CN115308110B - 一种变水头渗透系数测定方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及渗透系数测定技术领域，具体涉及一种变水头渗透系数测定方法及装置，测定方法包括以下步骤：用取样管取得原状样品；将取样管浸入水中以饱和试样；将取样管伸入储水容器中定位好位置，向储水容器中加水至取样管底部没入水面以下；向取样管内注水至液面达到一定高度，检测液面到水面的初始距离，通过水位传感器检测取样管和/或储水容器内的水位变化，根据水位传感器的检测数据，得到不同时刻下液面到水面的距离；根据试验数据求出渗透系数。本发明装置简单，操作方便，测定原状土样，测试误差小，试验过程中不需要人工记录时刻和液面高度，降低对操作人员的要求，测量精度更高。同时，适用条件不受限制，野外或实验室都可完成测试任务。
Description
技术领域
本发明涉及渗透系数测定技术领域，具体涉及一种变水头渗透系数测定方法及装置。
背景技术
土壤渗透性是土壤重要的物理特性之一，是土壤在饱和状态下，单位时间内通过单位面积的水量，反映了流体通过透水介质的难易程度。土壤渗透系数受土壤密度及土壤质地、孔隙分布特征、植被类型、有机质含量等多个因素共同影响，其大小直接影响土壤水分分布特征和地表径流量，在土壤水分平衡、灌溉、排水、土壤改良、工程地质、水文地质和水土保持等研究意义重大。
土壤渗透系数数值范围可根据工程和地质描述及与其他土壤参数的关系进行估算，通常采用室内法和室外法测定。
室内试验法如授权公告号为CN206583772U的中国实用新型专利公开的一种基于变水头法快速测量渗透系数的装置，包括采用有机玻璃一体制成的注水筒体、定水头筒体、排水筒体和圆盘底座，注水筒体上设有刻度值，底部开有小孔。使用时先将定水头筒体内注满水，然后将砂样装入注水筒体内，接着向注水筒体内注水，静置一段时间，记录注水筒体内水头的初始高度H0，试验过程中注水筒体内的水位逐渐下降，待水位下降至预先设计的降深值H时，记录时间，可以计算出渗透系数。然而这种装置的测试对象多为扰动土样，试验结果不能准确地反应原状土样的渗透特性。同时，装置为一体成型，各部件之间为相对固定关系，不但结构复杂，而且试验操作的灵活性较差，并且试验过程中操作人员要全程记录时间和水头高度，对操作人员的要求比较高，数据记录的精度比较差。
而室外测试中经常用到的装置是单(双)环渗漏装置，它成本低，简单且易操作，但是透水性较差的土层室外试验，效率低，耗时耗力，操作困难大。此外，由于不能控制环内水分渗透所到达的位置，因而不能确定因侧向渗透带来的影响，具有试验段较浅、数据误差大等缺点。
对此，授权公告号为CN213986120U的中国实用新型专利公开了一种测量原状土样渗透系数的简易装置，包括变水头管和环刀筒，环刀筒用于对原状土壤进行采样，采样后的环刀筒底部连接过滤盒，然后将环刀筒螺纹连接在变水头管的下端。试验时，向有刻度的变水头管中注水，等待测土样饱和后开始记录水头高度和一定间隔时间的水头高度，根据所记录的水头变化、试样高度以及时间间隔计算出该土样的渗透系数。
这种方式虽然可以测量原状土样的渗透系数，但是土柱下部未浸入饱和水溶液，且暴露在空气中，易造成试验过程中土柱不是完全饱和状态，造成优先流，过水断面不是整个土柱断面，造成测试结果误差较大。因此试验时需要的试验装置仍是必不可少的，导致整体测量装置较为复杂，同时仍需要人工记录时间间隔及水头高度，操作比较繁琐，且测量精度差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种简单方便、能够降低对操作人员要求且测量精度更高的变水头渗透系数测定方法；本发明的目的还在于提供一种实施上述测定方法的测定装置。
