CN115754248B - 基于氡同位素的冰冻条件下潜水-土壤水分运动示踪实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于氡同位素的冰冻条件下潜水‑土壤水分运动示踪实验装置及方法，属于土壤水文实验技术领域，装置包括：多个上、下无底的土柱筒，至少一个无上底、有下底的土柱筒，每个土柱筒的侧壁均开设有多排安装孔，土柱筒的外壁连接有测氡仪和水分监测探头，有下底的土柱筒的底部开设有透水孔；多个隔板，土壤水分平衡装置；潜水控制装置；冰冻过程控制装置。该装置和方法对各层土壤的体积含水率及孔隙中气体氡同位素活度进行实时的测定，确定出各监测时刻对应的潜水迁移量。利用氡同位素来构造实验装置和方法，用于揭示自然界土壤水在冰冻环境的土壤水文规律。

Description

基于氡同位素的冰冻条件下潜水-土壤水分运动示踪实验装 置及方法

技术领域

本发明属于土壤水文实验技术领域，具体涉及基于氡同位素的冰冻条件下潜水-土壤水分运动示踪实验装置及实验方法。

背景技术

土壤水是联系地表水和地下水的纽带，土壤水分是农田水分管理、区域水文条件研究和流域水量平衡计算的重要参量，而土壤水力性质是描述土壤水分运移和溶质、污染物质迁移过程的基本参数。同位素方法具有较高的灵敏度和准确性，通过分析土壤水的多种同位素特征，可用于揭示入渗、蒸发、渗透等土壤水文微观过程，进而示踪水在包气带的输送迁移路径。

现有技术如余钟波等.基于氡同位素的河水与地下水水力交换研究[J].河海大学学报,2020，48(1)文献中记载，通过实地采集河水、浅层地下水样本，分别测量样本中氡同位素活度浓度，定性分析河水和地下水的水力联系过程，建立河道氡一维稳定流模型和流量平衡模型，定量辨识地下水入流和河水渗漏机制，进一步验证氡同位素在对河水和地下水的水力联系研究中进行定性分析及定量计算时具有良好的可操作性，在缺乏水文气象资料和长序列流量资料的平原河网地区的水资源总量计算中具有应用前景。

受自然成土复杂过程及人类耕种的影响，田间野外的土壤大都呈现为交错分布的层状分布，土壤剖面结构复杂多变，不均匀的层状土壤质地会形成水流阻滞效应，土壤的孔隙、土水势及水力学性质在层与层的界面处容易发生跳跃突变，整个剖面上的水流通量和含水量分布会发生变化，在潜水位埋深较浅的地区，土壤的冻融作用加剧了浅层潜水与包气带土壤水的相互转化，如荆继红等.冻结—冻融过程中水分运移机理[J].地球学报，2017，28(1)文献中记载，冻融期是土壤水资源、地下水资源形成的重要时期，对于干旱少雨的西北地区而言冻融水的形成、运移和入渗补给地下水具有重要的生态环境意义。

目前缺乏将氡同位素运用到冻结期的土壤水中进行实验的装置和方法，本领域常规技术人员仍然需要进一步探究。

发明内容

本发明的目的是为了解决如何通过氡同位素构造出土壤水运动示踪的实验装置和方法，来揭示土壤水文运行规律的技术问题，提出基于氡同位素的冰冻条件下潜水-土壤水分运动示踪实验装置及实验方法。

为了实现上述目的，本发明的基于氡同位素的冰冻条件下潜水-土壤水分运动示踪实验装置，包括：

多个上、下无底的土柱筒，至少一个无上底、有下底的土柱筒，每个土柱筒的侧壁均开设有多排安装孔，土柱筒的外壁通过安装孔连接有测氡仪和水分监测探头，有下底的土柱筒的底部开设有透水孔；

