CN208334139U - 一种模拟溶质迁移转化的土柱试验装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种模拟溶质迁移转化的土柱试验装置，包括顶部开口的土样桶，土样桶顶部设置喷淋装置，土样桶底部装填粗颗粒的石英砂，石英砂上方的土样桶内交替且均匀的覆盖抽滤网管和土样，土样桶侧壁从上到下均匀的设置若干个与抽滤网管齐平的采样口，抽滤网管通过管道分别与取样装置和水头监测装置密封连接，土样桶底面通过排水管与淋滤液收集瓶连接，排水管顶点的竖直高度能够在顶层土样表面和土样桶底面以下位置之间调节。本实用新型所述的土柱试验装置可模拟不同的水分状态下，溶质在水土系统中迁移转化过程，适用范围广。
Description
技术领域
本实用新型属于农业水土工程技术领域，尤其是涉及一种模拟溶质迁移转化的土柱试验装置。
背景技术
土柱试验是模拟溶质在水土系统中迁移和转化常用的研究手段，溶质是溶液中被溶解的物质，溶质可以是固体、液体和气体，以分子、原子或离子状态存在于溶液中，土柱试验是水文地质工作中常用的试验方法，也广泛应用于农业、林业、水利、环境等研究领域。
长期以来，传统土柱试验的设计比较简单，类型和功能单一，规格不一致，水、土取样的方式也不够统一，缺乏对试验水头值的监测，试验效果不够理想。鉴于此，设计一种功能齐全、规格合理、取样方便、具备水头监测功能且能在不同状态下模拟溶质在水土系统中迁移转化的土柱试验装置成为亟待解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本实用新型旨在提出一种模拟溶质迁移转化的土柱试验装置，以解决现有土柱试验装置类型和功能单一，规格不一致且取样不便的技术问题。
为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：
一种模拟溶质迁移转化的土柱试验装置，包括顶部开口的土样桶，土样桶顶部设置喷淋装置，土样桶底部装填粗颗粒的石英砂，石英砂上方的土样桶内交替且均匀的覆盖抽滤网管和土样，土样桶侧壁从上到下均匀的设置若干个与抽滤网管齐平的采样口，抽滤网管通过管道分别与取样装置和水头监测装置密封连接，土样桶底面通过排水管与淋滤液收集瓶连接，排水管顶点的竖直高度能够在顶层土样表面和土样桶底面以下位置之间调节。
进一步的，所述喷淋装置包括置于土样桶内的淋滤喷头，土样桶顶部开口处设置密封盖，密封盖上设置通孔，淋滤喷头顶部连接出液管一端，出液管另一端穿过密封盖上的通孔与供液箱的出液口连接，供液箱内装有试验溶液，出液管上设置可调流量阀门，密封盖上设置排气口。
进一步的，所述抽滤网管的截面为环形，环形内部设置十字型结构，十字型结构的端部分别与环形连通，抽滤网管的管壁设置多个透水孔，靠近采样口侧壁的抽滤网管设有向采样口延伸的硅胶管，硅胶管的端部通过管道分别与取样装置和水头监测装置密封连接。
进一步的，所述取样装置包括取样瓶，取样瓶瓶口设置橡胶塞，橡胶塞上设置两个孔，孔上分别插接玻璃管和第二三通，玻璃管与取样管的一端连接，取样管的另一端通过管道与抽滤网管连接，相邻两取样瓶上的第二三通通过抽气管依次连通，最后一个取样瓶的抽气管与真空泵连接，取样管上设置取样开关。
进一步的，所述水头监测装置包括水头计量面板，水头计量面板上沿长边方向平行设置若干测压管，测压管底部与水头监测管的一端连接，水头监测管的另一端通过管道与抽滤网管连接，水头监测管上设置测压开关，水头计量面板沿其长边方向设置标尺。
进一步的，所述标尺的0点与土样桶最底端的采样口齐平，沿远离水头计量面板底部的方向标尺的示数逐渐增大。
进一步的，所述采样口内沿土样桶径向密封固定中空螺丝，抽滤网管上的硅胶管与中空螺丝的一端相连，中空螺丝的另一端与第一三通连接，第一三通的另两端分别与水头监测管和取样管连接。
进一步的，所述采样口的数量为8个，土样桶最底部的采样口与石英砂的上表面持平，相邻采样口之间的距离为10cm，石英砂的装填高度为5cm。
进一步的，所述顶层土样表面覆盖海绵，海绵承接淋滤喷头流出的水，再均匀的将水分传送到土样表面。
