[發明專利]基于一維水平流的多段式包氣帶土壤水分擴散度測定儀

在審

• 申請號: 201410667320.2
• 申請日: 2014-11-20
• 公開（公告）號: CN104359801A
• 公開（公告）日: 2015-02-18
• 發明（設計）人: 和澤康;馬傳明;匡恒;張晶晶;王好為
• 申請（專利權）人: 中國地質大學（武漢）
• 主分類號: G01N13/00
• 分類號: G01N13/00
• 代理公司: 武漢華旭知識產權事務所 42214
• 代理人: 江釗芳

技術領域

本發明涉及一種包氣帶土壤水分擴散度的測定裝置，具體地說是涉及一種基于一維水平流的多段式包氣帶土壤水分擴散度測定儀。

背景技術

我國是農業大國，如何保持農業的可持續發展、提高水資源的有效利用率、確保水土和水與環境之間的平衡是亟待解決的問題，因此，研究土壤水分運移特性和參數是農業可持續發展的關鍵因素。非飽和土壤水力擴散度，又叫擴散率或擴散系數，是評價非飽和土壤水分運動的—個重要指標。對于地表水一土壤水—地下水轉化規律的研究、農田土壤水分預測預報、區域水鹽運動規律等研究，非飽和土壤水力擴散度是一個必不可少的參數，其值的大小對于計算結果有較大的影響；它是運用土壤水動力學基本原理建立土壤水運動的數學模型，模擬不同降雨或灌溉強度下土壤含水量的一維空間分布、入滲、徑流過程和產流總量以及溶質運動、污染物遷移等水分運動過程研究中必不可少的重要參數。

目前，包氣帶土壤水分擴散度多采用水平土柱法進行測定，即依據土壤水分在較長的(水平半無限邊界)均質土柱中發生水平運動的情況進行分析計算；還有采用2008年中國公開的，專利號為200810018025.9的“一種圓盤式非飽和土壤水分擴散儀”。上述的水平土柱法和圓盤式水分擴散儀，兩者均使用的是Bruse和Klute(1956年)提出的水平土柱法，即利用一個半無限長水平土柱吸滲實驗，忽略重力作用，根據一維水平流動的偏微分方程和定解條件，引入Bohzmann變換后，將偏微分方程轉化為常微分方程，用解析法求得計算公式，再由實驗資料列表計算值。

但上述傳統的水平土柱和圓盤式非飽和土壤水分擴散儀均無法同時滿足微分方程的定解條件和方程的假定條件，即水平土柱為半無限長，且土壤質地密度均一。要同時滿足上述兩個條件，需要土柱直徑遠小于土柱長度，且用于裝填土柱的小口徑管子還需要便于土樣均一的裝填。但土柱直徑太小則會造成較強的邊壁效應，無法視為一維水平流動；而若對于可以不考慮邊壁效應土柱直徑，所需的土柱長度則會很長，一方面受土柱生產技術的限制，土柱直徑無法無限加長，另一方面土柱變長后，按照傳統的裝樣方法，一般采用每3cm土樣進行人工夯實方法，這就導致在對一個很長的土柱進行裝樣用力不均，從而使得土壤質地密度不均一。所述的圓盤式非飽和土壤水分擴散儀的試驗段長度為45cm，試樣段的厚度為12cm，顯然無法滿足方程的定解條件，即土柱半無限長。由于上述原因，前人關于包氣帶土壤水分擴散度的測定裝置均無法滿足所依據的方程的定解條件和假定條件，所以測得的包氣帶土壤水分擴散度有較大誤差。

發明內容

本發明的目的是為解決了現有技術存在的問題，而提供一種基于一維水平流的多段式包氣帶土壤水分擴散度測定儀，且測定儀既方便于土柱內土樣的均一裝填，同時可以根據土樣的性質加長土柱的長度，并可排除邊壁效應對測試結果的影響，即可以滿足包氣帶土壤水分擴散度微分方程的定解條件和假定條件，從而能準確測定包氣帶土壤水分擴散度。

為了實現上述目的，本發明所采用的技術方案為：提供一種基于一維水平流的多段式包氣帶土壤水分擴散度測定儀，包括供水裝置、水流緩沖裝置、多段式實驗段和水分測量裝置；所述的供水裝置設有馬氏瓶、水箱及控制閥A、控制閥B，馬氏瓶頂部通過橡皮塞插有進氣管，馬氏瓶下部設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行土柱的水平入滲；

所述的水流緩沖裝置設有水室段和濾層段，采用兩段等徑的、兩端設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螺紋的連接管連接；在濾層段兩端設有帶孔板，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側粘有致密紗網，濾層段中填充有石英砂；

所述的多段式實驗段設有土柱單元管、連接管、外絲寶塔接頭、固定蓋及支座；多段式實驗段由多個土柱單元管通過連接管連接而成，在每個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驗的土壤；