專利名稱：一種凍土導(dǎo)氣率瞬態(tài)測量系統(tǒng)及測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及土壤物理領(lǐng)域，具體地講是一種凍土導(dǎo)氣率瞬態(tài)測量系統(tǒng)及測量方法。
背景技術(shù)：
導(dǎo)氣率是土壤重要的特性參數(shù)之一，是土壤重要的特征指標(biāo)，導(dǎo)氣率狀況在土壤結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究中非常重要，并且土壤導(dǎo)氣率與土壤飽和導(dǎo)水率、土壤呼吸、植被根系生長等因素之間存在密切的關(guān)系。從供氣情況看，測量土壤導(dǎo)氣率的方法可分為兩大類，一類為穩(wěn)態(tài)氣流測量方法，一類為瞬態(tài)氣流測量方法；從測量邊界條件看，測量土壤導(dǎo)氣率的方法可分為一維測量方法和三維測量方式，一維主要用于室內(nèi)的測量，三維可用于原位的導(dǎo)氣率測量。目前導(dǎo)氣率的測量主要針對于融土，而有關(guān)凍土的導(dǎo)氣率測量尚未涉及。凍土是指溫度在o°c或o°c以下，并含有冰的各種巖石和土壤，由土顆粒、未凍水、冰及氣體組成的，是典型的多相體材料。凍土是由固體礦物顆粒、冰包裹體、液相水(未凍水和強(qiáng)結(jié)合水)和氣態(tài)包裹體(水汽和空氣)組成的復(fù)合介質(zhì)，凍土與融土的本質(zhì)區(qū)別在于凍土中冰的 存在。土凍結(jié)后強(qiáng)度將提高很多倍，其中主要依賴于凍土黏聚力的大幅度提高。凍土強(qiáng)度的大幅度提高導(dǎo)致用于測量融土導(dǎo)氣率的裝置很難應(yīng)用，主要因?yàn)闇y量筒難于打入或者打入時對土壤造成較大的擾動。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服已有技術(shù)的不足，而提供一種凍土導(dǎo)氣率瞬態(tài)測量系統(tǒng)。本發(fā)明的另一目的是提供一種凍土導(dǎo)氣率瞬態(tài)測量方法。本發(fā)明主要解決主要解決現(xiàn)有的用于測量融土導(dǎo)氣率的裝置不適合于凍土、很難應(yīng)用和凍土強(qiáng)度的大幅度提高導(dǎo)致，主要因?yàn)闇y量筒難于打入或者打入時對土壤造成較大的擾動等問題。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的一種測量凍土導(dǎo)氣率系統(tǒng)，其特殊之處在于，包括
測筒，插入土壤一定深度，并用來提供一定的氣體存儲空間；
供氣源，用來向測筒提供氣體；
氣壓測量計，用來測量測筒內(nèi)的氣體壓力；
所述測筒上端用橡皮塞密封，兩根連接管一端分別經(jīng)橡皮塞和測筒內(nèi)部連通連接，另一端分別和氣壓測量計及供氣源相連接，與供氣源相連接的連接管上設(shè)置一閥門，用以關(guān)閉或打開連接管的通氣狀態(tài)；測筒下端開通不封閉。進(jìn)一步的，所述測筒材質(zhì)為硬塑料或者金屬，材質(zhì)強(qiáng)度應(yīng)確保在試驗(yàn)過程中筒體不變形。采用上述測量系統(tǒng)進(jìn)行凍土導(dǎo)氣率瞬態(tài)的測量方法，其特殊之處在于，包括以下步驟
(1)利用土鉆在待測位置鉆取一定深度L的鉆孔，鉆孔直徑和測筒直徑D—致，在測筒外部涂抹凡士林，防止測筒外壁與鉆孔之間漏氣；
(2)利用供氣源向測筒供氣，當(dāng)氣壓測量計測定的測筒內(nèi)壓力到達(dá)預(yù)定值P(O)時停止供氣，并關(guān)閉閥門；
(3)停止供氣同時開始計時，并觀測氣壓測量計所測測筒壓力的變化，按照先疏后密的原則記錄測筒壓力P(t)變化過程對應(yīng)的累積時間t，當(dāng)測筒內(nèi)的壓力接近大氣壓時，停止觀測；
