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環(huán)式入滲儀內(nèi)土壤水分入滲過程可視化試驗裝置和方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種環(huán)式入滲儀內(nèi)土壤水分入滲過程可視化試驗裝置和方法，本發(fā)明裝置包括：兩個半土槽，半土槽連接板，有機玻璃板，固定有機玻璃板和半土槽連接板的螺栓，固定兩個半土槽的螺栓，可剖分入滲環(huán)，入滲環(huán)連接板。本發(fā)明還公開了使用本發(fā)明裝置的方法。通過本發(fā)明能夠觀察到優(yōu)先流對整個土壤入滲過程的影響，為進一步研究環(huán)內(nèi)土壤水分入滲過程提供基礎，對分析環(huán)式入滲儀測量結果的準確性及提出消除優(yōu)先流影響的改進裝置提供有力依據(jù)。
【專利說明】環(huán)式入滲儀內(nèi)土壤水分入滲過程可視化試驗裝置和方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及土壤入滲特性測量領域，更具體涉及環(huán)式入滲儀內(nèi)土壤水分入滲過程 可視化試驗裝置和方法。

【背景技術】
[0002] 土壤入滲性能是指在給定的條件下土壤所具有的最大可能入滲率，是土壤的固有 屬性；與土壤侵蝕，水土流失，作物灌溉管理，溶質運移等方面密切相關。很多學者認為土壤 入滲性能的測量是土壤性質的指示器，因此出現(xiàn)眾多土壤入滲率測量方法，如雙環(huán)法、圓盤 入滲儀法、人工降雨法、降雨-入流-積水法、降雨-入流-產(chǎn)流法、線源入流測量方法等。 其中雙環(huán)入滲儀由于操作過程簡單、計算方法直觀和設備便宜等特點，是目前應用非常廣 泛也是很經(jīng)典的土壤入滲性能測量方法。雙環(huán)入滲儀，采用兩個同心圓環(huán)，用鐵錘將內(nèi)環(huán)和 外環(huán)同心地砸入地表10-15cm ;向內(nèi)外環(huán)同時供水并保證兩環(huán)內(nèi)水位相同。其中內(nèi)環(huán)為試 驗面積，外環(huán)供水滿足側向滲流，從而保證內(nèi)環(huán)中的水分入滲為垂直向下一維入滲，通過記 錄內(nèi)環(huán)一定時間內(nèi)入滲的水量，除以內(nèi)環(huán)面積，計算得到入滲率。大量研究結果表明環(huán)式入 滲儀測量結果是人工降雨法的2-10倍。而目前對環(huán)式入滲儀的研究主要集中在環(huán)內(nèi)變水 頭和常水頭對入滲結果的影響，雙環(huán)和單環(huán)測量結果的對比，環(huán)內(nèi)水頭、雙環(huán)直徑、緩沖指 數(shù)等對測量結果的影響，以上研究并未關注安裝環(huán)式入滲儀過程中產(chǎn)生的環(huán)壁和土壤間的 縫隙引起的優(yōu)先流對測量結果的影響。而這一問題在環(huán)式入滲儀安裝過程中普遍存在，并 且嚴重影響其測量結果的準確性；優(yōu)先流的存在可能造成環(huán)式入滲儀測定的初始入滲率是 真實值的3. 3倍。該結論是利用可剖分入滲環(huán)及打擊裝置，在初始入滲結束后通過剖切環(huán) 內(nèi)土體、觀測土壤剖面、并將測定結果與模擬真實值對比獲得的。但上述試驗方法無法分析 優(yōu)先流對土壤入滲過程的影響。在初始入滲結束后，優(yōu)先流是否存在及其對后續(xù)的入滲過 程產(chǎn)生怎樣的影響，目前尚不得而知。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] (一）要解決的技術問題
[0004] 本發(fā)明要解決的技術問題就是能夠觀察到優(yōu)先流對整個土壤入滲過程的影響，為 進一步研究環(huán)內(nèi)土壤水分入滲過程提供基礎，對分析環(huán)式入滲儀測量結果的準確性及提出 消除優(yōu)先流影響的改進裝置提供有力依據(jù)，而提供一套能夠顯示在優(yōu)先流影響下環(huán)式入滲 儀內(nèi)土壤水分入滲過程的可視化試驗裝置和方法。
