可自动记录完整的入渗过程,与现有通过观察记录入渗过程相比,具有数据连续性好、节省人力等优点。本发明测定数据准确,与已有方法相比对下垫面要求较低,只要保证水不从入渗管与土壤接触面流出,各种土壤条件都可以进行试验。本发明特别适用于长时间入渗的土壤,不用试验人员观测,节省了人力;对于入渗较快的土壤,本发明节约了水源。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图中标号的含义是:1、土壤表面 2、缓冲垫 3、细绳 4、顶盖 5、入渗管 6、凸台 7、水位传感器。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示,一种原位测定土壤饱和导水率的入渗仪,入渗管5用有机玻璃管制作,内径为20 cm,外径为20.5 cm,高为80 cm,在入渗管5的下部内侧壁上开有卡槽,卡槽内装设有水位传感器(,型号:HOBO U20,市售),在水位传感器的上方入渗管5的内侧管壁上设有凸台6,缓冲垫2架设在凸台6上,在入渗管5顶端设有顶盖4,用于防止水分蒸发,避免蒸发造成的测定误差。为了便于将缓冲垫2从入渗管内取出,在缓冲垫2上设有细绳3,其一端与缓冲垫2紧固,另一端伸出入渗管外,加完水后,牵拉细绳,将缓冲垫取出。与入渗仪配套使用的土壤打孔器作为辅助装置,保证入渗管插入土壤后与土壤紧密结合。在入渗管5的管壁上标有刻度,精确到毫米。缓冲垫2为圆盘形,用有机玻璃板制作,直径为19.8 cm。缓冲垫面板上设有透水孔,孔径为4 mm目筛,外侧包裹纱布,防止加水时对表层土壤结构的破坏。
土壤打孔器作为与本发明的入渗仪一起使用的辅助配套装置,其作用是更便捷的完成与入渗管相匹配的土壤孔穴,从而测定特定深度土壤的饱和导水率。土壤打孔器采用不锈钢材质制作,取土圆环外径20.3 cm,高10 cm。取土环上部设置清土器。当土壤粘在打孔器上时,推动清土器清除土壤。
本入渗仪的使用方法是这样的:
试验准备:确定试验地点,设计好测定层次和重复数量。准备土壤打孔器、入渗仪、铝盒以及充足的水。铝盒用来采取土壤样品,测定土壤初始含水量和入渗结束后的含水量。需水量(V)可以根据试验点数目(n)、测定层次(m)、重复数(r)、入渗仪直径(d)和初始水面高度(h)确定。
V=3.14*(d/2)^2*h*r*m*n
试验流程:以测定5 cm处土壤饱和导水率为例,首先用土壤打孔器取出表层5 cm土壤,用铝盒采取5 cm处土壤样品,样品量控制在2/3左右铝盒体积为宜。将入渗仪插入打孔器形成的孔洞内,由于入渗仪外径略大于打孔器外径,可用力将入渗仪插入,保证入渗管壁与土壤紧密接触,防止入渗过程中漏水。放置好入渗仪后,将缓冲垫放入底端卡槽。往入渗仪中加入9.42 L水,控制水面高度在30 cm,取出缓冲垫,盖上顶盖。观察入渗过程中是否有水从底端流出,若有则迅速用土壤堵上。若有较多水流出,则试验失败,需重新选点,重新试验。入渗结束后,取出入渗仪,用铝盒采取入渗仪下的饱和土壤样品,样品量控制在2/3铝盒体积,带回试验室用烘干法测定土壤含水量。用同样的方法测定其他点位及层次的土壤饱和导水率,待试验结束后,清洗入渗仪。饱和导水率的计算,利用Philip-Dunne公式计算饱和导水率。所需参数主要有土壤初始含水量(θ1)、入渗结束后土壤饱和含水量(θ2)、入渗仪中水面下降到15 cm(即入渗完成二分之一)的时间t1、入渗仪中水面下降到0 cm(即入渗结束)的时间t2。具体公式如下:
其中,r0为入渗管半径的1/2,τmax由上述各参数计算而来。
Claims (3)
1.一种原位测定土壤饱和导水率的入渗仪,包括圆筒形入渗管(5),其特征在于:在入渗管(5)的下部内侧装设有记录入渗过程的水位传感器(7),在水位传感器(7)的上方有缓冲垫(2),入渗管(5)顶端设有顶盖(4)。
2.根据权利要求1所述的原位测定土壤饱和导水率的入渗仪,其特征在于:所述入渗管(5)为透明有机玻璃材料,内径为20 cm,外径为20.5 cm,高为80 cm。
3.根据权利要求1所述的原位测定土壤饱和导水率的入渗仪,其特征在于:传感器上方的入渗管内侧壁上设有缓冲垫凸台(6),缓冲垫为有机玻璃板,面板上开有孔径为4 mm的通孔,外侧用纱布包裹,在缓冲垫上设有细绳(3)。
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