专利名称：基于土壤水盐运移规律的土柱模拟装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及土壤监测技术，特别涉及一种基于土壤水盐运移规律的土柱模拟装置。
背景技术：
土地是人类赖以生存及其一切社会活动的基本条件，随着现代工业的迅速发展，工业用地的需求越来越大，而世界人口的不断增加，对农业耕地的需求也越来越大，使得工农业在土地的使用上产生不可调和的矛盾。因而，提高有限土地内农作物的产量，是解决矛盾的有效方法之一，而通过施肥为作物提供适量的矿质养分元素，是保障农作物产量、质量的根本措施之一。据统计，全球每年施入农田的肥料数以千万吨，但在实际应用中，由于过度地施肥，又容易导致土壤板结化以及土壤盐碱化，反过来又直接影响了粮食生产并导致严重的环境污染，是农业开发和农业可持续发展的重大限制条件和障碍因素。土壤盐碱化形成的盐碱土是土壤中可溶性盐类或代换性钠离子浓度达到一定程度后，农作物难以生长的一类土壤，水盐运移是盐碱土形成的一个重要因素，即盐随水来，盐随水去，也就是说，由于盐碱区成土母质和地下水往往都含有一定的盐分，当地下水位接近地表，而该地表地区又比较干旱时，在土壤毛细管作用下上升到地表的地下水蒸发后，留下溶解在地下水中的盐分，日积月累，使得土壤含盐量逐渐增加，从而形成盐碱土。研究表明，土壤中水盐的运移受灌溉、降雨、施肥、土壤蒸发、土地利用等因素影响，土壤水盐运移规律、机理极其复杂，难以摸清。因而，加强土壤水盐系统研究，了解土壤中水盐平衡变化规律，可为土壤盐碱化的监测、评价、治理提供必要的基础，以期指导农业生产。现有技术中，室内土柱模拟实验作为一种常规水盐试验方法，常用来模拟土壤水盐运移规律，但现有的土柱模拟试验装置，主要存在以下几个方面的技术问题:一、模拟试验功能简单，满足水盐试验功能需要多套装置，成本高。现有的土柱模拟试验装置，针对入渗试验或蒸发试验功能，分别设计土柱入渗模拟试验装置以及土柱蒸发模拟试验装置，每一模拟实验装置只能分别用于开展水分入渗过程中土壤水盐运移试验，或者，只能进行简单的蒸发试验，由于需要针对入渗试验以及蒸发试验，分别设计模拟试验装置，使得模拟试验成本较高；进一步地，在入渗试验结束后，无法得到满足后续的蒸发试验需要的不扰动试样，也无法模拟在固定地下水埋深条件下的不同强度稳定水分蒸发试验。二、模拟试验准确性较低。现有的土柱模拟试验装置，通过单取样孔进行取样，在多次重复取样后，导致土柱内的土壤会形成空洞，从而影响了试验的准确性。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于土壤水盐运移规律的土柱模拟装置，扩展模拟试验功能、降低模拟试验成本。为达到上述目的，本发明提供的一种基于土壤水盐运移规律的土柱模拟装置，该装置包括:土柱、取样孔、上位马里奥特瓶、红外灯、补液箱、下位马里奥特瓶、第一控制阀、第二控制阀以及铁架台，其中，铁架台设置有第一基座以及第二基座，第一基座位于第二基座下方，土柱置于铁架台的第一基座上；沿与铁架台放置方向平行的土柱径向方向上，在预先设置的不同径向高度位置，绕土柱的外壁一周，分别均匀设置有多个取样孔；土柱的底端与下位马里奥特瓶的底端连接，土柱的顶端与上位马里奥特瓶的底端连接；下位马里奥特瓶的顶端通过第一控制阀与补液箱的第一底端相连；补液箱置于铁架台的第二基座上，补液箱的第二底端通过第二控制阀与上位马里奥特瓶的顶端连接；铁架台的顶端固定有红外灯。较佳地，所述土柱为长方形或圆柱形，竖直放置；所述预先设置的径向高度位置为六个，在每一径向高度位置，绕土柱的外壁一周，均匀设置六个取样孔。