CN203324147U - 基于自由点源入渗法的土壤导水参数自动测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了基于自由点源入渗法的土壤导水参数自动测量装置，包括水箱，水箱通过蠕动泵连接有导管，导管的出口处设有滴头，滴头的下方设有试验土箱，试验土箱的外壁设有若干个圆孔，其中一个圆孔内设有温度探头，其余的每个圆孔内均设有TDR探头，温度探头的端部和每个TDR探头的端部均通过数据线与数据测量及自动采集装置连接。通过TDR探头和温度探头采集数据，再传递给数据测量与自动采集装置，即可获得导水参数，使得测量导水参数的过程，不再依靠挖去土壤剖面，破坏土壤结构获得，效率高，测量数据准确度高，解决了现有土壤导水参数的测量只能依靠手工测定，且效率低，测量数据准确度差的问题。

Description

基于自由点源入渗法的土壤导水参数自动测量装置

技术领域

本实用新型属于土壤物理研究技术领域，涉及一种基于自由点源入渗法的土壤导水参数自动测量装置。 

背景技术

了解土壤导水参数大小，特别是水力参数及水力传导力对于进行土壤水分的模拟和预测，从而科学合理的利用水资源，制定合理的灌溉制度，提高植物的水分利用效率和保证作物的稳产和高产，具有很强的实际意义。 

土壤导水参数是了解田间土壤水分运动特征的重要方式。科研人员进行了大量研究后，提出了计算土壤水分运动特征的多种方法，并在水文计算、农田灌溉、农田排水、地下水运动等方面的以应用。随着土壤水运动理论的发展，人们试图通过对土壤运动特征的分析，发展确定土壤水分运动特征参数的简单方法。近年来土壤水分运动特征参数的确定方法也由一维方法向三维方法发展。特别Wooding点源入渗公式的被广泛应用于三维入渗过程计算以来，加速了简单快速测量土壤水分运动特征参数方法的发展。目前常用的三维确定土壤水分运动特征参数的方法主要有两种，一是自由点源入渗法，一是限制性点源入渗法。其中，自由点源入渗法主要通过改变点源供水流量，并 根据土壤表面所形成的稳定积水面积的大小来计算土壤饱和导水率和吸湿率等参数。而限制性点源入渗方法中最有代表性的方法是盘式入渗仪，利用不同吸湿盘尺寸或施加的水头情况下的土壤入渗率来计算导水参数。自由点源入渗法较限制性点源入渗法更容易操作，可以极易通过改变滴灌系统滴头流量，从而进行大面积测量土壤水分运动特征参数，特别在研究土壤水力参数的空间变异性方面具有巨大的潜力。Salem等（2002）就该方法在田间测量土壤水力参数的可行性进行了分析，初步证明了该方法可以用于田间土壤水力参数的测量。 

但是现有自由点源入渗法测量土壤导水参数的方法均是手工测量，且湿润锋读取测量过程中，由于对土体表层湿润峰人为读取，其结果必然存在较大误差，且实验结束后需要破坏土壤结构测定土壤含水量，不仅耗时费力，效率低，同时测量数据准确度存在较大问题。 

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种基于自由点源入渗法的土壤导水参数自动测量装置，以解决现有土壤导水参数的测量只能依靠手工测定，且效率低，测量数据准确度差的问题。 

本实用新型所采用的技术方案是，基于自由点源入渗法的土壤导水参数自动测量装置，包括水箱，水箱通过蠕动泵连接有导管，导管的出口处设有滴头，滴头的下方设有试验土箱，试验土箱的外壁设有若干个圆孔，其中一个圆孔内设有温度探头，其余的每个圆孔内均设有TDR探头，温度探头的端部和每个TDR探头的端部均通过数据线与数据测量及自动采集装置连接。 