为实现上述目的，本发明中的变水头渗透系数测定方法采用如下技术方案：
一种变水头渗透系数测定方法，包括以下步骤：
步骤一，将取样管压入野外待测取样点中，取得目标样品，记录取样管插入取样点的深度L，然后将取样管底部盖好待测定；
步骤二，将取样管浸入水中，对试样充水，使其自由渗透成饱和试样；
步骤三，将取样管下端用筛网盖好，然后将取样管伸入储水容器中并定位好取样管的位置，向储水容器中加水至取样管底部没入水面以下，没入深度为S且S不超过L；
步骤四，向取样管内注水至液面达到一定高度，检测所述液面到所述水面的初始距离H0，通过设置在取样管和/或储水容器内的水位传感器，检测取样管和/或储水容器内的水位变化情况；
步骤五，开始试验，试验过程中所述液面不断下降，同时所述水面不断上升，根据水位传感器的检测数据，得到不同时刻下所述液面到所述水面的距离H的变化情况；
步骤六，试验结束后，根据试验数据求出渗透系数。
上述技术方案的有益效果在于：本发明的测定方法利用取样管在野外取样，在保障原状样品的基础上，测试装置结构简单，直接将样品饱和后的取样管伸入储水容器中并进行定位即可，然后向储水容器中和取样管内分别加水，检测取样管内液面到储水容器内水面的初始距离H0，此后试验过程中取样管内液面不断下降，同时储水容器内水面不断上升，而水位传感器可以检测取样管和/或储水容器内的水位变化情况，从而能够得到不同时刻下取样管内液面到储水容器内水面的距离H的变化情况，得到这些试验数据即可求出渗透系数。
因此，本发明的测定方法简单易操作，将取样管放入储水容器中进行定位，然后分别加水即可，不需要像现有技术一样有环环相套的筒体，设备简单，操作方便。试验过程中不需要人工记录时刻和液面下降高度，由水位传感器的检测数据即可得到不同时刻下所述液面到所述水面的距离H的变化情况，不但大大降低对操作人员的要求，而且测量精度更高，同时测得的数据也更多，更容易保证试验准确度。
进一步地，所述的水位传感器设置在取样管内，用于检测试验过程中取样管内液面下降的距离ΔH1，以得出取样管内的下降水量，根据取样管内的下降水量等于储水容器内的上升水量，得出储水容器内水面上升的距离ΔH2，最后得到H＝H0-(ΔH1+Δh2)。
上述技术方案的有益效果在于：根据水位传感器检测的取样管内液面下降的距离ΔH1，可以得出取样管内的下降水量，再根据取样管内的下降水量等于储水容器内的上升水量，得出储水容器内水面上升的距离ΔH2，这样只需要在取样管内设置水位传感器即可，结构简单，可节约设备成本，然后利用H＝H0-(ΔH1+ΔH2)，即可得到不同时刻下所述液面到所述水面的距离，检测方便。
进一步地，取样管和储水容器均为圆柱形，定义取样管内腔的半径为r，储水容器内腔的半径为R，则取样管内的下降水量为πr2ΔH1，储水容器内的上升水量为π(R2-r2)ΔH2。
上述技术方案的有益效果在于：圆柱形器材方便配置和使用，同时也方便计算上升水量和下降水量。
进一步地，试验结束后，由达西定律和水均衡原理dV＝-AdH可知：单位时间内通过断面的体积为/>可得：/>经积分后可得：换算后得出：/> 根据H＝H0-(ΔH1+ΔH2)，以及πr2ΔH1＝π(R2-r2)ΔH2，代入上式可得：/>当R＞10r时，公式可简化为/>其中：t为时间，以t为横坐标，lg(H0-ΔH1)为纵坐标，绘制t-lg(H0-ΔH1)直线关系图，得出t-lg(H0-ΔH1)直线关系式，该直线的斜率为-K/2.3L，可求得渗透系数K。
上述技术方案的有益效果在于：结合达西定律和水均衡原理，绘制t-lg(H0-ΔH1)直线关系图，通过关系图可以得出直线斜率，然后再利用公式直接求出渗透系数，操作方便，结果可靠。
