專利名稱：模擬地下水的非飽和供水裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種應(yīng)用于模擬地下水埋深控制性試驗(yàn)的模擬地下水的供水裝置，尤其涉及一種模擬地下水的非飽和供水裝置，屬于土壤物理學(xué)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
農(nóng)業(yè)面源污染、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中潛水利用以及土壤鹽漬化等日益受到世界各國的關(guān)注，許多學(xué)者都針對(duì)這些問題進(jìn)行了大量研究。在地下水淺埋地區(qū)，潛水蒸發(fā)是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)的重要組成部分，也是地下水的主要排泄方式之一；反過來，作物通過消耗地下水也影響著地下水埋深。地下水埋深對(duì)于農(nóng)業(yè)面源污染和土壤鹽漬化也起著非常重要的作用。因此，模擬地下水埋深的控制性試驗(yàn)得到了廣泛應(yīng)用。然而，在模擬不同地下水埋深情況的科研試驗(yàn)中，目前普遍采用的是飽和供水方式，這必然要求試驗(yàn)土柱高度必須大于最大地下水埋深，從而使實(shí)際應(yīng)用的試驗(yàn)土柱高度較高，成本較大，操作不便；或者使埋深設(shè)置范圍受到極大限制，尤其是在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)潛水蒸發(fā)利用的科學(xué)研究中，為了模擬地下水較大埋深情況，需要在野外開挖較深G 5m)的地下室，但科研試驗(yàn)通常僅關(guān)心作物根區(qū)(1 2m) 土壤水分分布及蒸散發(fā)情況。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種模擬地下水的非飽和供水裝置，用于解決目前在模擬不同地下水埋深情況的科研試驗(yàn)中，普遍采用的飽和供水方式存在的試驗(yàn)土柱高度較高或埋深設(shè)置范圍受限的問題。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供的模擬地下水的非飽和供水裝置包括土壤存儲(chǔ)器、儲(chǔ)水器、水壓調(diào)節(jié)器、壓力差傳感器、土壤水分傳感器、數(shù)據(jù)處理單元。土壤存儲(chǔ)器用于填入試驗(yàn)土柱，所述土壤存儲(chǔ)器的底部設(shè)有進(jìn)水閥；儲(chǔ)水器呈封閉結(jié)構(gòu)，用于向所述土壤存儲(chǔ)器供水，所述儲(chǔ)水器的底部設(shè)有出水閥和底部進(jìn)氣閥，所述儲(chǔ)水器的頂部設(shè)有頂部進(jìn)氣閥，所述出水閥通過管道連接于所述進(jìn)水閥；水壓調(diào)節(jié)器呈封閉結(jié)構(gòu)，用于儲(chǔ)水以調(diào)節(jié)所述儲(chǔ)水器中的壓力，所述水壓調(diào)節(jié)器的頂部設(shè)有排氣閥，所述水壓調(diào)節(jié)器的側(cè)面設(shè)有水壓調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥，所述排氣閥管道連接于所述底部進(jìn)氣閥；壓力差傳感器用于測定所述儲(chǔ)水器上下兩端的壓力差，所述壓力差傳感器的高壓端連接于所述底部進(jìn)氣閥，所述壓力差傳感器的低壓端連接于所述頂部進(jìn)氣閥；土壤水分傳感器設(shè)于所述土壤存儲(chǔ)器的側(cè)壁且插入試驗(yàn)土柱中，用于檢測試驗(yàn)土柱的水分；數(shù)據(jù)處理單元和所述壓力差傳感器和所述土壤水分傳感器連接，用于根據(jù)設(shè)定的時(shí)間間隔自動(dòng)采集、存儲(chǔ)和顯示試驗(yàn)土柱剖面含水量數(shù)據(jù)和供水量數(shù)據(jù)。