基于一維水平流的多段式包氣帶土壤水分?jǐn)U散度測定儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于一維水平流的多段式包氣帶水分?jǐn)U散度測定儀，包括供水裝置、水流緩沖裝置、多段式實(shí)驗(yàn)段和水分測量裝置。本發(fā)明是通過連接管將多個(gè)土柱單元管連接，形成滿足包氣帶水分?jǐn)U散度測定所需的半無限邊界和可裝填均一質(zhì)地土壤的多段式實(shí)驗(yàn)段。本發(fā)明可根據(jù)土樣的性質(zhì)加長土柱的長度，滿足包氣帶土壤水分?jǐn)U散度測定方程的半無限長邊界定解條件。本發(fā)明采用多個(gè)土柱單元管的結(jié)構(gòu)方便土樣的裝填，滿足包氣帶土壤水分?jǐn)U散度測定方程土壤質(zhì)地均一的假定條件，且排除了邊壁效應(yīng)對(duì)測試結(jié)果的影響。本測定儀結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，誤差小，可用于測定包氣帶水分?jǐn)U散度，為土壤改良、污染物在包氣帶土壤的運(yùn)移提供研究參數(shù)。
【專利說明】基于一維水平流的多段式包氣帶±壤水分?jǐn)U散度測定儀

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種包氣帶±壤水分?jǐn)U散度的測定裝置，具體地說是涉及一種基于一 維水平流的多段式包氣帶±壤水分?jǐn)U散度測定儀。

【背景技術(shù)】
[0002] 我國是農(nóng)業(yè)大國，如何保持農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展、提高水資源的有效利用率、確保水 ±和水與環(huán)境之間的平衡是亟待解決的問題，因此，研究±壤水分運(yùn)移特性和參數(shù)是農(nóng)業(yè) 可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。非飽和±壤水力擴(kuò)散度，又叫擴(kuò)散率或擴(kuò)散系數(shù)，是評(píng)價(jià)非飽和± 壤水分運(yùn)動(dòng)的一個(gè)重要指標(biāo)。對(duì)于地表水一±壤水一地下水轉(zhuǎn)化規(guī)律的研究、農(nóng)田±壤水 分預(yù)測預(yù)報(bào)、區(qū)域水鹽運(yùn)動(dòng)規(guī)律等研究，非飽和±壤水力擴(kuò)散度是一個(gè)必不可少的參數(shù)，其 值的大小對(duì)于計(jì)算結(jié)果有較大的影響；它是運(yùn)用±壤水動(dòng)力學(xué)基本原理建立±壤水運(yùn)動(dòng)的 數(shù)學(xué)模型，模擬不同降雨或灌觀強(qiáng)度下±壤含水量的一維空間分布、入滲、徑流過程和產(chǎn)流 總量W及溶質(zhì)運(yùn)動(dòng)、污染物遷移等水分運(yùn)動(dòng)過程研究中必不可少的重要參數(shù)。
[0003]目前，包氣帶±壤水分?jǐn)U散度多采用水平±柱法進(jìn)行測定，即依據(jù)±壤水分在較 長的（水平半無限邊界）均質(zhì)±柱中發(fā)生水平運(yùn)動(dòng)的情況進(jìn)行分析計(jì)算；還有采用2008年 中國公開的，專利號(hào)為200810018025. 9的"一種圓盤式非飽和±壤水分?jǐn)U散儀"。上述的水 平±柱法和圓盤式水分?jǐn)U散儀，兩者均使用的是化use和Klute(1956年）提出的水平±柱 法，即利用一個(gè)半無限長水平±柱吸滲實(shí)驗(yàn)，忽略重力作用，根據(jù)一維水平流動(dòng)的偏微分方 程和定解條件，引入Bohzmann變換后，將偏微分方程轉(zhuǎn)化為常微分方程，用解析法求得計(jì) 算公式，再由實(shí)驗(yàn)資料列表計(jì)算值。
