异质土壤孔隙优势流模拟试验方法与装置与流程

本发明异质土壤孔隙优势流模拟试验方法与装置，通过观测土壤水分和孔隙水压力的变化和分布特征来研究孔隙优势流，属于地下水研究领域。

背景技术：

空间异质性是土壤重要的属性之一。由孔隙引起的土壤异质性导致的优势流是一种常见的土壤水分运动形式。异质土壤中优势流的存在,降低了土壤水分和养分的可利用性，加大了土壤基质侵蚀的可能性，增加了地下水污染的危险性。准确描述和模拟土壤优势流的时空变化特征是土壤水文学界的难点问题之一。一般认为，土壤基质流符合达西定律，但是在有大孔隙存在情况下的土壤优势流的运动机理目前还没有形成统一的认识。本发明提出了一种异质土壤孔隙优势流模拟试验方法与装置，通过观测土壤水分和孔隙水压力的变化和分布特征来研究孔隙优势流，对优势流理论研究和工程实践具有参考意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于公开异质土壤孔隙优势流模拟试验方法与装置，观测土壤水分和孔隙水压力的变化和分布特征。

异质土壤孔隙优势流模拟试验装置，从上到下包括进水箱、开关、马氏瓶、试验土柱腔、集液瓶、单向阀、土壤基质滤液集水器、孔隙滤液集水器、止回阀、回水箱；

上述的马氏瓶出水端接在试验土柱腔中的匀渗通道进口端，匀渗通道出口端和一个集液瓶进口端相接，试验土柱腔出口端与另一个集液瓶进口端相连，集液瓶出口端均连接单向阀，试验土柱腔中的水体流入土壤基质滤液集水器，匀渗通道中的水体流入孔隙滤液集水器，两个止回阀分别接在土壤基质滤液集水器和孔隙滤液集水器的出口端，回水箱入口连接在两个止回阀的末端，并固定在铁架台上；上述的铁架台中部架设摄像机。

上述的进水箱通过导管给马氏瓶供水；马氏瓶给试验土柱腔提供恒定水头；

上述的试验土柱腔为高度100cm，直径30cm的半圆柱腔体，试验土柱腔内填充土壤基质；

上述的土壤基质内安装压力传感器、含水率传感器；

上述的试验土柱腔底部设置过滤栅；

上述的试验土柱腔内设置匀渗通道；

上述的匀渗通道为内径1.8cm，外径2.0cm壁厚0.2mm的半圆柱型pvc管，半圆柱型pvc管内壁喷涂0.1mm聚氨酯乙烯；半圆柱型pvc管内均匀填充空隙率为92％滤水棉，半圆柱型pvc管外侧包围透水率为2.2ml/min的透水棉；

上述的半圆柱型pvc管上开满小孔，小孔直径1mm，间距2mm；

上述的圆柱型pvc管一侧嵌入试验土柱腔平面腔体一侧，并与试验土柱腔平面腔体间采用四氟乙烯粘接；

所述的试验方法包括以下内容：

1)将土壤基质进行碱化处理：将单向阀关闭，采用12％的nahco3溶液通入试验土柱腔维持24小时；将单向阀打开，渗出24小时；

2)在进水箱内充满2％的酚酞溶液，开始进行试验；

3)用摄像机记录酚酞溶液在土壤基质内的运动过程，通过视频信号分析优势流在土壤基质中的入渗深度和对土壤基质的影响范围；

4)通过土壤基质滤液集水器和孔隙滤液集水器记录土壤基质滤液和孔隙滤液体积随时间的变化。

5)采用轴对称的richard方程进行参数反演，反映优势流的运动特性。

上式中，θ为体积含水率，h为压力水头，t为时间，r为径向坐标，z为竖向坐标，k为非饱和导水率。

上述richards方程中提及的非饱和导水率、体积含水率与压力水头的关系采用vg-m模型进行描述：

上式中，θr为残余含水率；θs为饱和含水率；ks为饱和导水率；m、n、α为经验系数，m＝1-1/n。

本发明提出的一种异质土壤孔隙优势流模拟试验方法与装置，结构简单，可分块拆装，操作便捷，通过观测土壤水分和孔隙水压力的变化和分布特征来研究孔隙优势流，对优势流理论研究和工程实践具有参考意义。

附图说明

图1是本发明整体装置示意图；

图2是本发明试验土柱腔部分示意图；

图3是本发明试验土柱截面示意图；

图4是本发明匀渗通道示意图。

具体实施方式

结合附图说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，异质土壤孔隙优势流模拟试验装置，从上到下包括进水箱1、开关2、马氏瓶3、试验土柱腔6、集液瓶7、单向阀8、土壤基质滤液集水器10、孔隙滤液集水器11、止回阀12、回水箱13；所述的马氏瓶3出水端接在试验土柱腔6中的匀渗通道进口端，匀渗通道出口端和一个集液瓶7进口端相接，试验土柱腔6出口端与另一个集液瓶7进口端相连，集液瓶7出口端均连接单向阀8，试验土柱腔6中的水体流入土壤基质滤液集水器10，匀渗通道中的水体流入孔隙滤液集水器11，两个止回阀12分别接在土壤基质滤液集水器10和孔隙滤液集水器11的出口端，回水箱13入口连接在两个止回阀12的末端，并固定在铁架台9上；上述的铁架台9中部架设摄像机4。

上述的进水箱1通过导管给马氏瓶3供水；马氏瓶3给试验土柱腔6提供恒定水头61。

上述的试验土柱腔6为高度100cm，直径30cm的半圆柱腔体，试验土柱腔6内填充土壤基质64；

上述的土壤基质64内安装压力传感器62、含水率传感器63；

上述的试验土柱腔6底部设置过滤栅65；

上述的试验土柱腔6内设置匀渗通道；

上述的匀渗通道为内径1.8cm，外径2.0cm壁厚0.2mm的半圆柱型pvc管51，半圆柱型pvc管51内壁喷涂0.1mm聚氨酯乙烯；半圆柱型pvc管51内均匀填充空隙率为92％滤水棉，半圆柱型pvc管51外侧包围透水率为2.2ml/min的透水棉53；

上述的半圆柱型pvc管51上开满小孔52，小孔52直径1mm，间距2mm；

上述的圆柱型pvc管51一侧嵌入试验土柱腔6平面腔体一侧，并与试验土柱腔6平面腔体间采用四氟乙烯粘接；

上述的装置工作流程如下：

1)将土壤基质64进行碱化处理：将单向阀8关闭，采用12％的nahco3溶液通入试验土柱腔6维持24小时；将单向阀8打开，渗出24小时；

2)在进水箱1内充满2％的酚酞溶液，开始进行试验；

3)用摄像机4记录酚酞溶液在土壤基质64内的运动过程，通过视频信号分析优势流在土壤基质64中的入渗深度和对土壤基质64的影响范围；

4)通过土壤基质滤液集水器10和孔隙滤液集水器11记录土壤基质滤液和孔隙滤液体积随时间的变化；

5)采用轴对称的richard方程进行参数反演，反映优势流的运动特性；

上式中，θ为体积含水率，h为压力水头，t为时间，r为径向坐标，z为竖向坐标，k为非饱和导水率；

上述richards方程中提及的非饱和导水率、体积含水率与压力水头的关系采用vg-m模型进行描述：

上式中，θr为残余含水率；θs为饱和含水率；ks为饱和导水率；m、n、α为经验系数，m＝1-1/n。