CN211826023U - 一种模拟内陆盐碱地水盐运动的实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种模拟内陆盐碱地水盐运动的实验装置，并利用该装置进行了盐碱地水热盐的运移模拟,实验装置包括装填待测盐碱地土体的土箱及两侧的水箱、放置在土柱顶端的蒸发箱、可移动的管网式降雨模拟装置、设置在土箱内部的水分、盐分、土壤水势和温度传感器构成的在线监测系统。结构简单,易操作,数据能够实时检测记录，可用于进行室内模拟滨海地区盐碱地土壤盐分、水分和热量运移实验,并且测定结果准确,为滨海盐碱地治理提供可靠的基础数据和技术支持。

Description

一种模拟内陆盐碱地水盐运动的实验装置

技术领域

本实用新型涉及一种模拟内陆盐碱地水盐运动的实验装置，尤其涉及滨海地区不同气候条件下盐碱地中水热盐的运移和再分配研究，属于农田水利工程的科研仪器领域。

背景技术

天津滨海地区土壤盐渍化问题比较严重，根据其成因分类，盐渍化土主要为滨海盐渍土、内陆盐渍土和次生盐渍土3种类型。津滨海地区属于海退地，土壤和潜水原生含盐量较高，加上地势低平，地下水位埋深浅，在半干旱气候条件下，蒸发强烈，盐分大量向土壤表层累积，导致土壤次生盐渍化现象分布广泛，滨海地区盐渍化土壤占该地区总面积的74.7％。由此导致滨海地区植被等生物多样性减退乃至整个生态系统退化加剧，极大的制约了滨海地区生态系统的功能恢复。

室内土箱实验主要用于研究土壤水热盐运移规律，多应用于农业、环境领域。国内外学者通常通过室内外土柱模型试验，基于达西渗透定律，研究原状土柱或填装土柱中水的流动规律，从而获得诸如污染物离子的迁移规律、饱和土的渗透特性、非饱和土渗流规律、包括研究毛细阻滞土柱的渗流规律、测定非饱和土渗透系数、研究非饱和土降雨入渗规律、研宄蒸发条件下非饱和土渗流规律、研究毛细水作用下土体中水分迁移规律、测定非饱和土土水特征曲线等，可用于垃圾填埋场防渗垫层和终场覆盖层、边坡、土壤污染物治理等工程实践中。土柱试验装置一般包括土柱模型、测量系统、蒸发装置。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对天津滨海平原盐碱地问题设计一套室内模拟盐碱地水热盐运移的装置，利用该装置研究蒸发条件下的土壤水热盐运移规律。本实用新型装置简单易操作，试验条件易控制，同时模拟结果与实际情况相似度高，测定结果准确，为天津滨海地区闫家地的基础研究以及治理提供理论支持。

为实现本实用新型的目的，本实用新型提供一种模拟内陆盐碱地水盐运动的实验装置的实验装置，包括土箱、水箱、在线监测系统，其中，所述土箱侧壁的底部通过有孔板连接水箱。所述蒸发强度控制箱固定在所述土柱的顶部并与土柱连通,土箱正面开孔分别用于安装测定土柱内土壤水分、盐分和温度的水分传感器。

其中，土箱用于装填带模拟盐碱地的土地；水箱用于承装实验室配置的模拟地下水，该地下水与天津滨海地区地下水矿化度相同，同时，水箱通过蠕动泵和水位传感器为土箱稳定供水，保持地下水位恒定；蒸发箱用于控制土箱内土壤的水面蒸发强度，模拟日光辐射。

土箱为2cm厚的透明有机玻璃制成的长方体，顶部敞开，长150cm，宽30cm，高150cm，土箱两侧底部至40cm高处的一段设计为均匀布孔的结构，与水箱形成水力联系，保证模拟地下水水位稳定，孔径为2cm。土箱底部填充沙子形成反滤层,用于防止土箱内土壤外流，为防止底部沙子从孔中漏出，在土箱两侧多孔结构外设置一个由纱网制成的挡板。