在上述模擬地下水的非飽和供水裝置的一種優(yōu)選實(shí)施方式中，所述土壤存儲(chǔ)器的底層為用于填入顆粒物的緩沖區(qū)。在上述模擬地下水的非飽和供水裝置的一種優(yōu)選實(shí)施方式中，所述水壓調(diào)節(jié)器的側(cè)面設(shè)有多個(gè)位于不同高度的水壓調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥。[0007]在上述模擬地下水的非飽和供水裝置的一種優(yōu)選實(shí)施方式中，所述土壤水分傳感器為多個(gè)，且所述多個(gè)土壤水分傳感器分別設(shè)于所述土壤存儲(chǔ)器的側(cè)壁的不同高度。本實(shí)用新型的土壤存儲(chǔ)器填入試驗(yàn)土柱之后，可以在試驗(yàn)土柱底部或者其優(yōu)選實(shí)施方式的緩沖區(qū)形成一個(gè)水勢(shì)張力面，利用土壤本身的毛管吸力，水分不斷從緩沖區(qū)進(jìn)入土壤并向上傳輸，從而實(shí)現(xiàn)非飽和自動(dòng)供水，模擬實(shí)際地下水埋深并測定水分變化過程，試驗(yàn)過程所應(yīng)用的試驗(yàn)土柱體積也較小，成本較低。此外，本實(shí)用新型的數(shù)據(jù)處理單元可以自動(dòng)記錄土壤剖面水分變化過程，時(shí)間間隔可自由設(shè)定為不同間隔。

圖1為本實(shí)用新型優(yōu)選實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步詳細(xì)說明。在詳細(xì)描述本實(shí)用新型之前，簡單說明一下“飽和”和“非飽和”的概念，二者為土壤物理學(xué)術(shù)語，土壤中所有孔隙都充滿水即為“飽和”。土壤中部分孔隙有水為“非飽和”。 現(xiàn)有底部供水裝置的出水端的水為自由水，因此接觸供水端的土壤先達(dá)到飽和后，土壤中水分再向上擴(kuò)散。本實(shí)用新型的出水端水壓小于大氣壓(也稱負(fù)壓)，接觸供水端土壤未達(dá)到飽和(非飽和)，依靠土壤的吸力將水吸入土壤中，然后再向上擴(kuò)散。圖1示意性的示出了本實(shí)用新型優(yōu)選實(shí)施例的結(jié)構(gòu)，如其所示，本實(shí)用新型優(yōu)選實(shí)施例包括水壓調(diào)節(jié)器1、壓力差傳感器2、儲(chǔ)水器3、土壤存儲(chǔ)器4、土壤水分傳感器5、數(shù)據(jù)處理單元6。需要補(bǔ)充說明的是，為了簡化附圖，圖1未示出連接壓力差傳感器2和數(shù)據(jù)處理單元6的信號(hào)傳輸線路。土壤存儲(chǔ)器4用于填入試驗(yàn)土柱41以及在其底部填入顆粒物，例如顆粒直徑達(dá) 5mm、厚度達(dá)6cm的礫石層，以形成緩沖區(qū)42，儲(chǔ)水器3中的水分通過管道進(jìn)入由粗砂填充的緩沖區(qū)42，可以快速擴(kuò)散充滿整個(gè)緩沖區(qū)，這樣可以保證試驗(yàn)土柱41整個(gè)下底面完全與水面接觸，達(dá)到均勻供水。在本優(yōu)選實(shí)施例中，土壤存儲(chǔ)器4可以由長為130cm、內(nèi)徑為20cm 的有機(jī)玻璃管和一直徑達(dá)25cm的有機(jī)玻璃圓底組成，有機(jī)玻璃圓底和有機(jī)玻璃管的結(jié)合處外圍均勻涂抹凡士林后用螺絲緊固，以防止漏水。土壤存儲(chǔ)器4的底部設(shè)有進(jìn)水閥43，頂部呈開放結(jié)構(gòu)。