CN113702265A - 一种原位测定土壤饱和导水率的入渗仪 - Google Patents

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

一种原位测定土壤饱和导水率的入渗仪

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，τ_max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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