较佳地，所述土柱的底端密封，并设有出流孔，出流孔与下位马里奥特瓶的底端连接；所述第一基座、第二基座位于铁架台的异侧，第一基座与土柱的底端的接触部位开设有容置出流孔的通孔。较佳地，通过乳胶管分别连接所述出流孔与下位马里奥特瓶的底端、下位马里奥特瓶的顶端与补液箱的第一底端、补液箱的第二底端与上位马里奥特瓶的顶端以及土柱的顶端与上位马里奥特瓶的底端。较佳地，所述土柱的底部装填有反滤层，反滤层由砾石和双层尼龙布构成，所述下位马里奥特瓶底端设置的刻度线与反滤层的上表面在同一水平线上；所述红外灯位于土柱的正上方。较佳地，所述装置进一步包括:直钢管、倒U型钢管以及螺栓，其中，直钢管，为中空通管，底端固定在铁架台的第二基座上，倒U型钢管的长端插入直钢管中，通过螺栓将倒U型钢管的长端固定在直钢管上，所述红外灯固定在倒U型钢管的短端。较佳地，所述装置进一步包括:分别将所述土柱、下位马里奥特瓶、上位马里奥特瓶、直钢管固定在铁架台上的铁圈，和/或，滑轮，设置于铁架台的底端下方。较佳地，所述铁架台进一步包括:第一支架、第二支架、第三支架以及第四支架，其中，所述第一基座位于第一支架以及第二支架上，第一支架以及第二支架下方设置有所述滑轮，第三支架以及第四支架固定在所述第一基座上，所述第二基座位于第三支架上；
所述下位马里奥特瓶通过所述铁圈固定在第四支架上；第一支架位于第三支架下方，第二支架位于第四支架下方；所述土柱以及上位马里奥特瓶分别通过铁圈固定在第三支架上。较佳地，其特征在于，所述装置进一步包括:水/盐/温度传感器、数据处理器以及显示器，其中，水/盐/温度传感器，一端连接至取样孔内，另一端与数据处理器的输入端相连；数据处理器的输出端与显示器相连。较佳地，所述装置进一步包括:温度控制器、和/或，第一水压表、和/或，第二水压表，其中，温度控制器，固定在倒U型钢管的短端，输出端与红外灯相连；第一水压表，设置于第二控制阀与上位马里奥特瓶之间；第二水压表，设置于第一控制阀与下位马里奥特瓶之间。由上述技术方案可见，本发明实施例的一种基于土壤水盐运移规律的土柱模拟装置，包括:土柱、取样孔、上位马里奥特瓶、红外灯、补液箱、下位马里奥特瓶、第一控制阀、第二控制阀以及铁架台，其中，铁架台设置有第一基座以及第二基座，第一基座位于第二基座下方，土柱置于铁架台的第一基座上；沿与铁架台放置方向平行的土柱径向方向上，在预先设置的不同径向高度位置，绕土柱的外壁一周，分别均匀设置有多个取样孔；土柱的底端与下位马里奥特瓶的底端连接，土柱的顶端与上位马里奥特瓶的底端连接；下位马里奥特瓶的顶端通过第一控制阀与补液箱的第一底端相连；补液箱置于铁架台的第二基座上，补液箱的第二底端通过第二控制阀与上位马里奥特瓶的顶端连接；铁架台的顶端固定有红外灯。这样，将模拟研究土壤水盐运移规律所需的水分入渗试验以及蒸发试验功能融于一体，扩展了模拟试验功能，降低了模拟试验成本；进一步地，通过在同一径向高度上设置多个取样孔，经过多次重复取样，土柱内的土壤也不会形成空洞，从而提高了试验的准确性。
图1为本发明基于土壤水盐运移规律的土柱模拟装置主视结构示意图。图2为本发明的土柱俯视结构示意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明作进一步详细说明。现有模拟土壤水盐运移规律的土柱模拟试验装置，需要针对入渗试验以及蒸发试验，分别设计模拟试验装置，使得模拟试验成本较高；进一步地，通过单取样孔进行取样，在多次重复取样后，导致土柱内的土壤会形成空洞，从而影响了试验的准确性。本发明中，提出的土柱模拟装置，将模拟研究土壤水盐运移规律所需的水分入渗试验以及蒸发试验功能融于一体，可连续开展水分入渗与蒸发的土柱模拟试验。图1为本发明基于土壤水盐运移规律的土柱模拟装置主视结构示意图。参见图1，该装置包括:土柱1、取样孔2、上位马里奥特瓶16、红外灯13、补液箱11、下位马里奥特瓶
