CN115096787A - 一种土壤渗透率快速测定设备和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种土壤渗透率快速测定设备和方法，属于土质测定设备领域。该设备包括环形刀、可调套筒、固定套筒和数据采集处理模块；环形刀用于采集目标土壤，两端分别能通过可调套筒和固定套筒进行封堵以使环形刀内腔的土壤处于封闭空间，可调套筒上设有能伸入环形刀内腔以调整土壤压实度的顶杆；数据采集处理模块包括电源、第一压力变送器、第一电子流量计、数据集成处理器、空压泵、尾气净化器、第二电子流量计和第二压力变送器。本发明通过对设备结构和功能优化，可实现不同长度土柱的定压差和变压差渗透率的测定工作；以气体作为测定介质能够还原气相抽提和热脱附等过程，指导场地土壤修复工作，灵活便携，操作简单，快速准确。
Description
技术领域
本发明公开了一种土壤渗透率快速测定设备和方法，属于土质测定设备领域。
背景技术
随着经济社会的高速发展，城市化进程的加快和产业结构的调整，工业外迁遗留下大约30万块工业场地。长期的工业活动致使场地土壤受到不同程度的污染，丧失了生境条件，制约了土地资源的再利用。因此，工业污染场地修复是当前土壤污染防治工作的重要组成部分。污染场地修复的技术众多，其中气相抽提和热脱附以其快速、灵活和易于安装操作等优点得以广泛应用。
气相抽提和热脱附的技术原理是使用通风和加热的方式使污染物脱附土壤体系，脱附的污染物随载气运移至尾气净化系统集中处理，完成土壤的修复工作。气相抽提和热脱附技术研究不仅关注污染物的去除时间和效率，还关注污染物在土壤多界面体系中脱附和迁移的界面行为，从微观层面对污染物在土壤体系中的脱附和迁移过程建模、演算和验证，还原修复过程，实现精准调控。在这一过程中，土壤渗透率是必需的基础参数之一，准确测定土壤渗透率能够有效提高模型准确性和适用性，增强指导效力，节约资源，缩减成本，降低能耗。
土壤渗透率表征流体流经土壤的难易程度，是表征流体在土壤中渗流快慢的重要参数之一。土壤渗透率与土壤的质地、孔隙、结构和含水率等因素有关。质地粗糙，孔隙大，结构性好，含水率低的土壤渗透率高，流体易于流通，反之为低渗土壤，流体不易流通。
渗透率K的测定原理是基于达西定律，当单相流体(水或气)通过横截面积为A、长度为L、压力差为ΔP的一段多孔介质呈层状流动时，流体粘度为μ，则单位时间内通过这段多孔介质的流量Q为：
变换得到渗透率的计算公式：
土壤渗透率测定的方法主要包括双环法，环刀法、定水头渗透仪法、变水头通量法和稳定通量法等。测定方法多以水作为流体介质，需要多次采样反复试验，流程繁复，野外测定不便利，且对气相抽提和热脱附以气体作为主要流体介质的修复过程缺乏有效的指导效力。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，并提供一种土壤渗透率快速测定设备和方法。本发明在场地土壤修复工作中，能够快速和准确的测定土壤渗透率，弥补国内现有同类产品空白。
本发明所采用的具体技术方案如下：
第一发明，本发明提供了一种土壤渗透率快速测定设备，包括环形刀、可调套筒、固定套筒和数据采集处理模块；
所述环形刀用于采集目标土壤，两端分别能通过可调套筒和固定套筒进行封堵以使环形刀内腔的土壤处于封闭空间，可调套筒上设有能伸入环形刀内腔以调整土壤压实度的顶杆；所述可调套筒上开设有第二进气孔和用于外接压力传感器以检测气体入口压力的第一传感器接口，固定套筒上开设有第二出气孔和用于外接压力传感器以检测气体出口压力的第二传感器接口；