进一步地，所述的水位传感器设置在取样管内液面以下，利用水位传感器在整个取样管内的深度减去水位传感器没入液面以下的距离，得到取样管的液面以上的长度l，然后由取样管的总长度L减去所述长度l，得到所述液面到取样管底端的距离，然后再减去取样管的没入深度S，得出所述液面到所述水面的初始距离H0。
上述技术方案的有益效果在于：通过该方法得出所述液面到所述水面的初始距离H0，简单易操作。
进一步地，将水位传感器通过特定长度的绳子或者带有刻度的尺杆放入所述液面以下，以直接得出水位传感器在整个取样管内的深度。
上述技术方案的有益效果在于：通过特定长度的绳子或者带有刻度的尺杆，可以方便知晓水位传感器在整个取样管内的深度，简单易操作。
进一步地，采用不锈钢管作为取样管。
上述技术方案的有益效果在于：不锈钢管强度高、耐腐蚀，不但可以较好地在野外压入待测取样点中进行取样，而且试验时也不容易生锈，可以重复利用。
进一步地，步骤三中，首先在储水容器内放入一个具有一定高度的支撑架，支撑架的顶面上设置有过水孔，然后将取样管伸入储水容器中并放置在支撑架上，将容器盖连接在储水容器顶部，并使取样管穿过容器盖上开设好的穿孔，通过支撑架和穿孔对取样管的位置进行定位。
上述技术方案的有益效果在于：底部设置支撑架对取样管进行支撑，上部设置容器盖并在容器盖上开设穿孔以供取样管穿过，可以方便地对取样管进行定位，进而方便试验开展，结构简单，操作方便。
本发明中用于实施上述变水头渗透系数测定方法的测定装置采用如下技术方案：
一种用于实施上述变水头渗透系数测定方法的测定装置，包括用于获取样品的取样管和用于开展试验的储水容器，储水容器内设置有用于支撑取样管的支撑架，支撑架的顶面上设置有过水孔；测定装置还包括用于连接在储水容器顶部的容器盖，容器盖上设置有供取样管穿过的穿孔；测定装置还包括用于设置在取样管和/或储水容器内的水位传感器。
上述技术方案的有益效果在于：测定装置包括储水容器和取样管，取样管便于野外取样，储水容器方便开展试验；储水容器内设置支撑架可以对取样管进行支撑，容器盖上开设穿孔可以供取样管穿过，从而方便地对取样管进行定位，进而方便试验开展，结构简单，操作方便。设置在取样管和/或储水容器内的水位传感器可以检测取样管和/或储水容器内的水位变化情况，从而能够得到不同时刻下取样管内液面到储水容器内水面的距离H的变化情况，不需要人工记录时刻和液面下降高度，不但大大降低对操作人员的要求，而且测量精度更高，同时测得的数据也更多，更容易保证试验准确度。并且，在保证原状样品的基础上，测试装置使用条件不受限制，测定过程室内室外都可进行，方便可靠。
进一步地，取样管为不锈钢管。
上述技术方案的有益效果在于：不锈钢管强度高、耐腐蚀，不但可以较好地在野外压入待测取样点中进行取样，而且试验时也不容易生锈，可以重复利用。
附图说明
图1为本发明测定方法的实施图(包含测定装置的结构)；
图2为图1的俯视图；
图3为本发明测定方法得出的三种土壤样品的t-lg(H0-ΔH1)直线关系图。
图中：1、储水容器；2、容器盖；2-1、穿孔；3、取样管；4、支撑架；5、土壤样品；6、筛网；7、水位传感器；8、尺杆；A、液面；B、水面。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。
需要说明的是，可能出现的术语如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何实际的关系或者顺序。而且，术语如“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”等限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步地详细描述。