本实用新型的特点还在于， 

试验土箱的底板上均匀设有若干个漏水孔，底板上覆盖有厚为0.8～1.0cm的纱布。 

水箱为马氏瓶，且其上设有刻度线。 

TDR探头均匀的设置在试验土箱的四个侧面上，每个侧面上TDR探头均按照4*4的排列布置，且两两TDR探头之间间距为5～6cm。 

本实用新型的有益效果是，通过TDR探头和温度探头采集数据，再传递给数据测量与自动采集装置，即可获得导水参数，使得测量导水参数的过程，不再依靠挖去土壤剖面，破坏土壤结构获得，效率高，测量数据准确度高，解决了现有土壤导水参数的测量只能依靠手工测定，且效率低，测量数据准确度差的问题。 

附图说明

图1是本实用新型基于自由点源入渗法的土壤导水参数自动测量装置的结构示意图； 

图2是本实用新型基于自由点源入渗法的土壤导水参数自动测量装置与传统垂直一维方法分别测量西安土导水参数的对比图。 

图3是本实用新型基于自由点源入渗法的土壤导水参数自动测量装置与传统垂直一维方法分别测量安富土导水参数的对比图。 

图4是本实用新型基于自由点源入渗法的土壤导水参数自动测量装置与传统垂直一维方法分别测量绥德土导水参数的对比图。 

图5是本实用新型基于自由点源入渗法的土壤导水参数自动测量装置与传统垂直一维方法分别测量榆林土导水参数的对比图。 

其中，1.水箱，2.蠕动泵，3.滴头，4.试验土箱，5. TDR探头， 6.数据测量及自动采集装置，7.温度探头。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。 

本实用新型提供了一种基于自由点源入渗法的土壤导水参数自动测量装置，参见图1，包括水箱1，水箱1通过蠕动泵2连接有导管，导管的出口处设有滴头3，滴头3的下方设有试验土箱4，试验土箱4的外壁设有若干个圆孔，其中一个圆孔内设有温度探头7，其余的每个圆孔内均设有TDR探头5，温度探头的端部和每个TDR探头5的端部均通过数据线与数据测量及自动采集装置6连接。 

其中，试验土箱4的底板上均匀设有若干个漏水孔，底板上覆盖有厚为0.8～1.0cm的纱布；水箱1为马氏瓶，且其上设有刻度线，精度0.1cm；TDR探头5均匀的设置在试验土箱4的四个侧面上，每个侧面上TDR探头5均按照4*4的排列布置，且两两TDR探头5之间间距为5～6cm。 

试验土箱4，用于放置被测土壤的样品，蠕动泵2可控制滴头3的流量，蠕动泵2与标有刻度的水箱1相连，试验土箱4内不同水平位置及不同的深度均埋设有TDR探头5。 

为了试验土箱4在试验测定过程中土壤颗粒不流失，试验土箱4的底部为多孔有机玻璃板，多孔有机玻璃板上层覆盖有厚为0.8～1.0cm的纱布。 

TDR探头5插孔处，均匀的设置在试验土箱4的四个侧面上，可依据试验需要及滴头3的位置需要进行调节。 

为了准确的得到测量结果，测量时，在试验土箱4的四个侧面上均向其内部的土壤中均匀的插入TDR探针，插入的深度要各不相同，以便用于监测不同点源入渗过程中的水分变化；该数据测量与自动采集装置6通过数据线与TDR探头5连接，自动采集土壤水平柱不同位置的水分变化过程，根据实测的水分变化变化，得到土壤导水参数。 

数据测量与自动采集装置6内设置有数据采集器，为美国Campbellsci公司生产的CR1000数据采集器和AM25T热电偶扩展板，TDR传感器、热电偶温度传感器，热电偶温度传感器自动采集土壤水平柱1上不同位置测量温度的TDR探头5的温度变化过程，根据实测的温度变化，得到实际土壤导水率。 

本实用新型装置的试验过程为，按照预定的容重将土壤填装到试验土箱4中，测量时，调节蠕动泵2的流速，来控制滴头3的流量，从而使滴头3向试验土箱4滴水，开始点源入渗实验；实验过程按照1分钟的时间间隔，来测量土箱内土壤水分含量及温度变化，由于实验中被测土样质地不同，入渗速率亦有所差异，因此总体实验时间持续1～5个小时；将测量的数据通过TDR探头5和温度探头7，传递给数据测量与自动采集装置6，TDR探头5可以测得土壤的导水数值，再根据温度探头7实测的温度变化数值，便可以自动得出土壤中不同位置的水分含量变化过程，得到精确的点源入渗半径，进而获得土壤导水参数。 

