一种水平旋转挤压采集壤中流装置的控制方法与流程

本发明涉及水文学实验研究技术领域，特别涉及一种水平旋转挤压采集壤中流装置的控制方法。

背景技术：

在气候变化和人类活动的双重影响下，流域水循环演变发生着深刻变化。气候变化通过改变降水、气温、日照、风、相对湿度等影响水文循环，进而改变降水、径流、蒸发、土壤湿度等水文要素的时空分布。人类活动则通过改变流域下垫面和水量的时空分布格局等影响水文循环过程。因此在降雨过程中土壤水分变化对径流的响应关系，或者不同坡度、雨强、下垫面对径流的响应关系亟需开展相关的研究工作，这也是目前水文学研究的热点之一。

在目前的研究工作中，土壤水分运动对径流响应关系的研究，多采用自行设计的土槽，在室内用过人工模拟降雨过程，观测土槽中土壤湿润锋的运移情况及其对降雨的响应关系。但是这种土槽的设计大多四周全用钢板焊接，无法从外部观测土壤水分的变化情况，仅能利用从土壤中埋设水分传感器获得的数据了解土壤水分的状态变化。壤中流的收集也仅采用单一的导流装置收集，无法对不同深度的壤中流进行分层收集。

改进后的装置可用于相关领域对于土壤水分运移状态的研究，可分层收集不同土壤深度的壤中流，并实时观测土壤湿润锋的运移状态。对于水文学领域，可利用该装置对不同坡度、雨强、植被覆盖度下降雨对径流及壤中流的响应关系。同样，对于水土保持方面，可通过改进前端导流装置的设计及填土过程中对土壤容重的控制，模拟降雨过程中土壤的侵蚀状态。

现有通过玻璃窗口直接观测土壤水分的运动情况的装置虽然使得观察更加直观，但是土壤内部的水分移动更加复杂，玻璃窗口仅仅反映出部分事实，而不能精准的对肉眼看不到的土壤层内部的土壤湿润锋情况进行展示。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种水平旋转挤压采集壤中流装置的控制方法，能够采集土壤内部肉眼看不见的壤中流信息。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：

一种水平旋转挤压采集壤中流装置的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、移动滑动套筒26，改变其相对于固定套筒25的位置，使得通孔27与径向孔14不通避免土壤或水进入伸缩采集腔17中；

步骤2、将套筒11通过锥形部13插入土壤中，伸缩采集腔17位于固定套筒25的径向孔14中被滑动套筒26保护；

步骤3、需要采集土壤水分信息时，改变滑动套筒26相对于固定套筒25的位置，使得通孔27与径向孔14连通能够向土壤释放出伸缩采集腔17；

步骤4、旋转驱动杆12使第一凸块作用在伸缩移动部上，伸缩移动部件15做水平运动并驱使各个伸缩采集腔17扎入不同深度的土壤中，土壤填充至伸缩采集腔17中，此时第一复位弹簧24被压缩；

步骤5、伸缩采集腔17中的土壤水分传感器18测量土壤的含水量并发送至电脑存储和分析；

步骤6、采集测量完毕之后，反向旋转驱动杆12使第一凸块不再顶住伸缩移动部件15，第一复位弹簧24释放弹性势能将伸缩移动部件15复位，伸缩采集腔17也复位；

步骤7、旋转驱动杆12使第二凸块作用在滑块29上，滑块29和土壤水分传感器18均做水平运动，土壤水分传感器18伸至伸缩采集腔17的开口处或伸出伸缩采集腔17，以将伸缩采集腔17内的土壤排出，此时第二复位弹簧32被压缩；

步骤8、土壤清除完毕之后，旋转驱动杆12，使得第二凸块不再顶住滑块29，第二复位弹簧32释放弹性势能将滑块29复位，土壤水分传感器18也复位；

步骤9、移动滑动套筒26相对于固定套筒25的位置，使得通孔27与径向孔14不通避免土壤或水进入伸缩采集腔17中；

步骤10、将套筒11拔出土壤。

一种具水平旋转挤压采集壤中流装置，包括套筒和与所述套筒转动连接的驱动杆，所述驱动杆位于所述套筒中，所述套筒外壁设有刻度并且上端开口下端连接一锥形部，在所述套筒轴向的不同位置设有多个径向孔，在每个所述径向孔中设有一伸缩移动部件，所述伸缩移动部件一侧伸入所述套筒内且设置有两个第一导向面，两个所述第一导向面分别位于所述伸缩移动部件该侧的左右两端，所述伸缩移动部件另一侧设置有伸缩采集腔，所述伸缩采集腔内设置有土壤水分传感器，所述驱动杆上设置有与所述伸缩移动部件数量一致的第一推动件，所述第一推动件用于将所述伸缩移动部件向外推，所述第一导向面未被所述第一推动件作用时，所述伸缩采集腔隐藏在所述径向孔中，旋转驱动杆，所述第一导向面被所述第一推动件作用时，多个所述伸缩采集腔同时从所述径向孔被推出，所述伸缩采集腔从对应的所述径向孔被推出，所述土壤水分传感器采集土壤水分信息。