本发明中变水头渗透系数测定方法的优选实施例：
本实施例中的测定对象是土壤，具体包括以下步骤：
步骤一，准备合适直径和长度的取样管3(如图1中所示)，具体在本实施例中，取样管3选用不锈钢管，强度高、耐腐蚀性好，取样管3直径为45mm，长度为1m。
选择取样点，将取样管3竖直压入野外待测取样点(即土壤)中，取得目标土层土壤样品5，记录取样管3插入土层的深度L，本实施中的深度L为20cm，然后使用滤纸将取样管3底部盖好，将原状土壤样品运回实验室待测定。根据试验需求，可以用多个取样管获取不同的原状土壤样品。
步骤二，实验室内，将取样管3浸入水中，水深不超过L(当然在其他实施例中，水深也可以等于L或者超过L)，并用量杯对试样充水，使其自由渗透2～3次，以饱和试样，排出空气。一般砂土浸4-6h，粉土浸8-12h，粘土浸24h。
步骤三，如图1所示，将取样管3下端用筛网6盖好，然后将取样管3伸入储水容器1中并定位好取样管3的位置。具体在本实施例中，首先在储水容器1内放入一个具有一定高度的支撑架4，支撑架4具有支腿，顶面上设置有过水孔，然后将取样管3放置在支撑架4上，并将容器盖2连接在储水容器1顶部，如图2所示，使取样管3穿过容器盖2上开设好的穿孔2-1，通过支撑架4和穿孔2-1对取样管3的位置进行定位。然后向储水容器1中加水至取样管3底部没入水面B以下，没入深度为S且S不超过L。
步骤四，向取样管3内注水至液面A达到一定高度，将水位传感器7放入取样管3内，水位传感器7位于液面A以下，用于检测到液面A的距离，从而获知取样管3内的水位变化情况，得出试验过程中取样管3内液面下降的距离ΔH1，同时本实施例中利用水位传感器7还可以检测取样管3内的液面A到储水容器1内的水面B的初始距离H0。
具体地，将水位传感器7通过带有刻度的尺杆9放入液面A以下，从而可以直接得出水位传感器7在整个取样管3内的深度。然后利用水位传感器7在整个取样管3内的深度减去水位传感器7检测的到液面A的距离(即水位传感器7没入液面A以下的距离)，得到取样管3的液面A以上的长度l，然后由取样管3的总长度L减去所述长度l，得到液面A到取样管3底端的距离，然后再减去取样管3的没入深度S，即可得出液面A到水面B的初始距离H0。
步骤五，开始试验，试验过程中液面A不断下降，同时水面B不断上升，根据水位传感器7的检测数据，得到不同时刻下液面A到水面B的距离H。具体地，本实施例中的取样管3和储水容器1均为圆柱形，取样管3内腔的半径为r，储水容器1内腔的半径为R，根据水位传感器7检测的试验过程中取样管3内液面下降的距离ΔH1，再根据取样管3内腔的横截面积，可以得出取样管3内的下降水量为πr2ΔH1。而取样管3内的下降水量等于储水容器1内的上升水量，定义储水容器1内水面上升的距离为ΔH2，则储水容器1内的上升水量为π(R2-r2)ΔH2，因此πr2ΔH1＝π(R2-r2)ΔH2，由此可以得出ΔH1和ΔH2的关系，也就是说只需要检测取样管3内液面下降的距离ΔH1，就可以得出储水容器1内水面上升的距离ΔH2，也即只需要设置一个水位传感器，结构简单，可节约设备成本。最后利用H＝H0-(ΔH1+ΔH2)，即可得到不同时刻下液面A到水面B的距离。
步骤六，试验结束后，根据试验数据求出渗透系数。
