一种大埋深土壤水动力特征参数测量系统和方法与流程

本发明涉及一种大埋深土壤水动力特征参数测量系统和方法，是一种土壤水文测量仪器和方法，是一种对土壤的物理特征参数和水动力参数进行测量的系统和方法。

背景技术：

在土壤水文技术领域，经常需要进行土壤取样以进行土壤水文过程等相关研究。例如，对于研究土壤水文过程而言，土壤物理参数及其水动力特征参数是重要依据。为了获取土壤物理参数及其水动力特征参数，一般采用原状土取样，实验室测定的方式获得。土壤是由固态的土壤颗粒、空隙间的水和空隙等构成的多相介质构成的，由于土壤构成物质的特性不同，一般的土壤在含水量增加的过程中会膨胀，而在失水的过程中会收缩。但是对于埋深较大的土壤，由于深度的增加，土壤受到的土压力也会相应增大，进而使得土壤的水分传输过程中的结构调整受限，从而反过来影响土壤的水分传导等土壤水分特性。因此，为了保证测定的土壤物理参数及其水动力特征参数的准确性，那么在对土壤进行测量的过程中，需要保证采样得到的土壤样品仍然可以维持在相应深度位置时的状态。

现有的大埋深土壤渗透系数和水分扩散系数测定方法也无法及时有效地对土壤样品进行加压处理，使土壤样品恢复为大埋深时的状态，进而使测得的土壤渗透系数和水分扩散系数等准确度降低。

技术实现要素：

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种大埋深土壤水动力特征参数测量系统和方法。所述的系统和方法利用双层水箱模拟地下大埋深的土壤环境，对土壤的物理参数和水动力特征参数进行测量。

本发明的目的是这样实现的：一种大埋深土壤水动力特征参数测量系统，包括：由刚性材料构成的带有自动恒压加压设施的外层箱体，所述的外层箱体内设置至少一个侧壁由弹性材料构成的样品室，所述的样品室底部固定在外层箱体的底部，并设有能够装入土壤样品的样品口，所述的样品口上设有密封盖，所述密封盖上设置与水气加压设施连接的进水气口，所述的样品室顶部设有出水气管，所述的样品室顶部处于能够上下浮动的悬浮状态，所述的样品室内土壤样品的顶端和底端分别设置透水石。

进一步的，所述的自动恒压加压设施包括设在外层水箱内的水压传感器，所述外层水箱顶部连接有水压传感器控制的增压水泵，所述外层水箱底部设有水压传感器控制的泄压阀。

进一步的，所述的外层水箱上设有观察设施。

进一步的，所述的样品室侧壁设有变形传感器。

进一步的，所述的变形传感器包括周向变形传感器和轴向变形传感器。

进一步的，所述的样品室中设有称重传感器和干燥度传感器。

进一步的，所述的水气加压设施包括带有注水阀和流量计的虹吸管，以及与所述虹吸管连接的高位储水箱，所述的高位储水箱底部的高度超过样品室顶部的高度。

进一步的，所述的样品室顶部和底部分别设有散水设施。

进一步的，所述的样品室的进水气口连接加热送风器，所述的出水气管连接抽气泵。

一种使用上述系统的大埋深土壤水动力特征参数测量方法，所述方法的步骤如下：

步骤1，获取土壤样品：在研究区域野外现场取得土壤样品，并测得土壤样品在原位的深度、重量、温度、湿度；

步骤2，装入土壤样品：将土壤样品从样品室底部装入样品室中，盖紧密封盖，这时将样品室侧壁的周向变形传感器和轴向变形传感器设置为零，同时通过称重传感器校对样品重量；

步骤3，加压：根据野外取得土壤样品的环境计算土壤样品在原位所受到的压力，启动加压设施在外层水箱中注水并达到计算得到的压力，以此模拟土壤样品在原位所受到的压力，这时记录样品室侧壁的变形量，包括周向变形量和轴向变形量；

步骤4，注水：开启注水阀，对土壤样品注水，直至出水气管有水流流出，这时土壤样品饱和，关闭注水阀，记录土壤样品饱和的周向变形量和轴向变形量，以及土壤样品饱和时重量和注水量；

步骤5，干燥：启动加热送风器和抽气泵，利用热空气的热量使土壤样品中的水分蒸发，观察干燥度传感器，直至土壤样品完全干燥，在送入热空气的同时根据土壤样品的干燥度逐渐调低外侧水箱中的水压；待土壤样品干燥后，记录样品室侧壁的变形量，同时记录土壤样品的重量，并通过饱和与干燥两种状态所测得的数值，计算大埋深条件下的土壤其他物理参数及其水动力特征参数。

