CN200950113Y - 产渗流入渗仪 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种土壤入渗性能测量装置，它能测定降雨条件下土壤水分入渗性能变化的全过程，属农业水土工程领域。技术方案包括支架(11)，承水箱(1)，雨滴发生器(8)，在雨滴发生器(8)的下方为试验区域下垫面，试验区域下垫面包括径流引导槽(7)和入渗土体段(9)，在入渗土体段(9)的一侧安装有径流收集装置(4)，在试验区域下垫面的一侧安装有影像拍摄系统(12)，在径流引导槽(7)和入渗土体段(9)设有两块或多块带有刻度的侧挡板(6)。本产渗流入渗仪具有操作简单，价格便宜，适应范围较广，运输移动便利和造价较低等优点，大大节省人力物力。可广泛用于水文过程、作物水分利用、灌溉管理、土壤侵蚀等研究领域。

Description

产渗流入渗仪
技术领域
本实用新型涉及一种土壤入渗性能测量装置，所属技术领域为农业水土工程。
背景技术
双环入渗仪，虽然能测定土壤水分入渗，但要求地表基本水平，对于测定坡地土壤入渗率时，只能将被测地面整理成基本水平，将破坏土壤的原状性能及坡面的连续性，适应范围受到限制；而且由于环内盛水，水头的不稳定性造成入渗率的变化较大，不能很好的模拟实际降雨和灌水的效果；另外，内外环产生的边界效果的影响很难避免。因此，双环入渗仪测定土壤水分的入渗率存在较大的缺陷。
圆盘入渗仪也可用于测量土壤水分入渗，与双环入渗仪类似要求地表水平，而且圆盘入渗仪要求圆盘良好的气密性，测量要求较高，在测量过程中由于没有类似双环入渗仪外环的保护，容易发生侧漏，一定程度上造成测量误差。双环入渗仪及圆盘入渗仪均未考虑降雨及侵蚀对土壤入渗的影响。
人工模拟降雨法通常采用喷灌设施或滴头式进行人工模拟降雨测量入渗产流的装置。这些类似的装置受降雨强度的限制，不能测量得到早期很高的土壤初始入渗率，测量的土壤入渗率等于降雨强度的大小，在土壤入渗性能降低至降雨强度之前时间内，土壤入渗一直处于供水限制条件下的行为，土壤的入渗性能受限于降雨强度的大小，土壤的实际入渗率(入渗性能)被掩盖，所以传统的人工降雨法未能测量土壤入渗性能变化的全过程。
尽管目前室内或野外测量土壤入渗的方法较多，土壤入渗对于水文过程、作物水分利用、灌溉管理、土壤侵蚀等方面的研究和实践也非常重要，但是目前还没有一套完整的仪器可以测量土壤降雨入渗性能变化全过程，成为一个亟待解决的问题。
发明内容
本实用新型的目的是要提供一种产渗流入渗仪，它能测定降雨条件下土壤水分入渗性能变化的全过程。通过此装置，能更好的了解模拟并掌握降雨入渗下的水分运移机理。
为了达到本实用新型的目的所采取的技术方案包括支架11，安装在支架11上的承水箱1，在承水箱1的底部安装有雨滴发生器8，在雨滴发生器8的下方为试验区域下垫面，试验区域下垫面包括径流引导槽7和入渗土体段9两部分，在入渗土体段9的一侧末端安装有径流收集装置4，在试验区域下垫面的一侧安装有影像拍摄系统12，在径流引导槽7和入渗土体段9设有两块或多块侧挡板6，其中，一块或多块侧挡板6上带有刻度。
上述的产渗流入渗仪中，承水箱1的一侧或多侧面分别安装有一个或多个偏心轮电机振动器3。
上述的产渗流入渗仪中，承水箱1与支架11为一体式结构或为通过可拆卸式连接机构连接在一起的分体式结构。
上述的产渗流入渗仪中，承水箱1的底部直接钢性焊接在支架11上构成一体式结构；可拆卸式连接机构为活动挂钩链接或螺栓连接。
