CN113777275A - 一种测量水陆界面水力传导和溶质运移速率及途径的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量水陆界面水力传导和溶质运移速率及途径的装置，包括土槽装置(1)、连续监测装置(2)、模拟河道装置(3)、供水装置(4)、降水装置(5)、土壤(6)、土壤传感器(7)、数据采集器(8)、驳岸(9)、隔离挡板(10)、出水孔(11)、转子(12)、计时显示器(13)、入水口(14)、水源箱(15)、第一抽水泵(16)、第二抽水泵(17)、恒压水头箱(18)、恒压箱(19)、控压箱(20)、挡板(21)、恒压箱出水口(22)、控压箱出水口(23)、降水喷头(24)、固定出水孔板(25)、插片(26)；本发明解决了水体携带营养物质向河岸土壤中侧向运移的速率及途径的测量，对单位时间内土壤中水分运移速率及途径的测量。

Description

一种测量水陆界面水力传导和溶质运移速率及途径的装置

技术领域

本发明涉及土壤水分、溶质运移速度及途径测量装置技术领域，尤其涉及一种测量水陆界面水力传导和溶质运移速率及途径的装置。

背景技术

部分水分在力的作用下，可以在土壤中自由移动，也就是所谓的土壤水分运移，水分是土壤生态系统的重要生命源泉，水分在运移过程中携带的各种化学元素也是生物生存所必须的营养物质，因此土壤水分运移一直是土壤生态系统的核心内容，其中河岸带生态系统由于水-陆界面时刻存在着河道水体与河岸土体间的物质和能量交换，土壤水分运移过程的研究尤为重要。

然而，目前对于河岸带土壤中水分运移的研究，主要集中在降雨、陆面径流等情况下，外界水分受重力作用，在河岸带土壤中垂向运移的过程。考虑到河道中水分向河岸侧向入渗的研究，也大多通过上下水位差进行计算，但大部分河道中的水分运移至河岸土壤中并不会从附近的沟渠流出，且上下水位差不易于测量。此外，若大范围实地布设土壤传感器，即使得出土壤水分分布范围也不具有普适性，不能更好地运用于其他地区。这一系列问题的主要问题在于，目前对土壤水分运移的考虑，主要集中在单位时间内通过单位面积内的水量，对于单位时间内土壤中运移的距离和方向的关注比较少，且缺少考虑不同护坡类型影响下的土壤水分运移测量装置。

针对现有技术的不足，本发明提供了一种测量水陆界面水力传导和溶质运移速率及途径的装置，解决了对河道中水体携带营养物质向河岸带土壤中侧向运移的速率及途径的测量，以及对单位时间内土壤中水分运移速率及途径的测量，通过测量出的水分运移速率及途径可以更好、更便捷的衡量河道水体对河岸土壤的影响范围，归纳水分、溶质的运移规律，但本发明仅适用于在垂直布设的驳岸影响下，土壤水分运移速度的测量。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何对河道中水体携带营养物质向河岸带土壤中侧向运移的速率及途径的测量，以及如何对单位时间内土壤中水分运移速率及途径的测量。

为实现以上目的，本发明提供了一种测量水陆界面水力传导和溶质运移速率及途径的装置，包括土槽装置(1)、连续监测装置(2)、模拟河道装置(3)、供水装置(4)和降水装置(5)，所述土槽装置(1)中填充着满足实验要求的土壤(6)，所述土壤(6)中均匀布设有土壤传感器(7)，所述土壤传感器(7)可监测所述土壤(6)中水分及氮磷钾含量，并连接着数据采集器(8)，所述土槽装置(1)与所述模拟河道装置(3)的交界处设置有驳岸(9)，在所述驳岸(9)与所述模拟河道装置(3)之间布设有隔离挡板(10)，所述模拟河道装置(3)的一端设置有出水孔(11)，所述出水孔(11)内测布设流速仪的转子(12)，所述转子(12)通过连接线与计时显示器(13)相连接，所述模拟河道装置(3)的另一端设置有入水口(14)，所述入水口(14)与所述供水装置(4)相连接，所述供水装置(4)包括水源箱(15)、第一抽水泵(16)、第二抽水泵(17)和恒压水头箱(18)，所述水源箱(15)通过管道与所述第一抽水泵(16)相连接，所述第一抽水泵(16)通过管道与所述恒压水头箱(18)相连接，所述恒压水头箱(18)包含恒压箱(19)和控压箱(20)两部分，所述恒压箱(19)与所述控压箱(20)之间布设有挡板(21)，所述恒压箱(19)底部设置有恒压箱出水口(22)，所述恒压箱出水口(22)通过管道与所述入水口(14)相连接，所述控压箱(20)底部设置有控压箱出水口(23)，所述控压箱出水口(23)通过管道与所述水源箱(15)相连接，所述水源箱(15)通过管道与所述第二抽水泵(17)相连接，所述第二抽水泵(17)通过管道与所述降水装置(5)相连接，所述降水装置(5)通过管道与降水喷头(24)相连接，所述降水喷头(24)置于所述土槽装置(1)的上方。