本发明产生的有益效果是：本发明利用外层水箱，模拟土壤样品在自然环境下大埋深的状态，并在这种模拟状态下测量土壤样品的饱和与干燥状态两种状态的各种土壤参数，最终获得在大埋深状态下的各种物理参数及其水动力特征参数。所述的系统结构简单，能够实现完全的自动化测量，大大减少了人工的干预，提高了测量精度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的实施例一所述系统的结构示意图；

图2是本发明的实施例二所述带有自动恒压加压设施的系统结构示意图；

图3是本发明的实施例五所述的样品室侧壁的变形传感器结构示意图；

图4是本发明的实施例七所述的水气加压设施结构示意图；

图5是本发明的实施例八所述的样品室扩散和收集设施的结构示意图；

图6是本发明的实施例九所述带有加热设施的样品室结构示意图；

图7是本发明的实施例十所述的方法的流程图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种大埋深土壤水动力特征参数测量系统，如图1所示。本实施例包括：由刚性材料构成的带有自动恒压加压设施1的外层箱体2，所述的外层箱体内设置至少一个侧壁301由弹性材料构成的样品室3，所述的样品室底部302固定在外层箱体的底部，并设有能够装入土壤样品的样品口，所述的样品口上设有密封盖303，所述密封盖上设置与水气加压设施4连接的进水气口，所述的样品室顶部304设有出水气管5，所述的样品室顶部处于能够上下浮动的悬浮状态，所述的样品室内土壤样品6的顶端和底端分别设置透水石305、306。

本实施例的基本思路是：利用外层水箱模拟土壤中的压力，对样品室中的土壤样品产生压力，由于在土层中的土壤所受到的压力来自多个方向，即来自四周围和顶部，只有底部是对下面的土壤层产生压力，因此可以忽略不计，因此将整个样品室放在外层水箱的底部，让水压从上方以及四周围对样品室产生压力，这样就可以很好的模拟土壤样品在实际中的真实受压状态。

由此可以看出，外层水箱必须由刚性材料构成，并必须具有一定的强度，能够抵抗一定的水压，可以使用钢材或其他金属材料。为了观察方便，可以在外层水箱上设置观察窗，或者使用针孔摄像头等设施对样品室的膨胀伸缩情况进行观察。

为使外层水箱内产生实验所需要的压力，本实施例设置了自动恒压加压设施。自动恒压加压设施的作用主要是利用外部的水压使外层水箱内产生恒定的压力。自动恒压加压设施可以有多种形式，例如利用高位水箱中稳定的水位所产生的恒压，或者利用水泵和自动控制系统外层水箱中的水压进行自动控制等。外层水箱的外形可以是立方体或圆柱形、球型等各种形状，但作为低压压力容器，为方便制造，圆柱体是最为现实的设计。

样品室是本实施例的关键要素，是主要进行实验的设施。为测定土壤样品在饱和状态和干燥状态的各种参数，样品室中设置了各种传感器，对土壤样品进行观察和测量。

在一个外层水箱内可以安装多个样品室，这样可以对多个土壤样品同时进行观测，以提高工作效率。

为测量土壤样品的膨胀，本实施例所述的样品室的侧壁使用了带有弹性的柔性材料，样品室的端部和底部还是刚性材料构成，这样样品室可以在两个维度上变形，即在轴向上变形和在外圆周方向（周向）上变形。在这里需要说明的是，样品室的外形是圆柱体，这是因为土壤样品的形状由于取样的方式是钻孔取样，因此土壤样品都是圆柱体，为了适应土壤样品的形状，样品室的形状也采用圆柱体。

样品室的下端固定在外层水箱的底部，由于样品室的侧壁是具有弹性的柔性材料，所以样品室的顶部处于悬浮状态，可以随着土壤样品的膨胀上下伸缩，同时由于是弹性材料，土壤样品在膨胀时，直径增大（外圆周膨胀），样品室的侧壁也随之增大。

为将土壤样品装入样品室中，在样品室的底部开设了样品口。样品口用密封盖封严，由于要承受较大的压力，因此密封盖必须有多道密封措施，同时采用压力容器的规范密封方法进行紧固。

