CN116908069A - 一种山区便携式环刀入渗试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种山区便携式环刀入渗试验装置及方法，该装置包括供水量筒、软管、水头控制器、平衡支架、环刀、积液量筒，水头控制器通过软管与供水量筒连接，所述水头控制器、环刀通过蝶形螺栓固定在平衡支架上，所述水头控制器的底部与环刀的顶部连通，积液量筒通过绳索悬挂在环刀下方，所述水头控制器用于接收供水量筒的供水并控制水位达到设计水头对应水位，水头控制器、环刀和积液量筒的内径相同，供水量筒、水头控制器和积液量筒的筒壁上有标注水头高度的刻度线。发明拆卸和安装简单，不需要外接电源，可实现在野外快速安装和观测，且水头控制器、积液量筒、环刀内径相同，可实现观测数据直接换算为入渗速率，节约处理数据时间。
Description
技术领域
本发明涉及土壤入渗测量技术领域，具体是一种山区便携式环刀入渗试验装置及方法。
背景技术
土壤入渗率，也称土壤入渗速率，是单位时间通过单位面积土壤的入渗水量，主要表征土壤入渗能力。土壤初始入渗率受到土壤初始含水量的影响，在土壤较干时，土壤入渗率非常大，这时的入渗率为初始入渗速率，又称初渗率。随着降雨的持续，土壤含水量增加直至达到饱和土壤含水量，土壤入渗速率逐渐减小到稳定值，此时的入渗速率称为稳渗率。
土壤入渗是降雨到达下垫面后进行水分再分配的重要环节，是影响坡面产汇流的重要因素。在山区小流域，土壤入渗速率是影响降雨-径流过程的重要因素，也是水土流失、山洪灾害的重要致灾影响因子之一。因此，土壤入渗研究对于水土流失防治、山区小流域降雨-径流过程机理研究、山洪小流域洪水过程预警、山洪灾害防御技术研发等具有重要意义。
现有的土壤水分入渗率测量方法包括双环法、圆盘入渗仪法、环刀法、人工降雨法等。其中以环刀法成本低、操作方便、计算简单等特点得到广泛应用。环刀法是利用取土环刀取得原状土，在取土环刀上方加空圆环，圆环中加水保持水位不变，在下方利用集液漏斗记录渗水量，经过公式换算得到单位时间内通过单位面积的水量作为入渗速率。
现有的环刀法测量土壤水分入渗速率，主要是用环刀在研究区取得原状土样后运至室内进行观测试验，但环刀原状土样的形态和内部结构或多或少受到了运输过程中的外力影响，使得试验结果不能准确地反映研究区土壤的真实入渗率。而现有的野外入渗测试装置，在户外作业时不易支撑平稳，不能够有效根据被测试土壤地面情况进行支撑，需要人工辅助支撑，从而增加测试人员的工作量，并且在被测试土壤地面具有一定坡度时，测试水头不能够垂直接触土壤表面，接触面积改变，影响水分渗透量，进而影响数据的准确性。
如中国专利CN 205027745 U公开一种基于环刀法测量土壤饱和导水率的简易装置，可实现不同环刀土壤样品的替换，提高测定效率，但存在一些有待改进的地方：1)固定板和支架不可调节，只能放置于完全水平的地方，不适用于山区地形不平整的区域；2)环刀上无刻度，无法实现设计水头的入渗率观测。
又如中国专利CN 111678855 A公开一种环刀入渗试验装置，包括水箱、水头控制室、环刀和集液漏斗，装置拆卸和安装简单，可实现全自动采集渗入、渗出量，同时可以实现不同水头压力下的试验，但存在一些不足：1)水头控制器筒体与环刀通过防水胶带密封，在实际操作过程中费时，也可能因为操作不当导致漏水；2)水头控制室电控水阀、流量计、电子秤都需要连接交流电源，但在野外观测试验中，特别是山区小流域，往往无法找到稳定交流电源，限制了该装置的使用范围和场景。