多个隔板，设置在每个上、下无底的土柱筒的底侧，用于密封每个上、下无底的土柱筒的底侧；

土壤水分平衡装置，用于分别给每个土柱筒中的供试土壤供水下渗；完成供水下渗后，将各个土柱筒、连同隔板依次上下叠放，无上底、有下底的土柱筒在最底层；

潜水控制装置，将土柱筒叠放并抽离隔板后，将叠放的土柱放入到潜水控制装置中，潜水控制装置为叠放的土柱筒提供稳定的潜水水位；

冰冻过程控制装置，土柱筒、潜水控制装置均放置在冰冻过程控制装置中，用于给土柱筒中土壤水提供冰冻环境。

进一步地，所述土壤水分平衡装置包括：蓄水池；抽水泵，放置在蓄水池中；导水管，与抽水泵的出水端连接，能伸缩并改变高度；花洒，与导水管连接。

进一步地，所述潜水控制装置包括：潜水水槽，内侧底部铺设一层砂卵石，形成反滤层；马氏瓶；橡胶管，分别与马氏瓶和潜水水槽连接。

进一步地，所述冰冻过程控制装置包括：箱体；空气制冷压缩机，设置在箱体的外壁上；数显温度仪，用于显示箱体内部的温度。

基于氡同位素的冰冻条件下潜水-土壤水分运动示踪的实验方法，包括以下步骤：

S1：除有下底的土柱筒以外，其他的土柱筒下侧均放置隔板，每个土柱筒中依次填充供试土壤，填充供试土壤后，利用土壤水分平衡装置给供试土壤供水下渗，直至所有的土柱筒中的供试土壤单独完成供水下渗；依次上下叠放各个土柱筒，隔板处于各个土柱筒之间，抽开隔板，各土柱筒中的供试土壤接触形成土层结构；

S2：测定土层结构中，各层土壤孔隙中气体的初始氡同位素活度；然后将土层结构密封静置一段时间，使得水分剖面及土壤孔隙中气体的氡同位素达到平衡，然后测定平衡状态下土壤孔隙中气体的氡同位素活度；根据该层土壤的目标初始含水率、孔隙度及干容重，确定出各层土壤孔隙中气体的背景氡气活度；

S3：将土层结构连同土柱筒放入潜水控制装置中，供水装置向潜水水槽中灌水，利用蓄水池上刻度控制上层土壤的滞水深度，利用潜水控制装置维持稳定的潜水水位，确定出潜水位埋深；

S4：将土层结构连同土柱筒放入冰冻控制装置中，利用冰冻控制装置进行冰冻环境的模拟，冰冻期间利用土壤水分变化监测装置对各层土壤的体积含水率及孔隙中气体的氡同位素活度进行实时的测定，确定出各监测时刻对应的潜水迁移量。

进一步地，步骤S2中：土壤孔隙中气体的背景氡气活度

确定方法如下：

其中，对于第i层土层，ρ_i为土壤的干容重，

为土壤孔隙度，/>

为目标初始含水率；/>

为平衡状态下土壤孔隙中气体的氡同位素活度，/>

为土壤孔隙中气体的初始氡同位素活度，λ为氡-222的衰变常数，为2.1×10^-6s^-1，T为静置的时间。

进一步地，所述静置的时间T为15天以上，可以使得土壤孔隙中气体的氡气达到平衡。

进一步地，步骤S4中，各监测时刻对应的潜水迁移量计算方法如下：

对于第i层土层，在第j时刻：

其中，

为第i层土层，在第j-1时刻到j时刻这一阶段内的潜水迁移量；

分别为第j和第j-1时刻的体积含水率；/>

分别为第j和第j-1时刻的土壤孔隙中气体的氡同位素活度；K_n为氡气在水中的溶解系数。

进一步地，计算出各监测时刻对应的潜水迁移量形成未冻水及冰层的比例，计算公式如下:

f_i ^jIce＝1-f_i ^jW

其中，f_i ^jW为第i层土层，在第j-1时刻到j时刻这一阶段内的潜水迁移量形成未冻水的比例，f_i ^jIce则为潜水迁移量形成冰层的比例。

本发明的有益效果：

通过基于氡同位素的冰冻条件下潜水-土壤水分运动示踪实验装置，形成的土层结构间接表示自然界的土层结构。

通过基于氡同位素的冰冻条件下潜水-土壤水分运动示踪实验方法，对各层土壤的体积含水率及孔隙中气体的氡同位素活度进行实时的测定，计算出各监测时刻对应的潜水迁移量、未冻水和冰层比例。利用潜水迁移量等土壤水文信息进一步揭示野外农田在冬季，潜水上升过程中的土壤积盐问题。