[0005] (二）技術方案
[0006] 為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供了一種環(huán)式入滲儀內(nèi)土壤水分入滲過程的可 視化試驗裝置，該裝置包括：兩個半土槽，半土槽連接板，下部有機玻璃板，上部有機玻璃 板，固定有機玻璃板和半土槽連接板的螺栓，固定兩個所述半土槽的螺栓，可剖分入滲環(huán)， 入滲環(huán)連接板；每個所述半土槽兩邊均焊有半土槽連接板；兩個所述半土槽中，一者的下 部連接板用螺栓與所述下部有機玻璃板固定，將另一形狀和尺寸完全相同的半土槽與連接 下部有機玻璃板的半土槽用螺栓組裝成一個完整土槽，形成試驗中可拆分的入滲土槽，與 剖分入滲環(huán)構成入滲過程可視化的試驗裝置；所述可剖分入滲環(huán)的兩邊焊有入滲環(huán)連接 板，所述上部有機玻璃板封固于所述下部有機玻璃板上方的半土槽連接板和入滲環(huán)連接板 上。
[0007] 優(yōu)選地，所述半土槽內(nèi)部長、寬、高分別為30cm、50cm、75cm ;所述連接板長寬分別 為75cm，5cm，連接板上每隔7cm打有螺孔；下部有機玻璃板長寬分別為60cm、55cm，上部有 機玻璃板60cm、20cm。
[0008] 本發(fā)明還提供了一種環(huán)式入滲儀內(nèi)土壤水分入滲過程的可視化試驗裝置的使用 方法，該方法包括步驟：將兩個半土槽組裝成一個可拆分的入滲土槽；將入滲環(huán)剖分面放 置在半土槽連接板所處位置，砸入入滲環(huán)；用鋼板將入滲環(huán)內(nèi)的土壤沿徑向切分成兩部分， 移去半個入滲環(huán)及其中土壤；鏟出將要移出的半土槽中入滲環(huán)外土壤，移出半個土槽；在 硅膠條上打上玻璃膠粘貼在入滲環(huán)連接板上，防止入滲環(huán)連接板和上部有機玻璃板連接處 滲水；用上部有機玻璃板封閉和固定剩下半個入滲環(huán)內(nèi)的土壤，即形成半個入滲環(huán)內(nèi)及下 部土壤剖切面；用電子秤稱取一定量的水一次性加入入滲環(huán)內(nèi)，當入滲環(huán)內(nèi)水位下降到一 定值時再加一定量的水使水位上升，始終保持入滲環(huán)內(nèi)最低水位與最高水位為一固定值， 直至穩(wěn)滲；由秒表記錄水位每下降一定距離所用的入滲時間，根據(jù)供水量隨時間的變化過 程，由記錄得到的不同時刻環(huán)內(nèi)水位的變化過程，通過計算得到土壤的入滲性能。
[0009] 優(yōu)選地，所述用電子秤稱取的一定量的水為2kg;當所述入滲環(huán)內(nèi)水位下降到 1. 5cm水頭時所加一定量的水為1. 2kg，使水位上升到4cm，始終保持環(huán)內(nèi)最低水位1. 5cm， 最高水位4cm ;所述由秒表記錄水位每下降的一定距離為0. 5cm。
[0010] (三）有益效果
[0011] 本發(fā)明直接觀察在優(yōu)先流影響下入滲環(huán)內(nèi)土壤水分入滲過程的試驗裝置，配合相 應的使用方法，能夠直觀地顯示入滲環(huán)內(nèi)土壤水分真實的入滲過程及優(yōu)先流對環(huán)內(nèi)土壤水 分入滲過程的影響。該裝置首次將優(yōu)先流影響下環(huán)式入滲儀內(nèi)土壤水分入滲狀況可視化， 為進一步研究環(huán)內(nèi)土壤水分入滲過程試驗提供基礎，對分析環(huán)式入滲儀測量結果的準確性 及提出消除優(yōu)先流影響的改進裝置提供了有力的依據(jù)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn) 有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以 根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0013] 圖1是本發(fā)明裝置的半土槽示意圖；