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种山区便携式环刀入渗试验装置及方法，该装置方便携带、操作简单、不需要接电源，可实现野外不同地形条件下的土壤入渗率观测实验，可实现不同设计水头条件下的定水头入渗观测；同时，可以短时间实现不同环刀土壤样品的替换，提高了测定效率。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种山区便携式环刀入渗试验装置，包括供水量筒、软管、水头控制器、平衡支架、环刀、积液量筒，所述水头控制器通过软管与供水量筒连接，所述水头控制器、环刀通过蝶形螺栓固定在平衡支架上，所述水头控制器的底部与环刀的顶部连通，积液量筒通过绳索悬挂在环刀下方，所述水头控制器用于接收供水量筒的供水并控制水位达到设计水头对应水位，水头控制器、环刀和积液量筒的内径相同，供水量筒、水头控制器和积液量筒的筒壁上有标注水头高度的刻度线。
进一步的，所述供水量筒内径为5.046cm，筒壁上刻度线的刻度量程不小于30cm，最小刻度不大于1cm，容量不小于0.5L。
进一步的，所述水头控制器包括进水硬管、进水硬管支架、浮球进水阀、筒体进水硬管支架通过蝶形螺栓固定在平衡支架上，进水硬管通过蝶形螺栓固定在进水硬管支架上，进水硬管可调节高度，所述筒体顶部和底部均为开口设计，浮球进水阀连接在进水硬管301上，使浮球进水阀对应筒体上不同的刻度，实现不同水头调节。
进一步的，所述筒体的筒壁上的刻度从筒壁底部开始计量，量程不小于30cm，最小刻度不大于1cm。
进一步的，所述筒体内径为5.046cm，，筒壁上的刻度从筒壁底部开始计量，量程不小于30cm，最小刻度不大于1cm。
进一步的，所述浮球进水阀为压差式浮球进水阀，最大外径小于筒体内径。
进一步的，所述平衡支架包括固定面板、可伸缩支撑杆、水平仪、防水密封圈、螺丝钉；固定面板为矩形，固定面板中心有直径5.5cm略大于水头控制器、环刀外径的圆孔，防水密封圈位于固定面板中心的圆孔内，四角与4个可伸缩支撑杆通过蝶形螺栓铰接，水平仪粘接在固定面板上，根据不同地形通过调节4个可伸缩支撑杆的长度，依据水平仪使固定面板保持水平，固定面板两侧各有2颗螺丝钉，用于悬挂积液量筒。
进一步的，所述固定面板的厚度不小于2.5cm，所述防水密封圈内径与筒体、环刀内径相等。
进一步的，所述环刀包括取土环刀体、环刀外筒体、环刀外筒体固定面板，取土环刀体内放置待测原状土体，下端为尖端部，环刀外筒体上部为矩形的环刀外筒体固定面板，通过蝶形螺栓与固定面板连接固定；环刀外筒体下部有分布均匀的粗砂，粗砂上方有密目网，下方有金属孔板，金属孔板直径与取土环刀体内径相同，密目网、金属孔板的孔径不大于1mm；取土环刀体放入环刀外筒体后，顶端比环刀外筒体固定面板高1cm。
一种山区便携式环刀入渗试验方法，采用所述试验装置进行，所述方法包括如下步骤：
步骤一：在野外选定取土地点，用环刀取原状土，垂直放入环刀外筒体备用；
步骤二：将水头控制器的筒体下方露出的1cm筒壁从平衡支架的上方插入固定面板的圆孔中，使筒壁底部与防水密封圈上方接触，两者内壁在同一个平面上，并使筒体固定面板的螺丝孔位与固定面板中心螺丝孔位对齐；
步骤三：将取土环刀体装入环刀外筒体，尖端部朝下，压住密目网，再将比环刀外筒体固定面板高1cm的取土环刀体从平衡支架的下方插入固定面板的圆孔中，使取土环刀体环刀壁顶部与防水密封圈下方接触，两者内壁在同一个平面上，并使环刀外筒体固定面板的螺丝孔位与固定面板中心螺丝孔位对齐；