进一步地，所述土槽装置(1)的数量设置为三组，三组所述土槽装置(1)对应的所述驳岸(9)分别设置为半透水驳岸、不透水驳岸和自然驳岸(无人工驳岸)三种类型，用于同时同步测量不同护坡类型下土壤水分、溶质运移速度及途径。

进一步地，所述土壤传感器(7)实时测量所述土壤(6)的湿度数据，时间间隔设置为1秒或2秒，并完整记录在所述数据采集器(8)中。

进一步地，所述土壤传感器(7)均匀布设且根据所述土槽装置(1)的尺寸布设若干行、若干列，相邻两个所述土壤传感器(7)之间的距离不超过10cm。

进一步地，所述隔离挡板(10)可以垂直向上抽出，控制所述模拟河道装置(3)中水流入所述土槽装置(1)的时间，即实验开始的时间。

进一步地，所述出水孔(11)由固定出水孔板(25)及带有孔洞的插片(26)两部分组成。

进一步地，所述固定出水孔板(25)上设有大小相同的孔洞并且由上至下共有若干层(根据实验要求制定)，用于控制各层水流流速。

进一步地，所述插片(26)上设置有大小不同的孔洞，且可以水平、自由插入所述固定出水孔板(25)，所述出水孔(11)的大小，由所述固定出水孔板(25)与带有孔洞的所述插片(26)的重叠部分决定，用于控制各层水流流速。

进一步地，所述转子(12)置于所述出水孔(11)的内侧，距离所述出水孔(11)2-3cm处；所述转子(12)分层布设，分层位置与所述固定出水孔板(25)相对应。

进一步地，每个所述转子(12)均连接所述计时显示器(13)，用于读取各层水流的流速。

进一步地，所述土壤(6)根据实验要求进行填充，可以填充砂质土或黏质土或壤土或分层组合或试验场地处的原状土，以便用于测量不同土壤性质下水分、溶质运移速度及途径。

进一步地，所述隔离挡板(10)为透明、不透水材质。

进一步地，所述供水装置(4)提供的水从所述入水口(14)流入，从所述出水孔(11)流出。

进一步地，所述恒压箱(19)与所述控压箱(20)之间由低于箱体的所述挡板(21)隔开，所述第一抽水泵(16)从所述水源箱(15)中源源不断的抽水，提供给所述恒压箱(19)。

进一步地，所述土槽装置(1)的底部为透水材料，防止水分在底部累积，影响土壤水分运移速度。

进一步地，所述模拟河道装置(3)的尺寸大小可以根据现实中的自然河道或者实验要求的河道进行等比例缩放，便于模拟并计算贴合实际情况的土壤水分运移速度。

进一步地，土壤水分运移速度被分为了水分、溶质水平运移速度和水分、溶质垂直运移速度两个分量，土壤水分、溶质运移速度由水平和垂直两个分量合成。

进一步地，假定同一性质的土壤中，土壤水分、溶质在水平和垂直方向上的分量，仅随沿程变化，即在土壤性质相同的情况下，同一竖列的水分、溶质水平运移速率相同，同一深度土壤中的水分、溶质垂直运移速率相同。

进一步地，测量的是土壤中水分、溶质在单位时间内运移的距离及方向。

与传统方法和装置相比，本发明具备以下有益效果：

(1)以往对于土壤水分运移的研究注重单位时间内通过单位面积的水量，本发明注重的是单位时间内土壤水分运移的距离和方向，通过计算不同位置处土壤水分运移速度，有利于明晰土壤水分分布，探究土壤水分运移过程。

(2)以往对于土壤水分运移规律的研究，更加侧重于重力作用下的垂向运移过程，但河道中水分运移至河岸土壤的过程中伴随着河道水体附加的压力，本发明充分考虑了水体压力对土壤水分运移的影响，测量所得的土壤水分运移速度是由垂直方向上的速度分量和水平方向上的速度分量拟合而成。

(3)以往对于河岸带土壤水分运移的研究忽视了护坡类型的影响，且大多土槽装置多用于降水实验，本发明将模拟河道装置与土槽装置结合，便于室内模拟河岸带土壤水分运移过程。

