CN211927629U

CN211927629U - 一种测定土-水-气界面水通量的实验装置

Info

Publication number: CN211927629U
Application number: CN201921662442.7U
Authority: CN
Inventors: 李刚; 李海涛; 孙璐; 赵凯; 凤蔚; 张源; 李木子; 陈一超; 赵文博
Original assignee: CHINA GEOLOGICAL ENVIRONMENTAL MONITORING INSTITUTE
Current assignee: CHINA GEOLOGICAL ENVIRONMENTAL MONITORING INSTITUTE
Priority date: 2019-09-29
Filing date: 2019-09-29
Publication date: 2020-11-13
Anticipated expiration: 2029-09-29

Abstract

本实用新型设计了一种同时原位测量沉积物－水体－大气界面水通量的实验装置，可广泛适用于湖泊、沼泽、河流滩涂等自然湿地和水库、池塘、水田等人工湿地。该实用新型包括：三个扇形断面的柱状筒，其断面可拼合为圆形。三个透明有机玻璃材质柱状筒为上闭下开、上开下闭和上下均开，分别用于测定土－水、水－气和土－水－气通量。该实验装置安装简单、操作方便、可直接在现场进行原位实验、能长期准确测量土－水－气界面水通量。

Description

一种测定土-水-气界面水通量的实验装置

技术领域

本实用新型涉及水通量测量实验装置，更具体地，涉及一种测定湿地水环境中沉积物－水体－大气界面水通量的实验装置。

背景技术

目前已有的测定渗流实验方法：20世纪40年代，Israelson and Reeve (1944)发明了一种手工渗流仪，用于测量灌溉渠的渗漏水量；Lee(1977) 在20世纪70年代对它作了一些改进，并用来用于测定明尼苏达州的萨利湖与地下水的交换量。经典的Lee式半桶渗流仪的主要组成部分是一个208L 的钢质圆柱形桶，一端完全开口，而另一端只在边上有一个很小的开口，它通过橡胶塞、导水管连着一个4L的塑料袋。随着渗流仪应用研究的不断深入和科学技术的迅猛发展，更精确的渗流仪随之产生，比如：连续热型自动渗流仪、热脉冲型自动渗流仪、超声波型自动渗流仪、染料稀释技术渗流仪等。显然地，经典渗流仪塑料袋的机械性能、圆桶底部的渗漏、流管的摩擦阻力、波浪作用或压力差等会引起一定的测量误差。而上述改进后的实验方法也存在成本较高、组件复杂、易产生故障等不足。

