CN117571580A - 一种常水头土壤饱和导水率测量系统及测量方法 - Google Patents

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CN117571580A CN202410015517.1A CN202410015517A CN117571580A CN 117571580 A CN117571580 A CN 117571580A CN 202410015517 A CN202410015517 A CN 202410015517A CN 117571580 A CN117571580 A CN 117571580A
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刘琳
冉启华
叶盛
陆松柳
张丝苇
李蔚
潘海龙
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Abstract

本发明提供一种常水头土壤饱和导水率测量系统及测量方法，包括供水箱，其的底部设有出水口，出水口上设有止水阀，该出水口上还连接有供水管；测量模块，包括支架，支架上设有待测土壤样品，待测土壤样品的顶部设有储水器，储水器的顶端设有一引流管，引流管用于将溢过储水器的水引流至外部；待测土壤样品的底部设有一下水头淹没池，下水头淹没池中设有设定水位，其侧壁上还设有一导流管，导流管的一端口与设定水位齐平，导流管的另一端口的下方设有接水器，接水器的下方设有称重仪，称重仪用于称量接水器中所承接到的下渗水的重量；数据处理器，与所述称重仪相连接，解决了现有技术中测定常水头土壤饱和导水率极其耗费人力且测量精度较低的问题。

Description

一种常水头土壤饱和导水率测量系统及测量方法
技术领域
本发明涉及土壤检测技术领域，特别是涉及一种常水头土壤饱和导水率测量系统及测量方法。
背景技术
土壤饱和导水率指土壤完全饱和状态下，单位时间内通过单位面积土壤的水量，是研究地下水补给、土壤水分运动和水循环等非常重要的参数。实验室常见土壤饱和导水率室测定方法如定水头渗透仪、变水头渗透仪等，其基本原理是用环刀取原状土样浸水后，根据达西定律，在单位水压梯度下求得通过垂直于水流方向的单位土壤截面积的水流速度，得到渗透速度与时间的关系曲线，实验一般需要1-2hr逐渐稳定，极其耗费人力。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种常水头土壤饱和导水率测量系统及测量方法，用于解决现有技术中测定常水头土壤饱和导水率极其耗费人力且测量精度较低的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明的一方面提供一种常水头土壤饱和导水率测量系统，包括供水箱，所述供水箱的底部设有一出水口，且所述出水口上设有一止水阀，所述出水口上还连接有一供水管；测量模块，包括支架，所述支架上设有待测土壤样品，所述待测土壤样品的顶部设有一储水器，所述储水器位于所述供水管出水端的下方，且所述储水器的顶端设有一引流管，所述引流管用于将溢过所述储水器的水引流至外部；所述待测土壤样品的底部设有一下水头淹没池，且所述下水头淹没池中设有设定水位，所述下水头淹没池的侧壁上还设有一导流管，所述导流管的一端口与所述下水头淹没池中的设定水位齐平，所述导流管的另一端口的下方设有一接水器，所述接水器的下方设有一称重仪，所述称重仪用于称量所述接水器中所承接到的所述待测土壤样品的下渗水的重量；数据处理器，与所述称重仪相连接，所述数据处理器包括记录模块和计算模块，其中，所述记录模块用于记录多个时刻的所述称重仪所称量到的下渗水的重量；所述计算模块基于相邻两个时刻的下渗水的重量计算出下渗水的质量变化率，并将所述下渗水的质量变化率与预设的阈值相比较，若连续三次所计算出的下渗水的质量变化率均小于等于所述阈值，则停止实验，反之，则继续实验；
所述计算模块基于停止实验时最后两个相邻的下渗水重量的差值及水的密度计算出最后两个相邻时刻的下渗水的体积变化量，并基于最后两个相邻时刻的下渗水的体积变化量计算出饱和渗透速度；所述计算模块将所述饱和渗透速度带入模型公式计算出所述待测土壤样品的饱和导水率KT；其中，L为待测土壤样品的厚度，h为所述储水器顶端至所述下水头淹没池中设定水位的高度，v为饱和渗透速度。
