CN208399337U - 一种环刀法测定土壤饱和导水率的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种环刀法测定土壤饱和导水率的装置，包括供水系统、红外线光控出水阀门系统和土样水分渗透系统；所述供水系统包括容水器、抽水器、抽水器控制阀、进水管以及水源管；所述土样水分渗透系统包括带刃口环刀、依次设置于带刃口环刀下端的粗砂层、金属孔板和集水器，设置于带刃口环刀上方的带孔防蒸发盖以及温度计；所述集水器下部还设有出水管和量杯；所述红外线光控出水阀门系统包括红外线发射管和红外线光敏管，红外线光控开关，通过零线与红外线光控开关相连的抽水器控制阀。本实用新型能有效防止水分蒸发影响测定结果，避免接口处漏水，并能提供稳定的压力水头，且能自动控制水层厚度，无需人工操作。

Description

一种环刀法测定土壤饱和导水率的装置

技术领域

本实用新型涉及一种用于土壤饱和导水率测定的环刀法试验测定装置，属于土壤学室内试验技术领域。

背景技术

土壤渗透性指水在土壤孔隙中渗透流动的性能。它是斜坡降水入渗、地表水和地下水相互转换的重要环节，土壤渗透过程与地表产流、土壤侵蚀、降水后土壤水平再分配、养分随水分迁移等问题密切相关。而土壤饱和导水率是土壤水理性质一项重要指标，我国林业行业标准《森林土壤渗透性的测定》（LY/T1218-1999）推荐使用土壤饱和导水率测定的环刀法。该方法实验室条件下具有可方便操作、快速得出试验结果等优点，但存在以下问题：①、入渗试验（至单位时间内渗出水量相等时）长达1个多小时甚至更长，蒸发量不应该忽略，忽略蒸发量会导致饱和导水率计算值偏大；②、试验开始之前需将装有土样的环刀取出以后再在上面套上一个空环刀，接口处用胶带封好，再用熔蜡粘合，严防从接口处漏水。这样操作会带来不便，接口处处理不好会漏水而影响试验结果；③、试验过程中，需有试验人员控制供水阀门，持续往空环刀内供水，使土样上部水层厚度保持在5cm。如此操作会增加试验人员工作量，给上部水层的厚度保持带来不便。

对于土壤饱和导水率测定的仪器，张建军发明实用新型专利《土壤饱和导水率测定仪》（授权公告号：CN 201594089 U），发明设备包括供水器、环刀、承水器，以及马氏瓶组成，试验设备可测定土壤饱和导水率，但同样存在以下问题：①、野外带回的装有原状土的环刀直接将供水器套在环刀上部进行供水试验，缺少饱和土样过程。②、用供水器的溢水口来保证测定过程中水头的稳定，仅能保证供水充足时水头的稳定，而不能保证供水不稳定或不足时水头的稳定。③、试验时间过长的情况下，水分的蒸发同样未考虑。④、土壤饱和导水率与入渗水温度有关，装置未设置有温度测定装置。

综上，为克服上述缺点且主要针对《森林土壤渗透性的测定》（LY/T1218-1999）推荐使用的环刀法进行改进，有必要研发一种环刀法测定土壤饱和导水率的装置。

发明内容

为解决上述问题，本实用新型提供一种环刀法测定土壤饱和导水率的装置，具有操作简单，可拆卸，方便组装、测量结果准确等优点。

本实用新型通过下列技术方案实现：一种环刀法测定土壤饱和导水率的装置，包括供水系统、红外线光控出水阀门系统和土样水分渗透系统；所述供水系统包括容水器、设置在容水器上口处的抽水器、抽水器控制阀、穿过抽水器的进水管，以及设置于容水器底部的水源管；所述土样水分渗透系统包括带刃口环刀、依次设置于带刃口环刀下端的粗砂层、金属孔板和集水器，设置于带刃口环刀上方的带孔防蒸发盖以及穿过带孔防蒸发盖的温度计；所述集水器下部还设有出水管和量杯；所述红外线光控出水阀门系统包括设置于带刃口环刀内壁上部的红外线发射管和红外线光敏管，分别与红外线发射管和红外线光敏管连接的红外线光控开关，通过零线与红外线光控开关相连的抽水器控制阀。

所述集水器下方设有底座。

所述红外线光控开关和抽水器控制阀分别通过输入火线和输出火线与电源相连。

所述带刃口环刀为带刃口的薄壁环，其尺寸为高104mm，内径70mm。

所述抽水器为常规市购抽水器，如实用新型专利《一种电动抽水器》（公开号：CN206903825U）中所公开的电动抽水器。

所述红外线光控开关的作用是控制红外线光控出水阀门系统与电源的闭合或者断开。红外线光控开关为常规市购产品，如江门市汉的电子科技有限公司公司生产的型号为HD139-BF4的红外线光控开关（红外数字开关）。