具体地，由达西定律和水均衡原理dV＝-AdH可知：单位时间内通过断面的体积为/>可得：/>经积分后可得：换算后得出：/>根据H＝H0-(ΔH1+ΔH2)，以及πr2ΔH1＝π(R2-r2)ΔH2，代入上式可得：/>当R＞10r时，公式可简化为/> 其中：t为时间，H0为取样管内液面A到储水容器内水面B的初始距离，H为不同时刻下取样管内液面A到储水容器内水面B的距离，K为渗透系数，L为土壤长度；以t为横坐标，lg(H0-ΔH1)为纵坐标，绘制t-lg(H0-ΔH1)直线关系图，得出t-lg(H0-ΔH1)直线关系式，该直线的斜率为-K/2.3L，可求得渗透系数K。
以三种不同的原状土壤样品的试验结果为例，如表1所示为三种土壤样品的试验数据表。
表1三种土壤样品的试验数据表
根据以上试验数据表，绘制t-lg(H0-ΔH1)直线关系图，如图3所示，图中还显示了t-lg(H0-ΔH1)直线关系式，可以直接看出每一条直线的斜率值，而根据上述公式，直线斜率应为-K/2.3L，因此可以直接求得对应的渗透系数K。
本发明的测定方法简单易操作，将取样管放入储水容器中进行定位，然后分别加水即可，不需要像现有技术一样有环环相套的筒体，设备简单，操作方便。设置在取样管内的水位传感器可以检测取样管内的水位变化情况，从而能够得到不同时刻下取样管内液面到储水容器内水面的距离H0。试验过程中不需要人工记录时刻和液面下降高度，不但大大降低对操作人员的要求，而且测量精度更高，同时测得的数据也更多，更容易保证试验准确度。
本发明中用于实施上述测定方法的测定装置的实施例为：如图1和图2所示，包括取样管3、储水容器1、支撑架4、容器盖2、水位传感器7，它们的具体结构和使用方式与上述测定方法中所述相同，在此不再重述。
在测定方法和测定装置的其他实施例中：取样管的材质也可以是塑料，为了方便取样，可以在端部设置刃口，当然取样管也可以由不锈钢管和透明的玻璃管组合而成，不锈钢管先完成取样，试验时再与玻璃管密封连接。
在测定方法和测定装置的其他实施例中：可以不在储水容器内设置支撑架，但是容器盖上仍设置有穿孔，并且容器盖上还设置有固定夹，当取样管穿过容器盖后，用固定夹将取样管夹紧固定，对其进行定位。
在测定方法和测定装置的其他实施例中：既不设置支撑架，也不设置容器盖，此时储水容器顶部可以固定有支架，利用支架来对取样管进行固定。
在测定方法和测定装置的其他实施例中：在数据处理时，也可以不采用对数转换的方式来得出t-lg(H0-ΔH1)直线关系图和关系式，而是直接利用其他已知方法求出渗透系数。
在测定方法和测定装置的其他实施例中：取样管内的水位传感器也可以通过特定长度的绳子放入液面以下，以获知水位传感器在整个取样管内的深度。
在测定方法和测定装置的其他实施例中：取样管内的水位传感器也可以设置在液面以上，例如固定在取样管内壁上，通过检测到液面距离的变化，获得取样管内的水位变化情况。
在测定方法和测定装置的其他实施例中：当取样管内的水位传感器设置在液面以上时，其检测的到液面的距离加上水位传感器在整个取样管内的深度，即可得出取样管的液面以上部分的长度l，后面计算过程与优选实施例相同。
在测定方法和测定装置的其他实施例中：也可以通过将取样管全部或部分设置为透明管，并在透明管上设置刻度，使得取样管内液面到取样管底端的距离可以通过观察或简单计算得到，然后再减去取样管的没入深度S，即可得出液面到水面的初始距离H0；或者在其他实施例中，可以直接利用量尺测量出液面到水面的初始距离H0。
在测定方法和测定装置的其他实施例中：储水容器可以不是圆柱形容器，例如方形容器，只要知晓其横截面积即可。
在测定方法和测定装置的其他实施例中：可以只在储水容器内设置水位传感器，通过换算得出取样管内的水位变化情况，或者可以在取样管内和储水容器内分别设置水位传感器，以直接检测取样管和储水容器内的水位变化情况，无需换换算。
在测定方法和测定装置的其他实施例中：土壤取样和试验测试均可以在户外进行。