优选的，所述储水器的横截面与所述待测土壤样品的横截面相同，所述储水器的高度与所述待测土壤样品的高度也相同。
优选的，所述储水器为一空环刀。
优选的，所述引流管的出水端设有一集水箱，所述集水箱用于对所述引流管从所述储水器引流的水进行收集。
优选的，所述集水箱中设有水泵，所述水泵上连接有回流管，所述水泵用于将所述集水箱中所收集到的水抽回至所述供水箱中。
本发明的另一方面提供一种采用上述所述的常水头土壤饱和导水率测量系统的常水头土壤饱和导水率测量方法，该常水头土壤饱和导水率测量方法包括如下步骤：
S1、打开止水阀，以通过供水管向储水器加水，且始终保持储水器中的水位为满位状态，溢出储水器的水通过引流管引流至集水箱中；
S2、数据处理器的记录模块每隔一段时间记录一次称重仪所称量到的下渗水的重量；
S3、数据处理器的计算模块基于公式计算出相邻两次下渗水的体积变化量ΔVw；其中，/>为称重仪第n次称量所述接水器的重量值，ρw为水的密度；
S4、数据处理器的计算模块基于相邻两次下渗水的体积变化量ΔVw，根据公式计算出单位时间的渗透速度Vw；其中，A为储水器的横截面面积；
S5、数据处理器的计算模块基于公式计算出相邻两次记录时刻的下渗水的质量变化率Y，并将所述质量变化率Y与预设的阈值α相比较，若连续三次所计算得的质量变化率Y均小于等于阈值α，则终止实验，反之，则继续实验；
S6、将停止实验时最终次所计算出来的单位时间的渗透速度v带入公式计算出饱和导水率KT；其中，L为待测土壤样品的厚度，h为储水器顶端至下水头淹没池中设定水位的高度。
优选的，所述步骤S1之前还包括对所述待测土壤样品在水中进行浸泡。
优选的，所述步骤S2中所述数据处理器的记录模块每隔一段时间记录一次称重仪所称量到的下渗水的重量具体为：所述记录模块从前至后对称重仪所称量到的下渗水的重量记录频率越来越低。
优选的，所述步骤S5中的阈值α为5％。
优选的，还包括步骤S7：将所述步骤S6中所计算出的饱和导水率KT带入公式换算出水温为10℃时的饱和导水率K10；其中，tw为供水箱中水的温度。
如上所述，本发明的一种常水头土壤饱和导水率测量系统及测量方法，具有以下有益效果：实验时，通过数据处理器对称重仪所测量的下渗水的质量进行自动记录，并且能够基于所记录的多个下渗水的质量值判断出终止实验的条件，并能够基于模型公式计算出待测土壤样品的饱和导水率。因此，与现有技术中全部通过人为干预进行实验相比，本发明的常水头土壤饱和导水率测量系统自动化程度高，避免了人为参与记录数值和计算的误差干扰因素，在减少了人力消耗，降低了人力成本的同时，也提高了测量结果的精确度。
同时，本发明的测量系统在使用时，一个数据处理器也可以与多个测量模块的称重仪相连接，从而能够进行多组土壤样品的测试，大大提高测试的效率。
附图说明
图1显示为本发明所提供的常水头土壤饱和导水率测量系统的结构示意图。
图2显示为本发明所提供的常水头土壤饱和导水率测量方法的流程示意图。
附图标记说明
10 供水箱
11 出水口
110 止水阀
111 供水管
20 测量模块
21 支架
22 待测土壤样品
23 储水器
231 引流管
232 集水箱
2321 水泵
2322 回流管
24 下水头淹没池
241 导流管
25 接水器
26 称重仪
30 数据处理器
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
本申请的说明书以及附图中的术语“第一”和“第二”等是用于区别不同的对象，或者用于区别对同一对象的不同处理，而不是用于描述对象的特定顺序；另外，当说某器件与另一器件“连接”时，这不仅包括“直接连接”的情形，也包括在其中间把其它元件置于其间而“间接连接”的情形。另外，当说某种器件“包括”某种构成要素时，只要没有特别相反的记载，则并非将其它构成要素排除在外，而是意味着可以还包括其它构成要素。
在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各项操作(或步骤)描述成顺序的处理，但是其中的许多操作可以被并行地、并发地或者同时实施。此外，各项操作的顺序可以被重新安排。当其操作完成时所述处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。所述处理可以对应于方法、函数、规程、程序等等。此外，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
