基于一维水平流的多段式包气带土壤水分扩散度测定仪的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于一维水平流的多段式包气带水分扩散度测定仪，包括供水装置、水流缓冲装置、多段式实验段和水分测量装置。本发明是通过连接管将多个土柱单元管连接，形成满足包气带水分扩散度测定所需的半无限边界和可装填均一质地土壤的多段式实验段。本发明可根据土样的性质加长土柱的长度，满足包气带土壤水分扩散度测定方程的半无限长边界定解条件。本发明采用多个土柱单元管的结构方便土样的装填，满足包气带土壤水分扩散度测定方程土壤质地均一的假定条件，且排除了边壁效应对测试结果的影响。本测定仪结构简单，使用方便，误差小，可用于测定包气带水分扩散度，为土壤改良、污染物在包气带土壤的运移提供研究参数。
【专利说明】基于一维水平流的多段式包气带±壤水分扩散度测定仪
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种包气带±壤水分扩散度的测定装置，具体地说是涉及一种基于一 维水平流的多段式包气带±壤水分扩散度测定仪。
【背景技术】
[0002] 我国是农业大国，如何保持农业的可持续发展、提高水资源的有效利用率、确保水 ±和水与环境之间的平衡是亟待解决的问题，因此，研究±壤水分运移特性和参数是农业 可持续发展的关键因素。非饱和±壤水力扩散度，又叫扩散率或扩散系数，是评价非饱和± 壤水分运动的一个重要指标。对于地表水一±壤水一地下水转化规律的研究、农田±壤水 分预测预报、区域水盐运动规律等研究，非饱和±壤水力扩散度是一个必不可少的参数，其 值的大小对于计算结果有较大的影响；它是运用±壤水动力学基本原理建立±壤水运动的 数学模型，模拟不同降雨或灌觀强度下±壤含水量的一维空间分布、入渗、径流过程和产流 总量W及溶质运动、污染物迁移等水分运动过程研究中必不可少的重要参数。
[0003]目前，包气带±壤水分扩散度多采用水平±柱法进行测定，即依据±壤水分在较 长的（水平半无限边界）均质±柱中发生水平运动的情况进行分析计算；还有采用2008年 中国公开的，专利号为200810018025. 9的"一种圆盘式非饱和±壤水分扩散仪"。上述的水 平±柱法和圆盘式水分扩散仪，两者均使用的是化use和Klute(1956年）提出的水平±柱 法，即利用一个半无限长水平±柱吸渗实验，忽略重力作用，根据一维水平流动的偏微分方 程和定解条件，引入Bohzmann变换后，将偏微分方程转化为常微分方程，用解析法求得计 算公式，再由实验资料列表计算值。
[0004]但上述传统的水平±柱和圆盘式非饱和±壤水分扩散仪均无法同时满足微分方 程的定解条件和方程的假定条件，即水平±柱为半无限长，且±壤质地密度均一。要同时满 足上述两个条件，需要±柱直径远小于±柱长度，且用于装填±柱的小口径管子还需要便 于±样均一的装填。但±柱直径太小则会造成较强的边壁效应，无法视为一维水平流动；而 若对于可W不考虑边壁效应±柱直径，所需的±柱长度则会很长，一方面受±柱生产技术 的限制，±柱直径无法无限加长，另一方面±柱变长后，按照传统的装样方法，一般采用每 3cm±样进行人工巧实方法，该就导致在对一个很长的±柱进行装样用力不均，从而使得± 壤质地密度不均一。所述的圆盘式非饱和±壤水分扩散仪的试验段长度为45cm，试样段的 厚度为12cm，显然无法满足方程的定解条件，即±柱半无限长。由于上述原因，前人关于包 气带±壤水分扩散度的测定装置均无法满足所依据的方程的定解条件和假定条件，所W测 得的包气带±壤水分扩散度有较大误差。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是为解决了现有技术存在的问题，而提供一种基于一维水平流的多 段式包气带±壤水分扩散度测定仪，且测定仪既方便于±柱内±样的均一装填，同时可W 根据±样的性质加长±柱的长度，并可排除边壁效应对测试结果的影响，即可W满足包气 带±壤水分扩散度微分方程的定解条件和假定条件，从而能准确测定包气带±壤水分扩散 度。