样品室的顶部也是刚性的，当土壤样品放入样品室时，土壤样品将样品室的顶部拱起。样品室的顶部的直径应大于土壤样品的直径，以便留出土壤样品膨胀的空间。在土壤样品放入样品室的时候，由于外层水箱还没有加压，所以样品室的弹性侧壁还没有包裹在样品周围，或松散的包裹在土壤样品上。这时弹性侧壁处于一种没有外部压力的相对静止状态。

当土壤样品膨胀时原则上是向各个方向上膨胀，但在实际测量时可以将在任何方向的膨胀简化为圆柱体的轴线伸长和外圆周的周向延伸，所谓周向延伸实际是土壤样品各个径向的增加，这样使用两个方向的变形传感器即可以测得整个土壤样品在各个方向上的膨胀了。

变形传感也有多种方案，即可以采用刻度尺的方式进行直接测量，也可以采用电阻片变形传感器或半导体变形传感器等方式。

为测量土壤样品在饱和状态下膨胀（在有外部压力状态下的饱和膨胀），必须将土壤样品处于饱和状态，本实施例采取了在样品室底部设置进水气口，在顶部设置出水气管。进水气口引入一定压力的水气混合物，使水分逐渐进行土壤样品中，并逐渐渗透直至出水气管中出现水流，这时土壤样品就处于饱和状态了。

水气加压设施的作用是将混合了空气的水分产生一定的压力，从底部注入土壤样品中水气加压设施可以有多种形式，如采用虹吸管的方式将一定高度储水箱中的水体引入样品室中，也可以采用恒压水泵或蠕动泵的方式注入土壤样品中。

由于进水气口和出水气管都是一种点状体，水流在渗入和析出土壤样品时最好能够产生扩散或聚集效果，以便适应进水气口和出水气管的点状体状态，因此，在进水气口可以设置扩散设施，在出水气管设置聚集设施。

测量土壤样品饱和后的各种参数之后，还要测量土壤样品完全干燥后的各种参数，为此，可以在样品室的进水气口连接加热送风器，以便对样品室送入热空气，烘烤土壤样品，同时在出水气管连接加热送风器，使样品室产生负压，以利于烘烤土壤样品的热空气能够顺利的离开样品室。这时可以将土壤样品看作一个透气板，加热送风器和抽气泵促成样品内室形成热空气在土壤样品中流动的动力，热空气能够从土壤的缝隙中通过，对土壤样品进行烘烤，使土壤中的水分逐渐脱离土壤随热空气流走，最终将整个土壤样品烤干。在烤干的过程中，外层水箱中的水压也起到将土壤样品中的水挤出的作用，能够加速土壤样品的干燥过程，以模拟真实的土壤干燥过程。

为了检测土壤样品在饱和以及干燥状态下的重量变化，可以在样品室中设置称重传感器。排出压力和系统中的其他重量，称重传感器可以精确的测量在饱和及干燥状态下的土壤样品重量。

为了解土壤样品的干燥程度，可以在样品室中设施干燥度传感器。通过干燥度传感器控制干燥过程，实现自动化检测。

为保持土壤样品的完整，避免在饱和过程中松散变形，可以在土壤样品的顶部和底部设置透水石，由于样品室的外侧是弹性材料，当土壤样品放入样品室后，样品室的侧壁略微伸长，利用样品室侧壁的弹性产生的压力，土壤样品被上下的透水石夹持。样品室的外侧不能有过大的伸缩产生较大的压力，避免土壤样品被夹持变形。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于自动恒压加压设施的细化。本实施例所述的自动恒压加压设施包括设在外层水箱内的水压传感器101，所述外层水箱顶部连接有水压传感器控制的增压水泵102，所述外层水箱底部设有由水压传感器控制的泄压阀103，如图2所示。

本实施例有一个相对简单的控制过程：增压水泵向外层水箱中输水，当外层水箱中的水压达到预定值时，增压水泵停止向外层水箱输水。当外层水箱中的水压压力过大时，打开泄压阀泄压，当外层水箱中的压力不足时打开增压泵增压。由于需要高精度的恒压控制，可以采用单片机配合变频水泵以维持高精度的恒压。

这个控制过程可以使用压力传感器之间实现，也可以通过简单的逻辑电路实现，为实现精确的控制可以使用单片机等复杂的控制系统。

所述的压力传感器可以是常规的压力表或压力变送器。一些压力表有些带有电参数输出，能够自动将压力变为电参数输出，通过输出的电参数能够控制电器的启动和停止。这种压力表可以应用到本实施例中。还有就是专门的输出电参数的压力变送器，直接可以用于电器的控制。