(4)土壤中养分的运移依靠水分运移过程，本发明测量不同位置处养分含量的变化情况，充分考虑了水分运移过程对养分含量及分布的影响。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1为本发明的一个较佳实施例的整体结构示意图；

图2为本发明的一个较佳实施例的土槽装置结构示意图(上图为右视图，下图为俯视图)；

图3为本发明的一个较佳实施例的土槽装置与模拟河道装置间的隔离挡板正面结构示意图；

图4为本发明的一个较佳实施例的模拟河道装置出水孔的局部放大剖析示意图；

图5为本发明的一个较佳实施例的恒压水头箱的局部放大示意图；

图6为本发明的一个较佳实施例的土壤水分、溶质运移速度合成示意图。

其中，1-土槽装置，2-连续监测装置，3-模拟河道装置，4-供水装置，5-降水装置，6-土壤，7-土壤传感器，8-数据采集器，9-驳岸，10-隔离挡板，11-出水孔，12-转子，13-计时显示器，14-入水口，15-水源箱，16-第一抽水泵，17-第二抽水泵，18-恒压水头箱，19-恒压箱，20-控压箱，21-挡板，22-恒压箱出水口，23-控压箱出水口，24-降水喷头，25-固定出水孔板，26-插片。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。

如图1-图6所示，本发明实施例提供一种技术方案：一种测量不同护坡类型下河岸水陆界面水分、溶质运移速度及途径的装置，包括土槽装置1、模拟河道装置3、供水装置4和降水装置5，供水装置4连接着水泵16和水泵17，当水泵16开启时，会将水源箱15中的水抽入至恒压水头箱18中的恒压箱19，恒压箱19中的水超出隔水挡板21后，会自动流入控压箱20，并通过出水口23再次流回水源箱15，以保持恒压箱19中的水压不变，恒压箱19中的水通过出水口22流至模拟河道装置入水口14，当水泵17开启时，会将水源箱15中的水抽取至降水装置5，并从降水喷头24流出，降水喷头24底部位于土槽装置1中不透水驳岸所在土槽上方，通过土壤传感器7的变化时间和位置，可以计算出垂直方向上的水分运移速度；恒压水头箱18提供的水，从模拟河道装置3的入水口14流入，通过调节出水孔11处各层的固定出水孔板25和带有孔洞的插片26间的重合面积，可以调节各层水流流速，利用安装的流速仪转子12测量，通过计时显示器13读取，在模拟河道装置3中的水流特征达到实验要求后，将隔离挡板10垂直向上抽出，模拟河道装置3中的水流便会流入土槽装置1中的半透水驳岸和自然驳岸所在的土槽中，通过土壤湿度传感器7的变化时间和位置，可以计算出水平方向上的水分运移速度，最终可通过各位置处的垂直方向上的水分运移速度与水平运移速度拟合处该位置的土壤水分运移速度。