作为优选，所述第一推动件为设置在所述驱动杆外侧壁上的第一凸块。

作为优选，所述第一凸块朝向所述伸缩移动部件的一侧设置有两个与所述第一导向面配合的第二导向面。

作为优选，所述套筒的上端向下凹陷形成环形槽，所述环形槽与所述套筒内部连通，所述驱动杆上设置有环形圈，所述环形圈与所述环形槽转动连接。

作为优选，还包括第一复位弹簧，所述第一复位弹簧安装在所述径向孔中，所述第一复位弹簧驱使所述伸缩采集腔返回至所述径向孔中。

作为优选，所述套筒包括固定套筒和滑动套筒，所述滑动套筒套在所述固定套筒外部并且能够沿着所述固定套筒的轴向上下移动，所述固定套筒轴向的不同位置设有多个所述径向孔，所述滑动套筒上设置有与所述径向孔数量一致的通孔，当所述滑动套筒向上移动时，使得所述通孔与所述径向孔连通能够向土壤释放出所述伸缩采集腔，当所述滑动套筒向下移动复位时，使得所述通孔与所述径向孔不通避免土壤或水进入所述伸缩采集腔中。

作为优选，所述伸缩移动部件朝向所述套筒内部的一侧向内凹陷形成缺口，所述缺口贯穿所述伸缩移动部件的左右两端面，所述伸缩采集腔与所述缺口的底面连通，所述土壤水分传感器的底部伸入所述缺口内，所述土壤水分传感器的底部设置有滑块，所述滑块的左右两端面与所述伸缩移动部件的两个所述第一导向面平齐，所述驱动杆上设置有用于将所述滑块向外推的第二推动件，所述第二推动件朝向所述伸缩移动部件的一侧与所述第一推动件平齐，所述滑块未被所述第二推动件作用时，所述土壤水分传感器隐藏在所述伸缩采集腔中，所述滑块被所述第二推动件作用时，所述土壤水分传感器从所述伸缩采集腔被推出。

作为优选，所述第二推动件为设置在所述驱动杆外侧壁上的第二凸块，所述第二凸块的宽度小于所述缺口的宽度。

作为优选，所述第二凸块朝向所述伸缩移动部件的一侧设置有两个第三导向面，两个所述第三导向面分别位于所述第二凸块该侧的左右两端。

作为优选，所述滑块与所述缺口的底面之间设置有第二复位弹簧，所述第二复位弹簧驱使所述土壤水分传感器返回至所述伸缩采集腔中。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明水平旋转挤压采集壤中流装置可以埋设在土壤中并且可以对不同深度的土壤进行采集和分析其含水量，因而使得对土壤湿润锋的运移情况及其对降雨的响应关系更为客观的进行反映。

2、本发明的套筒分为固定套筒和滑动套筒，通过上下移动滑动套筒可以使得伸缩采集腔得到有效保护，避免采集的土壤并非所需要收集深度的土壤或采集的时间并非所预设的时间。

3、本发明的滑块和第二推动件配合使用，能够快速将伸缩采集腔内的土壤清除，效率较高，且便于本装置快速重复使用。

附图说明

图1为本发明土槽的立体结构示意图；

图2为本发明土槽的俯视图；

图3为本发明土槽的侧面示意图；

图4为本发明土槽的内部示意图；

图5为本发明水平旋转挤压采集壤中流装置的结构示意图；

图6为本发明水平旋转挤压采集壤中流装置的半剖示意图一；

图7为图6中a处的放大示意图；

图8为伸缩移动部件的结构示意图；

图9为驱动杆的结构示意图一；

图10为驱动杆的结构示意图二；

图11为本发明水平旋转挤压采集壤中流装置的半剖示意图二；

图12为图11中b处的放大示意图；

图13为图6中c处的放大示意图；

图14为本发明水平旋转挤压采集壤中流装置的半剖示意图三；

图15为图14中d处的放大示意图。

图中：1、钢板；2、钢化玻璃；3、刻度尺；4、导流装置；5、钢片；6、防水装置；7、壤中流分层收集装置；8、钢柱；9、细纱网；10、铁网；11、套筒；12、驱动杆；13、锥形部；14、径向孔；15、伸缩移动部件；16、第一导向面；17、伸缩采集腔；18、土壤水分传感器；19、第一推动件；20、第二导向面；21、环形槽；22、环形圈；23、固定环；24、第一复位弹簧；25、固定套筒；26、滑动套筒；27、通孔；28、缺口；29、滑块；30、第二推动件；31、第三导向面；32、第二复位弹簧。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述。