土箱正面一面均匀的布孔用于插入水分、温度、盐分传感器探头，共6排孔，每排5个孔，孔与孔上下左右之间间隔均为20cm，每个孔都用橡胶塞堵着，橡胶塞上面穿小孔，能够穿过电线探头。经过对盐渍土土壤剖面观察及实验，将土箱内土壤进行分三层填装，0-10cm、 10-40cm及40-80cm。本实验共需要9个三参数探头，分布在每一层的中间位置，即5cm、25cm、 60cm深处，每一层插入三个探头，探头之间横向间隔40cm，探头的位置是轴对称分布的，即中间一竖排探头位于土箱正中间，两侧间隔40cm处为另外两竖排探头。

在线监测系统是由土壤水分、温度、电导率、水势传感器及数据采集器组成的一套完整的高精度自动监测系统。土壤水/温传感器型号Hydra(SDI-12)(Steven,USA)测量范围：温度-10～65℃；含水量：0-饱和，误差范围：温度±0.6℃；含水量±3％，本实验装置使用9个。土壤水势张力计型号SW4R(Delta-T,England)，测量范围：-85～100KPa，误差范围：±0.5KPa，工作温度：0-50℃，本实验装置使用3个。

水箱位于土箱两侧，与土箱相连，由于底部沙层反滤层为40cm厚，因此为保证地下水位稳定在该深度，两侧水箱均在40cm高度处设置溢流口，当水箱中水位超过40cm时，水会从溢流口溢出，保证液面不高于40cm，当水位低于40cm高时，会通过水位传感器控制蠕动泵开始工作补水，保证液面不低于40cm高。水箱底部也设置溢流口用于排空水箱中的水。水箱内盛放同模拟盐碱地地下水含盐量相同的盐溶液。

蒸发箱为一个四周和顶部封闭，底部敞开的长方体有机玻璃箱，长为150cm，宽30cm，高60cm，为防止自然光影响，整体为黑色不透光。蒸发箱除顶面外的四面中央位置分别开孔，孔径5cm，用于通风及水分蒸发。蒸发箱顶部安装红外线灯作为辐射光源，用于模拟日光照射自然条件下土壤的蒸发强度，可以通过控制光源的数量和功率调节蒸发强度，本实验装置在顶部均匀布设了3个275W的红外线灯。右侧面通风口上方，辐射光源的下方安装有换气排风扇，排风扇可以调节风速，用于控制和调节土箱内土壤中的水分在不同的风力条件下的蒸发强度。风速与太阳辐射相结合，加速土壤蒸发，大大缩短了试验周期。土箱前后左右面的底边中间粘有长方体有机玻璃条固定件，当蒸发箱要放置在土箱上方时，将有机玻璃条插入土箱对应位置的凹槽中，起到固定蒸发箱的作用。

附图说明

图1是土箱、水箱及数据采集器装置结构图。

附图标记：1-土箱，11-纱网挡板，12-探头孔，13-凹槽，2-水箱，21-溢水口，22-水位传感器，23-蠕动泵，24-水箱，3-数据采集器，31-水分、温度、电导率三参数探头，32-土壤水势探头。

图2是蒸发箱装置结构图。

附图标记：41-通风口，42-红外线灯，43-风扇，44-固定件。

图3土箱0-10cm土层四天蒸发实验含水量波动图。

图4土箱10-40cm、40-80cm土层四天蒸发实验含水量波动图。

图5土箱四天蒸发实验电导率波动图。

图6土箱四天蒸发实验温度波动图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本实用新型作进一步的说明。本实用新型的实施例是为了使本领域的技术人员更好地理解本实用新型，并不对本实用新型作任何的限制。

如图1所示，模拟内陆盐碱地水盐运动的实验装置包括采用透明有机玻璃制成的顶部敞口底部封闭的长方体土箱1，透明有机玻璃制成的为土箱供水的两侧水箱2，用于实时获取数据的数据采集器3，黑色不透明有机玻璃制成的固定在土箱顶部的蒸发箱4。蒸发箱底部于土柱顶部尺寸相同，蒸发箱通过底部边缘上的固定件44插入土箱顶部边缘的凹槽13来进行固定。

