CN114295512A - 一种土壤水分特征曲线与非饱和渗透系数测定装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种土壤水分特征曲线与非饱和渗透系数测定装置及方法，该装置包括用以放置待测土样的样品容器、称重件、以及用以测量待测土样负压的负压测量系统；该方法包括首先对待测土样进行饱水处理及测得初始质量及负压，随后使待测土样蒸发失水并测得该过程中待测土样的失水量及负压，最后对待测土样进行烘干并测得烘干后的质量，并结合白金汉‑达西公式得到待测土样的土壤水分特征曲线与非饱和渗透系数。本发明涉及的装置结构简单，方法便于实现，且成本低，测得的结果精准可靠。
Description
技术领域
本发明涉及非饱和土检测技术领域，尤其涉及一种土壤水分特征曲线与非饱和渗透系数测定装置及方法。
背景技术
非饱和土壤中存在液态、气态和固态三相，其间存在复杂且变换频繁的水流、溶质迁移、热运移、生物物理化学作用等过程。土壤水分特征曲线是一条表示非饱和土的基质吸力与含水量之间关系的曲线，在分析非饱和土中水分在地下运动规律等问题中具有重要作用。非饱和渗透系数是研究土体中非饱和渗流、和污染物运移等问题的重要参数。现阶段用于水土性能研究的装置大都只能测土壤水分特征曲线或非饱和渗透系数其中的一种，而且价格昂贵、操作步骤多、使用不便捷。
发明内容
有鉴于此，为了解决同时测定土壤水分特征曲线和非饱和渗透系数，并且使装置结构简单、操作方便、成本低，本发明提供了一种土壤水分特征曲线与非饱和渗透系数测定装置及方法。
本发明提供的一种土壤水分特征曲线与非饱和渗透系数测定装置，包括：
用于放置待测土样的样品筒，其包括底盘和设置于所述底盘上表面的筒身，所述筒身包括多段依次可拆卸连接的管体，任意相邻的两所述管体的连接部分设有一安装孔；
称重件；
以及负压测量系统，其包括多组负压计组件和负压显示器，每一所述负压计组件包括电子负压计和集水管，其中所述集水管的一端设有陶瓷管头、另一端与所述电子负压计连接，每一所述负压计组件的所述陶瓷管头插入一所述安装孔并延伸至一所述管体内，以使该所述陶瓷管头位于所述待测土样内部，每一所述电子负压计与所述负压显示器通信连接。
进一步地，每一所述陶瓷管头一端为敞口、另一端封闭，每一所述集水管包括横管和斜管，其中所述斜管位于所述横管的上方，所述横管的一端与所述斜管的一端连接且二者内部相互贯通、另一端与对应的所述陶瓷管头的敞口端固定密封连接且二者内部相互贯通，所述横管连接对应的所述陶瓷管头的一端自外向内插入对应的所述安装孔并延伸至所述筒身内，所述横管的外径与对应的所述安装孔的直径相适配且该所述安装孔上设有紧固件，所述横管通过所述紧固件与所述筒身的外壁固定连接。
进一步地，每一所述斜管远离对应所述横管的一端为封闭端且其上设有进水口和转接口，其中所述进水口位于所述转接口的上方，所述进水口上设有密封塞，所述转接口上设有导水管，所述导水管的另一端与对应的所述电子负压计的液体端口连通。
进一步地，任意相邻的两所述管体相互连接的一端均设有阶梯，任意相邻的两所述阶梯螺纹密封连接且二者阶梯面相互抵紧。
进一步地，所述底盘上设有多个饱水孔，所有饱水孔均与所述筒身内部连通，各所述饱水孔以所述底盘的轴心线为中线排列成圆结构，且所述圆结构上的所有饱水孔均匀分布。
进一步地，各所述饱水孔的上方且于所述筒身下端内部设有隔离网。
进一步地，所述样品容置放置在所述称重件上，所述底盘的直径与所述筒身的外径相等。
进一步地，所述负压显示器用以显示两所述电子负压计测得的负压以及二者平均负压。
根据上述种土壤水分特征曲线与非饱和渗透系数测定装置提出一种测定方法，该测定方法包括以下步骤：
S1、将所述待测土样进行饱水处理，并记录饱水后所述称重件上显示的初始质量及所述负压显示器上显示的初始负压；
S2、间隔设定时间以使所述待测土样蒸发失水，并记录所述称重件上显示的质量及所述负压显示器上显示的负压；
S3、重复S2步聚，记录多组所述待测土样蒸发失水后所述称重件显示的质量及所述负压显示器上显示的负压；
S4、烘干所述待测土样并记录其质量，随后将烘干后的所述待测土样重新装入所述样品筒内并记录所述称重件上显示的质量及所述负压显示器上显示的负压；