所述数据采集处理模块包括电源、第一压力变送器、第一电子流量计、数据集成处理器、空压泵、尾气净化器、第二电子流量计和第二压力变送器；所述电源用于为用电设备供电，检测到的气体入口压力能通过第一压力变送器输送至数据集成处理器，检测到的气体出口压力能通过第二压力变送器输送至数据集成处理器；空压泵的出口通过设有第一电子流量计的管路与第二进气孔相连，用于向环形刀内提供压力气体；第二出气孔通过设有第二电子流量计的管路与尾气净化器相连，第一电子流量计和第二电子流量计均与数据集成处理器相连。
作为优选，所述环形刀为圆筒形结构，包括第一端部和第二端部；所述第一端部外套设固定有用于增大敲击受力面积的筒檐，第二端部具有环状刀刃；邻近第一端部和第二端部的环形刀外壁设有用于与可调套筒和固定套筒可拆卸式连接的螺纹。
作为优选，还包括箱体结构的底座；底座顶部可拆卸式固定有弧形架和环形架，弧形架和环形架之间具有间隔；所述环形架用于连接固定套筒，弧形架用于支撑放置环形刀，弧形架能通过合页连接夹扣以实现环形刀的固定。
进一步的，所述数据采集处理模块位于底座内部；底座的第一侧面设有用于显示数据的电子显示屏和用于操控设备的控制器，底座的第二侧面设有第一变送器接口、第二变送器接口和用于控制电源的开关件，第一传感器接口能通过信号线经第一变送器接口与第一压力变送器相连，第二传感器接口能通过信号线经第二变送器接口与第二压力变送器相连；底座的第三侧面设有第一进气孔和第一出气孔，第一进气孔通过管路与空压泵的进口连通，空压泵出口所连管路经第一出气孔与第二进气孔相连；底座的第四侧面设有第三进气孔和第三出气孔，第二出气孔所连管路经第三进气孔与第二电子流量计相连，尾气净化器出口所连管路经第三出气孔与外界相连。
进一步的，所述底座下部设有若干防滑垫。
作为优选，所述固定套筒的一端用于与环形刀连接，另一端通过法兰固接密封盖；固定套筒内部设有板面垂直气体流动方向的第二多孔板，用于截留土壤并限位环形刀。
作为优选，所述可调套筒内部设有用于限位环形刀的限位件。
作为优选，所述顶杆为螺杆结构，螺纹连接于可调套筒上；顶杆一端设有位于可调套筒外部的旋转把手，另一端设有位于可调套筒内部的第一多孔板；第一多孔板的板面垂直气体流动方向，截面尺寸与环形刀内腔截面尺寸相同，以便调整土壤压实度。
作为优选，所述尾气净化器内填充有活性炭，电源为锂电池。
第二方面，本发明提供了一种利用第一方面任一所述土壤渗透率快速测定设备的土壤渗透率快速测定方法，具体如下：
在目标场地选择待测土壤面，根据测定深度选配内截面面积为A、轴向长度为L的环形刀；将环形刀下端的环状刀刃朝向土壤，保持垂直压入土壤2～3cm，利用敲击工具敲打环形刀上端的筒檐，以使环状刀刃到达目标深度，随后取出带有土壤样品的环形刀；将环形刀的下端旋接固定套筒，上端旋接可调套筒，使环形刀呈水平放置状态，利用顶杆以调整土壤的压实度；
将第一传感器接口和第二传感器接口均外接压力传感器，开启电源；利用空压泵将介质气体加压后，通过第二进气孔通入可调套筒，经第一电子流量计调节进入可调套筒的进口气体流量为Q1；介质气体从可调套筒流经环形刀内的土壤样品并进入固定套筒，随后经第二出气孔进入尾气净化器，通过第二电子流量计检测出口气体流量Q2；通过压力传感器检测得到气体进口压力P1和气体出口压力P2，利用数据集成处理器根据如下公式计算土壤渗透率K，
式中，μ为气体的粘度。
本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
(1)本发明以气体作为测定介质，能够很好适配气相抽提和热脱附技术的污染土壤修复工作。目前渗透率测定所需时间为4～8h，本发明可将测定效率提高4倍，仅需1～2h，快速完成测定工作。
