一种干燥土柱水气热运移观测实验装置的制作方法

本发明涉及包气带水分运动研究领域，特别涉及一种干燥土柱水气热运移观测实验装置。

背景技术：

包气带是大气降水和地表水与地下水发生联系并交换水分与能量的纽带，它是一个土壤颗粒、空气、水三相共存的复杂介质系统，具有吸收水分、存储水分和传递水分的能力，因此，包气带水分运动研究一直是水文学研究的热点。由于包气带中水分运动受介质特性、能量等多种驱动力影响，是一种十分复杂的物理、化学相互作用过程。从岩土特性、水分形态、大气压、土温梯度、能量传导等角度研究包气带水分运动会有不同的理论方法。从上世纪初，达西定律被引入土壤非饱和流，成为土壤水分运动研究的理论基础。随后毛管势理论、土水势理论、湿润锋入渗理论、二相流理论等相继出现并得到了大力发展。同时，土壤水分、土温度等观测技术也随之发展迅速，不仅观测精度大大提高，产品多样化，极端环境的适应性也得到了提高，实现了无线传输，现在正朝着智能方向发展。这些技术为研究土壤水分运动提供了技术支撑。

研究包气带水热传输的方法主要有模型方法和试验观测法。实验观测方法主要有土柱水分观测试验和土壤水热参数测定实验。土柱水分观测试验主要是在实验室内用在有机玻璃管内按照野外土壤密度填充土样，并分层安装相应的观测探头，控制土柱上下边界条件，进行观测土柱水分运动状况，这种土柱实验是研究土壤水分及溶质运移机制比较常用的办法，目前国内有多家高校科研单位拥有这样的实验平台。现有的实验平台关注的是土壤液态水的运移，因此试验平台无法实现对干燥土壤中相关要素状态的观测，也无法实现土壤气态水的运移规律的认识。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种干燥土柱水气热运移观测实验装置，以解决现有的实验装置功能少、准确率低的问题。

本发明的目的是由下述技术方案实现的：

一种干燥土柱水气热运移观测实验装置，其特征在于：包括上端开口下端封闭的保温桶，所述保温桶中盛放土柱；

所述保温桶侧壁上开设有第一观测孔和第二观测孔；所述第一观测孔用于插装土壤温湿度传感器，所述第二观测孔用于插装土壤气压传感器；

所述保温桶内设有导热盘，所述导热盘设置在所述土柱上端，所述导热盘通过循环管与变温箱连通；所述导热盘、所述循环管、所述变温箱中填充变温液，所述变温箱适用于改变所述变温液的温度；

所述土柱与所述导热盘之间设置有热通量传感器，所述热通量传感器适用于检测所述土柱上端向外界传递的热量。

进一步的，所述第一观测孔有两个以上，两个以上所述第一观测孔沿所述保温桶高度方向均匀布置；所述第二观测孔有两个以上，两个以上所述第二观测孔沿所述保温桶高度方向均匀布置。

进一步的，还包括气压泵，所述气压泵通过进气管与所述保温桶底端连通。

进一步的，还包括马氏瓶，所述马氏瓶通过进水管与所述保温桶底端连通；所述进水管上设有阀门。

进一步的，还包括称重器，所述保温桶、所述气压泵、所述马氏瓶均设置在所述称重器上。

进一步的，所述保温桶由有机玻璃材料制成。

进一步的，所述保温桶上方设有气象控制模块。

进一步的，所述气象控制模块为辐射灯。

进一步的，所述气象控制模块为风扇。

进一步的，所述气象控制模块为人工降雨器。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.本发明所述干燥土柱水气热运移观测实验装置，其包括上端开口下端封闭的保温桶，所述保温桶中盛放土柱；所述保温桶侧壁上开设有第一观测孔和第二观测孔；所述第一观测孔用于插装土壤温湿度传感器，所述第二观测孔用于插装土壤气压传感器；所述保温桶内设有导热盘，所述导热盘设置在所述土柱上端，所述导热盘通过循环管与变温箱连通；所述导热盘、所述循环管、所述变温箱中填充变温液，所述变温箱适用于改变所述变温液的温度；所述土柱与所述导热盘之间设置有热通量传感器，所述热通量传感器适用于检测所述土柱上端向外界传递的热量；本发明利用所述土壤温湿度传感器实时监测所述土柱的温湿度，利用所述土壤气压传感器实时监测所述土柱的空气压力，利用所述变温箱调节所述变温液温度，并输送到所述导热盘，经所述导热盘交换热量后，对所述土柱上端温度进行调节，进而实现所述土柱温度梯度调节；本发明可调节所述土柱的温度，控制温度变化来观测不同温度下干燥土壤水分、温度等要素变化，可研究不同土壤温度梯度下干燥土壤液态水、气态水及能量的传输过程。