步骤四：将水头控制器、装有原状土的环刀与平衡支架的固定面板用蝶形螺栓连接固定，使防水密封圈被筒体筒壁底部与取土环刀体环刀壁顶部紧紧压在中间，防止漏水；
步骤五：将积液量筒通过绳索悬挂在平衡支架两侧的螺丝钉上，使积液量筒位于环刀下方，调整平衡支架的可伸缩支撑杆，观察水平仪使固定面板水平；
步骤六：根据特定水头，调节水头控制器的进水硬管的高度，使浮球进水阀控制水位与设计水头对应的水位持平，向供水量筒注水，使水头控制器的水位达到设计水头对应水位，并使供水量筒水位保持在高水位，记为L0，时间记为T0＝0，之后记录固定时间间隔记为Tn内供水量筒水位变化读数记为Lnin，入渗速率计算公式为Vin＝Lnin/Tn；
步骤七：测试人员从积液量筒收集到第一滴水时间记为Ts开始记录固定时间间隔记为Tn内积液量筒水位变化读数记为Lnout，渗出速率计算公式为V＝Lnout/Tn；监测的时间间隔可根据要求自行调整，一般计为10s-15s；
步骤八：待监测的数据稳定在一个固定值附近时，再监测一段时间后结束实验，用夹子夹住软管2停止供水；松开固定面板的蝶形螺栓，取掉环刀的取土环刀体，将水头控制器中的水排空，换另一原状土样，重复步骤一至步骤七，可测试另一原状土样入渗速率和渗出速率。
本发明和现有的技术相比，具有如下显著有益效果：1、安装和拆卸简单，便于携带，无需外接电源，可实现在野外快速安装和观测；2、可以根据不同地形调整平衡支架，保证垂直入渗，确保数据的准确性；3、水头控制器筒体、积液量筒、取土环刀体内径相同，可实现观测数据直接换算为入渗速率，节约处理数据时间。
附图说明
图1是本发明一种山区便携式环刀入渗试验装置其中一个实施例的结构示意图；
图2是本发明中水头控制器的结构示意图；
图3是本发明中水头控制器筒体的俯视结构图；
图4是本发明中平衡支架的俯视结构图；
图5是本发明中防水密封圈的立体结构透视图；
图6是本发明中环刀的结构示意图；
图7是本发明中环刀外筒体的俯视结构示意图。
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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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。
如图1所示，一种山区(野外)便携式环刀入渗试验装置，包括供水量筒1、软管2、水头控制器3、平衡支架4、环刀5、积液量筒6。
所述水头控制器3通过软管2与供水量筒1连接，所述软管2长度不小于50cm。水头控制器3、环刀5通过蝶形螺栓连接固定在平衡支架4上，平衡支架4上固定有进水硬管支架302，供水量筒1通过绳索悬挂于进水硬管支架302上，积液量筒6通过绳索悬挂在平衡支架4上。供水量筒1、水头控制器3和积液量筒6的内径相同，筒壁上有标注水头高度的刻度线。试验开始时，供水量筒1的水通过软管2进入水头控制器3，水头控制器3保持设计水头水位，水分通过环刀5内土样下渗，最终流入积液量筒6。试验开始后，通过读取供水量筒1、积液量筒6的读数就可以计算得到特定时间环刀5内土样的入渗速率和渗出速率。
参照图2和图3，水头控制器3包括进水硬管301、进水硬管支架302、浮球进水阀303、筒体304、筒体固定面板305。进水硬管301通过蝶形螺栓固定在进水硬管支架302上，浮球进水阀303连接在进水硬管301上。进水硬管301可调节高度，使浮球进水阀303对应筒体304的不同刻度，实现不同设计水头水位控制。筒体304下部安装有筒体固定板305，筒体固定板305可设计为矩形，其四角通过4个蝶形螺栓与平衡支架4固定。