附图说明

图1为本实施例中装置的示意图。

图2为本实施例中方法的流程示意图。

图3为实施例中各监测时刻对应的潜水迁移量示意图。

图4为实施例中各监测时刻对应的潜水迁移量占各土层未冻水及冰层的比例示意图。

图中：10、土壤水分平衡装置；11、蓄水池；12、抽水泵；13、导水管；14、花洒；15、容积刻度；17、阀门；18、流量计；

20、土壤水分变化监测装置；21、土柱筒；22、水分监测探头；23、土壤抽气管；24、测氡仪；25、隔板；

30、框架；

40、潜水控制装置；41、潜水水槽；43、反滤层；44、进水孔；45、马氏瓶；46、橡胶管；

50、冰冻控制装置；51、封闭箱体；52、空气制冷压缩机；53、数显温度仪；54、多孔。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

见图1-图3，基于氡同位素的冰冻条件下潜水-土壤水分运动示踪实验装置，包括土壤水分平衡装置10、土壤水分变化监测装置20、框架30、潜水控制装置40、冰冻控制装置50。

框架30呈直圆柱形，框架30的底侧和顶侧分别为两个圆环，两个圆环之间通过两个杆子焊接，形成一个整体。

土壤水分变化监测装置20包括3个土柱筒21、水分监测探头22、土壤抽气管23以及测氡仪24、2个隔板25，隔板呈圆盘状。

3个土柱筒21以竖向叠放。上侧的两个土柱筒21均是没有上、下底板的。最底侧的土柱筒21的下侧有底板，并且底板开设有透水孔，孔径和孔的间距不需要太大，保证土柱筒21能盛土的同时，土不会泄漏，还要能透水。隔板25的上、下侧表壁，分别与相邻两个土柱筒21的上、下侧表壁通过凹凸结构套接。具体地，在隔板25的上、下侧均粘接橡胶圈，形成“凸”结构；并且在土柱筒21的上、下侧均开设有槽，形成“凹”结构。橡胶圈起到在向土柱筒中供水下渗时密封土柱筒下侧，使土柱筒不能漏水的作用；也能方便隔板25从土柱筒21上脱离。抽离隔板25时，只要橡胶圈形变就可以沿径向抽出隔板25。抽离隔板时，尽量保证土柱筒中的土不会被隔板携带出来。

每个土柱筒21的侧壁沿纵向开设有多排安装孔，安装孔用于布设水分监测探头22、土壤抽气管23，水分监测探头22、土壤抽气管23的其中一端均可以通过螺纹的方式连接在安装孔位置。土壤抽气管23的另一端通过螺纹的方式与测氡仪24连接。水分监测探头22的型号采用TDR-315H，测氡仪24的型号采用RAD-7H2O。测氡仪24抽气时，由于供试土壤被压实了，所以很少的供试土壤被抽入到测氡仪24中，不影响测氡仪的实际使用。

土壤水分平衡装置10包括蓄水池11、抽水泵12、导水管13、花洒14。

抽水泵12放置在蓄水池11的内部底侧，导水管13通过螺纹连接在抽水泵12的出水端，花洒14通过螺纹固定在导水管13的另一端。导水管13下侧为有机玻璃导管，有机玻璃导管的上侧为伸缩管，如波纹管。有机玻璃导管上安装阀门17，用于控制导水管13的开闭。蓄水池11上刻有容积刻度15。有机玻璃导管上设有流量计18。

潜水控制装置40包括潜水水槽41、供水装置。

潜水水槽41为长方体空槽，里面铺有一定高度的砂卵石作为反滤层43；潜水水槽41侧壁开设有进水孔44。供水装置包括马氏瓶45及橡胶管46，橡胶管46一端与马氏瓶45外壁通过螺纹连接，并与马氏瓶45内部连通；另一端通过螺纹连接在潜水水槽41的外壁上，通过进水孔44与潜水水槽41内部连通。橡胶管46外接动力组件，如：泵，向潜水水槽41中灌水。