[0014] 圖2是本發(fā)明裝置的完整土槽示意圖；
[0015] 圖3是本發(fā)明使用方法入滲環(huán)內(nèi)土壤濕潤特征第一入滲階段示意圖；
[0016] 圖4是本發(fā)明使用方法入滲環(huán)內(nèi)土壤濕潤特征第二入滲階段示意圖；
[0017] 圖5是本發(fā)明使用方法入滲環(huán)內(nèi)土壤濕潤特征第三入滲階段示意圖；
[0018] 圖6是土壤入滲性能隨時間的變化曲線，其中：（a)前30分鐘入滲過程， (b) 30-120分鐘入滲過程；
[0019] 圖中標記：1、半土槽，2、半土槽連接板，3固定有機玻璃板和半土槽連接板的螺 栓，4、下部有機玻璃板，5、固定兩個半土槽的螺栓，6、上部有機玻璃板，7、可剖分入滲環(huán)，8、 入滲環(huán)連接板。

【具體實施方式】
[0020] 下面結合附圖和實施例對本發(fā)明的實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用于 說明本發(fā)明，但不能用來限制本發(fā)明的范圍。
[0021] 如圖1和圖2所示，為獲得入滲環(huán)打擊入土后能夠觀察環(huán)內(nèi)土壤水分入滲過程，本 發(fā)明設計了一種可拆分的室內(nèi)試驗土槽裝置。該裝置由可以拆分的土槽和可剖分入滲環(huán)及 可以透視的有機玻璃板組成。當在土槽內(nèi)將入滲環(huán)打擊入土后，用鋼板將環(huán)內(nèi)的土壤沿徑 向切分成兩半后，移去其中一個半環(huán)及其中的土壤。用有機玻璃板封閉和固定剩下半環(huán)內(nèi) 的土壤，用于進行土壤水分入滲過程的可視化試驗，觀察環(huán)式入滲儀內(nèi)的水分運動過程。半 個土槽內(nèi)部長、寬、高分別為30cm、50cm、75cm，2個同樣的半土槽1(圖1)可以組裝成如圖 2所示的土槽。半土槽1的兩邊焊有半土槽連接板2 (5cmX 75cm)，半土槽連接板2上每隔 7cm打有螺孔。首先在一個半土槽1外邊的下部用螺栓固定長寬分別為60cmX55cm的下部 有機玻璃板4。然后再將另外一個半土槽1與連接下部有機玻璃板4的半土槽1組裝成一 個完整土槽，即形成試驗中可拆分的入滲土槽。這兩個半土槽形狀和尺寸完全相同。當剖 分入滲環(huán)7時，只需移出半個土槽和半個入滲環(huán)，并將上部有機玻璃板6封固于下部有機玻 璃板4上方的半槽連接板2和入滲環(huán)連接板8上，即能透過有機玻璃板顯示出入滲環(huán)內(nèi)部 及下部土壤剖面內(nèi)入滲水分的運動過程。
[0022] 本發(fā)明試驗裝置主要包括可剖分的入滲環(huán)及可拆分的如圖2所示的入滲土槽。供 試土壤為粉壤土（粘粒15 %，粉粒50. 2 %，砂粒34. 8 % )。在0. 5 X 0. 6 X 0. 75m的土槽內(nèi)， 裝土容重控制在1. 4g/cm3,初始含水量約為10 %，每5cm為一層分層裝入。試驗進行兩次 重復。
[0023] 本發(fā)明裝置實際操作過程如下：
[0024] 1.將兩個半土槽組裝成一個可拆分的入滲土槽；
[0025] 2.將入滲環(huán)剖分面放置在土槽連接板所處位置，砸入入滲環(huán)；
[0026] 3.用鋼板將環(huán)內(nèi)的土壤沿徑向切分成兩部分，移去一個半環(huán)及其中土壤；
[0027] 4.鏟出將要移出的半個土槽中入滲環(huán)外土壤，移出半個土槽；
[0028] 5.在硅膠條上打上玻璃膠粘貼在入滲環(huán)連接板上，上部有機玻璃板封固于下部有 機玻璃板上方的半土槽連接板和入滲環(huán)連接板上，防止入滲環(huán)連接板和有機玻璃板連接處 滲水；
[0029] 6.用有機玻璃板封閉和固定剩下半環(huán)內(nèi)的土壤，即形成半環(huán)內(nèi)及下部土壤剖切 面；