5、第一控制阀19、第二控制阀20以及铁架台10，其中，
铁架台10设置有第一基座17以及第二基座18，第一基座17位于第二基座18下方，土柱I置于铁架台10的第一基座17上；沿与铁架台10放置方向平行的土柱I径向方向上，在预先设置的不同径向高度位置，绕土柱I的外壁一周，每个径向高度位置上分别均匀设置有多个取样孔2 ；土柱I的底端与下位马里奥特瓶5的底端连接，土柱I的顶端与上位马里奥特瓶16的底端连接；下位马里奥特瓶5的顶端通过第一控制阀19与补液箱11的第一底端22相连；补液箱11置于铁架台10的第二基座18上，补液箱11的第二底端23通过第二控制阀20与上位马里奥特瓶16的顶端连接；铁架台10的顶端固定有红外灯13。较佳地，土柱I为长方形或圆柱形，竖直放置。所述预先设置的径向高度位置为六个，在每一径向高度位置，绕土柱I的外壁一周，均匀设置六个取样孔2。当然，实际应用中，设置取样孔的数量可根据实际需要确定。实际应用中，可以设置同一径向高度的六个取样孔在同一水平面上，不同径向高度的取样孔在同一径向面上。本发明中，取样孔2在进行试验时用橡胶塞堵住，取样时打开橡胶塞，对同一径向高度的取样孔，前后取样的位置不重复，即对六个取样孔轮流取样，并在取出少量的土样后，用相同含水量的原装土壤回填，取完样后塞紧橡胶塞。这样，通过在同一径向高度上设置多个取样孔，并在取样后，用相同含水量的原装土壤回填，即使经过多次重复取样，土柱内的土壤也不会形成空洞，从而提高了试验的准确性。图2为本发明的土柱俯视结构示意图。参见图2，在每一径向高度上，绕土柱I的外壁一周，均匀设置六个取样孔2，同一径向高度的六个取样孔2在同一水平面上，不同径向高度的取样孔2在同一径向面上，即不同径向高度的取样孔2，在俯视图上，重合为一个取样孔2。这样，在不同径向方向以及同一径向方向的不同位置，分别设置多个取样孔2，可以满足试验的多样性取样需求。较佳地，也可以在采样孔内设置相关采样器，从而替代手工取样，并对采样数据进行实时分析，从而实现自动化的试验。这样，该装置还可以进一步包括:水/盐/温度传感器、数据处理器以及显示器(图中未示出)，其中，水/盐/温度传感器，一端连接至取样孔2内，另一端与数据处理器的输入端相连；数据处理器的输出端与显示器相连。本发明中，水/盐/温度传感器可以按照预先设定的采集周期采集相应观测点(取样孔2)的数据，将采样得到的数据输出至与之连接的数据处理器，通过数据处理器中安装的数据处理软件进行计算处理，并将处理的数据输出至显示器进行显示，可实现对土柱内水分、盐分以及温度等数据的实时监测、存储和显示。较佳地，土柱I的底端密封，并设有出流孔7，出流孔7与下位马里奥特瓶5的底端连接。较佳地，第一基座17、第二基座18位于铁架台10的异侧，第一基座17与土柱I的底端的接触部位开设有容置出流孔7的通孔。当然，实际应用中，第一基座17、第二基座18也可位于铁架台10的同侧。较佳地，通过乳胶管3分别连接出流孔7与下位马里奥特瓶5的底端、下位马里奥特瓶5的顶端与补液箱11的第一底端22、补液箱11的第二底端23与上位马里奥特瓶16的顶端以及土柱I的顶端与上位马里奥特瓶16的底端。较佳地，在连接出流孔7与下位马里奥特瓶5的底端的乳胶管上，设置有第三控制阀21。