由透明有机玻璃制成的土箱顶面开放，底面封闭，在土箱两侧底部有40cm高的纱网挡板 11使得土箱与水箱有水力联系。土箱用于装填待模拟盐碱地的土地。土箱为2cm厚的透明有机玻璃制成的长方体，长150cm，宽30cm，高150cm。保证模拟地下水水位稳定，孔径为2cm。土箱底部填充沙子形成反滤层,用于防止土箱内土壤外流，为防止底部沙子从孔中漏出，在土箱两侧多孔结构外设置一个由纱网制成的挡板11。土箱正面一面均匀的布孔12用于插入水分、温度、盐分传感器探头，共6排孔，每排5个孔，孔与孔上下左右之间间隔均为20cm，每个孔都用橡胶塞堵着，橡胶塞上面穿小孔，能够穿过电线探头。经过对盐渍土土壤剖面观察及实验，将土箱内土壤进行分三层填装，0-10cm、10-40cm及40-80cm。本实验共需要9个三参数探头，分布在每一层的中间位置，即5cm、25cm、60cm深处，每一层插入三个探头31，探头之间横向间隔40cm，探头的位置是轴对称分布的，即中间一竖排探头位于土箱正中间，两侧间隔40cm处为另外两竖排探头。3个土壤水势探头32分布在中间一竖排左边，高度与三参数探头31相同。

水箱位于土箱两侧，与土箱相连，水箱用于承装实验室配置的模拟地下水，该地下水与天津滨海地区地下水矿化度相同即3g/L，同时，水箱通过蠕动泵23和水位传感器22为土箱稳定供水。保持地下水位恒定由于底部沙层反滤层为40cm厚，因此为保证地下水位稳定在该深度，两侧水箱均在40cm高度处设置溢流口21，当水箱中水位超过40cm时，水会从溢流口溢出，保证液面不高于40cm，当水位低于40cm高时，会通过水位传感器控制蠕动泵开始工作补水，保证液面不低于40cm高，蠕动泵入水管置于一个1000ml量筒中，可以记录补水量。水箱底部也设置溢流口21用于排空水箱中的水。

蒸发箱4用于控制土箱内土壤的水面蒸发强度，模拟日光辐射。蒸发箱为一个四周和顶部封闭，底部敞开的长方体有机玻璃箱，长为150cm，宽30cm，高60cm，为防止自然光影响，整体为黑色不透光。蒸发箱除顶面外的四面中央位置分别开孔41，孔径5cm，用于通风及水分蒸发。蒸发箱顶部安装红外线灯42作为辐射光源，用于模拟日光照射自然条件下土壤的蒸发强度，可以通过控制光源的数量和功率调节蒸发强度，本实验装置在顶部均匀布设了3个 275W的红外线灯。右侧面通风口上方，辐射光源的下方安装有换气排风扇43，排风扇可以调节风速，用于控制和调节土箱内土壤中的水分在不同的风力条件下的蒸发强度。风速与太阳辐射相结合，加速土壤蒸发，大大缩短了试验周期。土箱前后左右面的底边中间粘有长方体有机玻璃条固定件44，当蒸发箱要放置在土箱上方时，将有机玻璃条插入土箱对应位置的凹槽13中，起到固定蒸发箱的作用。

本实用新型实例选择天津滨海地区的盐碱地作为研究对象，通过野外观察，对研究区的土壤剖面进行分层，0-10cm为粉砂质粘壤土，容重为1.387g/cm³，10-80cm为粉质粘土，容重为1.45g/cm³。夏季平均日水面蒸发速度平均值为11.04mm，白天即5：00-20：00之间为 8.37mm，夜晚即20：00-5：00之间为2.67mm。

将3个100ml的烧杯，等间隔均匀置于本实用新型中土箱中的土层顶部，将蒸发箱置于土箱顶部并在烧杯中注水至80ml刻度线，打开红外线灯以及风扇，观测并记录烧杯水位，当水位下降8.4mm时，时间为10小时，因此确定土箱试验的白天模拟时间为10小时，关掉蒸发箱仅开启风扇的情况下，3mm的蒸发量需要14小时左右，因此土箱试验的夜晚模拟时间为14 小时。