冰冻控制装置50包括封闭箱体51、空气制冷压缩机52、数显温度仪53。

封闭箱体51内部用于放置土壤水分变化监测装置20、框架30及潜水控制装置40，打开封闭箱体51上的门，将装有土壤水分变化监测装置20、框架30及潜水控制单元40放置于封闭箱体51后关闭门，使封闭箱体51处于封闭状态。

空气制冷压缩机52安装在封闭箱体51侧壁底部，用于调节封闭箱体51内部的温度。封闭箱体51侧壁上开设有多孔54，用于水分监测探头22的数据连接线、土壤抽气管23及橡胶管46从封闭箱体51的内部通到封闭箱体51的外侧。数显温度仪53嵌入在封闭箱体51边壁上，用于显示封闭箱体51内的实时温度。

本实施例的基于氡同位素的冰冻条件下潜水-土壤水分运动示踪实验方法包括如下步骤：

S1：将供试土壤(壤土、砂土、砂壤、壤砂其中之一，也可以是他们的混合土)填到最下层的土柱筒21中，利用花洒14对该土柱筒21中土壤进行供水下渗，使各个土柱筒21中土壤达到目标初始含水率，目标初始含水率由水分监测探头获得。在最下层的土柱筒21上侧放置隔板25，再在隔板25上再放置一个土柱筒21，然后将另一种供试土壤填入到该土柱筒21中，隔板25隔断上、下侧土柱筒21，让上层的土柱筒21底部不能漏水和漏土，利用花洒14对该土柱筒21中土壤进行供水下渗；以此类推，使各层土柱筒21中土壤均达到目标初始含水率。将3个土柱筒21、两个隔板25组成的整体，其他实施例中，也可以4层土柱筒21。按径向的方向，整体从框架30的侧面镂空位置放入到框架30中，框架30起到方便同时移动三层土柱筒21的目的。最底层的土柱筒21的下表壁、框架30的内部下侧表壁两者形成另一组凹凸配合结构，固定住最底层的土柱筒21。沿径向抽出隔板25，土柱筒21中的土壤下落，形成完整的三层土层结构。

S2：测定土层结构中，各土层的土壤孔隙中气体的初始氡同位素活度；然后将土层结构密封静置一段时间，使得水分剖面及土壤孔隙中气体的氡同位素达到平衡，然后测定平衡状态下土壤孔隙中气体的氡同位素活度；根据该土层的目标初始含水率、孔隙度及干容重，确定出各土层土壤孔隙中气体的背景氡气活度。

密封的方式可以采用保鲜膜将土层结构裹起来。

具体地，对于自下而上的第i层土层，土壤孔隙中气体的背景氡气活度

确定方法如下：

其中，对于第i层土层，ρ_i为土壤的干容重，

为土壤孔隙度，/>

为目标初始含水率；/>

为平衡状态下土壤孔隙中气体的氡同位素活度，/>

为土壤孔隙中气体的初始氡同位素活度，λ为氡-222的衰变常数，为2.1×10^-6s^-1，T为静置的时间。T一般为15天。

S3：三层土层结构连同土柱筒21、框架30放入到潜水水槽41中，土柱筒21保持叠放，供水装置向潜水水槽41中灌水，设置灌水量以及上层土壤的滞水深度。利用潜水控制装置40维持稳定的潜水水位，确定出潜水位埋深。灌水量是在实验前预设的灌水值，根据灌水值可以预估出灌水量对应的滞水深度。

稳定指的是：需要供水装置不断地向潜水水槽中供水，保持潜水水位不会下降，土层能持续处于吸水状态。

潜水水位指的是，潜水水槽中的水面位置。

潜水位埋深指的是，潜水水位的水面到土层上表面的距离。

具体地，潜水水位设置在距土层表面120cm处，上层土壤的滞水深度为5cm。

潜水水位设置在距土层表面120cm的意思就是，按表1和图1中潜水水槽41为例说明：土层的下表面的序号1土层底侧与潜水水槽中的水面处于同一水平面，土层共120cm高，潜水水槽中的水面位置距土层表面120cm。

