检验环式入渗仪测量初始入渗率效果的装置和方法
【专利摘要】本发明提供一种检验环式入渗仪测量初始土壤入渗率效果的装置，包括两个半环、位于半环直径延长线上的四片连接板、入土打击装置，所述入土打击装置包括二个铁锤导管、铁锤；所述四片连接板上设置有两两相对的螺孔，所述铁锤导管上部设置有定位部件，所述铁锤的直径小于铁锤导管的直径。本发明还提供通过所述装置检验环式入渗仪测量初始土壤入渗率效果的方法。应用所述环式入渗仪测量初始入渗率结果的检验方法。本发明针对环式入渗仪测量初始土壤入渗率偏高的问题，提出一种能用试验数据定量计算测得初始入渗率偏高的量值。本发明装置结构简单，工作可靠，为环式入渗仪测量的初始土壤入渗率评估提供方法。
【专利说明】检验环式入渗仪测量初始入渗率效果的装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明属于土壤入渗特性测量领域，具体涉及检验环式入渗仪测量土壤初始入渗率效果的试验装置和方法。
【背景技术】
[0002]土壤的入渗性能对研究水文过程、作物水分利用、灌溉管理、土壤侵蚀、土壤水分与溶质运移等方面密切相关。因此对土壤入渗过程进行定量描述具有重要意义。土壤入渗率的测量是定量研究土壤入渗性能的基础，长期以来受国内众多学者的广泛关注。目前，土壤入渗率测量方法较多，如环刀法、圆盘入渗仪、模拟降雨法、降雨入流-产流-出流法和双环法；其中双环法，由于计算模型简单，设备成本较低，是目前应用非常普遍也是经典的土壤入渗性能测量方法。环式入渗仪包括双环入渗仪和单环入渗仪。
[0003]但是国内外大量研究结果表明，环式入渗仪测量结果是人工降雨法测量结果的2-10倍。蒙宽宏(《土壤水分入渗测定方法及影响因素》，东北林业大学2006年硕士论文)的研究结果表明，在坡度为0°、5°、10°和20°的土地上，双环入渗仪的测量结果分别是人工降雨法的2.6,2.8,6.4和3倍；环式入渗仪测量结果是环刀法测量结果的2-4 倍；Kdhne J M (Kohne J M, Alves Jiinior J, Kohne S, et al.Double-ring andtension infiltrometer measurements of hydraulic conductivity and mobile soilregions [J].Pesquisa Agropecuaria Tropical, 2011, 41 (3): 336-347.)对比双环和张力入渗仪测定土壤饱和导水率，结果显示对同一块土地双环法测得的结果(341.25mm/h,)是张力入渗仪测得结果(55.83mm/h)的6.1倍，而对另一块土地环式入渗仪的测定结果是张力入渗仪的12.8倍。丁文峰等(丁文峰，张平仓，任洪玉，等.秦巴山区小流域水土保持综合治理对土壤入渗的影响[J].水土保持通报，2007，27(1): 11?14.)用双环入渗仪测量了秦巴山区小流域水土保持综合治理影响下的土壤入渗率，结果为:鹦鹉洲农地稳定入渗率最大为156mm/h、最小12mm/h,相差13倍；林地最大266mm/h、最小144mm/h,相差约2倍。西沟流域农地和荒地的最大与最小稳定入渗率分别相差约11倍和6倍。上述现象说明环式入渗仪测量过程中存在较大的测量误差。
[0004]本发明提供的新型环式入渗仪组装快速，使用方便，能够分析环内土壤水分入渗状况、准确估测环式入渗仪测量初始入渗率偏大倍数，更可以大大提高土壤入渗能力研究的力度。
【发明内容】
[0005]针对现有环式入渗仪测量土壤入渗率偏高的问题，本发明的目的是提供一种检验环式入渗仪测量初始入渗率效果的装置和方法，可观测入渗水分在土壤剖面分布的环式入渗仪及其应用环式入渗仪评估初始入渗率的方法。
[0006]本发明的另一目的是提出所述环式入渗仪的应用。
[0007]实现本发明上述目的的具体技术方案为:[0008]一种可观测入渗水分在土壤剖面分布的环式入渗仪，包括两个半环、位于半环直径延长线上的四片连接板、入土打击装置，所述入土打击装置包括二个铁锤导管、铁锤；
[0009]所述四片连接板上设置有两两相对的螺孔，所述铁锤导管上部设置有定位部件，所述铁锤的直径小于铁锤导管的直径。
[0010]组装时将所述两个半环相对的连接板用螺栓固定为入渗环，优选在相对的连接片之间垫有防止渗水的垫片。垫片可以为橡胶、硅胶、橡皮等常见材质。
[0011]所述铁锤导管用于引导铁锤的下落，避免人工操作带来的系统误差。铁锤导管可以采用PVC材质，或其他塑料材质。所述铁锤导管长度优选为1.0-1.2m，直径70-90mm，在铁锤导管底部开有与所述入渗环适配的卡槽。
[0012]所述定位部件用于给铁锤定位。可以为任何常用的定位装置，例如铰链、夹持器件等，也可以在铁锤导管上部设置插槽和铁锤止动板，铁锤止动板插在插槽里，托住铁锤，取出铁锤止动板，铁锤落下。
[0013]其中，所述铁锤成对使用，每对铁锤质量相等，铁锤的质量(一个铁锤的质量)为
0.8-1.lkg、2.0-2.5kg 和 3.5-4.5kg 中的一种或多种。
[0014]使用本发明所述的检验装置检验环式入渗仪测量的初始入渗率的方法，包括步骤:
[0015]S1、通过螺栓将两个半环固定连接为一个完整的入渗环，将入渗环放在选定的土地上轻压，使得地面显现连接板所处的位置，然后移走入渗环；
[0016]S2、在连接板处取土打孔，然后将入渗环放在土壤上，使连接板处在打孔的位置；可使用土钻按照连接板的位置打孔；
[0017]S3、将两个铁锤导管沿直径对称位置铅直放在入渗环上，铁锤止动板插入插槽，从铁锤导管上部放入铁锤，置于铁锤止动板上，同时抽出铁锤止动板，使两个铁锤从相同高度自由落体打击入渗环。重复以上操作，直到入渗环入土深度达到10-20cm;
[0018]S4、在环内表层铺上纱布(铺在土壤表面上)，用电子秤量取l_3kg的水，一次性加入环内，记录所加水量全部完成入渗所需时间；通常采用秒表记录；
[0019]S5、入渗完成后，剖开入渗环外侧土壤，然后拧开连接螺栓，取出入渗环，铅直剖切环内的土壤，观测入渗水分分布；
[0020]进一步地,步骤S5还包括记录剖面的铅直入渗深度z和水平径向入渗宽度w,由测量结果计算湿润体体积，进而计算铅直入渗水量和总的入渗水量，由总的入渗水量和铅直入渗水量计算环式入渗仪测量土壤初始入渗率的误差。
[0021]其中，所述剖切可位于环状土壤的1/4，1/2或3/4体积处。
[0022]其中，所述湿润体体积V由铅直入渗圆台和水平径向入渗圆环两部分组成，所述铅直入渗圆台和水平径向入渗环圆环接触面为斜面。
[0023]入渗湿润体的体积由图4中的V1和V2构成，总的湿润体体积为N=W
[0024]V1形状为倒立圆台，圆台高度为z，两底面直径分别为D和D_2w，其体积计算公式为:
\π?2+π(0-2η) I I
[0025]V1 =---XZX-
42(I)
[0026]V2为侧壁湿润体体积，由V2’和V3构成。V2’由高度为z直径为D的圆柱体体积减去圆台体积V1计算得到，其公式为:
[0027]
【权利要求】
1.一种检验环式入渗仪测量初始土壤入渗率效果的装置，其特征在于，包括两个半环、位于半环直径延长线上的四片连接板、入土打击装置，所述入土打击装置包括二个铁锤导管、铁锤； 所述四片连接板上设置有两两相对的螺孔，所述铁锤导管上部设置有定位部件，所述铁锤的直径小于铁锤导管的直径；所述定位部件为设置在铁锤导管上部的插槽和铁锤止动板； 组装所述的装置时，将所述两个半环相对的连接板用螺栓固定为入渗环，所述相对的连接板之间垫有防止渗水的垫片。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述两根铁锤导管的长度和直径相等，所述铁锤导管底部开有与所述入渗环适配的卡槽。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述铁锤成对使用，每对铁锤质量相坐寸ο
4.应用权利要求1-3 任一所述的装置检验环式入渗仪测量初始入渗率效果的方法，包括步骤: 51、通过螺栓将两个半环固定连接为一个完整的入渗环，将入渗环放在选定的土壤表面上轻压，使得地面显现连接板所处的位置，然后移走入渗环； 52、用取土钻在两个连接板所处位置打孔取土，达到入渗环预计安装深度，然后将入渗环放在土壤表面，使两个连接板分别均处在打孔的位置； 53、将两个铁锤导管沿入渗环直径对称位置铅直放在入渗环上，从铁锤导管上部放入铁锤，置于铁锤止动板上，而后同时抽出铁锤止动板，使铁锤从给定相同高度同时自由落体打击入渗环，重复以上操作，直到入渗环入土深度达到预计安装深度； 54、用电子秤或量筒量取所需水量，一次性加入渗环内，记录所加水量全部入渗进入土壤所需时间； 55、入渗完成后，挖开入渗环外侧土壤，然后拧开连接螺栓，取出入渗环后，铅直剖切环内土壤，达到入渗环的入土深度，观测入渗水分在土壤剖面的分布。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S5还包括记录水在剖面的铅直入渗深度z和水平径向入渗宽度W，再由测量结果计算湿润体体积，进而分别计算水平和铅直入渗水量及总的入渗水量，由总的入渗水量和铅直入渗水量计算环式入渗仪测量土壤初始入渗率的误差。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述剖切面位于环内部分土体。
7.根据权利要求4-6任一所述的方法，其特征在于，所述初始入渗湿润体体积由铅直入渗和水平径向入渗两部分组成铅直。
8.根据前面装置测量结果，给出了用试验数据定量计算测得初始入渗率偏高的量值，其特征在于，初始入渗体体积由铅直入渗圆台体积计算，水平入渗体积由入渗圆环体积计笪
ο
9.根据入渗测量结果计算初始入渗测量误差，其特征在于，总的入渗体积和入渗水量分别是铅直入渗体积和水量的倍数。
【文档编号】G01N15/08GK103743660SQ201310717278
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2013年12月23日 优先权日:2013年12月23日
【发明者】雷廷武, 张婧, 王伟, 胡雅琪, 庄晓辉 申请人:中国农业大学