请参阅图1至图2。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本发明的一方面提供一种常水头土壤饱和导水率测量系统，具体如图1所示，该测量系统包括供水箱10，测量模块20及数据处理器30，其中，该供水箱10的底部设有一出水口11，在该出水口11上设有一止水阀110，该出水口11上还连接有一供水管111；测量模块20包括支架21、该支架21上设有待测土壤样品22，该待测土壤样品22的顶部设有一储水器23，且该储水器23位于供水管111的出水端的下方，该储水器23的顶端设有一引流管231，该引流管231用于将溢出储水器23的水引流至外部，待测土壤样品22的底部设有一下水头淹没池24，且该下水头淹没池24中设有设定水位，在该下水头淹没池24的侧壁上还设有一导流管241，该导流管241的一端口与下水头淹没池24中的设定水位齐平，该导流管241的另一端口的下方设有一接水器25，该接水器25的下方设有一称重仪26，该称重仪用于称量接水器25中所承接到的待测土壤样品的下渗水的重量；数据处理器30与称重仪26相连接，该数据处理器30包括记录模块和计算模块，其中，记录模块用于记录多个时刻的称重仪26所称量到的下渗水的重量；计算模块基于相邻两个时刻的下渗水的重量计算出下渗水的质量变化率，并将下渗水的质量变化率与预设的阈值相比较，若连续三次所计算出的下渗水的质量变化率均小于等于所述阈值，则停止实验，反之，则继续实验；计算模块基于停止实验时最后两个相邻的下渗水重量的差值及水的密度计算出最后两个相邻时刻的下渗水的体积变化量，并基于最后两个相邻时刻的下渗水的体积变化量计算出饱和渗透速度；该计算模块将饱和渗透速度带入模型公式计算出所述待测土壤样品的饱和导水率KT；其中，L为待测土壤样品22的厚度，h为储水器23顶端至下水头淹没池24中设定水位的高度，v为饱和渗透速度。
本发明的常水头土壤饱和导水率测量系统在使用时，通过数据处理器30对称重仪26所测量的下渗水的质量进行自动记录，并且能够基于所记录的多个下渗水的质量值判断出终止实验的条件，并能够基于模型公式计算出待测土壤样品的饱和导水率。因此，与现有技术中全部通过人为干预进行实验相比，本发明的常水头土壤饱和导水率测量系统自动化程度高，避免了人为参与记录数值和计算的误差干扰因素，在减少了人力消耗，降低了人力成本的同时，也提高了测量结果的精确度。
进一步的，本发明的测量系统在使用时，一个数据处理器30也可以与多个测量模块的称重仪相连接，从而能够进行多组土壤样品的测试，大大提高测试的效率。
具体的，如图1所示，本实施例中，所述下水头淹没池24中的设定水位与待测土壤样品22的底端齐平，或者设定水位略高于待测土壤样品22的底端；在进行实验时，由于导流管241的一端口与水头淹没池24中的设定水位平齐，因此，从待测土壤样品22中下渗的水流到该下水头淹没池24后从而使得水位会高于导流管241的端口，进而会经该导流管241流至接水器25内。
进一步的，为了更好的满足实验条件，以使得对待测土壤样品的饱和导水率测量的更加精确，优选的，在本实施例中，储水器23的横截面与待测土壤样品22的横截面相同，该储水器23的高度与待测土壤样品22的高度也相同。较佳的，在本实施例中，储水器23为一空环刀。由于待测土壤样品22是通过环刀在室外取得的待测土壤，即所述待测土壤样品22是填充在一环刀的内腔中，本实施例通过采用一空环刀连接在填装有待测土壤样品的环刀上方来做为储水器23，从而能够完全保证储水器23的横截面和高度与待测土壤样品22的横截面及高度完全一致，从而能够很大程度提高测量的精度及准确性。具体的，该空环刀与待测土壤样品的连接处即与填装有待测土壤样品的环刀连接处可通过防水胶布进行粘接密封，以防止两者的连接处漏水。
由于在实验时止水阀110一直处于打开状态以保证储水器23中的水位一直是满位状态，即通过供水管111一直向储水器23中加水以保证储水器23中的水位始终与储水器23的顶端平齐，因而在整个实验过程中会有大量的水从储水器23的顶端溢出，为了对引流管231从储水器23所引流的水进行收集以进行循环利用，优选的，如图1所示，在本实施例中，引流管231的出水端设有一集水箱232，该集水箱232用于对引流管231从储水器23引流的水进行收集，从而避免浪费。且进一步的，在本实施例中，如图1所示，在集水箱232中还设有水泵2321，该水泵2321上连接有回流管2322，该水泵2321用于将集水箱232中所收集到的水抽回至所述供水箱10中以进行循环利用。