滞水深度指的是土层吸水后，土层中的水面到土层顶面的间距。

S4：将三层土层结构连同土柱筒、框架放入到冰冻控制装置中，利用冰冻控制装置进行冰冻环境的模拟，冰冻期间利用土壤水分变化监测装置对各层土壤的体积含水率及孔隙中气体的氡同位素活度进行实时的测定，确定出各监测时刻对应的潜水迁移量。

具体地，对于第i层土层，在第j时刻，

其中，

为第i层土层，在第j-1时刻到j时刻这一阶段内的潜水迁移量；

分别为第j和第j-1时刻的体积含水率；/>

分别为第j和第j-1时刻的土壤孔隙中气体的氡同位素活度；K_n为氡气在水中的溶解系数。

S5：计算出各监测时刻对应的潜水迁移量占各土层未冻水及冰层的比例，从而定量刻画出冰冻状态下各层土壤潜水上升迁移并发生水冰相变的过程。

具体地，计算出各监测时刻对应的潜水迁移量形成未冻水及冰层的比例，计算公式如下:

f_i ^jIce＝1-f_i ^jW

其中，f_i ^jW为第i层土层，在第j-1时刻到j时刻这一阶段内的潜水迁移量形成未冻水的比例，f_i ^jIce则为潜水迁移量形成冰层的比例。

以2022年8月室内试验为例，将各层土壤分别填充到土壤水分变化监测装置中，利用土壤水分平衡装置对土壤水分变化监测装置中的单个土柱进行供水下渗，使得土壤达到目标初始含水率；最后利用多层状土壤排列装置组合形成完整的土层结构，从而配置形成各种特定含水率的土层结构，土层具体信息如表1所示。

1土壤分层基本信息

表1中2/3序号的砂土和砂壤共同放入到本实施例三层土柱筒中21的中间土柱筒21中；序号1/2/3/4表示的是，从下往上数，第几层土壤。滞水深度为实验条件，表1中隐藏了该实验条件。

见图4，本实施例利用冰冻过程控制装置进行冰冻环境的模拟，冰冻期间利用土壤水分变化监测装置对各层土壤的体积含水率及孔隙中气体的氡同位素活度进行实时的测定，确定出各监测时刻对应的潜水迁移量：随着土壤冻结，潜水迅速上升，潜水上升的水量自下而上减少。冻结达9小时后，潜水上升速率稳定(图3)。最后计算出各监测时刻对应的潜水迁移量占各土层未冻水及冰层的比例，从而定量刻画出冰冻状态下各层土壤潜水上升迁移并发生水冰相变的过程，结果如图4所示；冻结后3小时，高达60％以上的上升潜水并未结冰，且越接近潜水水位的土层(编号1的土层)中形成冰层的比例越高。随着土壤继续冻结，土层中上升潜水形成冰层的比例越高，这个阶段伴随着盐分析出。因而可以有助于定量认识野外农田在冬季，潜水上升过程中的土壤积盐问题。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (6)

1.基于氡同位素的冰冻条件下潜水-土壤水分运动示踪实验装置，其特征在于，包括：

多个上、下无底的土柱筒，至少一个无上底、有下底的土柱筒，每个土柱筒的侧壁均开设有多排安装孔，所有土柱筒的外壁通过安装孔连接有测氡仪和水分监测探头，有下底的土柱筒的底部开设有透水孔；