参照图4和图5，平衡支架4包括固定面板401、可伸缩支撑杆402、水平仪403、防水密封圈404。固定面板401一侧固定有水平仪403；固定面板401厚度不小于2cm；固定面板401的材质为有机玻璃或亚克力透明且具有一定强度的材质。固定面板401中心有直径5.5cm略大于水头控制器3的筒体304、取土环刀体501外径的圆孔，孔中间有厚度不小于2mm的防水密封圈404，其内径与取土环刀体501、水头控制器筒体304内径相同，防水密封圈404可采用橡胶制成。固定面板401圆孔四周有4个螺丝孔，与水头控制器3的筒体304的固定板螺丝孔位置对应。可伸缩支撑杆402通过螺丝铰接在固定面板401上，可伸缩支撑杆402可以围绕螺丝旋转，也可伸缩调整长度，最大长度为100cm，下部为尖锐状，可插入土中，可以根据不同的地形条件调整支撑情况，根据平衡支架4上的水平仪403保持水平。
参照图6和图7，环刀5包括环刀取土体501、环刀外筒体502和环刀外筒体固定面板503。环刀取土体501为一般常见常见取土环刀，体积为100cm3，内径为5.046cm。环刀外筒体502内径略大于取土环刀体501外径，为5.5cm，下部有金属孔板，金属孔板上面有一层厚度为2cm的粗砂，粗砂上方有密目网，金属孔板和密目网孔径为1mm。环刀外筒体502上部有矩形环刀外筒体固定面板503，四角有螺丝孔，与固定面板401中心4个螺丝孔位对应。
本发明山区便携式环刀入渗试验装置的工作原理：供水量筒1提供持续供水，通过调节水头控制器3的进水硬管301的高度实现不同设计水头水位控制，并通过浮球进水阀303实时控制水位升降。当水头控制器3内水分通过环刀5入渗导致水位下降时，浮球进水阀303因压力差打开，供水量筒1中的水通过进水硬管301进入筒体304中，当水位上升到设计水头水位时，浮球进水阀303关闭，停止进水。通过读取固定时间间隔内供水量筒1、积液量筒6数据变化可分别计算得出环刀土壤入渗速率和渗出速率。
本发明实施例还提供一种山区便携式环刀入渗试验方法，采用上述试验装置进行，包括如下步骤：
步骤一：在野外选定取土地点，用环刀5取原状土，垂直放入环刀外筒体502备用；
步骤二：将水头控制器3的筒体304下方露出的1cm筒壁从平衡支架4的上方插入固定面板401的圆孔中，使筒壁底部与防水密封圈404上方接触，两者内壁在同一个平面上，并使筒体固定面板305的4个螺丝孔位与固定面板401中心4个螺丝孔位对齐；
步骤三：将取土环刀体501装入环刀外筒体502，尖端部朝下，压住密目网，再将比环刀外筒体固定面板503高1cm的取土环刀体501从平衡支架4的下方插入固定面板401的圆孔中，使取土环刀体501环刀壁顶部与防水密封圈404下方接触，两者内壁在同一个平面上，并使环刀外筒体固定面板503的4个螺丝孔位与固定面板401中心4个螺丝孔位对齐；
步骤四：将水头控制器3、装有原状土的环刀5与平衡支架4的固定面板401用蝶形螺栓连接固定，使防水密封圈404被筒体304筒壁底部与取土环刀体501环刀壁顶部紧紧压在中间，防止漏水；
步骤五：将积液量筒6通过绳索悬挂在平衡支架4两侧的螺丝钉405上，使积液量筒6位于环刀5下方，调整平衡支架4的可伸缩支撑杆402，观察水平仪403使固定面板401水平；
步骤六：根据特定水头，调节水头控制器3的进水硬管301的高度，使浮球进水阀303控制水位与设计水头对应的水位持平，向供水量筒1注水，使水头控制器3的水位达到设计水头对应水位，并使供水量筒1水位保持在高水位，记为L0，时间记为T0＝0，之后记录固定时间间隔记为Tn内供水量筒1水位变化读数记为Lnin，入渗速率计算公式为Vin＝Lnin/Tn；