增压泵可以使用通用的水泵，泄压阀可以使用通用的电磁阀。

实施例三：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于外层水箱的细化。本实施例所述的外层水箱上设有观察设施。

本实施例所述的观察设施可以是观察窗或安装在外层水箱内部的针孔摄像头等电子装置。

实施例四：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于样品室侧壁的细化。本实施例所述的样品室侧壁设有变形传感器。

样品室的侧壁是弹性材料，能够随着土壤样品的膨胀收缩而膨胀收缩。土壤样品的膨胀收缩是重要的土壤参数，因此需要精确的测量。应变传感器可以是各种形式的。

为实现对样品整体变形的测量，可以使用两种传感器分别对样品室侧壁变形进行测量，即采用对土壤样品外圆周的伸缩变形和土壤样品高度的伸缩变形进行测量，当然有可以使用一个传感器对两个方式的变形一同进行测量。

实施例五：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于变形传感器的细化。本实施例所述的变形传感器包括周向变形传感器3011和轴向变形传感器3012，如图3所示。

外圆周的膨胀或缩小主要表现在土壤样品直径的增加或减少，如果土壤样品不在样品室中，则可以用尺规直接测量其直径，十分方便，但由于土壤样品在样品室中，测量直径就不太方便了，但使用变形传感器可以十分方便的测量土壤样品的外圆周，即可以测量土壤样品圆柱体的外圆周的变化，如图3中箭头a的伸缩方向。

同理，使用变形传感器可以测量土壤样品圆柱体的高度变化，如图3中箭头b的伸缩方向。

实施例六：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于样品室的细化。本实施例所述的样品室中设有称重传感器和干燥度传感器。

土壤样品的重量是十分重要的参数，并且通过重量参数能够计算出其他参数，因此测量土壤样品各种状态下的重量十分重要。当土壤样品从土层中取出后要进行称重，之后在整个测量过程中都要对重量进行监测，因此，本实施例在样品室中设置了称重传感器，对土壤样品的重量进行监测，随时输出数据。称重传感器可以使用高精度的应变传感器，并配合精密的测量电路，能够实现高精度的称重。

干燥度传感器可以使用分别设置在样品顶端和底端的两个电极，测量这两个电极之间的电阻，也就是土壤样品上下两端的电阻，通过电阻的变化即可以判断土壤的干燥程度，或者说土壤样品中的水分含量。测量的方式可以采用高精度的电阻测量仪器，或者使用信号发生器作用电源，同时高精度的电压、电流表进行测量，获取高精度的电阻值，并通过对电阻值的分析获取土壤样品中的水分含量。

实施例七：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于水气加压设施的细化。本实施例所述的水气加压设施包括带有注水阀401和流量计402的虹吸管403，以及与所述虹吸管连接的高位储水箱404，所述的高位储水箱底部的高度超过样品室顶部的高度，如图4所示。

本实施例对土壤样品注水采取了一个简单的方式，利用重力对从底部对土壤样品注水。由于高位储水箱的底部高于样品室的顶部，因此，利用虹吸效应，注入的水能够从土壤样品的底部到顶部保持稳定的压力，均匀的注满整个土壤样品。

在虹吸管上还设置了流量计，用于记录进入土壤样品的水量，并通过注水阀控制注水量。

实施例八：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于样品室的细化。本实施例所述的样品室顶部和底部分别设有聚集设施307和扩散设施308，如图5所示。

本实施例所述的扩散设施是为了使从虹吸管中流出的水流能够均匀的进入透水石中，而聚集设置正好与扩散设施的作用相反，是将从透水石中流出的水分聚集通过出水口流出。

聚集设施和扩散设施可以有多种形式，本实施例采取了类似于喇叭形的扩口和缩口，这种方式结构十分简单，成本低廉。

实施例九：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于外层水箱细化。本实施例所述的样品室的进水气口3031连接加热送风器3032，所述的出水气管连接抽气泵3033，如图6所示。

所述的加热器送风器可以是带有电加热器的气泵。带有电加热器气泵也应当设有自动控制系统，以使加热温度和热空气流量得到控制。加热空气的温度一般维持在60度以下。

实施例十：

本实施例是一种使用上述实施例所述系统的大埋深土壤水动力特征参数测量方法。所述方法的基本思路是：

通过外层水箱加压，模拟土壤在一定深度的土层下周围的压力和顶部的压力，在这种带有压力的状态下，从底部对土壤样品注水，使其饱和，并测定各种参数，之后加热送风并开启抽气泵，在保持压力的情况下，使土壤样品完全干燥，再次对样品进行各种参数的测量，获取深层土壤饱和与干燥的土壤参数。