本发明的另一方面还提供一种采用上述常水头土壤饱和导水率测量系统的常水头土壤饱和导水率测量方法，该常水头土壤饱和导水率测量方法包括如下步骤：
S1、打开止水阀，以通过供水管向储水器加水，且始终保持储水器中的水位为满位状态，溢出储水器的水通过引流管引流至集水箱中；
进一步的，为了进一步提高测量效率，在本步骤S1之前还包括对待测土壤样品22在水中进行浸泡。且在浸泡时要保证填装有待测土壤样品的环刀上端口与水面保持齐平，勿使水面淹没(高于)该填装有待测土壤样品的环刀的上端口。具体的，针对不同的土壤样品所进行浸泡的时间也不同，示例性的，一般砂土浸水4-6hr，壤土8-12hr，黏土24hr。具体的，在待测土壤样品完成浸泡之后，将填装有待测土壤样品的环刀固定在支架21进行实验。本实施例中在开始测试之前先对待测土壤样品在水中进行浸泡，能够先让待测土壤样品吸收一定的水分，从而能够缩短实验时待测土壤样品达到饱和的时间，从而缩短实验的时间，提高实验效率。
S2、数据处理器的记录模块每隔一段时间记录一次称重仪所称量到的下渗水的重量；
具体的，在本步骤S2中，所述数据处理器的记录模块每隔一段时间记录一次称重仪所称量到的下渗水的重量具体为：记录模块从前至后对称重仪所称量到的下渗水的重量记录频率越来越低。示例性的，可以设置数据处理器30的记录模块每隔1、2、3、5、10…tnmin记录一次收集器的重量，即称重频率前期高，后期低。当然，除了在数据处理器中预设记录频率之外，实验人员还可以根据需要手动调整记录频率。
S3、数据处理器的计算模块基于公式计算出相邻两次下渗水的体积变化量ΔVw；其中，/>为称重仪第n次称量所述接水器的重量值，ρw为水的密度；
具体的，需要说明的是，在本步骤S3中，的单位为g，ρw的单位g/cm3。当n＝1时，相当于为接水器的重量。
S4、数据处理器的计算模块基于相邻两次下渗水的体积变化量ΔVw，根据公式计算出单位时间的渗透速度v；其中，A为储水器的横截面面积；
具体的，在该步骤S4中，tn的单位为min；A的单位为cm2；v的单位为mm/min；10为cm到mm的换算值。数据处理器30可以根据该单位时间的渗透速度v输出渗透率-时间的关系曲线，从而能够使得实验人员直观的观测到待测土壤样品下渗水的渗透速度的变化规律，实现土壤饱和导水率的自动测量。
具体的，在本实施例中，储水器为一空环刀，故A相当于环刀的横截面面积，也相当于待测土壤样品的横截面面积。
S5、数据处理器的计算模块基于公式计算出相邻两次记录时刻的下渗水的质量变化率Y，并将所述质量变化率Y与预设的阈值α相比较，若连续三次所计算得的质量变化率Y均小于等于阈值α，则终止实验，反之，则继续实验；
具体的，在该步骤S5中，所述阈值α为5％，即当连续三次所计算出的相邻两次下渗水的质量变化率Y均小于等于5％时，则终止测试；当连续三次所计算出的相邻两次下渗水的质量变化率Y至少有一次是大于5％时，则继续进行测试。当然，需要说明的是，在其他可选实施例中，在判断是否满足实验终止条件时，对质量变化率连续比较的次数可以根据不同需求进行不同的设置。
S6，将停止实验时最终次所计算出来的单位时间的渗透速度v带入公式计算出饱和导水率KT；其中，L为待测土壤样品的厚度，h为储水器顶端至下水头淹没池中设定水位的高度。
具体的，可以理解的是，该步骤S6中最终次计算出的单位时间的渗透速度v即为待测土壤样品的饱和渗透速度。
进一步的，为了使不同水温下所测得的饱和导水率KT便于比较，本实施例中还包括步骤S7：将所述步骤S6中所计算出的饱和导水率KT带入公式换算出水温为10℃时的饱和导水率K10；其中，tw为供水箱中水的温度。
综上所述，本发明一种常水头土壤饱和导水率测量系统及测量方法，能够避免人为参与记录数值和计算的误差干扰因素，在减少了人力消耗，降低了人力成本的同时，也提高了测量结果的精确度，解决现有技术中测定土壤饱和导水率极其耗费人力且测量精度较低的问题。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种常水头土壤饱和导水率测量系统，其特征在于，包括：
供水箱，所述供水箱的底部设有一出水口，且所述出水口上设有一止水阀，所述出水口上还连接有一供水管；