在测定方法和测定装置的其他实施例中：待测样品也可以是土样尾矿及废渣。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种变水头渗透系数测定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，将取样管(3)压入野外待测取样点中，取得目标样品，记录取样管(3)插入取样点的深度L，然后将取样管(3)底部盖好待测定；
步骤二，将取样管(3)浸入水中，对试样充水，使其自由渗透成饱和试样；
步骤三，将取样管(3)下端用筛网(6)盖好，然后将取样管(3)伸入储水容器(1)中并定位好取样管(3)的位置，向储水容器(1)中加水至取样管(3)底部没入水面以下，没入深度为S且S不超过L；
步骤四，向取样管(3)内注水至液面达到一定高度，检测所述液面到所述水面的初始距离H0，通过设置在取样管(3)内的水位传感器，检测取样管(3)和/或储水容器(1)内的水位变化情况；
步骤五，开始试验，试验过程中所述液面不断下降，同时所述水面不断上升，根据水位传感器的检测数据，得到不同时刻下所述液面到所述水面的距离H的变化情况；
步骤六，试验结束后，根据试验数据求出渗透系数；
所述的水位传感器设置在取样管(3)内，用于检测试验过程中取样管(3)内液面下降的距离ΔH1，以得出取样管(3)内的下降水量，根据取样管(3)内的下降水量等于储水容器(1)内的上升水量，得出储水容器(1)内水面上升的距离ΔH2，最后得到H＝H0-(ΔH1+ΔH2)；取样管(3)和储水容器(1)均为圆柱形，定义取样管(3)内腔的半径为r，储水容器(1)内腔的半径为R，则取样管(3)内的下降水量为πr2ΔH1，储水容器(1)内的上升水量为π(R2-r2)ΔH2；试验结束后，由达西定律和水均衡原理dV＝-AdH可知：单位时间内通过断面的体积为/>可得：/>经积分后可得：/>换算后得出：/>根据H＝H0-(ΔH1+ΔH2)，以及πr2ΔH1＝π(R2-r2)ΔH2，代入上式可得：/>当R＞10r时，公式可简化为其中：t为时间，以t为横坐标，lg(H0-ΔH1)为纵坐标，绘制t-lg(H0-ΔH1)直线关系图，得出t-lg(H0-ΔH1)直线关系式，该直线的斜率为-K/2.3L，可求得渗透系数K。
2.根据权利要求1所述的变水头渗透系数测定方法，其特征在于，所述的水位传感器设置在取样管(3)内液面以下，利用水位传感器在整个取样管(3)内的深度减去水位传感器没入液面以下的距离，得到取样管(3)的液面以上的长度l，然后由取样管(3)的总长度L减去所述长度l，得到所述液面到取样管(3)底端的距离，然后再减去取样管(3)的没入深度S，得出所述液面到所述水面的初始距离H0。
3.根据权利要求2所述的变水头渗透系数测定方法，其特征在于，将水位传感器通过特定长度的绳子或者带有刻度的尺杆放入所述液面以下，以直接得出水位传感器在整个取样管(3)内的深度。
4.根据权利要求1所述的变水头渗透系数测定方法，其特征在于，采用不锈钢管作为取样管(3)。
5.根据权利要求1所述的变水头渗透系数测定方法，其特征在于，步骤三中，首先在储水容器(1)内放入一个具有一定高度的支撑架(4)，支撑架(4)的顶面上设置有过水孔，然后将取样管(3)伸入储水容器(1)中并放置在支撑架(4)上，将容器盖(2)连接在储水容器(1)顶部，并使取样管(3)穿过容器盖(2)上开设好的穿孔(2-1)，通过支撑架(4)和穿孔(2-1)对取样管(3)的位置进行定位。
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