所述抽水器控制阀为抽水器的开关控制阀，二者为一体式常规市购产品。

所述红外线发射管和红外线光敏管统称为红外对管，为常规市购产品，如深圳市鑫永诚光电科技有限公司生产的型号为PT5H940DC/IR5H940AC的红外对管。

所述带孔防蒸发盖是带有两个通孔的圆盖，两个通孔供温度计和进水管穿过，带孔防蒸发盖的作用是防止水分蒸发影响结果。

本实用新型的工作过程为：用带刃口环刀套取原状土样，套取的原状土样不要填满整个环刀，只需一半高，即52mm高；在试验前，套取的原状土样需饱和（砂土浸4h~6h、壤土浸8h~12h、粘土浸24h）。将带刃口环刀的原状土样靠下，放置于集水器上，并在带刃口环刀和集水器之间放置金属孔板，金属孔板上铺设2cm厚的粗砂层；粗砂层的作用是当土样总有粘粒时，防止粘粒流失，金属孔板能使渗流水顺利流入集水器内，以及防止土样颗粒和粗砂下漏。

再按附图安装连接其他部件，通过水源管向容水器中加入水源。打开电源，向红外线光控出水阀门系统供电，向带刃口环刀上部的空环刀中加水，红外线发射管始终发送红外光线，红外线光敏管接收红外光线，红外光线与所需水位高度平齐，当水位下降，红外线光敏管接收到无水信号，则打开红外线光控开关，从而使抽水器控制阀连通，进而启动抽水器，供水系统通过进水管向带刃口环刀上部供水；当水位上升到所需位置，红外线发射管发出的红外光线穿透水体后到达红外线光敏管，信号发生变化，则红外线光控开关关闭，从而断开抽水器控制阀，关闭抽水器，结束供水。如此循环往复，使带刃口环刀中的水层厚度能保持在5cm。水经过原状土样往下渗透，经过粗砂层和金属孔板以后，由集水器收集以后经出水管流入量杯中，试验开始后，自出水管末端滴下第一滴水时开始计时，每隔一定时间（1、2、3、5、10……tn min，间隔时间的长短，视渗透快慢而定）更换一次量杯，即可测量出单位时间内渗出水量，并读取温度计记录的水温。当单位时间内渗出水量相等时可终止试验，即可计算出饱和导水率。每一层次土壤重复试验5次，最终结果取算术平均值。计算结果的处理可参考林业行业标准《森林土壤渗透性的测定》（LY/T1218-1999）：

渗透速度按下式计算：

式中：V—渗透速度，mm/min；Qn—n次渗出水量，mL，即cm³；S—渗透筒的横截面积，cm²；t_n—每次渗透所间隔时间，min。

饱和导水率（渗透系数）按下式计算：

=

式中：Kt—温度为t（℃）时的饱和导水率（渗透系数），mm/min；Qn—n次渗出水量，mL，即cm3；h—水层厚度，cm；L—土层厚度，cm；V—渗透速度，mm/min。

为了方便不同温度下的Kt值比较，将其换算成10℃时的饱和导水率，按下式计算：

式中：K₁₀—温度为10℃时的饱和导水率，mm/min；Kt—温度为t(℃)时的饱和导水率，mm/min；t—测定时水的温度，℃。

本实用新型具备的优点及效果：本实用新型提供的装置能有效防止水分蒸发影响测定结果，环刀上无需套接空环刀，避免接口处漏水，并能通过保持环刀上部的水位给水渗透提供稳定的压力水头，且能自动控制水层厚度，无需人工操作。本实用新型具有操作简单，可拆卸，方便组装、测量结果准确等优点。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为红外线光控出水阀门系统的连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明。

如图所示，环刀法测定土壤饱和导水率的装置包括供水系统、红外线光控出水阀门系统和土样水分渗透系统；所述供水系统包括容水器3、设置在容水器3上口处的抽水器4、抽水器控制阀22、穿过抽水器4的进水管5，以及设置于容水器3底部的水源管1；所述土样水分渗透系统包括带刃口环刀14、依次设置于带刃口环刀14下端的粗砂层11、金属孔板12和集水器15，设置于带刃口环刀14上方的带孔防蒸发盖7以及穿过带孔防蒸发盖7的温度计6；所述集水器15下部还设有出水管16和量杯17；所述红外线光控出水阀门系统包括设置于带刃口环刀14内壁上部的红外线发射管8和红外线光敏管13，分别与红外线发射管8和红外线光敏管13连接的红外线光控开关20，通过零线21与红外线光控开关20相连的抽水器控制阀22。

所述集水器15下方设有底座。所述红外线光控开关20和抽水器控制阀22分别通过输入火线18和输出火线19与电源相连。所述带刃口环刀14为带刃口的薄壁环，其尺寸为高104mm，内径70mm。所述带孔防蒸发盖7是带有两个通孔的圆盖，两个通孔供温度计和进水管穿过，带孔防蒸发盖7的作用是防止水分蒸发影响结果。