具体计算土壤导水参数的过程如下： 

假定土壤是均质的，土壤非饱和导水率可以利用指数函数进行描 述，即： 

k＝k_se^-ah

其中k为非饱和导水率，ks为土壤饱和导水率，a为参数，h为吸力。 

根据土壤点源稳定入渗特征和土壤水分运动基本方程，推求出了土壤稳定入渗率与土壤表面积水半径间关系，即 

$q=k_s(1+\frac{4}{{\mathrm{a\πr}}_0})$

其中q为稳定入渗率，r₀为积水半径，Ks为饱和水力传导力。 

本实用新型的装置通过对土壤进行试验，测得四种典型陕西土壤稳定入渗率与积水面半径倒数的关系，将其与传统垂直一维方法获得结果对比。参见图2，试验对象为西安土，从图中可以看出，本实用新型的装置测得的偏粘质壤土西安土数据能反映土壤湿润半径随入渗量连续变化趋势，而传统方法获得试验数据仅为有限的湿润半径随入渗量的散点图，且基于传统方法获得的粘质壤土数据波动较大；参见图3，试验对象为安塞土，从图中可以看出，本实用新型的装置测得偏沙质壤土安塞土数据能反映土壤湿润半径随入渗量连续变化趋势，而传统方法获得试验数据仅为有限的湿润半径随入渗量的散点图，且基于传统方法获得的偏砂质壤土数据仍略有波动；参见图4，试验对象为绥德土，从图中可以看出，本实用新型的装置测得沙质壤土的数据基本与传统方法测得的数据一致，但本实用新型装置随测得数据能连续描述湿润半径与入渗水量的变化；参见图5，试验对象为榆林土，从图中可以看出，本实用新型的装置测得沙质土数据与传统方测得的数据一致，但本实用新型装置随测得数据能连续描述湿润半 径与入渗水量的变化法，而传统方法测得的数据仅为一些离散的点；从图2至图5的实验数据对比图，可以得出，本实用新型的装置测得的数据精度高。 

同时，本实用新型的装置在测量时，无需破坏土箱内的土壤，只需通过TDR探头5和温度探头7采集数据，再传递给数据测量与自动采集装置6，即可获得导水参数，使得测量导水参数的过程，不再依靠手工，效率高，测量数据准确度高，解决了现有土壤导水参数的测量只能依靠手工测定，且效率低，测量数据准确度差的问题。 

Claims (4)

1.基于自由点源入渗法的土壤导水参数自动测量装置，其特征在于，包括水箱（1），水箱（1）通过蠕动泵（2）连接有导管，导管的出口处设有滴头（3），滴头（3）的下方设有试验土箱（4），试验土箱（4）的外壁设有若干个圆孔，其中一个圆孔内设有温度探头（7），其余的每个圆孔内均设有热电偶探针（5），所述温度探头的端部和每个热电偶探针（5）的端部均通过数据线与数据测量及自动采集装置（6）连接。

2.如权利要求1所述的基于自由点源入渗法的土壤导水参数自动测量装置，其特征在于，所述的试验土箱（4）的底板上均匀设有若干个漏水孔，底板上覆盖有厚为0.8～1.0cm的纱布。

3.如权利要求1或2所述的基于自由点源入渗法的土壤导水参数自动测量装置，其特征在于，所述的水箱（1）为马氏瓶，且其上设有刻度线。

4.如权利要求3所述的基于自由点源入渗法的土壤导水参数自动测量装置，其特征在于，所述的热电偶探针（5）均匀的设置在试验土箱（4）的四个侧面上，每个侧面上热电偶探针（5）均按照4*4的排列布置，且两两热电偶探针（5）之间间距为5～6cm。

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