[0006]为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：提供一种基于一维水平流的多 段式包气带±壤水分扩散度测定仪，包括供水装置、水流缓冲装置、多段式实验段和水分测 量装置；所述的供水装置设有马氏瓶、水箱及控制阀A、控制阀B，马氏瓶顶部通过橡皮塞插 有进气管，马氏瓶下部设出水口与马氏瓶出水管相连，马氏瓶出水管上装有控制阀B;水箱 安装于比水室段高的位置，水箱出水口与水箱出水管相连，水箱出水管上装有控制阀A，马 氏瓶出水管和水箱出水管一端分别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保证马氏瓶中的水量全部用W进行±柱的水平入渗；
[0007]所述的水流缓冲装置设有水室段和滤层段，采用两段等径的、两端设有外螺纹的 圆管作为水室段和滤层段的外管，两段圆管之间通过配套的带有内螺纹的连接管连接；在 滤层段两端设有带孔板，分别用于滤层段与前端的水室段、后端的±柱单元管隔开，带孔板 在朝滤层段两端内侧粘有致密纱网，滤层段中填充有石英砂；
[0008]所述的多段式实验段设有±柱单元管、连接管、外丝宝培接头、固定盖及支座；多 段式实验段由多个±柱单元管通过连接管连接而成，在每个±柱单元管距管两端四分之一 处各钻有安装孔，在安装孔中装有外丝宝培接头，固定盖通过螺纹旋在外丝宝培接头上，固 定盖、外丝宝培接头用于固定水分传感器；在每个±柱单元管下安装有与±柱单元管相配 的支座，支座上端带有圆弧用于固定、支撑±柱单元管及消除重力势的影响；±柱单元管用 于填装实验的±壤；
[0009]所述的水分测量装置由±壤水分传感器、数据采集线及数据处理系统组成，每个 ±柱单元管中安装有两个±壤水分传感器，±壤水分传感器通过数据采集线与数据处理系 统相连。
[0010] 所述的进气管插在马氏瓶中，进气管下端伸至马氏瓶下部出水口的中也水平位 置，使进气管下端、马氏瓶出水口W及水室段的进水口保持同一水平高度，用W消除压力势 对±壤水分扩散的影响。
[0011] 所述的水室段、滤层段采用的圆管与多段式实验段的±柱单元管均为等径的、两 端设有外螺纹的圆管，均通过带有内螺纹的连接管连接。
[0012] 所述的多段式实验段的±柱单元管数根据±壤性质及实验要求灵活增加，W满足 包气带±壤水分扩散测定水平±柱法所需要的半无限边界条件。
[0013]所述的每个±柱单元管采用有机玻璃管制作，每个有机玻璃管长度18?24cm，W避免±柱单元管太长使±柱装样不均一，及保证±柱初始含水率和质地均一。
[0014]所述的多段式实验段的±柱单元管装±过程为；试样±壤经过风干、磨细和通过 孔径2mm的筛网过筛，试样±壤分层填装巧实，每层厚度3cm，为保持各层接触紧密，层间做 抓毛处理；填装完第一个±柱单元管后，用连接管连接另一个±柱单元管，继续前面的装填 步骤，依次装填多个±柱单元管组成多段式实验段。
[0015]所述的供水过程为先打开与水箱相连的控制阀A，向水室段供水，当水室段充满 水，滤层段部分饱水时关闭控制阀A，再打开与马氏瓶相连的控制阀B。
[0016]本发明的基于一维水平流的多段式包气带±壤水分扩散度测定仪的工作原理如 下：
[0017] 本测定仪采用水平±柱法测定非饱和±壤水分扩散度，按要求±柱的±壤质地密 度均一、初始含水率相同、±柱进水端水位恒定、压力为零，即水分在±柱中水平吸渗运动 的主要动力为±壤基质吸力。由于±柱管的直径较小，因此忽略重力作用，视为一维水平流 动。本测定仪通过连接管将多个±柱单元管连接起来，形成满足包气带±壤水分扩散度测 定所需的满足半无限边界和可装填均一质地±壤的的多段式实验段。其微分方程和定解条 件为：