(2)气体作为测定介质不会污损土样，能够最大程度的减少对土壤结构的破坏，一次采样便可实现定压差和变压差条件下的测定工作。
(3)本发明通过结构优化调整辅助测定模块安装方式，可有效适配不同深度土壤样品的渗透率测定工作。
(4)本发明可拆卸式环形刀、内置锂电池和模块化的设计，提高了设备的便携性和机动性。
附图说明
图1是土壤渗透率快速测定设备的结构示意图；
图2是土壤渗透率快速测定设备的爆炸图；
图3是土壤渗透率快速测定设备的正视图(a)、侧视图(b)和俯视图(c)；
图4是土壤渗透率快速测定设备的侧视图(a)、A-A剖面图(b)和B-B剖面图(c)；
图5是环形刀的正视图(a)、侧视图(b)、俯视图(c)和结构示意图(d)；
图6是顶杆的正视图(a)、侧视图(b)、俯视图(c)和结构示意图(d)；
图中附图标记为：1、底座，2、电子显示屏，3、第一进气孔，4、第一出气孔，5、弧形架，6、第二进气孔，7、可调套筒，8、环形刀，81、筒檐，82、环状刀刃，9、固定套筒，10、环形架，11、第三进气孔，12、第三出气孔，13、控制器，14、夹扣，15、顶杆，151、旋转把手，152、第一多孔板，16、第一传感器接口，17、第一变送器接口，18、第二变送器接口，19、第二传感器接口，20、第二出气孔，21、密封盖，22、开关，23、合页，24、防滑垫，26、限位件，27、第二多孔板，28、电源，29、第一压力变送器，30、第一电子流量计，31、数据集成处理器，32、空压泵，33、尾气净化器，34、第二电子流量计，35、第二压力变送器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
如图1～3所示，为本发明提供的一种土壤渗透率快速测定设备，该设备主要包括土壤采集模块、辅助测定模块和数据采集处理模块。本发明通过对设备结构和功能优化，可实现不同长度土柱的定压差和变压差渗透率的测定工作；以气体作为测定介质能够还原气相抽提和热脱附等过程，指导场地土壤修复工作，灵活便携，操作简单，快速准确。下面将对各模块的结构和连接方式进行具体说明。
土壤采集模块用于采集土壤样品，主要包括环形刀8。如图5所示，在本实施例中，环形刀8可以设置为圆筒形结构，包括第一端部和第二端部，在实施过程中可被敲击进入待测土壤收集样品。为了增大环形刀的受力面积，承受来自敲击工具更大的作用力，防止环形刀和敲击工具直接作用出现变形，影响采集样品和测定精度，环形刀第一端部外套设固定有的筒檐81，筒檐81是上表面为平面的环形结构。第二端部具有环状刀刃82，减少阻力，利于压入时破土。邻近第一端部和第二端部的环形刀8外壁设有用于与可调套筒7和固定套筒9可拆卸式连接的螺纹，通过可调套筒7和固定套筒9进行封堵以使环形刀8内腔的土壤处于封闭空间。
辅助测定模块主要包括可调套筒7和固定套筒9，在本实施例中，辅助测定模块还包括顶杆15、弧形架5、圆形架10、密封盖21、底座1以及配套气管和信号线，用于连接环形刀、流量计和传感器等组件，辅助形成测定所需密闭腔室。
如图4所示，底座1为箱体结构，其顶部可拆卸式固定有弧形架5和环形架10，弧形架5和环形架10之间具有间隔，以便于更好的支撑环形刀的两端使其呈水平状态放置。环形架10用于连接固定套筒9，固定套筒9为中空结构，左端内壁设置可拆卸式连接的螺纹，用于旋接环形刀8。内部设有板面垂直气体流动方向的第二多孔板27，用于截留土壤并限位环形刀8。右端通过法兰固接密封板21，法兰内置密封垫圈，保持气密性。固定套筒9上开设有第二出气孔20和用于外接压力传感器以检测气体出口压力的第二传感器接口19。弧形架5用于承托环形刀8，弧形架5通过合页23连接夹扣14固定环形刀5并，通过螺栓锁紧。