步骤七：测试人员从积液量筒6收集到第一滴水时间记为Ts开始记录固定时间间隔记为Tn内积液量筒6水位变化读数记为Lnout，渗出速率计算公式为V＝Lnout/Tn；监测的时间间隔可根据要求自行调整，一般计为10s-15s；
步骤八：待监测的数据稳定在一个固定值附近时，再监测一段时间后结束实验，用夹子夹住软管2停止供水；松开固定面板401的蝶形螺栓，取掉环刀5的取土环刀体501，将水头控制器中的水排空，换另一原状土样，重复步骤一至步骤七，可测试另一原状土样入渗速率和渗出速率。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种山区便携式环刀入渗试验装置，其特征在于：包括供水量筒(1)、软管(2)、水头控制器(3)、平衡支架(4)、环刀(5)、积液量筒(6)，所述水头控制器(3)通过软管(2)与供水量筒(1)连接，所述水头控制器(3)、环刀(5)通过蝶形螺栓固定在平衡支架(4)上，所述水头控制器(3)的底部与环刀(5)的顶部连通，积液量筒(6)通过绳索悬挂在环刀(5)下方，所述水头控制器(3)用于接收供水量筒(1)的供水并控制水位达到设计水头对应水位，水头控制器(2)、环刀(5)和积液量筒(6)的内径相同，供水量筒(1)、水头控制器(2)和积液量筒(6)的筒壁上有标注水头高度的刻度线。
2.根据权利要求1所述的一种山区便携式环刀入渗试验装置，其特征在于：所述供水量筒(1)内径为5.046cm，筒壁上刻度线的刻度量程不小于30cm，最小刻度不大于1cm，容量不小于0.5L。
3.根据权利要求1所述的一种山区便携式环刀入渗试验装置，其特征在于：所述水头控制器(3)包括进水硬管(301)、进水硬管支架(302)、浮球进水阀(303)、筒体(304)进水硬管支架(302)通过蝶形螺栓固定在平衡支架(4)上，进水硬管(301)通过蝶形螺栓固定在进水硬管支架(302)上，进水硬管(301)可调节高度，所述筒体(304)顶部和底部均为开口设计，浮球进水阀(303)连接在进水硬管301上，使浮球进水阀(303)对应筒体(304)上不同的刻度，实现不同水头调节。
4.根据权利要求3所述的一种山区便携式环刀入渗试验装置，其特征在于：所述筒体(304)的筒壁上的刻度从筒壁底部开始计量，量程不小于30cm，最小刻度不大于1cm。
5.根据权利要求4所述的一种山区便携式环刀入渗试验装置，其特征在于：所述筒体(304)底部向上1.5cm处筒壁外有筒体固定面板(305)，其下方筒壁高度为1cm。
6.根据权利要求3所述的一种山区便携式环刀入渗试验装置，其特征在于：所述浮球进水阀(303)为压差式浮球进水阀，最大外径小于筒体(304)内径。
7.根据权利要求1所述的一种山区便携式环刀入渗试验装置，其特征在于：所述平衡支架(4)包括固定面板(401)、可伸缩支撑杆(402)、水平仪(403)、防水密封圈(404)、螺丝钉(405)；固定面板(401)为矩形，固定面板(401)中心有直径5.5cm略大于水头控制器(3)、环刀(5)外径的圆孔，防水密封圈(404)位于固定面板(401)中心的圆孔内，四角与4个可伸缩支撑杆(402)通过蝶形螺栓铰接，水平仪(403)粘接在固定面板(401)上，根据不同地形通过调节4个可伸缩支撑杆(402)的长度，依据水平仪(403)使固定面板(401)保持水平，固定面板(401)两侧各有2颗螺丝钉(405)，用于悬挂积液量筒(6)。