多个隔板，设置在每个上、下无底的土柱筒的底侧，用于密封每个上、下无底的土柱筒的底侧；

土壤水分平衡装置，用于分别给每个土柱筒中的供试土壤供水下渗；完成供水下渗后，将各个土柱筒、连同隔板依次上下叠放，无上底、有下底的土柱筒位于最底层；

潜水控制装置，将土柱筒叠放并抽离隔板后，将叠放的土柱筒放入潜水控制装置中，潜水控制装置为叠放的土柱筒提供稳定的潜水水位；

冰冻过程控制装置，土柱筒、潜水控制装置均放置在冰冻过程控制装置中，用于给土柱筒中土壤水提供冰冻环境；

所述土壤水分平衡装置包括：蓄水池，抽水泵，放置在蓄水池中；导水管，与抽水泵的出水端连接，能伸缩并改变长度；花洒，与导水管连接；所述潜水控制装置包括：潜水水槽，内侧底部铺设一层砂卵石；马氏瓶；橡胶管，分别与马氏瓶和潜水水槽连接；所述冰冻过程控制装置包括：箱体；空气制冷压缩机，设置在箱体的外壁上；数显温度仪，用于显示箱体内部的温度。

2.基于权利要求1所述的基于氡同位素的冰冻条件下潜水-土壤水分运动示踪实验装置的实验方法，其特征在于，包括以下步骤，

S1：除有下底的土柱筒以外，在其他土柱筒下侧放置隔板，每个土柱筒中依次填充供试土壤后，利用土壤水分平衡装置给供试土壤供水下渗，直至所有土柱筒中的供试土壤单独完成供水下渗；依次上下叠放各个土柱筒，隔板处于各个土柱筒之间，抽离隔板，多层土形成一个完整的土层结构；

S2：测定土层结构中，各层土壤孔隙中气体的初始氡同位素活度；然后将土层结构密封静置一段时间，使得水分剖面及土壤孔隙中气体的氡同位素达到平衡，然后测定平衡状态下土壤孔隙中气体的氡同位素活度；根据每层土壤的目标初始含水率、孔隙度及干容重，确定出各层土壤孔隙中气体的背景氡气活度；

S3：将土层结构连同土柱筒放入潜水控制装置中，供水装置向潜水水槽中灌水，利用潜水控制装置维持稳定的潜水水位，确定出潜水位埋深；

S4：将土层结构连同土柱筒放入冰冻控制装置中，利用冰冻控制装置进行冰冻环境的模拟，冰冻期间利用土壤水分变化监测装置对各层土壤的体积含水率及孔隙中气体的氡同位素活度进行实时测定，确定出各监测时刻对应的潜水迁移量；

S5:计算出各监测时刻对应的潜水迁移量占各土层未冻水及冰层的比例，从而定量刻画出冰冻状态下各层土壤潜水上升迁移并发生水冰相变的过程。

3.根据权利要求2所述的基于氡同位素的冰冻条件下潜水-土壤水分运动示踪实验装置的实验方法，其特征在于，步骤S2中：土壤孔隙中气体的背景氡气活度

确定方法如下：

其中，对于第i层土层，ρ_i为土壤的干容重，

为土壤孔隙度，/>

为目标初始含水率；

为平衡状态下土壤孔隙中气体的氡同位素活度，/>

为土壤孔隙中气体的初始氡同位素活度，λ为氡-222的衰变常数，为2.1×10^-6s^-1，T为静置的时间。

4.根据权利要求2所述的基于氡同位素的冰冻条件下潜水-土壤水分运动示踪实验装置的实验方法，其特征在于，所述静置的时间T为15天以上。

5.根据权利要求2所述的基于氡同位素的冰冻条件下潜水-土壤水分运动示踪实验装置的实验方法，其特征在于，步骤S4中，各监测时刻对应的潜水迁移量计算方法如下：

对于第i层土层，在第j时刻，

其中，

为第i层土层，在第j-1时刻到j时刻这一阶段内的潜水迁移量；

分别为第j和第j-1时刻的体积含水率；/>

分别为第j和第j-1时刻的土壤孔隙中气体的氡同位素活度；K_n为氡气在水中的溶解系数。

6.根据权利要求2所述的基于氡同位素的冰冻条件下潜水-土壤水分运动示踪实验装置的实验方法，其特征在于，步骤S5中，计算出各监测时刻对应的潜水迁移量形成未冻水及冰层的比例，计算公式如下:

f_i ^jIce＝1-f_i ^jW

其中，f_i ^jW为第i层土层，在第j-1时刻到j时刻这一阶段内的潜水迁移量形成未冻水的比例，f_i ^jIce则为潜水迁移量形成冰层的比例。

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