上述的产渗流入渗仪中，偏心轮电机振动器3与带有调压器控制的供电电源相连。即偏心轮电机3的供电电源由调压器控制，通过不同的输出电压控制电机的转速，间接达到控制雨滴发生器随机共振的程度，以达到模拟不同的降雨效果。
上述的产渗流入渗仪中，雨滴发生器8配有不同孔径的针头模拟不同雨滴直径大小。
上述的产渗流入渗仪中，雨滴发生器8通过橡胶软皮塞与承水箱1连接，雨滴发生器8为可拆卸式。
上述的产渗流入渗仪中，径流引导槽7的材料为薄钢板，其表面可粘贴打磨砂纸，承水箱1的材质为金属或有机玻璃或硬塑料，支架11的材质为金属或有机玻璃或硬塑或木质。
上述的产渗流入渗仪中，径流收集口4与侧档板由防水胶布粘贴，插入土体连接角处涂抹有凡士林。
本产渗流入渗仪具有操作简单，价格便宜，适应范围较广，运输移动便利和造价较低等优点，大大节省人力物力。通过调节不同强度的水头及雨滴发生器的共振频率，能更好的模拟实际降雨不同强度的条件，恒定的水头更能保证降雨的均匀性。不仅适用于室内测试，也适用野外及其他场合使用，而且不受地形限制，既能测定水平地表下的土壤入渗性能，也适用于坡地条件下的土体，对于水文过程、作物水分利用、灌溉管理、土壤侵蚀等方面的研究领域，具有广泛的推广应用价值。
附图说明
图1为本实用新型的结构简图；
图2为工况II模型与试验数据计算的入渗率；
图3为工况I模型与试验数据计算得到的入渗率；
图4为工况I、II及双环仪测量的入渗率比较。
具体实施方式
如图1所示，本实用新型包括上部的降雨装置、试验区域及观测装置。本文中，试验区下垫面指的是降雨器所覆盖区域，包括产流面和入渗面两部分，产流面为图中AB段区域，入渗面为图中BC段区域。图中，1为承水箱，2为承水箱出水口，用于保持承水箱中水位高度一致，通过水位的变化达到降雨器雨强变化，3为偏心轮电机振动器，4为径流收集装置，5为收集盒，6为侧挡板，在本实施例中设有四块带有标准刻度的侧挡板6，7为径流引导槽，8为安装在承水箱1底部的雨滴发生器，它配有不同孔径的针头，以模拟不同雨滴直径大小，9为入渗土体段，即待测土体，10为坡地土壤，上述侧挡板6直接插入土壤围成下垫面测量区域，其主要作用是防止径流流出入渗区域土壤，11为支架，支架高度可调，使得装置能够适用于不同的坡度，保持承水箱处于水平状态，12为影像拍摄系统，在本实施例中，它安装在试验区域下垫面靠近径流收集装置一端，当然，它也可以安装在试验区域下垫面的左侧或右侧等便于拍摄观测径流在入渗土体表面推进状况的位置。影像拍摄系统12采用高分辨率相机，固定安装在三角架或类似支架上。
本装置至少需要两块侧挡板6，设在径流引导槽7和入渗土体段9的两侧，若有一块带刻度则另一块侧挡板就不用带刻度。在本实施例入渗土体BC段的三条土槽中，至少应保证每条土槽的一块侧挡板上有刻度尺。
偏心轮电机振动器3可以有一个或多个。
承水箱1通过支架11支撑在坡面地表上方，支架11可以做成可伸缩式，如采用可升降螺旋，以适用各种地形情况，通过支架11的可升降螺旋调节保证试验时承水箱1保持水平状态。承水箱1与支架11为一体式结构，如通过焊接或铸造形成的结构。在实际生产中，它们还可以是通过可拆卸式连接机构连接在一起的分体式结构，这类可拆卸式连接机构很多，如螺纹连接、铰链连接、挂钩链接等。承水箱1的底部安装有雨滴发生器8，雨滴发生器8通过橡胶软皮塞与承水箱1连接，为可拆卸式连接。试验区域下垫面分为两部分，分别为产流面(图中AB部分区域)上的径流引导槽7和入渗土体段9，侧挡板6插入土壤约二十公分，防止径流流失到入渗土体段以外部分，在入渗土体9一侧末端安装有径流收集装置4，测量收集盒5内一定时间内收集的水量，根据试验需要，一定时间间隔内利用影像拍摄系统12拍摄地表径流在入渗土体地表推进覆盖面积，结合侧挡板6边缘设置的标准刻度尺作为参照物，可以通过电脑相应软件计算出照片中所显示的径流覆盖面积大小。