S5、根据所述待测土样在饱水状态、失水状态、及被烘干状态时所述称重件显示的质量及所述待测土样被烘干后的质量，计算所述待测土样的总体含水量及每间隔所述设定时间时的失水量，并结合各状态下所述负压显示器上显示的负压得到所述待测土样的含水量与负压相关的土水特征曲线，且根据白金汉-达西公式计算得到所述待测土样的非饱和渗透系数。
进一步地，所述根据所述白金汉-达西公式计算得到所述待测土样的非饱和渗透系数之间，还包括步聚：
获取所述待测土样蒸发失水的有效面积。
本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
第一，本发明所涉及的装置结构简单、拆装方便、以及操作性强；
第二，所述样品筒采用分段式设计有利于待测土样的填装。
第三，可同时获得土壤水分特征曲线与非饱和渗透系数；
第四，需要监测的数据种类少，仅需要记录负压显示器和称重件显示的数据；
第五，可实时显示测定过程中各时间段内的数据变化，并且直观，一目了然。
附图说明
图1是本发明提供的一种土壤水分特征曲线与非饱和渗透系数测定装置的结构示意图；
图2是本发明提供的一种土壤水分特征曲线与非饱和渗透系数测定装置的俯视图；
图3是图2中A-A面的剖视图；
图4本发明提供的一种土壤水分特征曲线与非饱和渗透系数测定装置的测定方法的流程图；
图中：1-样品筒、101-第一管体、102-第二管体、103-第三管体、104-紧固件、105-隔离网、106-饱水孔、107-安装孔、108-底盘、2-集水管、201-斜管、202-横管、203-进水口、204-转接口、205-密封塞、3-导水管、4-电子负压计、5-负压显示器、6-陶瓷管头、7-称重件。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1至图3，本发明的实施例提供了一种土壤水分特征曲线与非饱和渗透系数测定装置及方法，其装置主要包括样品筒1、负压监测系统、以及称重件7。
所述样品筒1的内部用以放置待测土样，所述样品筒1放置在所述称重件7上，在本实施例中，所述称重件7为电子秤。
所述样品筒1包括底盘108及固定设置于所述底盘108上表面的筒身，所述筒身包括多段依次可拆卸连接的管体，在本实施例中，所述管体的数量为三段，分别为自上而下依次可拆卸连接的第一管体101、第二管体102、以及第三管体103，其中所述第一管体101、所述第二管体102、以及所述第三管体103的内径与外径均相同且三者轴心线相互重合，所述第一管体101的下端设有阶梯，所述第二管体102的上、下端均设有阶梯，所述第三管体103的上端设有阶梯、下端与所述底盘108的上表面固定连接，所述第二管体102上端的阶梯与所述第一管体101下端的阶梯螺纹密封连接且二者阶梯面相互抵紧，所述第二管体102下端的阶梯与所述第三管体103上端的阶梯螺纹密封连接且二者阶梯面相互抵紧，这样就可以便于所述样品筒1的安装与拆卸，同时在装入所述待测土样时便于使所述待测土样均匀分布。
所述底盘108的直径与所述第三管体103的外径相等，所述底盘108上设有多个饱水孔106，所有饱水孔106均与所述第三管体103内部相互连通，且所有饱水孔106以所述底盘108的轴心线为中线排列成圆结构，且所述圆结构上的各所述饱水孔106均匀分布，这样就可以在所述待测土样饱水时使水分均匀进入。
各所述饱水孔106的上方且于所述第三管体103的下端内部设有隔离网105，这样就可以在所述筒身填装所述待测土样后，避免所述待测土样从各所述饱水孔106流出。
所述第二管体102分别与所述第一管体101和所述第三管体103的连接处设有安装孔107，在本实施例中，两所述安装孔107沿所述样品筒1的轴心线两侧相对设置，所述第一管体101、所述第二管体102、以及所述第三管体103的高度均为5CM，两所述安装孔107沿所述样品筒1的轴心线方向上的孔心距为5CM。
所述负压监测系统包括多组负压计组件和负压显示器5，在本实施例中，所述负压计组件为两组，每一所述负压计组件包括电子负压计4和集水管2，其中所述集水管2的一端设有陶瓷管头6、另一端连接所述电子负压计4，所述电子负压计4与所述负压显示器5通信连接。