進(jìn)水閥43的高度對(duì)應(yīng)于緩沖區(qū)42，水流經(jīng)由進(jìn)水閥43進(jìn)入緩沖區(qū)42之后，在緩沖區(qū)42形成一個(gè)水勢(shì)張力面，利用土壤本身的毛管吸力，水分不斷從緩沖區(qū)42進(jìn)入試驗(yàn)土柱41并向上傳輸，從而本優(yōu)選實(shí)施例實(shí)現(xiàn)非飽和自動(dòng)供水，模擬實(shí)際地下水埋深并借助多個(gè)設(shè)于土壤存儲(chǔ)器4側(cè)壁的土壤水分傳感器5測定水分變化過程。儲(chǔ)水器3呈封閉結(jié)構(gòu)，優(yōu)選柱狀結(jié)構(gòu)，用于向土壤存儲(chǔ)器4的緩沖區(qū)42供水，其主體結(jié)構(gòu)也可以由透明的有機(jī)玻璃管制成，該有機(jī)玻璃管的上下端部都密封，在側(cè)壁或頂部打穿透孔設(shè)置相關(guān)部件，以作進(jìn)水、出水、進(jìn)氣、排氣之用。儲(chǔ)水器3的底部設(shè)有出水閥33 和底部進(jìn)氣閥32，儲(chǔ)水器3的頂部設(shè)有頂部進(jìn)氣閥31，出水閥33通過管道連接于土壤存儲(chǔ)器4的進(jìn)水閥43。水壓調(diào)節(jié)器1也呈封閉結(jié)構(gòu)，優(yōu)選柱狀結(jié)構(gòu)，可以由透明的有機(jī)玻璃制成，用于在注水之后調(diào)節(jié)儲(chǔ)水器3向緩沖區(qū)42供水的壓力，水壓調(diào)節(jié)器1的頂部設(shè)有排氣閥12，水壓調(diào)節(jié)器1的側(cè)面設(shè)有多個(gè)位于不同高度的水壓調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥11，排氣閥12管道連接于儲(chǔ)水器 3的底部進(jìn)氣閥32，連接排氣閥12和底部進(jìn)氣閥32的管道可以為橡膠軟管，橡膠軟管以空氣作為傳遞壓力的介質(zhì)。在本優(yōu)選實(shí)施例的電器件中，壓力差傳感器2用于實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)水器3供水水量的自動(dòng)測定，并將檢測的數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)采集單元6以進(jìn)行記錄、顯示或存儲(chǔ)。壓力差傳感器2是通過測定儲(chǔ)水器3上下兩端的壓力差獲取其供水水量。壓力差傳感器2的高壓端22連接于儲(chǔ)水器3的底部進(jìn)氣閥32，壓力差傳感器2的低壓端21連接于儲(chǔ)水器3的頂部進(jìn)氣閥 31。多個(gè)土壤水分傳感器5分別設(shè)于土壤存儲(chǔ)器4側(cè)壁的不同高度，用于檢測試驗(yàn)土柱41 在不同高度的水分。數(shù)據(jù)處理單元6包括用于顯示其數(shù)據(jù)處理結(jié)果或運(yùn)行參數(shù)的顯示單元 61、用于輸入控制指令的輸入單元62，數(shù)據(jù)處理單元6與壓力差傳感器2、多個(gè)土壤水分傳感器5分別連接，用于按照設(shè)定時(shí)間間隔自動(dòng)采集試驗(yàn)土柱41的剖面含水量數(shù)據(jù)(由土壤水分傳感器5測得)和儲(chǔ)水器3的水位變化數(shù)據(jù)(由壓力差傳感器2測得)。本實(shí)用新型的數(shù)據(jù)采集單元可以為通用集成電路，也可以為專用集成電路，例如其可以選用CR200數(shù)據(jù)采集器。本優(yōu)選實(shí)施例調(diào)節(jié)供水壓力的根據(jù)為壓力平衡和傳遞原理相互連通的水體在同一水平面的水壓處處相等，與大氣接觸的自由水面處水壓與大氣壓力相等。