进一步的，所述排水管上设置排水开关。
相对于现有技术，本实用新型所述的一种模拟溶质迁移转化的土柱试验装置具有以下优势：
(1)本实用新型所述的土柱试验装置各个部件科学合理，可以控制多种环境变量，根据实际状况，可模拟不同的水分状态下，不同的溶质在水土系统中迁移转化过程，可实时观测饱和土柱的水头值，且取样方便，科学合理。
(2)本实用新型所述的土柱试验装置各个部件技术成熟，易于制造，便于操作，在水文地质、农业、林业、水利、环境等研究领域有很强的应用价值。
附图说明
构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
图1为本实用新型的结构示意图；
图2为抽滤网管的截面图；
图3为取样装置的结构示意图。
附图标记说明：
1、土样桶；11、密封盖；111、排气口；12、采样口；13、排水口；14、石英砂；2、抽滤网管；21、硅胶管；22、中空螺丝；3、第一三通；4、喷淋装置；41、淋滤喷头；42、供液箱；43、可调流量阀门；44、海绵；5、淋滤液收集瓶；6、排水管；61、排水开关；7、取样装置；71、取样管；72、取样开关；73、取样瓶；74、橡胶塞；75、抽气管；76、第二三通；77、真空泵；78、玻璃管；8、水头监测装置；81、水头监测管；82、测压开关； 83、水头计量面板；831、标尺；832、测压管。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
如图1-2所示，一种模拟溶质迁移转化的土柱试验装置，包括容纳试验土样的土样桶1，土样桶1为顶部开口的空心圆柱体结构，土样桶1顶部开口处设置密封盖11，密封盖11上设置排气口111，防止试验过程中柱体内部产生负压。
土样桶1顶部与喷淋装置4连接，喷淋装置4包括置于土样桶1内的淋滤喷头41，淋滤喷头41底面为圆形，底面设有多个小孔，保证试验溶液以面状均匀向下淋滤，密封盖11上设置通孔，淋滤喷头41顶部连接出液管一端，出液管另一端穿过密封盖11上的通孔与供液箱42的出液口连接，供液箱42内装有试验溶液，供液箱42的侧壁设置刻度线可量测供液箱42内试验溶液的体积，出液管上设置可调流量阀门43，通过可调流量阀门43能够调节试验溶液淋滤的时间和流量，来模拟大气降水或灌溉过程。
土样桶1底部装填粗颗粒的石英砂14作为滤料，石英砂14上方覆盖土工织物纱网，土样桶1侧壁从上到下均匀的设置若干个采样口12，下端的采样口12与石英砂14的上表面持平，采样口12的数量为8个，相邻采样口 12之间的距离为10cm，采样口12的直径为7.5mm，在与采样口12高度持平的土样桶1内设置抽滤网管2，土样和抽滤网管2交替、均匀的置于土样桶 1内，抽滤网管2将土样桶1内的土柱分为8层，抽滤网管2的截面为环形，环形内部设置十字型结构，十字型结构的端部分别与环形连通，抽滤网管2 的管壁设置多个透水孔，抽滤网管2管壁缠绕土工纱网，以防止泥土进入管内，通过抽滤网管2能够均匀的获得某一层内土样中的淋滤水。
土样桶1底面设置排水口13，排水口13连接排水管6，排水管6的端部插入淋滤液收集瓶5内，通过控制排水管6顶部位置，可控制土柱试验的水分饱和状态，排水管6顶部的竖直高度能够在顶层土样表面和土样桶底面以下位置之间调节，当排水管6顶部位置处于与最上层土样的上表面齐平的位置时，即A位置时，试验状态为饱和土柱，此时可以模拟土壤中充满水时溶质在土壤中迁移转化情况；当排水管6顶部位置处于土样高度的中间位置时，即B位置时，试验状态为饱和-不饱和土柱，此时B位置上部的采样口 12处于不饱和土柱范围，B位置下部的采样口12处于饱和土柱范围，此时可以模拟土壤下部充满水时溶质在土壤中迁移转化情况；当排水管6顶部位置处于土样桶1底面以下位置时，即C位置时，试验状态为不饱和土柱，此时可以模拟土壤中空气与水并存时溶质在土壤中迁移转化情况，排水管6上设置排水开关61。
处于最上层的土样上表面覆盖海绵44，海绵44承接淋滤喷头41流出的水，再均匀的将水分传送到土样表面。