每一所述集水管2连接对应所述陶瓷管头6的一端自外向内插入对应的所述安装孔107且延伸至所述筒身内，这样就可以在所述样品筒1填装所述待测土样时使所述陶瓷管头6位于所述待测土样的内部。
每一所述陶瓷管头6一端为敞口、另一端封闭，每一所述集水管2包括斜管201和横管202，其中所述斜管201位于所述横管202的上方，所述横管202的一端与所述斜管201的一端连接且二者内部相互贯通，所述横管202的另一端与对应的所述陶瓷管头6的敞口端固定密封连接且二者内部相互贯通，所述横管202连接对应的所述陶瓷管头6的一端自外向内插入对应的所述安装孔107且延伸至所述筒身内，所述横管202的外径与对应的所述安装孔107的直径相适配。
每一所述安装孔107上设有紧固件104，每一所述横管202通过对应的所述紧固件104与所述样品筒1的外壁固定连接。
每一所述斜管201远离对应的所述横管202的一端为封闭端且其上设有进水口203和转接口204，其中所述进水口203位于所述转接口204的上方，所述进水口203用以向对应的所述集水管2内注入无气水且在注入无气水后淹没所述转接口204，所述进水口203上设有密封塞205，所述转接口204上设有导水管3，所述导水管3的另一端连接对应的所述电子负压计4的液体端口。
所述负压显示器5用以显示两所述电子负压计4测得的负压以及二者平均负压，在本实施例中，每一所述电子负压计4、每一所述导水管3、每一所述集水管2之间的连接均为密封连接。
请参考图4，本实施例根据上述一种土壤水分特征曲线与非饱和渗透系数测定装置提供一种测定方法，其包括以下步聚：
S1、将所述待测土样进行饱水处理，并记录饱水后所述称重件上显示的初始质量及所述负压显示器上显示的初始负压。
具体地，需先从外界获取适量泥土，并对泥土进行晾干、过筛、以及激光颗粒分析，以确保泥土不含石头等颗粒且确保泥土满足需求，随后取出部分泥土构成所述待测土样。
进一步的，将所述待测土样均匀填装所述第三管体103内，随后连接并填装所述第二管体102，最后连接并填装所述第一管体101，在填装过程中每装入0.5CM时进行捣实、打毛且在连接第二管体102和第一管体101时将对应的所述安装孔107堵塞。
进一步的，将装有所述待测土样的所述样品筒1放入水槽中饱水24小时，且水槽水位不超过任意一所述安装孔107，与此同时将每一所述集水管2与对应的所述陶瓷管头6连接且均放入无气水中浸润24小时。
进一步的，组建装置，通过每一所述进水口203向对应的所述集水管2内注入无气水且使无气水淹没对应的所述转接口204，随后通过每一所述密封塞205密封对应的所述进水口203，随后记录在所述待测土样饱水状态时所述称重器3显示的初始质量和所述负压显示器5显示的初始负压。
S2、间隔设定时间以使所述待测土样蒸发失水，并记录所述称重件上显示的质量及所述负压显示器上显示的负压。
具体的，在本实施例中，所述设定时间为24小时。
S3、重复S2步聚，记录多组所述待测土样蒸发失水后所述称重件显示的质量及所述负压显示器上显示的负压。
S4、烘干所述待测土样并记录其质量，随后将烘干后的所述待测土样重新装入所述样品筒内并记录所述称重件上显示的质量及所述负压显示器上显示的负压。
S5、根据所述待测土样在饱水状态、失水状态、及被烘干状态时所述称重件显示的质量及所述待测土样被烘干后的质量，计算所述待测土样的总体含水量及每间隔所述设定时间时的失水量，并结合各状态下所述负压显示器上显示的负压得到所述待测土样的含水量与负压相关的土水特征曲线，且根据白金汉-达西公式计算得到所述待测土样的非饱和渗透系数。
具体地，在所述根据所述白金汉-达西公式计算得到所述待测土样的非饱和渗透系数之间，还包括步聚：
获取所述待测土样蒸发失水的有效面积。
进一步的，所述白金汉-达西公式为
式中Ku为非饱和渗透系数；A为所述待测土样有效失水面积，在本实施例中，A为所述第一管体101上端端口面积；t为所述设定时间，在本实施例中，t为24小时；Q为在t时间段内所述待测土样的失水量；
为土水势梯度，其中
为在同一时间内两所述电子负压计4测得的负压差值与两所述陶瓷管头6的重力势差值之和，