较佳地，土柱I的底部装填有反滤层，反滤层由砾石8和双层尼龙布9构成，下位马里奥特瓶5底端设置的刻度线与反滤层的上表面在同一水平线上。较佳地，红外灯13位于土柱I的正上方，用于模拟蒸发条件，可以通过改变红外灯13的数量和功率，模拟多样化的蒸发条件。较佳地，该装置进一步包括:直钢管14、倒U型钢管12以及螺栓15，其中，直钢管14，为中空通管，底端固定在铁架台10的第二基座18上，倒U型钢管12的长端插入直钢管14中，调整后红外灯与土柱顶端的距离后，通过螺栓15将倒U型钢管12的长端固定在直钢管14上，红外灯13固定在倒U型钢管12的短端。本发明中，固定包括:焊接固定、螺栓固定以及螺钉固定等。较佳地，该装置还可以对试验所需的温控进行控制，进一步包括:温度控制器(图中未示出)，固定在倒U型钢管12的短端，输出端与红外灯13相连，这样，可以根据实际需要设置试验温度，通过感知试验温度，从而控制相连的多个红外灯13的通断，例如，如果感知的试验温度小于设置的试验温度，则触发开启位于土柱I上方的多个红外灯13，以提升试验温度，如果感知的试验温度大于设置的试验温度，则触发将位于土柱I上方进行照明的一个或多个红外灯13关闭，以降低试验温度。较佳地，连接红外灯13的线缆贯穿于倒U型钢管12和直钢管14，并连接至电源。较佳地，该装置进一步包括:分别将土柱1、下位马里奥特瓶5、上位马里奥特瓶16、直钢管14固定在铁架台10上的铁圈4。较佳地，该装置进一步包括:滑轮6，设置于铁架台10的底端下方。本发明中，铁架台10的底端下方设有多个滑轮6，可根据试验场地，用于移动或固定铁架台10。较佳地，铁架台10进一步包括:第一支架24、第二支架25、第三支架26以及第四支架27，其中，第一基座17位于第一支架24以及第二支架25上，第一支架24以及第二支架25下方设置有滑轮6，第三支架26以及第四支架27固定在第一基座17上，第二基座18位于第三支架26上；下位马里奥特瓶5通过铁圈4固定在第四支架27上；第一支架24位于第三支架26下方，第二支架25位于第四支架27下方；土柱I以及上位马里奥特瓶16分别通过铁圈4固定在第三支架26上。实际应用中，本发明的装置还可以对灌水量进行控制，即该装置可以进一步包括:第一水压表(图中未示出)，设置于第二控制阀20与上位马里奥特瓶16之间，根据显示的水压信息与流量的关系，通过调节补液箱11液面高低及第二控制阀20的控制阀门大小，对土柱I的灌水量进行控制，可模拟不同作物、植被的设施土壤的灌水。当然，本发明的装置还可以模拟不同的地下水情况，即该装置可以进一步包括:第二水压表(图中未示出)，设置于第一控制阀19与下位马里奥特瓶5之间，通过调节下位马里奥特瓶5相对土柱I的高度及第一控制阀19的控制阀门大小，控制和调节地下水位，用于模拟不同的地下水情况。这样，可根据试验的实际需要，调节控制改变模拟环境条件，实现水盐动态变化的监测。下面对本发明基于土壤水盐运移规律的土柱模拟装置的工作流程进行说明。在进行水分入渗试验时，第一控制阀19、第二控制阀20以及第三控制阀21关闭，当然，实际应用中，也可以分别将与下位马里奥特瓶5的顶端、底端以及上位马里奥特瓶16的顶端相连的乳胶管3用止水夹夹住，本发明中，设置控制阀，除可分别进行通断控制外，还可以调节流经的溶液流量。将补液箱11装入足够量的水或者其它试验所需的溶液，开启第二控制阀20，同时断开出流孔7与下位马里奥特瓶5的连接，根据需要的试验参数，调节第二控制阀20的开启程度，使补液箱11中的水或溶液流经上位马里奥特瓶16，并进入土柱I内部，模拟入渗试验。在该模拟入渗试验过程中，保证出流孔7排气通畅，土柱I内的下渗水量由上位马里奥特瓶16内的水位变化值显示。