结合图1至图4所示，一种可观测土壤湿润锋的运移情况及分层收集壤中流的土槽，实验设计土槽的长宽高为5m×2m×1.3m，可实现较大尺度上模拟降雨过程中不同下垫面、坡度、雨强及前期土壤含水率对土壤水分运移的响应关系。

可观测土壤湿润锋的运移情况及分层收集壤中流的实验器材主要包括：水平旋转挤压采集壤中流装置、底层的防水装置6、侧面的钢化玻璃2、细纱网9、铁网10、壤中流分层收集装置7以及导流装置4。

其中，（1）土槽底部的防水装置6可防止土壤水分下漏，使水分侧向运动，最终从收集地下径流的导流装置流出，以达到收集地下径流的目的。底层防水装置6位于土槽最下端，铺设后通过玻璃胶使其与土槽四周紧密结合在一起。

（2）土槽两侧安装的钢化玻璃2上贴有透明的刻度尺3，可以实时观测一场降雨过程中湿润锋的运移深度。侧面透明的钢化玻璃2与土槽两侧的钢板1相接，下端与底部三角铁相连，上端与顶部三角铁相连。

（3）土槽前端出口的纵剖面保护网由铁网10及细纱网9组成，主要为防止降雨过程中前端土壤侧漏。同时细纱网9的铺设需根据壤中流分层收集装置7进行分层铺设，以防止壤中流产流后沿细纱网9流入土槽底部。细纱网9铺设在土槽前端铁网10内侧，且根据壤中流分层收集装置进行分层铺设。铁网10一侧与细纱网9相连，另一侧与前端导流装置4相连接，其四周则分别焊接在土槽两侧的钢板1及上下端的三角铁上。

（4）壤中流分层收集装置7其作用主要为防止上层壤中流产流以后沿前端土壤剖面流入下层壤中流收集装置7中。壤中流分层收集装置7的钢片5通过前端铁网10与导流装置4连接在一起，且钢片5置于导流装置4上部。钢片5与导流装置及铁网连接处的孔隙用玻璃胶进行密封。

（5）土槽的导流装置4主要用以收集和观测地表径流和壤中流，同时导流装置可根据实验要求在不同深度布设。土槽前端导流装置4采用分层错开、均匀分布的设计。导流装置4主要通过铆钉与土槽两侧的钢板1连接在一起，不同导流装置4之间主要通过玻璃胶进行密封。

（6）土槽填土过程中对顶端四周预留10cm高的钢板，以防止降雨过程中雨滴溅蚀及表层水土的侧向冲刷流失。

（7）土槽的尺寸可以根据具体研究需要进行更改设计。

一种可观测土壤湿润锋的运移情况及分层收集壤中流的土槽制作步骤如下：

土槽安装过程中，首先利用三角铁将土槽两侧及前后部分连接在一起，并将其直接焊接在底板上。同时在土槽内紧贴导流装置处垂直均匀布设三根钢柱，钢柱上端与土槽前端顶部三角铁焊接，下端与土槽前端底部焊接。然后将设计的铁网从土槽内部放入并与土槽前端两侧三角铁及中间的铁柱焊接。分层截流所用钢片通过铁网与导流装置用玻璃胶进行黏接，以防止壤中流通过钢片与导流装置连接处的孔隙进入下层导流装置。同时，钢片与铁网链接处的孔隙也需用玻璃胶密封，以防止壤中流通过钢片与铁网连接处的孔隙进入下层导流装置。细纱网自下而上垂直布设于土壤和铁网之间，以防止降雨过程中的土壤侧漏。

填土过程中，先在底部铺上防水装置，并用玻璃胶将其与槽子四周的连接处密封，防止水分从土槽底部流出。然后在防水布上铺10cm的细沙子并压实，接着在沙子上面铺上一层纱布，以防止上层土壤与下层沙子混合，最后再进行上层填土。填土过程中可根据具体实验要求，控制土壤容重进行分层填土。

降雨过程中本装置实现了大尺度条件下人工模拟降雨对产汇流的响应机理，同时对变化条件下土壤水分变化、不同坡度、雨强、下垫面对径流的响应关系的研究具有重要意义。

仅仅实现肉眼可观察是不够的，因此本发明水平旋转挤压采集壤中流装置需要配合上述实验器材一同使用。

结合图5至图15所示，一种水平旋转挤压采集壤中流装置，包括套筒11和与套筒11转动连接的驱动杆12，驱动杆12位于套筒11中，套筒11外壁设有刻度并且上端开口下端连接一锥形部13，在套筒11轴向的不同位置设有多个径向孔14，在每个径向孔14中设有一伸缩移动部件15，伸缩移动部件15一侧伸入套筒11内且设置有两个第一导向面16，两个第一导向面16分别位于伸缩移动部件15该侧的左右两端，伸缩移动部件15另一侧设置有伸缩采集腔17，伸缩采集腔17内设置有土壤水分传感器18，驱动杆12上设置有与伸缩移动部件15数量一致的第一推动件19，第一推动件19用于将伸缩移动部件15向外推，第一导向面16未被第一推动件19作用时，伸缩采集腔17隐藏在径向孔14中，第一导向面16被第一推动件19作用时，伸缩采集腔17从径向孔14被推出，土壤水分传感器18采集土壤水分信息。