[0004]但上述傳統(tǒng)的水平±柱和圓盤式非飽和±壤水分?jǐn)U散儀均無法同時(shí)滿足微分方 程的定解條件和方程的假定條件，即水平±柱為半無限長，且±壤質(zhì)地密度均一。要同時(shí)滿 足上述兩個(gè)條件，需要±柱直徑遠(yuǎn)小于±柱長度，且用于裝填±柱的小口徑管子還需要便 于±樣均一的裝填。但±柱直徑太小則會(huì)造成較強(qiáng)的邊壁效應(yīng)，無法視為一維水平流動(dòng)；而 若對(duì)于可W不考慮邊壁效應(yīng)±柱直徑，所需的±柱長度則會(huì)很長，一方面受±柱生產(chǎn)技術(shù) 的限制，±柱直徑無法無限加長，另一方面±柱變長后，按照傳統(tǒng)的裝樣方法，一般采用每 3cm±樣進(jìn)行人工巧實(shí)方法，該就導(dǎo)致在對(duì)一個(gè)很長的±柱進(jìn)行裝樣用力不均，從而使得± 壤質(zhì)地密度不均一。所述的圓盤式非飽和±壤水分?jǐn)U散儀的試驗(yàn)段長度為45cm，試樣段的 厚度為12cm，顯然無法滿足方程的定解條件，即±柱半無限長。由于上述原因，前人關(guān)于包 氣帶±壤水分?jǐn)U散度的測定裝置均無法滿足所依據(jù)的方程的定解條件和假定條件，所W測 得的包氣帶±壤水分?jǐn)U散度有較大誤差。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是為解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，而提供一種基于一維水平流的多 段式包氣帶±壤水分?jǐn)U散度測定儀，且測定儀既方便于±柱內(nèi)±樣的均一裝填，同時(shí)可W 根據(jù)±樣的性質(zhì)加長±柱的長度，并可排除邊壁效應(yīng)對(duì)測試結(jié)果的影響，即可W滿足包氣 帶±壤水分?jǐn)U散度微分方程的定解條件和假定條件，從而能準(zhǔn)確測定包氣帶±壤水分?jǐn)U散 度。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：提供一種基于一維水平流的多 段式包氣帶±壤水分?jǐn)U散度測定儀，包括供水裝置、水流緩沖裝置、多段式實(shí)驗(yàn)段和水分測 量裝置；所述的供水裝置設(shè)有馬氏瓶、水箱及控制閥A、控制閥B，馬氏瓶頂部通過橡皮塞插 有進(jìn)氣管，馬氏瓶下部設(shè)出水口與馬氏瓶出水管相連，馬氏瓶出水管上裝有控制閥B;水箱 安裝于比水室段高的位置，水箱出水口與水箱出水管相連，水箱出水管上裝有控制閥A，馬 氏瓶出水管和水箱出水管一端分別插在水室段前端的橡皮塞中；水箱用于向水室段提供定 量的水量，W保證馬氏瓶中的水量全部用W進(jìn)行±柱的水平入滲；
[0007]所述的水流緩沖裝置設(shè)有水室段和濾層段，采用兩段等徑的、兩端設(shè)有外螺紋的 圓管作為水室段和濾層段的外管，兩段圓管之間通過配套的帶有內(nèi)螺紋的連接管連接；在 濾層段兩端設(shè)有帶孔板，分別用于濾層段與前端的水室段、后端的±柱單元管隔開，帶孔板 在朝濾層段兩端內(nèi)側(cè)粘有致密紗網(wǎng)，濾層段中填充有石英砂；
[0008]所述的多段式實(shí)驗(yàn)段設(shè)有±柱單元管、連接管、外絲寶培接頭、固定蓋及支座；多 段式實(shí)驗(yàn)段由多個(gè)±柱單元管通過連接管連接而成，在每個(gè)±柱單元管距管兩端四分之一 處各鉆有安裝孔，在安裝孔中裝有外絲寶培接頭，固定蓋通過螺紋旋在外絲寶培接頭上，固 定蓋、外絲寶培接頭用于固定水分傳感器；在每個(gè)±柱單元管下安裝有與±柱單元管相配 的支座，支座上端帶有圓弧用于固定、支撐±柱單元管及消除重力勢的影響；±柱單元管用 于填裝實(shí)驗(yàn)的±壤；
[0009]所述的水分測量裝置由±壤水分傳感器、數(shù)據(jù)采集線及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成，每個(gè) ±柱單元管中安裝有兩個(gè)±壤水分傳感器，±壤水分傳感器通過數(shù)據(jù)采集線與數(shù)據(jù)處理系 統(tǒng)相連。