所述抽水器4为常规市购抽水器，如实用新型专利《一种电动抽水器》（公开号：CN206903825U）中所公开的电动抽水器。

所述红外线光控开关20的作用是控制红外线光控出水阀门系统与电源的闭合或者断开。红外线光控开关20为常规市购产品，如江门市汉的电子科技有限公司公司生产的型号为HD139-BF4的红外线光控开关（红外数字开关）。

所述抽水器控制阀22为抽水器4的开关控制阀，二者为一体式常规市购产品。

所述红外线发射管8和红外线光敏管13统称为红外对管，为常规市购产品，如深圳市鑫永诚光电科技有限公司生产的型号为PT5H940DC/IR5H940AC的红外对管。

本实用新型的工作过程为：用带刃口环刀14套取原状土样10，套取的原状土样10不要填满整个环刀，只需一半高，即52mm高；在试验前，套取的原状土样10需饱和（砂土浸4h~6h、壤土浸8h~12h、粘土浸24h）。将带刃口环刀14的原状土样10靠下，放置于集水器15上，并在带刃口环刀14和集水器15之间放置金属孔板12，金属孔板12上铺设2cm厚的粗砂层11；粗砂层11的作用是当土样总有粘粒时，防止粘粒流失，金属孔板12能使渗流水顺利流入集水器15内，以及防止土样颗粒和粗砂下漏。

再按附图安装连接其他部件，通过水源管1向容水器3中加入水源2。打开电源，向红外线光控出水阀门系统供电，向带刃口环刀14上部的空环刀中加水，红外线发射管8始终发送红外光线23，红外线光敏管13接收红外光线23，红外光线23与所需水位高度平齐，当水位下降，红外线光敏管13接收到无水信号，则打开红外线光控开关20，从而使抽水器控制阀22连通，进而启动抽水器4，供水系统通过进水管5向带刃口环刀14上部供水；当水位上升到所需位置，红外线发射管8发出的红外光线23穿透水体后到达红外线光敏管13，信号发生变化，则红外线光控开关20关闭，从而断开抽水器控制阀22，关闭抽水器4，结束供水。如此循环往复，使带刃口环刀14中的水层9厚度能保持在5cm。水经过原状土样10往下渗透，经过粗砂层11和金属孔板12以后，由集水器15收集以后经出水管16流入量杯17中，试验开始后，自出水管16末端滴下第一滴水时开始计时，每隔一定时间（1、2、3、5、10……tn min，间隔时间的长短，视渗透快慢而定）更换一次量杯17，即可测量出单位时间内渗出水量，并读取温度计6记录的水温。当单位时间内渗出水量相等时可终止试验，即可计算出饱和导水率。每一层次土壤重复试验5次，最终结果取算术平均值。计算结果的处理可参考林业行业标准《森林土壤渗透性的测定》（LY/T1218-1999）：

渗透速度按下式计算：

式中：V—渗透速度，mm/min；Qn—n次渗出水量，mL，即cm³；S—渗透筒的横截面积，cm²；t_n—每次渗透所间隔时间，min。

饱和导水率（渗透系数）按下式计算：

=

式中：Kt—温度为t（℃）时的饱和导水率（渗透系数），mm/min；Qn—n次渗出水量，mL，即cm3；h—水层厚度，cm；L—土层厚度，cm；V—渗透速度，mm/min。

为了方便不同温度下的Kt值比较，将其换算成10℃时的饱和导水率，按下式计算：

式中：K₁₀—温度为10℃时的饱和导水率，mm/min；Kt—温度为t(℃)时的饱和导水率，mm/min；t—测定时水的温度，℃。

Claims (5)

1.一种环刀法测定土壤饱和导水率的装置，其特征在于：包括供水系统、红外线光控出水阀门系统和土样水分渗透系统；所述供水系统包括容水器、设置在容水器上口处的抽水器、抽水器控制阀、穿过抽水器的进水管，以及设置于容水器底部的水源管；所述土样水分渗透系统包括带刃口环刀、依次设置于带刃口环刀下端的粗砂层、金属孔板和集水器，设置于带刃口环刀上方的带孔防蒸发盖以及穿过带孔防蒸发盖的温度计；所述集水器下部还设有出水管和量杯；所述红外线光控出水阀门系统包括设置于带刃口环刀内壁上部的红外线发射管和红外线光敏管，分别与红外线发射管和红外线光敏管连接的红外线光控开关，通过零线与红外线光控开关相连的抽水器控制阀。

2.根据权利要求1所述的环刀法测定土壤饱和导水率的装置，其特征在于：所述集水器下方设有底座。

3.根据权利要求1所述的环刀法测定土壤饱和导水率的装置，其特征在于：所述红外线光控开关和抽水器控制阀分别通过输入火线和输出火线与电源相连。

4.根据权利要求1所述的环刀法测定土壤饱和导水率的装置，其特征在于：所述带刃口环刀为带刃口的薄壁环，其尺寸为高104mm，内径70mm。

5.根据权利要求1所述的环刀法测定土壤饱和导水率的装置，其特征在于：所述带孔防蒸发盖是带有两个通孔的圆盖，两个通孔供温度计和进水管穿过。