入渗试验过程结束后，用塑料薄膜将土柱I的顶端密封住，防止水分自然蒸发，待其入渗分布完毕后，连接出流孔7与下位马里奥特瓶5，关闭第一控制阀19、第二控制阀20以及第三控制阀21，调节下位马里奥特瓶5位置，使下位马里奥特瓶5的底端刻度线与反滤层的上表面在同一水平线上，在补液箱11中装入预先设定浓度的盐溶液，并开启第一控制阀19以及第三控制阀21，即连接好出流孔7与下位马里奥特瓶5，补液箱11中的溶液流经下位马里奥特瓶5，由下位马里奥特瓶5的底端流出，并从出流孔7进入土柱I内部。根据蒸发试验需求的水分蒸发强度，调整好红外灯13与土柱I的顶端的距离后，通过螺栓15，将倒U型钢管12固定在直钢管14上，开启红外灯13进行蒸发试验，并可通过温度控制器控制开启的红外灯13的数量，对蒸发试验温度进行控制。在试验过程中，可以在不同时间段打开橡胶塞，通过不同径向高度位置设置的取样孔，进行不重复位置取样；或者，通过水/盐/温度传感器、数据处理器以及显示器，对不同径向高度位置进行自动取样，获取取样数据并进行取样数据处理，得到土柱内实时的水分、盐分以及温度等数据。本发明中，在水分蒸发和入渗试验过程中，可根据试验的实际需要，可以在不同时间段打开橡胶塞，通过不同径向高度位置设置的取样孔，进行不重复位置取样，从而获取入渗和蒸发试验过程中，不同土层深度的土壤水分和盐分含量，为盐碱土壤水盐运移规律研究提供技术装备支持。这样，本发明基于土壤水盐运移规律的土柱模拟装置，将模拟研究土壤水盐运移规律所需的土柱装置进行系统的组合，将水分入渗试验以及蒸发试验功能融于一体，可连续开展水分入渗与蒸发的土柱模拟试验，扩展了模拟试验功能、有效降低了模拟试验成本；进一步地，在入渗试验结束后，可以得到满足后续的蒸发试验需要的不扰动试样，从而能够模拟在固定地下水埋深条件下的不同强度稳定水分蒸发试验，满足了盐碱土试验的多样化需求；而且，该融合水分入渗与蒸发的土柱模拟装置，通过在土柱不同径向高度位置绕土柱壁一周均匀设置六个取样孔，可实现对同一高度位置的土壤多次取样、且每次取样的位置不重复，取出少量土样后用相同含水率的原装土壤回填，可避免取样后土柱内土壤出现空洞，能够精确地对土柱内不同深度土壤含水率、含盐量、离子组分等技术参数进行测量，结构合理，使用方便，可控性好，测试数据准确，可缩短试验周期，为盐碱土壤水盐运移规律及作用机理研究提供技术装备支持，可用于连续进行不同类型土壤的水分入渗试验，以及，在固定地下水埋深条件下，进行不同强度的稳定水分蒸发实验，以获取土壤水盐运移规律。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进及优化等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种基于土壤水盐运移规律的土柱模拟装置，其特征在于，该装置包括:土柱、取样孔、上位马里奥特瓶、红外灯、补液箱、下位马里奥特瓶、第一控制阀、第二控制阀以及铁架台，其中， 铁架台设置有第一基座以及第二基座，第一基座位于第二基座下方，土柱置于铁架台的第一基座上； 沿与铁架台放置方向平行的土柱径向方向上，在预先设置的不同径向高度位置，绕土柱的外壁一周，分别均匀设置有多个取样孔； 土柱的底端与下位马里奥特瓶的底端连接，土柱的顶端与上位马里奥特瓶的底端连 接; 下位马里奥特瓶的顶端通过第一控制阀与补液箱的第一底端相连； 补液箱置于铁架台的第二基座上，补液箱的第二底端通过第二控制阀与上位马里奥特瓶的顶端连接； 铁架台的顶端固定有红外灯。