具体的，可调套筒7为中空结构，右端内壁开设可拆卸式连接的螺纹旋接环形刀8；内部设置限位块26，用于限定环形刀的旋进距离，限位件26中段位置镂空，利于气体流通和压力测定；左端开设螺纹孔，利于顶杆15穿过，孔口套设密封胶圈，保证气密性；力的第一传感器接口16。
如图6所示，顶杆15为螺杆结构，螺纹连接于可调套筒7上。顶杆15一端设有位于可调套筒7外部的旋转把手151，另一端设有位于可调套筒7内部的第一多孔板152。第一多孔板152的板面垂直气体流动方向，截面尺寸与环形刀8内腔截面尺寸相同，以便调整土壤压实度，同时可以截留土壤并使测定流体通过。
数据采集处理模块主要包括电源28、第一压力变送器29、第一电子流量计30、数据集成处理器31、空压泵32、尾气净化器33、第二电子流量计34和第二压力变送器35。电源28为设备供电，压力传感器检测到的气体入口压力能通过第一压力变送器29变送信号至数据集成处理器31，检测到的气体出口压力能通过第二压力变送器35变送信号至数据集成处理器31。空压泵32的出口通过设有第一电子流量计30的管路与第二进气孔6相连，用于向环形刀8内提供压力气体。第二出气孔20通过设有第二电子流量计34的管路与尾气净化器33相连，第一电子流量计30和第二电子流量计34均与数据集成处理器31相连。
在本实施例中，数据采集处理模块位于底座1内部。底座1的第一侧面设有用于显示数据的电子显示屏2和用于操控设备的控制器13，底座1的第二侧面设有第一变送器接口17、第二变送器接口18和用于控制电源28的开关件22，第一传感器接口16能通过信号线经第一变送器接口17与第一压力变送器29相连，第二传感器接口19能通过信号线经第二变送器接口18与第二压力变送器35相连。底座1的第三侧面设有第一进气孔3和第一出气孔4，第一进气孔3通过管路与空压泵32的进口连通，空压泵32出口所连管路经第一电子流量计30、第一出气孔4与第二进气孔6相连。底座1的第四侧面设有第三进气孔11和第三出气孔12，第二出气孔20所连管路经第三进气孔11与第二电子流量计34相连，尾气净化器33出口所连管路经第三出气孔12与外界相连。底座底部设置有四个防滑垫24，防止设备滑移。
具体的，锂电池为设备提供电动力，无需外接电源；第一压力变送器29和第二压力变送器35变送传输压力传感器采集的数据至数据集成处理器31；第一电子流量计30和第二电子流量计34采集实时流量数据输送至数据集成处理器31，经处理的数据显示在电子显示屏2上；数据集成处理器31将所采集数据记录并处理，基于达西定律，通过内置参数和算法得出土壤渗透率；空压泵32为流体流动提供动力；尾气净化器33内填充活性炭，用于吸附污染物，减少污染物无组织排放。
利用上述土壤渗透率快速测定设备的土壤渗透率快速测定方法，具体如下：
在需要测定的场地选择合适的土壤面，确定测定深度，选配环形刀，测定环形刀的内截面面积A和长度L。将环形刀下端环形刀刃朝向土壤，保持垂直压入土壤2～3cm，使用敲击工具敲打环形刀筒檐，达到测定深度之后将环形刀取出，获得土壤样品。将带有土壤样品的环形刀放置在弧形架上，环形刀下端旋接固定套筒，刀刃前端旋进到和第二多孔板贴合，环形刀通过夹扣固定，环形刀上端旋接可调套筒，并旋紧至筒檐与限位块贴合，通过旋转把手旋进顶杆压紧土壤。通过气管将第一出气孔和第二进气孔连接，第二出气孔和第三进气孔连接，信号线将第一传感器接头和第一变送节接口连接，第二传感器接头和第二变送节接口连接。第一进气孔接入介质气体，打开底座开关，设定第二进气孔流量Q1，输入环形刀的内截面面积A、长度L和测定气体的粘度μ，数据采集处理模块采集第一压力传感器P1、第二压力传感器P2和第三进气孔流量Q2，土壤渗透率的测定基于达西定律，同时考虑气体的压缩性，计算公式如下：