所述方法的具体步骤如下，步骤的流程如图7所示：

步骤1，获取土壤样品：在研究区域野外现场取得土壤样品，并测得土壤样品在原位的深度、重量、温度、湿度。

野外土壤取样一般使用旋转取样的方式，样品为圆柱体，取样后立即记录取样的深度以及土壤样品外形尺寸记录，之后进行称重、测温、测湿度等测量。之后将土壤样品封闭保存，待测量时打开。

步骤2，装入土壤样品：将土壤样品从样品室底部装入样品室中，盖紧密封盖，这时将样品室侧壁的周向变形传感器和轴向变形传感器设置为零，同时通过称重传感器校对样品重量。在实验室中开启封装的土壤样品。

由于土壤样品的直径和高度是大致确定的，样品室的直径和高度也基本确定。由于样品室的侧壁采用了弹性材料，可以这样确定样品室的尺寸：样品室的高度应略小于土壤样品，这样当土壤样品装入样品室内，样品室的侧壁略微伸长，样品室的上下端夹住土壤样品；样品室的直径略大于土壤样品，土壤样品装入样品室后，由于样品室的侧壁伸长，中间部分会略微收缩，贴近土壤样品，将土壤样品包住。这时变形传感器会发生一些变化，为了精确测量，可以将这时的变形传感器清零，作为测量原点。

土壤样品装入样品室后，还要对称重传感器进行校对。在打开土壤样品封装后，应当先进行精密的重量测量，作为称重原点，当装入样品室后对称重传感器进行校对，称重传感器的输出值与精密测量的结果一致。

步骤3，加压：根据野外取得土壤样品的环境计算土壤样品在原位所受到的压力，启动加压设施在外层水箱中注水并达到计算得到的压力，以此模拟土壤样品在原位所受到的压力，这时记录样品室侧壁的变形量，包括周向变形量和轴向变形量。

土壤样品装入样品室并密封后，首先进行加压。加压之前应当根据该土壤样品所在的深度，计算出该土壤样品在地下时所受到的压力，根据这一计算的压力对外层水箱进行加压。应当说明的是，在土壤样品装入样品室之前，外层水箱应当的空的，不应当有水体存在，以避免干扰土壤样品装入样品室。

步骤4，注水：开启注水阀，对土壤样品注水，直至出水气管有水流流出，这时土壤样品饱和，关闭注水阀，记录土壤样品饱和的周向变形量和轴向变形量，以及土壤样品饱和时重量和注水量。

当外层水箱达到应有的压力后，打开注水阀对土壤样品注水，在注水过程中注意观察周向和轴向变形量，同时注意观察土壤样品重量的变化以及注水的流量，这数据可以自动记录仪进行自动记录。当出水管出水时，表明土壤样品已经饱和，不再需要注水，则关闭注水阀。

步骤5，干燥：启动加热送风器和抽气泵，利用热空气的热量使土壤样品中的水分蒸发，观察干燥度传感器，直至土壤样品完全干燥，在送入热空气的同时根据土壤样品的干燥度逐渐调低外侧水箱中的水压；待土壤样品干燥后，记录样品室侧壁的变形量，同时记录土壤样品的重量，并通过饱和与干燥两种状态所测得的数值，计算大埋深条件下的土壤其他物理参数及其水动力特征参数。

记录土壤样品饱和状态的各项参数后，则将进水气口切入到加热送风器上，同时将出水气管切换到抽气泵上，开启加热送风器和抽气泵，这是可以将土壤样品室看作透气板，空气能够从土壤的缝隙中通过。在加热送风器和抽气泵的共同作用下，热空气从下往上流过样品室，使样品室中的土壤样品受热，使其中的水分逐渐蒸发，最终完全干燥。干燥的过程可以通过观察干燥度传感器所输出的数据。通常检测干燥程度使用电阻测量的方式，根据土壤样品上下两端测量的电阻值判断干燥程度。

在土壤样品干燥过程中和完全干燥后不断的记录样品室的变形，以及重量变化。由于土壤在干燥过程中会出现收缩现象，因此样品土壤周围的压力也会减小，因此根据计算调低外层水箱的压力，以模拟压力降低的变化。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如水箱的具体结构、样品室的具体链接方式、步骤的先后顺序等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。