2.按权利要求1所述的装置，其特征在于，所述土柱为长方形或圆柱形，竖直放置；所述预先设置的径向高度位置为六个，在每一径向高度位置，绕土柱的外壁一周，均匀设置六个取样孔。
3.按权利要求2所述的装置，其特征在于，所述土柱的底端密封，并设有出流孔，出流孔与下位马里奥特瓶的底端连接； 所述第一基座、第二基座位于铁架台的异侧，第一基座与土柱的底端的接触部位开设有容置出流孔的通孔。
4.按权利要求3所述的装置，其特征在于，通过乳胶管分别连接所述出流孔与下位马里奥特瓶的底端、下位马里奥特瓶的顶端与补液箱的第一底端、补液箱的第二底端与上位马里奥特瓶的顶端以及土柱的顶端与上位马里奥特瓶的底端。
5.按权利要求4所述的装置，其特征在于，所述土柱的底部装填有反滤层，反滤层由砾石和双层尼龙布构成，所述下位马里奥特瓶底端设置的刻度线与反滤层的上表面在同一水平线上； 所述红外灯位于土柱的正上方。
6.按权利要求1至5任一项所述的装置，其特征在于，所述装置进一步包括:直钢管、倒U型钢管以及螺栓，其中， 直钢管，为中空通管，底端固定在铁架台的第二基座上，倒U型钢管的长端插入直钢管中，通过螺栓将倒U型钢管的长端固定在直钢管上，所述红外灯固定在倒U型钢管的短端。
7.按权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置进一步包括: 分别将所述土柱、下位马里奥特瓶、上位马里奥特瓶、直钢管固定在铁架台上的铁圈，和/或， 滑轮，设置于铁架台的底端下方。
8.按权利要求7所述的装置，其特征在于，所述铁架台进一步包括:第一支架、第二支架、第三支架以及第四支架，其中， 所述第一基座位于第一支架以及第二支架上，第一支架以及第二支架下方设置有所述滑轮，第三支架以及第四支架固定在所述第一基座上，所述第二基座位于第三支架上；所述下位马里奥特瓶通过所述铁圈固定在第四支架上； 第一支架位于第三支架下方，第二支架位于第四支架下方； 所述土柱以及上位马里奥特瓶分别通过铁圈固定在第三支架上。
9.按权利要求1至5任一项所述的装置，其特征在于，所述装置进一步包括:水/盐/温度传感器、数据处理器以及显示器，其中， 水/盐/温度传感器，一端连接至取样孔内，另一端与数据处理器的输入端相连； 数据处理器的输出端与显示器相连。
10.按权利要求9所述的装置，其特征在于，所述装置进一步包括:温度控制器、和/或，第一水压表、和/或，第二水压表，其中， 温度控制器，固定在倒U型钢管的短端，输出端与红外灯相连； 第一水压表，设置于第 二控制阀与上位马里奥特瓶之间； 第二水压表，设置于第一控制阀与下位马里奥特瓶之间。
全文摘要
本发明公开了一种基于土壤水盐运移规律的土柱模拟装置。包括土柱、取样孔、上位马里奥特瓶、红外灯、补液箱、下位马里奥特瓶、第一控制阀、第二控制阀及铁架台，铁架台设置有上下的第二基座以及第一基座，土柱置于铁架台的第一基座上；沿土柱不同径向方向上，绕土柱的外壁一周，分别均匀设置有多个取样孔；土柱的底端、顶端分别与下位马里奥特瓶的底端以及上位马里奥特瓶的底端连接；下位马里奥特瓶的顶端通过第一控制阀与补液箱的第一底端相连；补液箱置于铁架台的第二基座上，第二底端通过第二控制阀与上位马里奥特瓶的顶端连接；铁架台的顶端固定有红外灯。应用本发明，可以扩展模拟试验功能、降低模拟试验成本。
文档编号G01N33/24GK103091473SQ20131004001
公开日2013年5月8日 申请日期2013年2月1日 优先权日2013年2月1日
发明者逄焕成, 赵永敢, 李玉义, 王婧, 魏由庆 申请人:中国农业科学院农业资源与农业区划研究所