为两所述陶瓷管头6相对位置距离。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种土壤水分特征曲线与非饱和渗透系数测定装置，其特征在于，包括：
用于放置待测土样的样品筒，其包括底盘和设置于所述底盘上表面的筒身，所述筒身包括多段依次可拆卸连接的管体，任意相邻的两所述管体的连接部分设有一安装孔；
称重件；
以及负压测量系统，其包括多组负压计组件和负压显示器，每一所述负压计组件包括电子负压计和集水管，其中所述集水管的一端设有陶瓷管头、另一端与所述电子负压计连接，每一所述负压计组件的所述陶瓷管头插入一所述安装孔并延伸至一所述管体内，以使该所述陶瓷管头位于所述待测土样内部，每一所述电子负压计与所述负压显示器通信连接。
2.如权利要求1所述的一种土壤水分特征曲线与非饱和渗透系数测定装置，其特征在于：每一所述陶瓷管头一端为敞口、另一端封闭，每一所述集水管包括横管和斜管，其中所述斜管位于所述横管的上方，所述横管的一端与所述斜管的一端连接且二者内部相互贯通、另一端与对应的所述陶瓷管头的敞口端固定密封连接且二者内部相互贯通，所述横管连接对应的所述陶瓷管头的一端自外向内插入对应的所述安装孔并延伸至所述筒身内，所述横管的外径与对应的所述安装孔的直径相适配且该所述安装孔上设有紧固件，所述横管通过所述紧固件与所述筒身的外壁固定连接。
3.如权利要求2所述的一种土壤水分特征曲线与非饱和渗透系数测定装置，其特征在于：每一所述斜管远离对应所述横管的一端为封闭端且其上设有进水口和转接口，其中所述进水口位于所述转接口的上方，所述进水口上设有密封塞，所述转接口上设有导水管，所述导水管的另一端与对应的所述电子负压计的液体端口连通。
4.如权利要求1所述的一种土壤水分特征曲线与非饱和渗透系数测定装置，其特征在于：任意相邻的两所述管体相互连接的一端均设有阶梯，任意相邻的两所述阶梯螺纹密封连接且二者阶梯面相互抵紧。
5.如权利要求1所述的一种土壤水分特征曲线与非饱和渗透系数测定装置，其特征在于：所述底盘上设有多个饱水孔，所有饱水孔均与所述筒身内部连通，各所述饱水孔以所述底盘的轴心线为中线排列成圆结构，且所述圆结构上的所有饱水孔均匀分布。
6.如权利要求5所述的一种土壤水分特征曲线与非饱和渗透系数测定装置，其特征在于：各所述饱水孔的上方且于所述筒身下端内部设有隔离网。
7.如权利要求1所述的一种土壤水分特征曲线与非饱和渗透系数测定装置，其特征在于：所述样品容置放置在所述称重件上，所述底盘的直径与所述筒身的外径相等。
8.如权利要求1所述的一种土壤水分特征曲线与非饱和渗透系数测定装置，其特征在于：所述负压显示器用以显示两所述电子负压计测得的负压以及二者平均负压。
9.如权利要求1-8任意一项所述的一种土壤水分特征曲线与非饱和渗透系数测定装置的测定方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将所述待测土样进行饱水处理，并记录饱水后所述称重件上显示的初始质量及所述负压显示器上显示的初始负压；
S2、间隔设定时间以使所述待测土样蒸发失水，并记录所述称重件上显示的质量及所述负压显示器上显示的负压；
S3、重复S2步聚，记录多组所述待测土样蒸发失水后所述称重件显示的质量及所述负压显示器上显示的负压；
S4、烘干所述待测土样并记录其质量，随后将烘干后的所述待测土样重新装入所述样品容器内并记录所述称重件上显示的质量及所述负压显示器上显示的负压；
S5、根据所述待测土样在饱水状态、失水状态、及被烘干状态时所述称重件显示的质量及所述待测土样被烘干后的质量，计算所述待测土样的总体含水量及每间隔所述设定时间时的失水量，并结合各状态下所述负压显示器上显示的负压得到所述待测土样的含水量与负压相关的土水特征曲线，且根据白金汉-达西公式计算得到所述待测土样的非饱和渗透系数。
10.如权利要求9所述的一种土壤水分特征曲线与非饱和渗透系数测定装置的测定方法，其特征在于：所述根据白金汉-达西公式计算得到所述待测土样的非饱和渗透系数之间，还包括步聚：
获取所述待测土样蒸发失水的有效面积。
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