数据采集处理模块根据设定参数、输入参数和内置算法处理数据得到土壤渗透率。
具体的，第一传感器接口16通过信号线与第一变送器接口17相连，第一传感器接口16用于外接传感器，第一变送器接口17与第一压力变送器29相连，用于测量环形刀入口气体压力值。第二传感器接口19通过信号线与第二变送器接口18相连，第二传感器接口19用于外接传感器，第二变送器接口18与第二压力变送器35相连，用于测量环形刀出口气体压力值。
在测定过程中，气体的流通通路简要说明如下：
气体介质经第一进气孔3通过管路进入空压泵，经压缩后通过管路从空压泵流出，并经第一出气孔4和第二进气孔6进入可调套筒7，随后经土壤样本后进入固定套筒9，从第二出气孔20流出后通过管路经第三进气孔11与第二电子流量计34连接，第二电子流量计34与尾气净化器33连接，经尾气净化器33处理后的气体经第三出气孔12排出。
本发明能够实现场地污染土壤渗透率快速准确测定，解决了传统方法流程繁复、测定时间长和灵活性差等问题。以气体作为测定介质能够更好模拟气相抽提和热脱附的修复过程，测定结果更有指导意义。通过可拆卸环形刀、内置锂电池和模块化设计等组件优化，保证了设备的便携性和机动性，满足场地土壤修复工作需要。
以上的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种土壤渗透率快速测定设备，其特征在于，包括环形刀(8)、可调套筒(7)、固定套筒(9)和数据采集处理模块；
所述环形刀(8)用于采集目标土壤，两端分别能通过可调套筒(7)和固定套筒(9)进行封堵以使环形刀(8)内腔的土壤处于封闭空间，可调套筒(7)上设有能伸入环形刀(8)内腔以调整土壤压实度的顶杆(15)；所述可调套筒(7)上开设有第二进气孔(6)和用于外接压力传感器以检测气体入口压力的第一传感器接口(16)，固定套筒(9)上开设有第二出气孔(20)和用于外接压力传感器以检测气体出口压力的第二传感器接口(19)；
所述数据采集处理模块包括电源(28)、第一压力变送器(29)、第一电子流量计(30)、数据集成处理器(31)、空压泵(32)、尾气净化器(33)、第二电子流量计(34)和第二压力变送器(35)；所述电源(28)用于为用电设备供电，检测到的气体入口压力能通过第一压力变送器(29)变送信号至数据集成处理器(31)，检测到的气体出口压力能通过第二压力变送器(35)变送信号至数据集成处理器(31)；空压泵(32)的出口通过设有第一电子流量计(30)的管路与第二进气孔(6)相连，用于向环形刀(8)内提供压力气体；第二出气孔(20)通过设有第二电子流量计(34)的管路与尾气净化器(33)相连，第一电子流量计(30)和第二电子流量计(34)均与数据集成处理器(31)相连。
2.根据权利要求1所述的一种土壤渗透率快速测定设备，其特征在于，所述环形刀(8)为圆筒形结构，包括第一端部和第二端部；所述第一端部外套设固定有用于增大敲击受力面积的筒檐(81)，第二端部具有环状刀刃(82)；邻近第一端部和第二端部的环形刀(8)外壁设有用于与可调套筒(7)和固定套筒(9)可拆卸式连接的螺纹。
3.根据权利要求1所述的一种土壤渗透率快速测定设备，其特征在于，还包括箱体结构的底座(1)；底座(1)顶部可拆卸式固定有弧形架(5)和环形架(10)，弧形架(5)和环形架(10)之间具有间隔；所述环形架(10)用于连接固定套筒(9)，弧形架(5)用于支撑放置环形刀(8)，弧形架(5)能通过合页(23)连接夹扣(14)以实现环形刀(8)的固定。