本实施例中，在承水箱1的两侧各安装了一个偏心轮电机振动器3。实际上，偏心轮电机振动器的数量可以不同，如一个或更多，安装的位置也可以不一样，如在承水箱1的任一侧或几个侧面的组合。偏心轮电机振动器3与带有调压器控制的供电电源相连。即偏心轮电机3的供电电源由调压器控制，通过不同的输出电压控制电机的转速，间接达到控制雨滴发生器随机共振的程度，雨滴随机降落，以模拟不同的降雨效果。
径流引导槽7的材料为薄钢板，其表面可粘贴打磨砂纸，承水箱1的材质为金属或有机玻璃或硬塑料，支架11的材质为金属或有机玻璃或硬塑或木质。
径流收集口4与侧档板由防水胶布粘贴，插入土体连接角处涂抹有凡士林，防止径流从径流收集口和土体连接的缝隙中流出，当然也可采用其他能够达到同样功能的东西代替使用，如腻子。
材料与方法：
采用以下2个试验工况，以说明和示意该测量装置的可行性。工况I：雨强为P＝20mm/h，坡度S＝0°，产流面与入渗面长度比C＝1∶1。工况II：雨强P＝60mm/h，坡度S＝20°，产流面与入渗面长度比C＝1∶1。土壤含水量10％(m3/m3)。首先在土槽处于水平状况下，采用双环入渗仪测量土壤的入渗性能。用于对照比较说明该新方法与双环入渗仪间的差异与规律。再调节土槽到设定坡度，进行坡地土壤入渗性能测定实验。
实验所用土壤为粘黄土，土样采自地表20～30cm土层。整个土槽装土深度20cm，在土槽底部装入一层粒径在2～4mm之间的粗砂，以形成透水透气性能较好的透水边界。土样风干后4mm筛，将土壤含水量调整到10％(相当于该种土壤30％的田间持水量)，密闭放置7-10天，使土壤水分分布尽可能均匀。按容重为1.3g/cm3，分层装入，每5cm为一层。总装土厚度20cm。装土后用塑料薄膜覆盖进行密闭处理，次日进行试验，以使土壤水分进一步均匀。
图2及图3测量表明，所得到的降雨入渗随时间的变化曲线是一条代表了土壤入渗全过程的曲线。以往的降雨器测量方法由于无法得到降雨早期的土壤很高的入渗率数据，因而无法反映土壤降雨入渗能力变化的全过程，这也正是所提出的方法的优越性所在。
双环入渗仪测量的结果表明，对于试验所用土壤，其测得的瞬态入渗性能和稳定入渗率均明显小于本装置测量的结果，这同样可能是由于双环入渗仪快速湿润土壤引起土壤结构崩解所致。并且双环仪也不能测得初始时很高的土壤入渗能力，双环入渗仪测量得到的入渗率曲线初始时也受到了供水的限制。理论下双环入渗仪的供水马氏瓶可以充分满足入渗的要求，但实际上其供水流量受到马氏瓶出水口过流能力的限制，土壤入渗在供水限制状态下进行，入渗曲线率接近水平，且测量的入渗率小于土壤的入渗性能。
根据坡面上各点计算得到的入渗率随时间的变化过程，用数值积分方法得到了坡面上各点的累积入渗量。而后，在坡面上对各点的累积入渗量进行积分，得到坡面上总入渗量的计算值。将该计算得到的入渗水量与相应时段的实际累积降雨量比较，计算得到了累积入渗水量与累积降雨量之间的误差。计算公式为：
δ = | Q 0 - Q Q 0 | × 100 % · · · ( 11 )