[0010] 所述的進(jìn)氣管插在馬氏瓶中，進(jìn)氣管下端伸至馬氏瓶下部出水口的中也水平位 置，使進(jìn)氣管下端、馬氏瓶出水口W及水室段的進(jìn)水口保持同一水平高度，用W消除壓力勢 對(duì)±壤水分?jǐn)U散的影響。
[0011] 所述的水室段、濾層段采用的圓管與多段式實(shí)驗(yàn)段的±柱單元管均為等徑的、兩 端設(shè)有外螺紋的圓管，均通過帶有內(nèi)螺紋的連接管連接。
[0012] 所述的多段式實(shí)驗(yàn)段的±柱單元管數(shù)根據(jù)±壤性質(zhì)及實(shí)驗(yàn)要求靈活增加，W滿足 包氣帶±壤水分?jǐn)U散測定水平±柱法所需要的半無限邊界條件。
[0013]所述的每個(gè)±柱單元管采用有機(jī)玻璃管制作，每個(gè)有機(jī)玻璃管長度18?24cm，W避免±柱單元管太長使±柱裝樣不均一，及保證±柱初始含水率和質(zhì)地均一。
[0014]所述的多段式實(shí)驗(yàn)段的±柱單元管裝±過程為；試樣±壤經(jīng)過風(fēng)干、磨細(xì)和通過 孔徑2mm的篩網(wǎng)過篩，試樣±壤分層填裝巧實(shí)，每層厚度3cm，為保持各層接觸緊密，層間做 抓毛處理；填裝完第一個(gè)±柱單元管后，用連接管連接另一個(gè)±柱單元管，繼續(xù)前面的裝填 步驟，依次裝填多個(gè)±柱單元管組成多段式實(shí)驗(yàn)段。
[0015]所述的供水過程為先打開與水箱相連的控制閥A，向水室段供水，當(dāng)水室段充滿 水，濾層段部分飽水時(shí)關(guān)閉控制閥A，再打開與馬氏瓶相連的控制閥B。
[0016]本發(fā)明的基于一維水平流的多段式包氣帶±壤水分?jǐn)U散度測定儀的工作原理如 下：
[0017] 本測定儀采用水平±柱法測定非飽和±壤水分?jǐn)U散度，按要求±柱的±壤質(zhì)地密 度均一、初始含水率相同、±柱進(jìn)水端水位恒定、壓力為零，即水分在±柱中水平吸滲運(yùn)動(dòng) 的主要?jiǎng)恿椤廊阑|(zhì)吸力。由于±柱管的直徑較小，因此忽略重力作用，視為一維水平流 動(dòng)。本測定儀通過連接管將多個(gè)±柱單元管連接起來，形成滿足包氣帶±壤水分?jǐn)U散度測 定所需的滿足半無限邊界和可裝填均一質(zhì)地±壤的的多段式實(shí)驗(yàn)段。其微分方程和定解條 件為：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于一維水平流的多段式包氣帶土壤水分?jǐn)U散度測定儀，包括供水裝置、水流 緩沖裝置、多段式實(shí)驗(yàn)段和水分測量裝置；其特征在于：所述的供水裝置設(shè)有馬氏瓶、水箱 及控制閥A、控制閥B，馬氏瓶頂部通過橡皮塞插有進(jìn)氣管，馬氏瓶下部設(shè)出水口與馬氏瓶 出水管相連，馬氏瓶出水管上裝有控制閥B ;水箱安裝于比水室段高的位置，水箱出水口與 水箱出水管相連，水箱出水管上裝有控制閥A,馬氏瓶出水管和水箱出水管一端分別插在水 室段前端的橡皮塞中；水箱用于向水室段提供定量的水量，以保證馬氏瓶中的水量全部用 以進(jìn)行土柱的水平入滲； 所述的水流緩沖裝置設(shè)有水室段和濾層段，采用兩段等徑的、兩端設(shè)有外螺紋的圓管 作為水室段和濾層段的外管，兩段圓管之間通過配套的帶有內(nèi)螺紋的連接管連接；在濾層 段兩端設(shè)有帶孔板，分別用于濾層段與前端的水室段、后端的土柱單元管隔開，帶孔板在朝 濾層段兩端內(nèi)側(cè)粘有致密紗網(wǎng)，濾層段中填充有石英砂； 所述的多段式實(shí)驗(yàn)段設(shè)有土柱單元管、連接管、外絲寶塔接頭、固定蓋及支座；多段式 實(shí)驗(yàn)段由多個(gè)土柱單元管通過連接管連接而成，在每個(gè)土柱單元管距管兩端四分之一處 各鉆有安裝孔，在安裝孔中裝有外絲寶塔接頭，固定蓋通過螺紋旋在外絲寶塔接頭上，固定 