实验开始前配置模拟地下水，根据带模拟地区实际地下水的含盐量配置溶液，本实用新型用NaCl来配置模拟地下水，浓度为3g/L。

在天津滨海新区生态城采集土样，由于地下水深度约为80cm深处，因此设定土箱中的土层厚80cm。土壤采集回来后进行风干、磨碎、过筛备用。装填土箱时首先在土箱底部铺40cm 厚的石英砂反滤层，石英砂粒径2mm左右。在反滤层上方填装试供土体，按照土壤的干容重填装，每填10cm进行一次压实，压至相应刻度后再填下一层之前进行抛毛，使得层与层之间可以更好地衔接，不会出现明显的分层。在装填土样的时候，同时将探头埋入相应的层位，埋设时应注意将探头埋在土箱的中间部位。土箱装填好后，进行自下往上的饱水，目的是使土箱达到野外的稳定状态。

待土箱达到稳定状态后，开始土箱蒸发试验，实验步骤如下：

1.实验开始之前，首先在补水量筒放入模拟地下水1L，同时记录土箱内各个探头的初始含水量；

2.开启红外线灯和风扇，10小时后关闭，关闭14小时后再次开启，24小时为一个周期。在试验期间，每隔5min记录一次探头数据。每小时记录量筒对水箱的补水量，用于计算土壤的蒸发强度。

试验结束后，对数据进行分析。本实例选择3层共九个探头的数据对土箱的水分盐分和温度运移进行分析。分析结果见图3、4、5、6。

图3是0-10cm土层含水量的平均值波动图，在进行蒸发实验之前进行了一次降雨，蒸发实验持续了四天，土箱0-10cm层位的含水量总体呈下降趋势。在一天的周期里呈现先增长再下降的趋势，随着蒸发的进行，水分在蒸发作用下向上运移，上层相当于有一个储水的过程，蒸发箱关闭后，蒸发不再强烈，下层向上的补给减少，更多的是水分的散失，因此，含水量由呈现下降的趋势，如此往复。

图4是10-40cm、40-80cm土层含水量的平均值波动图，总体上数据是呈下降趋势的，在最后的一天半的时候基本上稳定稳定在一个数值上下，可以理解为此时土层下部的水分运移基本稳定。

图5是土箱电导率的平均值波动图，总体上数据是呈下降趋势的，0-10cm的土层变化最明显，在最后的一天的时候基本上稳定。说明盐分的运移与水分运移都呈稳定状态。

温度存在很强的周期性，随着蒸发箱的照射，温度升高，停止照射后，温度缓缓下降，并且，随着土箱中含水量的下降，温度的波动也越发的明显。随着深度的增加以及不同图层含水量的变化土层温度的变化存在滞后，深度越深温度变化越滞后，含水量越低温度变化越滞后。

Claims (4)

1.一种模拟内陆盐碱地水盐运动的实验装置,其特征是,包括土箱、水箱、蒸发箱和水分、盐分、温度三参数传感器；

其中,所述土箱侧壁的底部通过有孔板连接水箱，水箱由蠕动泵及水位传感器进行稳定供水；

所述蒸发箱固定在所述土箱的顶部并与水箱连通,土箱正面打孔分别用于安装测定土柱内土壤水分、盐分和温度的水分传感器。

2.根据权利要求1所述的模拟内陆盐碱地水盐运动的实验装置,其特征是,土箱底部两侧隔板有孔，内部贴着纱网过水不过沙，土箱底部填充沙子形成反滤层,用于防止土箱内土壤外流。

3.根据权利要求1所述的模拟内陆盐碱地水盐运动的实验装置,其特征是,水箱与土箱连接，分布在土箱两侧，二者通过底部的孔洞构成水力联系；右侧水箱通过水位传感器连接蠕动泵，通过水箱供水，同时保证水位稳定不变。

4.根据权利要求1所述的模拟内陆盐碱地水盐运动的实验装置,其特征是,在线检测系统，部分是由土壤水分、温度、盐分、水势传感器及数据采集器组成的一套完整的高精度自动监测系统，实时记录土壤含水量、电导率及温度、水势值，为实验提供数据资料。

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