实用新型内容

为改进上述现有实验装置的缺陷，并增加测量水－气界面水通量，提高三相界面水通量的测量精度，本实用新型设计了一种测定土－水－气界面水通量的实验装置。

本实用新型为解决上述技术问题采用的技术方案为：一种测定土－水－气界面水通量的实验装置，包括：

三个扇形断面的柱状筒；

所述三个柱状筒的三个断面可拼合为圆形；

所述柱状筒中，其一为土－水界面水通量测量筒；

所述柱状筒中，其一为水－气界面水通量测量筒；

所述柱状筒中，其一为土－水－气界面水通量综合测量筒；

优选地，所述土－水界面水通量测量筒，下端开口，楔形刃口，上端封盖，并留有一个小通气口。

优选地，所述水－气界面水通量测量筒，底端封闭，上端完全开口。

具体地，所述水－气界面水通量测量筒，上端覆盖一层大孔眼纱网。

优选地，所述土－水－气界面水通量综合测量筒，上下两端均开口。

具体地，所述土－水－气界面水通量综合测量筒，上端覆盖一层大孔眼纱网。

优选地，所述测定土－水－气界面水通量的实验装置，其长度根据实施测量的环境条件设定。

具体地，所述环境条件包括水深、年际水位波动幅度，以及极端气象情况干旱、洪涝、暴雨带来的对水位的影响。

优选地，所述三个柱状筒侧面均标有基准面一致的刻度。

优选地，所述三个柱状筒的质材为有机玻璃。

以上本实用新型所采用的技术方案与现有技术相比，具有以下技术优点：

在测量土－水界面水通量的同时，能测量水－气界面上的水通量。相比于传统的渗流仪只能测土－水界面水通量，增加了新的水通量测量功能。

三个测量筒的水位变化情况符合已知规律△h₁+△h₂＝△h₃，若产生错误可以及时发现并纠正。

实验装置的成本造价低廉，组件简单牢固，不易损坏。

野外安装十分简便，测量结果更准确可靠。

附图说明

通过结合附图描述本说明书实施例，可以使得本说明书实施例更加清楚：

图1是本实用新型所提供的一种测定土－水－气界面水通量的实验装置的立体结构图；

图2示出根据本实用新型的一种测定土－水－气界面水通量的实验装置的野外工作示意图；

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型技术方案的实施例进行详细地描述。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属领域技术人员所理解的通常意义。

图1是本实用新型所提供的一种测定土－水－气界面水通量的实验装置的立体结构图，结构图主要用来说明该测定水通量的实验装置的内部结构，具体结构如下：

一种测定土－水－气界面水通量的实验装置，包括：

三个扇形断面的柱状筒；

所述三个柱状筒的三个断面可拼合为圆形；

所述柱状筒中，其一为土－水界面水通量测量筒，所述土－水界面水通量测量筒，下端开口，楔形刃口，可插入沉积物中。上端封盖，并留有一个小通气口，与大气连通的同时，防止降水流入筒内。使用时需使顶盖露出水面，即在筒的上半段留有空气。

所述柱状筒中，其一为水－气界面水通量测量筒，底端封闭，可位于水中或沉积物表面上。上端完全开口伸出水面，可自由蒸发，并接受大气降水。

所述柱状筒中，其一为土－水－气界面水通量综合测量筒，上下两端均开口，下端插入沉积物，上端伸出水面。

在一个实施例中，所述水－气界面水通量测量筒和所述土－水－气界面水通量综合测量筒，上端覆盖一层大孔眼纱网，防止飞禽动物、植物凋落物对水面的扰动。

所述测定土－水－气界面水通量的实验装置，其长度根据实施测量的环境条件设定，所述环境条件包括水深、年际水位波动幅度，以及极端气象情况干旱、洪涝、暴雨带来的对水位的影响。

在一个实施例中，所述测定土－水－气界面水通量的实验装置，制作的长度为：测量处水深+此处年度最大水位波动幅度+柱状筒插入淤泥深度+柱状筒露出水面高度。

所述三个柱状筒侧面均标有基准面一致的刻度。

所述三个柱状筒的质材为有机玻璃。

图2示出根据本实用新型的一种测定土－水－气界面水通量的实验装置的野外工作示意图，采用本实用新型在图2所示的野外环境进行实验的操作步骤，包括：

步骤一，根据现场测得水深及年际水位波动幅度，选定并使用有机玻璃材质制作合适长度的测定土－水－气界面水通量的实验装置，合适的长度应包括如下考量：测量处水深、此处年度最大水位波动幅度、估算柱状筒插入淤泥深度(确保固定住设备)、估算柱状筒露出水面高度(保证测量处水面的水不进入柱状筒中) 。

在一些特殊情景下的测量，则需要考虑其特殊的地理情况下的水位变化。如在滨海湿地，由于受潮汐作用明显，一日内的水位波动幅度较大，大者可达数米。故此，做测量实验装置的长度设计时，需要考虑到这种因素，实验设置的长度要足够保证测量处水位的波动范围在测量筒①的顶面和测量筒②的底面之间。