(4)以時間t為因變量，測筒的相對壓力(測筒壓力減去大氣壓力即P(t)-Patm)的自然對數(shù)值In (P(t)-Patm)為自變量，確定二者的數(shù)量關(guān)系，并以二者確定的直線斜率的絕對值作為被測土壤的空氣傳導(dǎo)特征參數(shù)S;
(5)將得到的空氣傳導(dǎo)特征參數(shù)S代入以下公式中來計算土壤的導(dǎo)氣率ka:
權(quán)利要求
1.一種凍土導(dǎo)氣率瞬態(tài)測量系統(tǒng)，其特征在于，包括 測筒(I)，插入土壌，并用來提供一定的氣體存儲空間； 供氣源(3)，用來向測筒(I)提供氣體； 氣壓測量計(5)，用來測量測筒(I)內(nèi)的氣體壓力； 所述測筒(I)上端用橡皮塞(2)密封，兩根連接管(4) 一端分別經(jīng)橡皮塞(2)和測筒(I)內(nèi)部連通連接，另一端分別和氣壓測量計(5)及供氣源(3)相連接，與供氣源(3)相連接的連接管(4)上設(shè)置ー閥門(6)，測筒(I)下端開通不封閉。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種凍土導(dǎo)氣率瞬態(tài)測量系統(tǒng)，其特征在于，所述測筒(I)材質(zhì)為硬塑料或者金屬。
3.采用權(quán)利要求I或2所述的任一測量系統(tǒng)進(jìn)行凍土導(dǎo)氣率瞬態(tài)的測量方法，其特征在于，包括以下步驟 (1)利用土鉆在待測位置鉆取一定深度L的鉆孔，鉆孔直徑和測筒直徑D—致，在測筒外部涂抹凡士林，防止測筒外壁與鉆孔之間漏氣； (2)利用供氣源向測筒供氣，當(dāng)氣壓測量計測定的測筒內(nèi)壓カ到達(dá)預(yù)定值P(O)時停止供氣，并關(guān)閉閥門； (3)停止供氣同時開始計吋，并觀測氣壓測量計所測測筒壓カ的變化，按照先疏后密的原則記錄測筒壓力P(t)變化過程對應(yīng)的累積時間t，當(dāng)測筒內(nèi)的壓カ接近大氣壓時，停止觀測； (4)以時間t為因變量，測筒的相對壓カ(測筒壓カ減去大氣壓カ即P(t)-Patm)的自然對數(shù)值In (P (t)-Patm)為自變量，確定二者的數(shù)量關(guān)系，并以二者確定的直線斜率的絕對值作為被測土壤的空氣傳導(dǎo)特征參數(shù)S; (5)將得到的空氣傳導(dǎo)特征參數(shù)S代入以下公式中來計算土壌的導(dǎo)氣率ka:い、てりり;式中L為測筒插入土壌以下的長度(m)，#為空氣粘滯系數(shù)，與所處環(huán)境溫度有夫，/ = (1717 +4JST)xlO^|M*s , A為測筒的橫截面積(m2)，D為測筒的直徑(m)，G為與竺有關(guān)的形狀系數(shù)，6 =そ+1〕, V為測筒內(nèi)部空間的體積(m3)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的ー種凍土導(dǎo)氣率瞬態(tài)的測量方法，其特征在干，所述預(yù)定值P(O)為 20-100cmH20 的壓力，即 I. 96kPa_9. 81kPa。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種凍土導(dǎo)氣率瞬態(tài)測量系統(tǒng)及測量方法，其特點(diǎn)是測量系統(tǒng)由測筒(1)、供氣源(3)和氣壓測量計(5)連接而成；利用本發(fā)明的測量系統(tǒng)測定凍土的導(dǎo)氣特征參數(shù)S，將導(dǎo)氣特征參數(shù)S代入本發(fā)明給出的計算公式即可計算出凍土的導(dǎo)氣率，本發(fā)明簡化了凍土導(dǎo)氣率的測量過程，節(jié)省了測量時間和成本。本發(fā)明不僅在技術(shù)上能夠?qū)崿F(xiàn)，而且設(shè)備價格大大降低，易于推廣應(yīng)用。
文檔編號G01N7/10GK102680352SQ201210143478
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月10日
發(fā)明者張富倉, 張振華, 楊潤亞, 潘英華, 牛文全 申請人:張振華