使用时，先将水泵17打开，通过降水装置5进行人工降雨，此时不透水驳岸所在土槽装置1中的水分在重力作用下垂直入渗至土壤6中，将土槽装置1中的土壤传感器7排列序号，最靠近模拟河道装置3的垂直排列的土壤传感器为第一列，最靠近表层土壤的水平排列的土壤传感器为第一行，当第一行土壤湿度传感器所测土壤湿度发生变化时，开始计时，第i行土壤湿度传感器所在土壤垂直方向上的水分运移速度Vi即为第i+1行土壤湿度发生变化的时间Ti+1减去第i行土壤湿度发生变化的时间Ti之差，除以土壤湿度传感器的行间距h——(Vi＝(Ti+1-Ti)/h)，将水泵17关闭后，再将水泵16打开，水流流入恒压水头箱18，通过调节恒压水头箱18的高度和各层固定出水孔板25与带有孔洞的插片26的重叠面积，调整模拟河道装置3中各层水流流速，当计时显示器13中的读数满足实验要求时，垂直向上抽出隔离挡板10，当第一行第一列的土壤传感器所测土壤湿度发生变化时，开始计时，每一列中发生变化的土壤传感器7只记录最靠近表层土壤的土壤传感器7发生变化的时间和位置，第i列土壤湿度传感器所在土壤水平方向上的水分运移速度vi即为第i+1列土壤湿度发生变化的时间ti+1减去第i列土壤湿度发生变化的时间ti之差，除以土壤湿度传感器的列间距l——(vi＝(ti+1-ti)/l)，将水平方向上的水分运移速度分量与垂直方向上的水分运移速度分量合成，即可得出不同位置处的土壤水分运移速度S——Si＝(Vi2+vi2)⁰ _. ⁵。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种测量水陆界面水力传导和溶质运移速率及途径的装置，包括土槽装置(1)、连续监测装置(2)、模拟河道装置(3)、供水装置(4)和降水装置(5)，所述土槽装置(1)中填充着满足实验要求的土壤(6)，所述土壤(6)中均匀布设有土壤传感器(7)，所述土壤传感器(7)可监测所述土壤(6)中水分及氮磷钾含量，并连接着数据采集器(8)，所述土槽装置(1)与所述模拟河道装置(3)的交界处设置有驳岸(9)，在所述驳岸(9)与所述模拟河道装置(3)之间布设有隔离挡板(10)，所述模拟河道装置(3)的一端设置有出水孔(11)，所述出水孔(11)内测布设流速仪的转子(12)，所述转子(12)通过连接线与计时显示器(13)相连接，所述模拟河道装置(3)的另一端设置有入水口(14)，所述入水口(14)与所述供水装置(4)相连接，所述供水装置(4)包括水源箱(15)、第一抽水泵(16)、第二抽水泵(17)和恒压水头箱(18)，所述水源箱(15)通过管道与所述第一抽水泵(16)相连接，所述第一抽水泵(16)通过管道与所述恒压水头箱(18)相连接，所述恒压水头箱(18)包含恒压箱(19)和控压箱(20)两部分，所述恒压箱(19)与所述控压箱(20)之间布设有挡板(21)，所述恒压箱(19)底部设置有恒压箱出水口(22)，所述恒压箱出水口(22)通过管道与所述入水口(14)相连接，所述控压箱(20)底部设置有控压箱出水口(23)，所述控压箱出水口(23)通过管道与所述水源箱(15)相连接，所述水源箱(15)通过管道与所述第二抽水泵(17)相连接，所述第二抽水泵(17)通过管道与所述降水装置(5)相连接，所述降水装置(5)通过管道与降水喷头(24)相连接，所述降水喷头(24)置于所述土槽装置(1)的上方。

2.如权利要求1所述的测量水陆界面水力传导和溶质运移速率及途径的装置，其特征在于，所述土槽装置(1)的数量设置为三组，三组所述土槽装置(1)对应的所述驳岸(9)分别设置为半透水驳岸、不透水驳岸和自然驳岸(无人工驳岸)三种类型，用于同时同步测量不同护坡类型下土壤水分、溶质运移速度及途径。

3.如权利要求1所述的测量水陆界面水力传导和溶质运移速率及途径的装置，其特征在于，所述土壤传感器(7)实时测量所述土壤(6)的湿度数据，时间间隔设置为1秒或2秒，并完整记录在所述数据采集器(8)中。

4.如权利要求1所述的测量水陆界面水力传导和溶质运移速率及途径的装置，其特征在于，所述土壤传感器(7)均匀布设且根据所述土槽装置(1)的尺寸布设若干行、若干列，相邻两个所述土壤传感器(7)之间的距离不超过10cm。

5.如权利要求1所述的测量水陆界面水力传导和溶质运移速率及途径的装置，其特征在于，所述隔离挡板(10)可以垂直向上抽出，控制所述模拟河道装置(3)中水流入所述土槽装置(1)的时间，即实验开始的时间。

6.如权利要求1所述的测量水陆界面水力传导和溶质运移速率及途径的装置，其特征在于，所述出水孔(11)由固定出水孔板(25)及带有孔洞的插片(26)两部分组成。

7.如权利要求6所述的测量水陆界面水力传导和溶质运移速率及途径的装置，其特征在于，所述固定出水孔板(25)上设有大小相同的孔洞并且由上至下共有若干层(根据实验要求制定)，用于控制各层水流流速。

8.如权利要求6所述的测量水陆界面水力传导和溶质运移速率及途径的装置，其特征在于，所述插片(26)上设置有大小不同的孔洞，且可以水平、自由插入所述固定出水孔板(25)，所述出水孔(11)的大小，由所述固定出水孔板(25)与带有孔洞的所述插片(26)的重叠部分决定，用于控制各层水流流速。

9.如权利要求1所述的测量水陆界面水力传导和溶质运移速率及途径的装置，其特征在于，所述转子(12)置于所述出水孔(11)的内侧，距离所述出水孔(11)2-3cm处；所述转子(12)分层布设，分层位置与所述固定出水孔板(25)相对应。

10.如权利要求9所述的测量水陆界面水力传导和溶质运移速率及途径的装置，其特征在于，每个所述转子(12)均连接所述计时显示器(13)，用于读取各层水流的流速。

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