本实施例中，第一推动件19为设置在驱动杆12外侧壁上的第一凸块，第一凸块朝向伸缩移动部件15的一侧设置有两个与第一导向面16配合的第二导向面20。

套筒11的上端向下凹陷形成环形槽21，环形槽21与套筒11内部连通，驱动杆12上设置有环形圈22，环形圈22与环形槽21转动连接，套筒11上还设置有用于将环形圈22限制在环形槽21内的固定环23，固定环23与套筒11的上端面可拆卸连接。

水平旋转挤压采集壤中流装置还包括第一复位弹簧24，第一复位弹簧24安装在径向孔14中，第一复位弹簧24驱使伸缩采集腔17返回至径向孔14中。

套筒11包括固定套筒25和滑动套筒26，滑动套筒26套在固定套筒25外部并且能够沿着固定套筒25的轴向上下移动，固定套筒25轴向的不同位置设有多个径向孔14，滑动套筒26上设置有与径向孔14数量一致的通孔27，当滑动套筒26向上移动时，使得通孔27与径向孔14连通能够向土壤释放出伸缩采集腔17，当滑动套筒26向下移动复位时，使得通孔27与径向孔14不通避免土壤或水进入伸缩采集腔17中。

伸缩移动部件15朝向套筒11内部的一侧向内凹陷形成缺口28，缺口28贯穿伸缩移动部件15的左右两端面，伸缩采集腔17与缺口28的底面连通，土壤水分传感器18的底部伸入缺口28内，土壤水分传感器18的底部设置有滑块29，滑块29的左右两端面与伸缩移动部件15的两个第一导向面16平齐，驱动杆12上设置有用于将滑块29向外推的第二推动件30，第二推动件30朝向伸缩移动部件15的一侧与第一推动件19平齐，滑块29未被第二推动件30作用时，土壤水分传感器18隐藏在伸缩采集腔17中，滑块29被第二推动件30作用时，土壤水分传感器18从伸缩采集腔17被推出。

本实施例中，第二推动件30为设置在驱动杆12外侧壁上的第二凸块，第二凸块的宽度小于缺口28的宽度，第二凸块朝向伸缩移动部件15的一侧设置有两个第三导向面31，两个第三导向面31分别位于第二凸块该侧的左右两端。

滑块29与缺口28的底面之间设置有第二复位弹簧32，第二复位弹簧32驱使土壤水分传感器18返回至伸缩采集腔17中。

本发明水平旋转挤压采集壤中流装置控制方法如下：

1、移动滑动套筒26，改变其相对于固定套筒25的位置，使得通孔27与径向孔14不通避免土壤或水进入伸缩采集腔17中；

2、将套筒11通过锥形部13插入土壤中，伸缩采集腔17位于固定套筒25的径向孔14中被滑动套筒26保护；

3、需要采集土壤水分信息时，改变滑动套筒26相对于固定套筒25的位置，使得通孔27与径向孔14连通能够向土壤释放出伸缩采集腔17；

4、旋转驱动杆12使第一凸块作用在伸缩移动部上，伸缩移动部件15做水平运动并驱使各个伸缩采集腔17扎入不同深度的土壤中，土壤填充至伸缩采集腔17中，此时第一复位弹簧24被压缩；

5、伸缩采集腔17中的土壤水分传感器18测量土壤的含水量并发送至电脑存储和分析；

6、采集测量完毕之后，反向旋转驱动杆12使第一凸块不再顶住伸缩移动部件15，第一复位弹簧24释放弹性势能将伸缩移动部件15复位，伸缩采集腔17也复位；

7、旋转驱动杆12使第二凸块作用在滑块29上，滑块29和土壤水分传感器18均做水平运动，土壤水分传感器18伸至伸缩采集腔17的开口处或伸出伸缩采集腔17，以将伸缩采集腔17内的土壤排出，此时第二复位弹簧32被压缩；

8、土壤清除完毕之后，旋转驱动杆12，使得第二凸块不再顶住滑块29，第二复位弹簧32释放弹性势能将滑块29复位，土壤水分传感器18也复位；

9、移动滑动套筒26相对于固定套筒25的位置，使得通孔27与径向孔14不通避免土壤或水进入伸缩采集腔17中；

10、将套筒11拔出土壤。

本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。