【权利要求】
1. 一种基于一维水平流的多段式包气带土壤水分扩散度测定仪，包括供水装置、水流 缓冲装置、多段式实验段和水分测量装置；其特征在于：所述的供水装置设有马氏瓶、水箱 及控制阀A、控制阀B，马氏瓶顶部通过橡皮塞插有进气管，马氏瓶下部设出水口与马氏瓶 出水管相连，马氏瓶出水管上装有控制阀B ;水箱安装于比水室段高的位置，水箱出水口与 水箱出水管相连，水箱出水管上装有控制阀A,马氏瓶出水管和水箱出水管一端分别插在水 室段前端的橡皮塞中；水箱用于向水室段提供定量的水量，以保证马氏瓶中的水量全部用 以进行土柱的水平入渗； 所述的水流缓冲装置设有水室段和滤层段，采用两段等径的、两端设有外螺纹的圆管 作为水室段和滤层段的外管，两段圆管之间通过配套的带有内螺纹的连接管连接；在滤层 段两端设有带孔板，分别用于滤层段与前端的水室段、后端的土柱单元管隔开，带孔板在朝 滤层段两端内侧粘有致密纱网，滤层段中填充有石英砂； 所述的多段式实验段设有土柱单元管、连接管、外丝宝塔接头、固定盖及支座；多段式 实验段由多个土柱单元管通过连接管连接而成，在每个土柱单元管距管两端四分之一处 各钻有安装孔，在安装孔中装有外丝宝塔接头，固定盖通过螺纹旋在外丝宝塔接头上，固定 盖、外丝宝塔接头用于固定水分传感器；在每个土柱单元管下安装有与土柱单元管相配的 支座，支座上端带有圆弧用于固定、支撑土柱单元管及消除重力势的影响；土柱单元管用于 填装实验的土壤； 所述的水分测量装置由土壤水分传感器、数据采集线及数据处理系统组成，每个土柱 单元管中安装有两个土壤水分传感器，土壤水分传感器通过数据采集线与数据处理系统相 连。
2. 根据权利要求1所述的基于一维水平流的多段式包气带土壤水分扩散度测定仪，其 特征在于：所述的进气管插在马氏瓶中，进气管下端伸至马氏瓶下部出水口的中心水平位 置，使进气管下端、马氏瓶出水口以及水室段的进水口保持同一水平高度，用以消除压力势 对土壤水分扩散的影响。
3. 根据权利要求1所述的基于一维水平流的多段式包气带土壤水分扩散度测定仪，其 特征在于：所述的水室段、滤层段采用的圆管与多段式实验段的土柱单元管均为等径的、两 端设有外螺纹的圆管，均通过带有内螺纹的连接管连接。
4. 根据权利要求1所述的基于一维水平流的多段式包气带土壤水分扩散度测定仪，其 特征在于：所述的多段式实验段的土柱单元管数根据土壤性质及实验要求灵活增加，以满 足包气带土壤水分扩散测定水平土柱法所需要的半无限边界条件。
5. 根据权利要求1所述的基于一维水平流的多段式包气带土壤水分扩散度测定仪，其 特征在于：所述的每个土柱单元管采用有机玻璃管制作，每个有机玻璃管长度18?24cm， 以避免土柱单元管太长使土柱装样不均一，及保证土柱初始含水率和质地均一。
6. 根据权利要求1所述的基于一维水平流的多段式包气带土壤水分扩散度测定仪，其 特征在于：所述的多段式实验段的土柱单元管装土过程为：试样土壤经过风干、磨细和通 过孔径2_的筛网过筛，试样土壤分层填装夯实，每层厚度3cm，为保持各层接触紧密，层间 做抓毛处理；填装完第一个土柱单元管后，用连接管连接另一个土柱单元管，继续前面的装 填步骤，依次装填多个土柱单元管组成多段式实验段。
7. 根据权利要求1所述的基于一维水平流的多段式包气带土壤水分扩散度测定仪，其 特征在于：所述的供水过程为先打开与水箱相连的控制阀A，向水室段供水，当水室段充满 水，滤层段部分饱水时关闭控制阀A，再打开与马氏瓶相连的控制阀B。
【文档编号】G01N13/00GK104359801SQ201410667320
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年11月20日 优先权日:2014年11月20日
【发明者】和泽康, 马传明, 匡恒, 张晶晶, 王好为 申请人:中国地质大学（武汉）