該裝置正常工作狀態(tài)下，水壓調(diào)節(jié)器1在某個(gè)高度的進(jìn)氣閥11打開，該進(jìn)氣閥11高度處水壓等于大氣壓力，并且整個(gè)裝置系統(tǒng)壓力保持平衡。當(dāng)緩沖區(qū)42水分由于土壤張力被吸入土壤并向上傳輸后，緩沖區(qū)42水壓降低，導(dǎo)致整個(gè)裝置系統(tǒng)壓力失衡，外界大氣經(jīng)進(jìn)氣閥11進(jìn)入水壓調(diào)節(jié)器1中，繼而經(jīng)進(jìn)氣閥32進(jìn)入儲(chǔ)水器3中。進(jìn)入儲(chǔ)水器3中的氣泡上升到儲(chǔ)水器3上部后，儲(chǔ)水器3上部密閉空氣壓力增大，則儲(chǔ)水器3中的水分經(jīng)出水閥33補(bǔ)充進(jìn)入緩沖區(qū)42 中，系統(tǒng)壓力重新達(dá)到平衡。這一過程持續(xù)、動(dòng)態(tài)進(jìn)行，直到土壤中水勢(shì)達(dá)到平衡。供水過程中進(jìn)入土壤的水的壓力小于大氣壓力，因此為非飽和供水。通過打開或關(guān)閉水壓調(diào)節(jié)器 1的不同高度的進(jìn)氣閥11，可以實(shí)現(xiàn)不同負(fù)壓(小于大氣壓)情況下的非飽和自動(dòng)供水。在應(yīng)用本優(yōu)選實(shí)施例時(shí)，將試驗(yàn)土壤風(fēng)干后過Imm 土壤篩，按照一定的容重IOcm 一層分層裝填入土壤存儲(chǔ)器4形成試驗(yàn)土柱41，將進(jìn)水閥43通過橡膠軟管連接到儲(chǔ)水器3 的出水閥33，將土壤水分傳感器5插入試驗(yàn)土柱41，并打開數(shù)據(jù)處理單元6，將水壓調(diào)節(jié)器 1的排氣閥12通過橡膠軟管連接到儲(chǔ)水器3的底部進(jìn)氣閥32，調(diào)節(jié)水壓調(diào)節(jié)器1中的水位設(shè)定好供水水壓。打開儲(chǔ)水器3的出水閥33，初始階段打開頂部進(jìn)氣閥31，待試驗(yàn)土柱41 的緩沖區(qū)42內(nèi)完全充滿水后，關(guān)閉頂部進(jìn)氣閥31，打開水壓調(diào)節(jié)器1的進(jìn)氣閥11，開始非飽和供水。供水過程持續(xù)時(shí)間根據(jù)儲(chǔ)水器3中水量和試驗(yàn)具體要求設(shè)定。數(shù)據(jù)處理單元6 自動(dòng)采集試驗(yàn)土柱41的土壤剖面含水量數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)，或者根據(jù)需要進(jìn)行顯示。綜上所述，本實(shí)用新型通過在試驗(yàn)土柱底部緩沖區(qū)形成一個(gè)水勢(shì)張力面，利用土壤本身的毛管吸力，水分不斷從緩沖區(qū)進(jìn)入土壤并向上傳輸，實(shí)現(xiàn)非飽和自動(dòng)供水，模擬實(shí)際地下水埋深并測定水分變化過程；并且利用了水壓可調(diào)的供水系統(tǒng)，在縮減試驗(yàn)土柱體積的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了模擬地下水不同埋深自動(dòng)為試驗(yàn)土柱供水以及自動(dòng)記錄土壤剖面水分變化過程的有益效果。由技術(shù)常識(shí)可知，本實(shí)用新型可以通過其它的不脫離其精神實(shí)質(zhì)或必要特征的實(shí)施方案來實(shí)現(xiàn)。因此，上述公開的實(shí)施方案，就各方面而言，都只是舉例說明，并不是僅有
5的。所有在本實(shí)用新型范圍內(nèi)或在等同于本實(shí)用新型的范圍內(nèi)的改變均被本實(shí)用新型包含。