蓋、外絲寶塔接頭用于固定水分傳感器；在每個(gè)土柱單元管下安裝有與土柱單元管相配的 支座，支座上端帶有圓弧用于固定、支撐土柱單元管及消除重力勢的影響；土柱單元管用于 填裝實(shí)驗(yàn)的土壤； 所述的水分測量裝置由土壤水分傳感器、數(shù)據(jù)采集線及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成，每個(gè)土柱 單元管中安裝有兩個(gè)土壤水分傳感器，土壤水分傳感器通過數(shù)據(jù)采集線與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)相 連。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于一維水平流的多段式包氣帶土壤水分?jǐn)U散度測定儀，其 特征在于：所述的進(jìn)氣管插在馬氏瓶中，進(jìn)氣管下端伸至馬氏瓶下部出水口的中心水平位 置，使進(jìn)氣管下端、馬氏瓶出水口以及水室段的進(jìn)水口保持同一水平高度，用以消除壓力勢 對(duì)土壤水分?jǐn)U散的影響。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于一維水平流的多段式包氣帶土壤水分?jǐn)U散度測定儀，其 特征在于：所述的水室段、濾層段采用的圓管與多段式實(shí)驗(yàn)段的土柱單元管均為等徑的、兩 端設(shè)有外螺紋的圓管，均通過帶有內(nèi)螺紋的連接管連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于一維水平流的多段式包氣帶土壤水分?jǐn)U散度測定儀，其 特征在于：所述的多段式實(shí)驗(yàn)段的土柱單元管數(shù)根據(jù)土壤性質(zhì)及實(shí)驗(yàn)要求靈活增加，以滿 足包氣帶土壤水分?jǐn)U散測定水平土柱法所需要的半無限邊界條件。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于一維水平流的多段式包氣帶土壤水分?jǐn)U散度測定儀，其 特征在于：所述的每個(gè)土柱單元管采用有機(jī)玻璃管制作，每個(gè)有機(jī)玻璃管長度18?24cm， 以避免土柱單元管太長使土柱裝樣不均一，及保證土柱初始含水率和質(zhì)地均一。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于一維水平流的多段式包氣帶土壤水分?jǐn)U散度測定儀，其 特征在于：所述的多段式實(shí)驗(yàn)段的土柱單元管裝土過程為：試樣土壤經(jīng)過風(fēng)干、磨細(xì)和通 過孔徑2_的篩網(wǎng)過篩，試樣土壤分層填裝夯實(shí)，每層厚度3cm，為保持各層接觸緊密，層間 做抓毛處理；填裝完第一個(gè)土柱單元管后，用連接管連接另一個(gè)土柱單元管，繼續(xù)前面的裝 填步驟，依次裝填多個(gè)土柱單元管組成多段式實(shí)驗(yàn)段。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于一維水平流的多段式包氣帶土壤水分?jǐn)U散度測定儀，其 特征在于：所述的供水過程為先打開與水箱相連的控制閥A，向水室段供水，當(dāng)水室段充滿 水，濾層段部分飽水時(shí)關(guān)閉控制閥A，再打開與馬氏瓶相連的控制閥B。
【文檔編號(hào)】G01N13/00GK104359801SQ201410667320
【公開日】2015年2月18日 申請(qǐng)日期:2014年11月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月20日
【發(fā)明者】和澤康, 馬傳明, 匡恒, 張晶晶, 王好為 申請(qǐng)人:中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）