抽滤网管2靠近采样口12的侧壁向采样口12延伸的硅胶管21，采样口 12内固定沿土样桶1径向的中空螺丝22，中空螺丝22上分别套设橡胶环，并通过螺母将中空螺丝22固定在土样桶1的采样口12内，硅胶管21与处于土样桶1内的中空螺丝22的一端连接，中空螺丝22另一端与第一三通3 连接，第一三通3的另两端分别与取样装置7和水头监测装置8相连，中空螺丝22的长度为4cm，外径7mm，内径5mm。
取样装置7的数量与采样口12的数量一致，取样装置7包括从左到右依次设置的取样瓶73，各取样瓶73瓶口设置橡胶塞74，橡胶塞74上设置两个孔，孔上分别插接玻璃管78和第二三通76，玻璃管78通过取样管71 与对应的第一三通3的端部连接，使淋滤水能够通过取样管71导出到土样桶1外部，相邻两取样瓶73上的第一三通3通过抽气管75使各取样瓶73依次连通，最后一个取样瓶73的抽气管75与真空泵77连接，真空泵77能够使取样瓶73中形成负压状态，淋滤水便能从土柱中经取样管71流到取样瓶73中；单瓶每次取样水量控制在150mL以内，以免造成土柱中失水过多或取样层位间互相干扰，取样管71上设置取样开关72。
水头监测装置8包括水头计量面板83，水头计量面板83沿其长边方向设置标尺831，标尺831的0点处于水头计量面板83底部且与最底层采样口 12的高度持平，沿远离水头计量面板83底部的方向标尺831的示数逐渐增大，水头计量面板83上沿长边方向平行设置若干测压管832，测压管832 底部连接水头监测管81，水头监测管81的另一端与第一三通3连接，测压管832、取样管71的数量与采样口12保持一致，水头监测管81上设置测压开关82。
该装置的工作原理：
在土样桶1底部装填5cm厚的粗颗粒干净石英砂14作为滤料，将试验土样自然风干过5mm筛后，按照相应层位，将土样和抽滤网管交替装入到土样桶1中，每装5cm试验土样用力捣实，保证土柱的密实程度，装土的同时，从土柱底部自然注入清水或试验溶液，待土样桶1内的土样彻底浸湿后再装上层土，直至填充土柱高80cm，顶层试验土样表面覆盖一块海绵44，连接喷淋装置4，装样过程完成。
试验时，根据试验要求确定淋滤液收集瓶5的高度，试验淋滤状态下，关闭取样开关72，打开测压开关82和排水开关61，便能实时观察土柱不同深度的水头；对土柱的淋滤水取样时，关闭所有的测压开关82，并关闭排水 61开关，开启真空泵77，有选择的打开取样开关72，便可取得相应层位的淋滤水样。
该土柱装置可模拟不同的溶质在水土系统中迁移转化过程，溶质可以是污染物质，如：重金属、有机污染物，也可为水中的主要离子，如：氯离子、硫酸根离子、氟离子等，试验溶液可以是人工配置的，也可以是天然的雨水、河水和地下水等。
该装置可模拟在不同水分状态下的溶质在水土系统中迁移转化过程，通过设置排水管6的不同位置，可进行饱和状态、饱和-不饱和状态、不饱和状态下的土柱试验，或通过不同状态下联合试验，来模拟溶质在地下含水层 (饱和状态)和包气带(不饱和状态)之间迁移转化过程。
该装置可模拟在不同淋滤量下的溶质在水土系统中迁移转化过程，通过阀门调节试验溶液淋滤的时间和流量，来模拟大气降水或灌溉过程，试验中，根据设定的淋滤条件，可以是定流量淋滤，也可以是一次流量淋滤，或是多次间隔淋滤。
该装置可实现试验过程中对土柱中不同层位水头值实时监测的目的，一方面可通过水头值计算出饱和状态下土柱的水力梯度，另一方面可根据不同层位水头值检验土柱装填和试验的效果。
该土柱装置可实现分层连续取样的目的，试验过程中，根据需要可在8 个层位中实时采集淋滤水样，进而可绘制淋滤液溶质浓度变化曲线；试验结束后也可采集相应层位的土样加以化验，和水质结果对比，得出溶质在土柱中的迁移转化规律。
该装置各个部件科学合理，可以控制多种环境变量，根据实际状况，可模拟不同的水分状态下，不同的溶质在水土系统中迁移转化过程，可实时观测饱和土柱的水头值，且取样方便，科学合理，各个部件技术成熟，易于制造，便于操作，在水文地质、农业、林业、水利、环境等研究领域有很强的应用价值。