8.根据权利要求7所述的一种山区便携式环刀入渗试验装置，其特征在于：所述固定面板(401)的厚度不小于2.5cm，所述防水密封圈(404)内径与筒体(304)、环刀(5)内径相等。
9.根据权利要求7所述的一种山区便携式环刀入渗试验装置，其特征在于：所述环刀(5)包括取土环刀体(501)、环刀外筒体(502)、环刀外筒体固定面板(503)，取土环刀体(501)内放置待测原状土体，下端为尖端部，环刀外筒体(502)上部为矩形的环刀外筒体固定面板(503)，通过蝶形螺栓与固定面板(401)连接固定；环刀外筒体(502)下部有分布均匀的粗砂，粗砂上方有密目网，下方有金属孔板，金属孔板直径与取土环刀体(501)内径相同，密目网、金属孔板的孔径不大于1mm；取土环刀体(501)放入环刀外筒体(502)后，顶端比环刀外筒体固定面板(503)高1cm。
10.一种山区便携式环刀入渗试验方法，其特征在于：采用权利要求1-9中任一项所述试验装置进行，所述方法包括如下步骤：
步骤一：在野外选定取土地点，用环刀(5)取原状土，垂直放入环刀外筒体(502)备用；
步骤二：将水头控制器(3)的筒体(304)下方露出的1cm筒壁从平衡支架(4)的上方插入固定面板(401)的圆孔中，使筒壁底部与防水密封圈(404)上方接触，两者内壁在同一个平面上，并使筒体固定面板(305)的螺丝孔位与固定面板(401)中心螺丝孔位对齐；
步骤三：将取土环刀体(501)装入环刀外筒体(502)，尖端部朝下，压住密目网，再将比环刀外筒体固定面板(503)高1cm的取土环刀体(501)从平衡支架(4)的下方插入固定面板(401)的圆孔中，使取土环刀体(501)环刀壁顶部与防水密封圈(404)下方接触，两者内壁在同一个平面上，并使环刀外筒体固定面板(503)的螺丝孔位与固定面板(401)中心螺丝孔位对齐；
步骤四：将水头控制器(3)、装有原状土的环刀(5)与平衡支架(4)的固定面板(401)用蝶形螺栓连接固定，使防水密封圈(404)被筒体(304)筒壁底部与取土环刀体(501)环刀壁顶部紧紧压在中间，防止漏水；
步骤五：将积液量筒(6)通过绳索悬挂在平衡支架(4)两侧的螺丝钉(405)上，使积液量筒(6)位于环刀(5)下方，调整平衡支架(4)的可伸缩支撑杆(402)，观察水平仪(403)使固定面板(401)水平；
步骤六：根据特定水头，调节水头控制器(3)的进水硬管(301)的高度，使浮球进水阀(303)控制水位与设计水头对应的水位持平，向供水量筒(1)注水，使水头控制器(3)的水位达到设计水头对应水位，并使供水量筒(1)水位保持在高水位，记为L0，时间记为T0＝0，之后记录固定时间间隔记为Tn内供水量筒(1)水位变化读数记为Lnin，入渗速率计算公式为Vin＝Lnin/Tn；
步骤七：测试人员从积液量筒(6)收集到第一滴水时间记为Ts开始记录固定时间间隔记为Tn内积液量筒(6)水位变化读数记为Lnout，渗出速率计算公式为V＝Lnout/Tn；监测的时间间隔可根据要求自行调整，一般计为10s-15s；
步骤八：待监测的数据稳定在一个固定值附近时，再监测一段时间后结束实验，用夹子夹住软管2停止供水；松开固定面板(401)的蝶形螺栓，取掉环刀(5)的取土环刀体(501)，将水头控制器中的水排空，换另一原状土样，重复步骤一至步骤七，可测试另一原状土样入渗速率和渗出速率。
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