式中，δ为计算入渗量和实际降雨量的相对误差，％；Q0为降雨量，m3；Q为计算得到的入渗量，L(表示单位升)，计算结果如下表1，
                         表1  测量方法精度分析
    工况               实验值                模型值
    降雨量/L  入渗水量/L 误差/％ 降雨量   入渗水量 误差/％
    III     6.2127  6.09725.787    1.824.49     6.2127   6.12426.050   1.393.52
由表1可以看出，测量结果具有较高的精度。用实验数据计算入渗率和用模型拟合结果计算入渗率所得到的结果的误差基本相同，工况I分别为1.82％和1.39，工况II分别为4.49％和3.52％，说明用任何一种方法计算入渗率结果差异不大。同时，小雨强时精度要高一些。这一结果进一步说明了该装置的有效性。
本土壤入渗性能测定试验装置解决了双环入渗仪不能测定坡地表面下的土壤水分入渗率的问题，克服了双环入渗仪不能反映降雨和径流引起的土壤侵蚀造成地表土壤结皮对入渗率影响的问题。而且解决了传统人工模拟降雨法不能够测定降雨开始初期数值较大的初始入渗率，能够测量出降雨条件下土壤入渗性能变化的全过程。
最后应该说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (10)

1、一种产渗流入渗仪，包括支架(11)，安装在支架(11)上的承水箱(1)，在承水箱(1)的底部安装有雨滴发生器(8)，在雨滴发生器(8)的下方为试验区域下垫面，其特征在于，该试验区域下垫面包括径流引导槽(7)和入渗土体段(9)两部分，在入渗土体段(9)的一侧末端安装有径流收集装置(4)，在试验区域下垫面的一侧安装有影像拍摄系统(12)，在径流引导槽(7)和入渗土体段(9)设有两块或多块侧挡板(6)，其中，一块或多块侧挡板(6)上带有刻度。
2、根据权利要求1所述的产渗流入渗仪，其特征在于，承水箱(1)的一侧或多侧面分别安装有一个或多个偏心轮电机振动器(3)。
3、根据权利要求1或2所述的产渗流入渗仪，其特征在于，承水箱(1)与支架(11)为一体式结构或为通过可拆卸式连接机构连接在一起的分体式结构。
4、根据权利要求3所述的产渗流入渗仪，其特征在于，承水箱(1)的底部直接钢性焊接在支架(11)上构成一体式结构；可拆卸式连接机构为活动挂钩链接或螺栓连接。
5、根据权利要求2所述的产渗流入渗仪，其特征在于，偏心轮电机振动器(3)与带有调压器控制的供电电源相连。
6、根据权利要求1或2所述的产渗流入渗仪，其特征在于，雨滴发生器(8)配有不同孔径的针头模拟不同雨滴直径大小。
7、根据权利要求3所述的产渗流入渗仪，其特征在于，雨滴发生器(8)配有不同孔径的针头模拟不同雨滴直径大小。
8、根据权利要求1或2所述的产渗流入渗仪，其特征在于，雨滴发生器(8)通过橡胶软皮塞与承水箱(1)连接，雨滴发生器(8)为可拆卸式。
9、根据权利要求1或2所述的产渗流入渗仪，其特征在于，径流引导槽(7)的材料为薄钢板，其表面可粘贴打磨砂纸，承水箱(1)的材质为金属或有机玻璃或硬塑料，支架(11)的材质为金属或有机玻璃或硬塑或木质。
10、根据权利要求1或2所述的产渗流入渗仪，其特征在于，径流收集口(4)与侧档板由防水胶布粘贴，插入土体连接角处涂抹有凡士林。
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