2.本发明所述气压泵通过进气管与所述保温桶底端连通；本发明利用所述气压泵改变所述土柱底部土壤孔隙压强，与所述土柱上端的土壤空气压强形成压强差，自然条件下所述土柱上部是与大气保持联通的，可以研究气压差对干燥土壤水汽热的传输的影响；可以测量不同压强梯度下的土柱水分、温度、压强、相对湿度等状态变量。

附图说明

图1为本发明所述干燥土柱水气热运移观测实验装置结构图；

图中：1-马氏瓶、2-阀门、3-进水管、4-保温桶、5-进气管、6-气压泵、7-循环管、8-变温箱、9-称重器、10-气象控制模块、11-导热盘、12-热通量传感器、13-土柱、14-第二观测孔、15-第一观测孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

参见图1，一种干燥土柱水气热运移观测实验装置，其特征在于：包括上端开口下端封闭的保温桶4，所述保温桶中盛放土柱13；所述保温桶侧壁上开设有第一观测孔15和第二观测孔14；所述第一观测孔用于插装土壤温湿度传感器，所述第二观测孔用于插装土壤气压传感器；所述保温桶内设有导热盘11，所述导热盘设置在所述土柱上端，所述导热盘通过循环管7与变温箱8连通；所述导热盘、所述循环管、所述变温箱中填充变温液，所述变温箱适用于改变所述变温液的温度；所述土柱与所述导热盘之间设置有热通量传感器12，所述热通量传感器适用于检测所述土柱上端向外界传递的热量；所述热通量传感器用于检测所述导热盘传热结束后，所述土柱自然状态下向外界传递的热量；本发明利用所述土壤温湿度传感器实时监测所述土柱的温湿度，利用所述土壤气压传感器实时监测所述土柱的空气压力，利用所述变温箱调节所述变温液温度，并输送到所述导热盘，经所述导热盘交换热量后，对所述土柱上端温度进行调节，进而实现所述土柱温度梯度调节；本发明可调节所述土柱的温度，控制温度变化来观测不同温度下干燥土壤水分、温度等要素变化，可研究不同土壤温度梯度下干燥土壤液态水、气态水及能量的传输过程；本发明所述土壤温湿度传感器、所述热通量传感器和所述土壤气压传感器为现有设备；所述土壤温湿度传感器可选用tdr5土壤温湿度传感器，所述土壤气压传感器可选用mik-p300压力传感器，所述热通量传感器可选用uksefluxhfp01热通量传感器；所述土壤温湿度传感器和所述土壤气压传感器可以利用无线传输技术，实现连续观测、同步记录和储存，可远程操控，智能化程度高；同时，本发明结构合理、设计新颖、使用操作方便。

参见图1，本发明所述第一观测孔有两个以上，两个以上所述第一观测孔沿所述保温桶高度方向均匀布置；所述第二观测孔有两个以上，两个以上所述第二观测孔沿所述保温桶高度方向均匀布置；本发明可以实时监测不同高度位置的所述土柱的土壤温湿度和空气压力，提高实验准确率。

参见图1，本发明还包括气压泵6，所述气压泵通过进气管5与所述保温桶底端连通；本发明利用所述气压泵改变所述土柱底部土壤孔隙压强，与所述土柱上端的土壤空气压强形成压强差，自然条件下所述土柱上部是与大气保持联通的，可以研究气压差对干燥土壤水汽热的传输的影响；可以测量不同压强梯度下的土柱水分、温度、压强、相对湿度等状态变量。

参见图1，本发明还包括马氏瓶1，所述马氏瓶通过进水管3与所述保温桶底端连通；所述进水管上设有阀门2；本发明利用连通器的原理来控制所述土柱下边界的水位变化，同时也可以改变所述马氏瓶内水的温度，通过水温调节所述土柱下端的温度，配合所述变温箱调节控制整个所述土柱的温度梯度。

参见图1，本发明还包括称重器9，所述保温桶、所述气压泵、所述马氏瓶均设置在所述称重器上；通过实验装置整体重量的变化，计算所述土柱的水蒸气蒸发量，提高实验准确率。

参见图1，本发明所述保温桶由有机玻璃材料制成；有机玻璃材料具有高度透明性、机械强度高等优点，便于直接观察所述土柱状态，所述保温桶外壁使用保温棉设置隔温层，可以使所述保温桶免受周围环境的影响。

参见图1，本发明所述保温桶上方设有气象控制模块10；本发明可以利用所述气象控制模块控制土柱上边界的气象条件。

参见图1，本发明所述气象控制模块为辐射灯；利用所述辐射灯模拟自然状态的光照辐射，提高实验准确率。

参见图1，本发明所述气象控制模块为风扇；利用所述风扇模拟自然状态的风，提高实验准确率。

参见图1，本发明所述气象控制模块为人工降雨器；利用所述人工降雨器模拟自然状态的降雨，提高实验准确率。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。