權(quán)利要求1.一種模擬地下水的非飽和供水裝置，其特征在于，包括土壤存儲(chǔ)器，用于填入試驗(yàn)土柱，所述土壤存儲(chǔ)器的底部設(shè)有進(jìn)水閥；儲(chǔ)水器，呈封閉結(jié)構(gòu)，用于向所述土壤存儲(chǔ)器供水，所述儲(chǔ)水器的底部設(shè)有出水閥和底部進(jìn)氣閥，所述儲(chǔ)水器的頂部設(shè)有頂部進(jìn)氣閥，所述出水閥通過管道連接于所述進(jìn)水閥；水壓調(diào)節(jié)器，呈封閉結(jié)構(gòu)，用于注水后調(diào)節(jié)所述儲(chǔ)水器的供水壓力，所述水壓調(diào)節(jié)器的頂部設(shè)有排氣閥，所述水壓調(diào)節(jié)器的側(cè)面設(shè)有水壓調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥，所述排氣閥管道連接于所述底部進(jìn)氣閥；壓力差傳感器，用于測定所述儲(chǔ)水器上下兩端的壓力差，所述壓力差傳感器的高壓端連接于所述底部進(jìn)氣閥，所述壓力差傳感器的低壓端連接于所述頂部進(jìn)氣閥；土壤水分傳感器，設(shè)于所述土壤存儲(chǔ)器的側(cè)壁且插入試驗(yàn)土柱中，用于檢測試驗(yàn)土柱的土壤含水量；數(shù)據(jù)處理單元，和所述壓力差傳感器和所述土壤水分傳感器連接，用于根據(jù)設(shè)定的時(shí)間間隔自動(dòng)采集、存儲(chǔ)和顯示試驗(yàn)土柱剖面含水量數(shù)據(jù)和供水量數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬地下水的非飽和供水裝置，其特征在于，所述土壤存儲(chǔ)器的底層為用于填入顆粒物的緩沖區(qū)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬地下水的非飽和供水裝置，其特征在于，所述水壓調(diào)節(jié)器的側(cè)面設(shè)有多個(gè)位于不同高度的水壓調(diào)節(jié)進(jìn)氣閥。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬地下水的非飽和供水裝置，其特征在于，所述土壤水分傳感器為多個(gè)，且所述多個(gè)土壤水分傳感器分別設(shè)于所述土壤存儲(chǔ)器側(cè)壁的不同高度。
專利摘要本實(shí)用新型提供一種模擬地下水的非飽和供水裝置，其包括土壤存儲(chǔ)器、儲(chǔ)水器、水壓調(diào)節(jié)器、壓力差傳感器、土壤水分傳感器、數(shù)據(jù)處理單元。土壤存儲(chǔ)器用于填入試驗(yàn)土柱；儲(chǔ)水器用于向土壤存儲(chǔ)器供水；水壓調(diào)節(jié)器注水后用于調(diào)節(jié)儲(chǔ)水器的供水壓力；壓力差傳感器用于測定儲(chǔ)水器上下兩端的壓力差；土壤水分傳感器用于檢測試驗(yàn)土柱的土壤含水量；數(shù)據(jù)處理單元用于根據(jù)設(shè)定的時(shí)間間隔自動(dòng)采集、存儲(chǔ)和顯示試驗(yàn)土柱剖面含水量數(shù)據(jù)和供水量數(shù)據(jù)。本實(shí)用新型可以模擬實(shí)際地下水埋深并測定水分變化過程，試驗(yàn)過程所應(yīng)用的試驗(yàn)土柱體積也較小，成本較低。
文檔編號(hào)G01N33/18GK202281773SQ20112043591
公開日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月7日
發(fā)明者李漢俠, 來劍斌, 歐陽竹, 羅毅 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所