[0030] 7.用電子秤稱取2kg水一次性加入環(huán)內(nèi)，當環(huán)內(nèi)水位下降到1. 5cm水頭時加水 1. 2kg使水位上升到4cm，始終保持環(huán)內(nèi)最低水位1. 5cm，最高水位4cm，直至穩(wěn)滲；
[0031] 8.由秒表記錄水位每下降0.5cm所用的入滲時間，根據(jù)供水量隨時間的變化過 程，由記錄得到的不同時刻環(huán)內(nèi)水位的變化過程，計算得到土壤的入滲性能曲線。
[0032] 實驗結果分析：
[0033] 1.入滲水分在環(huán)內(nèi)土壤中運動過程的描述
[0034] 根據(jù)濕潤土體隨時間的變化特征，入滲過程可以劃分為三個階段，初始入滲階段、 過渡階段、穩(wěn)滲階段。
[0035] 1. 1初始入滲階段
[0036] 圖3清楚地顯示出，入滲環(huán)與土壤間的縫隙引起了優(yōu)先流。環(huán)內(nèi)水分的入滲包括 地表的入滲和側壁入滲兩部分。圖3顯示了優(yōu)先流影響下環(huán)內(nèi)土體入滲過程第一個階段即 初始入滲階段的特征。初次向入滲環(huán)內(nèi)加水后，水流迅速充滿環(huán)壁和土壤之間的縫隙并覆 蓋地表，形成垂直和徑向入滲，半環(huán)剖切面呈現(xiàn)出由地表向下和側壁向內(nèi)的濕潤狀況?？p隙 底部的水分以線源的形式進行入滲；剖切面上土壤濕潤特征是由地表向下和環(huán)壁向內(nèi)共同 濕潤環(huán)內(nèi)土體的結果，濕潤鋒為直線狀向前推進，在剖切面上顯示入滲環(huán)底部縫隙內(nèi)水分 以點源方式弧形向內(nèi)向外入滲。由于優(yōu)先流的影響，環(huán)內(nèi)水分真實的入滲體積由環(huán)內(nèi)土體 的上表面和側面入滲共同構成；側面入滲造成環(huán)式入滲儀測定的初始入滲率遠大于土壤的 真實初始入滲率。初始入滲階段，土壤入滲率主要由基質勢控制，重力作用相對很小，因此 垂直入滲深度和徑向入滲寬度近似相等。除底部兩側點源入滲外，垂直向下和徑向向內(nèi)的 濕潤鋒均以直線的方式向前推進，半環(huán)剖切面未濕潤面積為矩形（圖3)。該階段稱為初始 入滲階段，持續(xù)時間較短，大約為3min。
[0037] 1. 2過渡階段
[0038] 初始入滲階段過后，由于優(yōu)先流的作用，環(huán)壁和土壤之間縫隙內(nèi)的水分繼續(xù)產(chǎn)生 徑向入滲；此外由于土壤初始入滲率很大，垂直濕潤面積和水平徑向濕潤面積相互重疊部 分迅速增加，重疊部分為垂直和徑向入滲共同作用的區(qū)域，其入滲速率大于單項垂直和徑 向入滲速率，因此側壁重疊部分土壤的徑向入滲寬度大于底部土壤，垂直入滲深度大于位 于中間位置的土壤。濕潤鋒逐漸由直線變?yōu)榍€向前推移?？p隙底部的水分繼續(xù)以線源 的方式向環(huán)下部和側部土壤入滲，濕潤面積逐漸增大，此后進入第二個入滲階段，剖切面濕 潤形狀如圖4所示。隨著時間推移，土壤入滲率降低，重力對入滲的作用逐漸增大，入滲環(huán) 中間位置土壤的入滲深度逐漸大于環(huán)壁兩側土壤的徑向入滲寬度，濕潤鋒的彎曲度趨于平 緩。入滲繼續(xù)推進，當環(huán)內(nèi)土壤基本全部濕潤后，濕潤鋒逐漸由環(huán)內(nèi)部向環(huán)下部推進，剖切 面濕潤鋒形狀逐漸趨于水平，此時第二個入滲階段基本結束。第二階段承接著第一和第三 階段，稱為過渡階段。
[0039] 1. 3穩(wěn)滲階段
[0040] 當半環(huán)剖切面內(nèi)土壤全部濕潤后，入滲進入第三個階段，該階段濕潤面積形態(tài)特 征基本不再發(fā)生明顯變化。此階段，來自地表的垂直入滲和側壁縫隙側向入滲兩部分水分 匯集后，在重力勢的作用下向下入滲，進入到環(huán)下部土壤，形成垂直入滲，同時還會向入滲 環(huán)向下延長線的外側形成側滲，因此土壤的垂直入滲深度逐漸大于兩側土壤的垂直入滲深 度。此時剖面上土壤濕潤鋒逐漸呈現(xiàn)橢圓形狀，并以此形狀向前推進。在土壤入滲趨于穩(wěn) 定時，濕潤鋒推進速度和形狀也趨于穩(wěn)定，形成如圖5所示的濕潤狀況。