步骤二，将①③测量筒同时插入沉积物一定深度，使其稳定不下沉，并保持二者上端露出水面及年内最高水位。

在一个实施例中，所述①③测量筒，上端覆盖一层大孔眼纱网，防止飞禽动物、植物凋落物对水面的扰动。

需要注意的是，当研究着眼于较大的水生动物孔穴对水通量的影响时，野外安装可着重将测量筒①③的底面扣到孔穴均匀密集的区域。

步骤三，将②测量筒紧邻①③测量筒放入水中，打开下半部的水体连通孔，使水流入其中，然后封堵住水体连通孔。

步骤四，保持三个测量筒上端口齐平，合围成一个圆形。环绕一圈橡胶带固定，防止筒体摇晃扰动沉积物。上述操作保证它们所处环境的初始水位、日照、风速、温度等条件一致。

步骤五，待沉积物恢复一段时间后，即可开始测量。

每次记录时，读取三个筒体的水位刻度即可。并且三者水位存在以下关系：△h₁+△h₂＝△h₃，持续读取试验数据并记录。

如果在记录时，读取三个筒体的水位刻度，发现所读取数据距离以下关系：△h₁+△h₂＝△h₃偏离较大，需要找到误差原因，并更正之，直至所读数据满足上述关系；如果不是设备原因，也可以变更测量位置，再次测试，以排除测试点的特殊状况所致，直至所读数据满足上述关系。

大部分情况下，上述等式关系是满足的，也有些环境下的特殊因素影响下，上述等式中也会出现细微变化。比如，当把仪器扣入水生植物密集生长的区域时，可通过监测得到植物的蒸腾量。因为在这种条件下，测量筒①得到土－水界面通量，②得到的是水面蒸发量，而③得到的是土－水界面通量+植物蒸腾+水面蒸发，所以③－①－②＝植物蒸腾量。

实际使用中，对于绝大多数水体沉积物而言，其界面上水通量十分缓慢，可将观测记录时间在周、半月、月等不同间隔尺度内设置。当希望采用自动记录时，可在三个测量筒内放入自记式水位计，如LTC－Diver可自动记录预设时间间隔的水位变化情况。

步骤六，根据上述步骤记录的数据计算常用衡量水位变化情况的物理量。水位变化状况常用水量的变化量、水量变化速率、单位面积水量变化速率来衡量。这些数据可以根据上述记录的读取数据和设备形状数据以及观察周期数据计算得到，有关计算公式为：

监测时段Δt内单个测量筒内水量的变化量△V_i：

监测时段Δt内单个测量筒内水量变化速率q_i：

q_i＝△V_i/△t

监测时段Δt内单个测量筒内单位面积水量变化速率v_i：

v_i＝△h_i/△t

其中物理量：

R是三个测量筒断面围起来圆形的半径；

Δh_i是监测时段Δt内对应序号为i的测量筒的水位变量。

从以上实施例可以看出，本实用新型公开的一种测定土－水－气界面水通量的实验装置，可以根据测试环境的条件定制，使用它可以简单容易地在野外测试环境架构起测试装置、读取测试数据亦方便快捷；在测量土－水界面水通量的同时，能测量水－气界面上的水通量。相比于传统的渗流仪只能测土－水界面水通量，增加了新的水通量测量功能；通过简单的方法，即三个测量筒的水位变化情况是否符合规律△h₁+△h₂＝△h₃，容易发现测试过程中的错误，从而及时纠正之；实验装置的成本造价低廉，组件简单牢固，不易损坏。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、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

1.一种测定土-水-气界面水通量的实验装置，包括：

三个扇形断面的柱状筒；

所述三个柱状筒的三个断面可拼合为圆形；

所述柱状筒为透明柱状筒；

所述柱状筒中，其一为土-水界面水通量测量筒，所述土-水界面水通量测量筒，下端开口，楔形刃口，上端封盖，并留有一个小通气口；

所述柱状筒中，其一为水-气界面水通量测量筒,所述水-气界面水通量测量筒，底端封闭，上端完全开口；

所述柱状筒中，其一为土-水-气界面水通量综合测量筒，所述土-水-气界面水通量综合测量筒，上下两端均开口。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述水-气界面水通量测量筒，上端覆盖一层大孔眼纱网。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述土-水-气界面水通量综合测量筒，上端覆盖一层大孔眼纱网。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，其长度根据实施测量的环境条件设定。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述环境条件包括水深、年际水位波动幅度，以及极端气象情况干旱、洪涝、暴雨带来的对水位的影响。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述三个柱状筒侧面均标有基准面一致的刻度。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述三个柱状筒的质材为有机玻璃。