4.根据权利要求3所述的一种土壤渗透率快速测定设备，其特征在于，所述数据采集处理模块位于底座(1)内部；底座(1)的第一侧面设有用于显示数据的电子显示屏(2)和用于操控设备的控制器(13)，底座(1)的第二侧面设有第一变送器接口(17)、第二变送器接口(18)和用于控制电源(28)的开关件(22)，第一传感器接口(16)能通过信号线经第一变送器接口(17)与第一压力变送器(29)相连，第二传感器接口(19)能通过信号线经第二变送器接口(18)与第二压力变送器(35)相连；底座(1)的第三侧面设有第一进气孔(3)和第一出气孔(4)，第一进气孔(3)通过管路与空压泵(32)的进口连通，空压泵(32)出口所连管路经第一出气孔(4)与第二进气孔(6)相连；底座(1)的第四侧面设有第三进气孔(11)和第三出气孔(12)，第二出气孔(20)所连管路经第三进气孔(11)与第二电子流量计(34)相连，尾气净化器(33)出口所连管路经第三出气孔(12)与外界相连。
5.根据权利要求3所述的一种土壤渗透率快速测定设备，其特征在于，所述底座(1)下部设有若干防滑垫(24)。
6.根据权利要求1所述的一种土壤渗透率快速测定设备，其特征在于，所述固定套筒(9)的一端用于与环形刀(8)连接，另一端通过法兰固接密封盖(21)；固定套筒(9)内部设有板面垂直气体流动方向的第二多孔板(27)，用于截留土壤并限位环形刀(8)。
7.根据权利要求1所述的一种土壤渗透率快速测定设备，其特征在于，所述可调套筒(7)内部设有用于限位环形刀(8)的限位件(26)。
8.根据权利要求1所述的一种土壤渗透率快速测定设备，其特征在于，所述顶杆(15)为螺杆结构，螺纹连接于可调套筒(7)上；顶杆(15)一端设有位于可调套筒(7)外部的旋转把手(151)，另一端设有位于可调套筒(7)内部的第一多孔板(152)；第一多孔板(152)的板面垂直气体流动方向，截面尺寸与环形刀(8)内腔截面尺寸相同，以便调整土壤压实度。
9.根据权利要求1所述的一种土壤渗透率快速测定设备，其特征在于，所述尾气净化器(33)内填充有活性炭，电源(28)为锂电池。
10.一种利用权利要求1～9任一所述土壤渗透率快速测定设备的土壤渗透率快速测定方法，其特征在于，具体如下：
在目标场地选择待测土壤面，根据测定深度选配内截面面积为A、轴向长度为L的环形刀(8)；将环形刀(8)下端的环状刀刃(82)朝向土壤，保持垂直压入土壤2～3cm，利用敲击工具敲打环形刀(8)上端的筒檐(81)，以使环状刀刃(82)到达目标深度，随后取出带有土壤样品的环形刀(8)；将环形刀(8)的下端旋接固定套筒(9)，上端旋接可调套筒(7)，使环形刀(8)呈水平放置状态，利用顶杆(15)以调整土壤的压实度；
将第一传感器接口(16)和第二传感器接口(19)均外接压力传感器，开启电源(28)；利用空压泵(32)将介质气体加压后，通过第二进气孔(6)通入可调套筒(7)，经第一电子流量计(30)调节进入可调套筒(7)的进口气体流量为Q1；介质气体从可调套筒(7)流经环形刀(8)内的土壤样品并进入固定套筒(9)，随后经第二出气孔(20)和第二电子流量计(34)进入尾气净化器(33)，通过第二电子流量计(34)检测出口气体流量Q2；通过压力传感器检测得到气体进口压力P1和气体出口压力P2，利用数据集成处理器(31)根据如下公式计算土壤渗透率K，
式中，μ为气体的粘度。
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