[0041] 與理想狀態(tài)（無側壁優(yōu)先流存在）垂直一維入滲相比，在優(yōu)先流影響下，環(huán)內(nèi)土體 更易達到充分飽和，此階段環(huán)下部土壤入滲是在有水壓的情況下進行，因此環(huán)式入滲儀測 得的穩(wěn)定入滲率也可能偏高。第三階段，土壤剖切面濕潤面積特征不再發(fā)生變化，因此稱為 穩(wěn)滲階段。
[0042] 2. 土壤入滲性能計算
[0043] 環(huán)式入滲儀土壤入滲率根據(jù)水量平衡進行計算，公式為：
[0044]

【權利要求】
1. 一種環(huán)式入滲儀內(nèi)土壤水分入滲過程可視化試驗裝置，其特征在于，該裝置包括： 兩個半土槽，半土槽連接板，下部有機玻璃板，上部有機玻璃板，固定有機玻璃板和半土槽 連接板的螺栓，固定兩個所述半土槽的螺栓，可剖分入滲環(huán)，入滲環(huán)連接板；每個所述半土 槽兩邊均焊有半土槽連接板；兩個所述半土槽中，一者的下部連接板用螺栓與所述下部有 機玻璃板固定，將另一形狀和尺寸完全相同的半土槽與連接下部有機玻璃板的半土槽用螺 栓組裝成一個完整土槽，形成試驗中可拆分的入滲土槽，與剖分入滲環(huán)構成入滲過程可視 化的試驗裝置；所述可剖分入滲環(huán)的兩邊焊有入滲環(huán)連接板，所述上部有機玻璃板封固于 所述下部有機玻璃板上方的半土槽連接板和入滲環(huán)連接板上。
2. 根據(jù)權利要求1的環(huán)式入滲儀內(nèi)土壤水分入滲過程可視化試驗裝置，其特征在于， 所述半土槽內(nèi)部長、寬、高分別為30cm、50cm、75cm ;所述連接板長寬分別為75cm，5cm，連接 板上每隔7cm打有螺孔；下部有機玻璃板長寬分別為60cm、55cm ;上部有機玻璃板長寬分別 為 60cm、20cm。
3. 使用權利要求1或2所述的環(huán)式入滲儀內(nèi)土壤水分入滲過程可視化試驗裝置的方 法，其特征在于，將兩個半土槽組裝成一個可拆分的入滲土槽；將入滲環(huán)剖分面放置在半土 槽連接板所處位置，砸入入滲環(huán)；用鋼板將入滲環(huán)內(nèi)的土壤沿徑向切分成兩部分，移去半個 入滲環(huán)及其中土壤；鏟出將要移出的半土槽中入滲環(huán)外土壤，移出半個土槽；在硅膠條上 打上玻璃膠粘貼在入滲環(huán)連接板上，防止入滲環(huán)連接板和上部有機玻璃板連接處滲水；用 上部有機玻璃板封閉和固定剩下半個入滲環(huán)內(nèi)的土壤，即形成半個入滲環(huán)內(nèi)及下部土壤剖 切面；用電子秤稱取一定量的水一次性加入入滲環(huán)內(nèi)，當入滲環(huán)內(nèi)水位下降到一定值時再 加一定量的水使水位上升，始終保持入滲環(huán)內(nèi)最低水位與最高水位為一固定值，直至穩(wěn)滲； 由秒表記錄水位每下降一定距離所用的入滲時間，根據(jù)供水量隨時間的變化過程，由記錄 得到的不同時刻環(huán)內(nèi)水位的變化過程，通過計算得到土壤的入滲性能。
4. 根據(jù)權利要求3所述的使用環(huán)式入滲儀內(nèi)土壤水分入滲過程可視化試驗裝置的 方法，其特征在于，所述用電子秤稱取的一定量的水為2kg;當所述入滲環(huán)內(nèi)水位下降到 1. 5cm水頭時所加一定量的水為1. 2kg，使水位上升到4cm，始終保持環(huán)內(nèi)最低水位1. 5cm， 最高水位4cm ;所述由秒表記錄水位每下降的一定距離為0. 5cm。
【文檔編號】G01N15/08GK104142291SQ201410314804
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年7月3日 優(yōu)先權日:2014年7月3日
【發(fā)明者】雷廷武, 張婧, 胡雅琪, 殷哲 申請人:中國農(nóng)業(yè)大學