测量模块，包括支架，所述支架上设有待测土壤样品，所述待测土壤样品的顶部设有一储水器，所述储水器位于所述供水管出水端的下方，且所述储水器的顶端设有一引流管，所述引流管用于将溢过所述储水器的水引流至外部；所述待测土壤样品的底部设有一下水头淹没池，且所述下水头淹没池中设有设定水位，所述下水头淹没池的侧壁上还设有一导流管，所述导流管的一端口与所述下水头淹没池中的设定水位齐平，所述导流管的另一端口的下方设有一接水器，所述接水器的下方设有一称重仪，所述称重仪用于称量所述接水器中所承接到的所述待测土壤样品的下渗水的重量；
数据处理器，与所述称重仪相连接，所述数据处理器包括记录模块和计算模块，其中，所述记录模块用于记录多个时刻的所述称重仪所称量到的下渗水的重量；
所述计算模块基于相邻两个时刻的下渗水的重量计算出下渗水的质量变化率，并将所述下渗水的质量变化率与预设的阈值相比较，若连续三次所计算出的下渗水的质量变化率均小于等于所述阈值，则停止实验，反之，则继续实验；
所述计算模块基于停止实验时最后两个相邻的下渗水重量的差值及水的密度计算出最后两个相邻时刻的下渗水的体积变化量，并基于最后两个相邻时刻的下渗水的体积变化量计算出饱和渗透速度；
所述计算模块将所述饱和渗透速度带入模型公式计算出所述待测土壤样品的饱和导水率KT；其中，L为待测土壤样品的厚度，h为所述储水器顶端至所述下水头淹没池中设定水位的高度，v为饱和渗透速度。
2.根据权利要求1所述的一种常水头土壤饱和导水率测量系统，其特征在于，所述储水器的横截面与所述待测土壤样品的横截面相同，所述储水器的高度与所述待测土壤样品的高度也相同。
3.根据权利要求1或2所述的一种常水头土壤饱和导水率测量系统，其特征在于，所述储水器为一空环刀。
4.根据权利要求1所述的一种常水头土壤饱和导水率测量系统，其特征在于，所述引流管的出水端设有一集水箱，所述集水箱用于对所述引流管从所述储水器引流的水进行收集。
5.根据权利要求4所述的一种常水头土壤饱和导水率测量系统，其特征在于，所述集水箱中设有水泵，所述水泵上连接有回流管，所述水泵用于将所述集水箱中所收集到的水抽回至所述供水箱中。
6.一种采用如权利要求1至5任一项所述的常水头土壤饱和导水率测量系统的常水头土壤饱和导水率测量方法，所述常水头土壤饱和导水率测量方法包括如下步骤：
S1、打开止水阀，以通过供水管向储水器加水，且始终保持储水器中的水位为满位状态，溢出储水器的水通过引流管引流至集水箱中；
S2、数据处理器的记录模块每隔一段时间记录一次称重仪所称量到的下渗水的重量；
S3、数据处理器的计算模块基于公式计算出相邻两次下渗水的体积变化量ΔVw；其中，/>为称重仪第n次称量所述接水器的重量值，ρw为水的密度；
S4、数据处理器的计算模块基于相邻两次下渗水的体积变化量ΔVw，根据公式 计算出单位时间的渗透速度v；其中，A为储水器的横截面面积；
S5、数据处理器的计算模块基于公式计算出相邻两次记录时刻的下渗水的质量变化率Y，并将所述质量变化率Y与预设的阈值α相比较，若连续三次所计算得的质量变化率Y均小于等于阈值α，则终止实验，反之，则继续实验；
S6、将停止实验时最终次所计算出来的单位时间的渗透速度v带入公式计算出饱和导水率KT；其中，L为待测土壤样品的厚度，h为储水器顶端至下水头淹没池中设定水位的高度。
7.根据权利要求6所述的一种常水头土壤饱和导水率测量方法，其特征在于，所述步骤S1之前还包括对所述待测土壤样品在水中进行浸泡。
8.根据权利要求6所述的一种常水头土壤饱和导水率测量方法，其特征在于，所述步骤S2中所述数据处理器的记录模块每隔一段时间记录一次称重仪所称量到的下渗水的重量具体为：所述记录模块从前至后对称重仪所称量到的下渗水的重量记录频率越来越低。
9.根据权利要求6所述的一种常水头土壤饱和导水率测量方法，其特征在于，所述步骤S5中的阈值α为5％。
10.根据权利要求6所述的一种常水头土壤饱和导水率测量方法，还包括步骤S7：将所述步骤S6中所计算出的饱和导水率KT带入公式换算出水温为10℃时的饱和导水率K10；其中，tw为供水箱中水的温度。
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Title
罗林涛等: "砒砂岩与沙复配成土稳定性及可持续利用研究", vol. 1, 31 July 2015, 黄河水利出版社, pages: 73 - 74 *

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