该装置规格设置合理，80cm的土柱高度基本上能够满足对农耕地、林地或草地土壤的模拟厚度要求，土柱直径也满足试验和取样的要求，该土柱装置可控制多个变量来模拟不同条件下的溶质在水土系统中迁移转化过程。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种模拟溶质迁移转化的土柱试验装置，其特征在于：包括顶部开口的土样桶(1)，土样桶(1)顶部设置喷淋装置(4)，土样桶(1)底部装填粗颗粒的石英砂(14)，石英砂(14)上方的土样桶(1)内交替且均匀的覆盖抽滤网管(2)和土样，土样桶(1)侧壁从上到下均匀的设置若干个与抽滤网管(2)齐平的采样口(12)，抽滤网管(2)通过管道分别与取样装置(7)和水头监测装置(8)密封连接，土样桶(1)底面通过排水管(6)与淋滤液收集瓶(5)连接，排水管(6)顶点的竖直高度能够在顶层土样表面和土样桶底面以下位置之间调节。
2.根据权利要求1所述的一种模拟溶质迁移转化的土柱试验装置，其特征在于：所述喷淋装置(4)包括置于土样桶(1)内的淋滤喷头(41)，土样桶(1)顶部开口处设置密封盖(11)，密封盖(11)上设置通孔，淋滤喷头(41)顶部连接出液管一端，出液管另一端穿过密封盖(11)上的通孔与供液箱(42)的出液口连接，供液箱(42)内装有试验溶液，出液管上设置可调流量阀门(43)，密封盖(11)上设置排气口(111)。
3.根据权利要求1所述的一种模拟溶质迁移转化的土柱试验装置，其特征在于：所述抽滤网管(2)的截面为环形，环形内部设置十字型结构，十字型结构的端部分别与环形连通，抽滤网管(2)的管壁设置多个透水孔，靠近采样口(12)侧壁的抽滤网管(2)设有向采样口(12)延伸的硅胶管(21)，硅胶管(21)的端部通过管道分别与取样装置(7)和水头监测装置(8)密封连接。
4.根据权利要求1所述的一种模拟溶质迁移转化的土柱试验装置，其特征在于：所述取样装置(7)包括取样瓶(73)，取样瓶(73)瓶口设置橡胶塞(74)，橡胶塞(74)上设置两个孔，孔上分别插接玻璃管(78)和第二三通(76)，玻璃管(78)与取样管(71)的一端连接，取样管(71)的另一端通过管道与抽滤网管(2)连接，相邻两取样瓶(73)上的第二三通(76)通过抽气管(75)依次连通，最后一个取样瓶(73)的抽气管(75)与真空泵(77)连接，取样管(71)上设置取样开关(72)。
5.根据权利要求1所述的一种模拟溶质迁移转化的土柱试验装置，其特征在于：所述水头监测装置(8)包括水头计量面板(83)，水头计量面板(83)上沿长边方向平行设置若干测压管(832)，测压管(832)底部与水头监测管(81)的一端连接，水头监测管(81)的另一端通过管道与抽滤网管(2)连接，水头监测管(81)上设置测压开关(82)，水头计量面板(83)沿其长边方向设置标尺(831)。
6.根据权利要求5所述的一种模拟溶质迁移转化的土柱试验装置，其特征在于：所述标尺(831)的0点与土样桶(1)最底端的采样口(12)齐平，沿远离水头计量面板(83)底部的方向标尺(831)的示数逐渐增大。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种模拟溶质迁移转化的土柱试验装置，其特征在于：所述采样口(12)内沿土样桶(1)径向固定中空螺丝(22)，抽滤网管(2)上的硅胶管(21)与中空螺丝(22)的一端相连，中空螺丝(22)的另一端与第一三通(3)连接，第一三通(3)的另两端分别与水头监测管(81)和取样管(71)连接。
8.根据权利要求1所述的一种模拟溶质迁移转化的土柱试验装置，其特征在于：所述采样口(12)的数量为8个，土样桶(1)最底部的采样口(12)与石英砂(14)的上表面持平，相邻采样口(12)之间的距离为10cm，石英砂(14)的装填高度为5cm。
9.根据权利要求1所述的一种模拟溶质迁移转化的土柱试验装置，其特征在于：所述顶层土样表面覆盖海绵(44)，海绵(44)承接淋滤喷头(41)流出的水，再均匀的将水分传送到土样表面。
10.根据权利要求1所述的一种模拟溶质迁移转化的土柱试验装置，其特征在于：所述排水管(6)上设置排水开关(61)。
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