一种大埋深土壤渗透系数和水分扩散系数测定系统及方法与流程

本发明涉及农业水土工程技术领域，具体涉及一种大埋深土壤渗透系数和水分扩散系数测定系统和一种大埋深土壤渗透系数和水分扩散系数测定方法。

背景技术：

在农业水土工程技术领域，经常需要进行土壤取样以进行土壤水文过程等相关研究。例如，对于研究土壤水文过程而言，土壤物理参数及其水动力特征参数是重要依据。为了获取土壤物理参数及其水动力特征参数，一般采用原装土取样，实验室测定的方式获得。但是随着地下水的大规模开采，华北平原的地下水位埋深由20世纪70年代的2～15m降至8～30m，局部地区达到了56m。由于深度的增加，土壤受到的土压力也会相应增大，进而使得土壤的水分传输过程中的结构调整受限，从而反过来影响土壤的水分传导等土壤水分特性。因此，为了保证测定的土壤物理参数及其水动力特征参数的准确性，那么在对土壤进行取样的过程中，需要保证采样得到的土壤样品仍然可以维持在相应深度位置时的状态。

但是传统的大埋深土壤渗透系数和水分扩散系数测定方法中用以取样的土壤取样装置一般为环刀。而在取土过程中，环刀内的土体由于上下两端没有加压，在进行土壤取样过程中往往，从而使取样得到的土壤相对于原始深度位置会发生膨胀等形变，而且，现有的大埋深土壤渗透系数和水分扩散系数测定方法也无法及时有效地对土壤样品进行加压处理，使土壤样品恢复为大埋深时的状态，进而使测得的土壤渗透系数和水分扩散系数等准确度降低。

技术实现要素：

鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种大埋深土壤渗透系数和水分扩散系数测定系统和相应的一种大埋深土壤渗透系数和水分扩散系数测定方法。

根据本发明的一方面，提供了一种大埋深土壤渗透系数和水分扩散系数测定系统，包括：

取样模块，用于利用大埋深土壤取样装置对大埋深土壤进行取样，得到与透明有机玻璃土柱内积一致的土壤样品；

样品保存模块，用于利用透明容器存储包含土壤样品的透明有机玻璃土柱，并利用分别与所述透明容器上下截面相连的两个透水石对所述透明有机玻璃土柱内的土壤样品进行加压处理；

测定模块，用于在根据所述透明有机玻璃土柱上的容量刻度，从所述透明有机玻璃土柱中获取预设体积的测试土壤后，检测所述测试土壤的渗透系数和水分扩散系数；

其中，所述取样模块，包括：

手柄，为中空结构，在所述手柄的上方以及所述中空结构内设有绞盘；

钻头，为中空且下截面开口的圆形筒状结构；其内设有透明有机玻璃土柱；所述透明有机玻璃土柱为中空且上下截面开口的圆形筒状结构；

连接杆，为连接在所述手柄和所述钻头之间的中空结构，内设有两根L型钢丝，所述两根L型钢丝的垂直部分均穿设在所述连接杆中，且顶部穿设在所述手柄的中空结构里，并与其上的绞盘连接，所述两根L型钢丝的水平部分分别设置在所述透明有机玻璃土柱的上下截面位置，用于切割所述透明有机玻璃土柱上下截面的土壤；

其中，转动所述绞盘，所述绞盘带动所述L型钢丝的水平部分切割所述透明有机玻璃土柱相应截面的土体。

可选地，所述透明有机玻璃土柱上标有容量刻度，且所述容量刻度延所述透明有机玻璃土柱侧面从任一截面向另一截面增加。

可选地，所述连接杆包含至少一个通过螺纹连接的子连接杆。

可选地，所述保存模块，包括：所述透明有机玻璃土柱和加压器；所述加压器包括透明容器、止水材料和两块透水石；

所述透明容器为中空且上下截面开口的圆形筒状结构；所述透明容器的内径大于等于所述透明有机玻璃土柱的外径；所述透明容器靠近上下截面的内表面存在螺纹，且所述螺纹的总高度与所述有机玻璃土柱的高度之和大于等于所述透明容器的高度；

所述止水材料用于在所述透明有机玻璃土柱置于所述透明容器中时，填充所述透明有机玻璃土柱与所述透明容器之间的空隙；

所述透水石的外径与所述透明容器的内径相同；所述透水石的环形外表面存在螺纹，一个透水石通过螺纹与所述透明容器的上截面相连，另一个透水石通过螺纹与所述透明容器的下截面相连。

可选地，所述保存模块，还包括：

压力传感器，用于测量并展示所述透明有机玻璃土柱内土壤样品的真实压力值；当所述真实压力值小于所述预设取样深度对应的理论压力值时，利用所述透水石对所述透明有机玻璃土柱内的土壤样品进行加压处理直至所述真实压力值等于所述理论压力值。

依据本发明的另一个方面，提供了一种大埋深土壤渗透系数和水分扩散系数测定方法，包括：

利用大埋深土壤取样装置对大埋深土壤进行取样，得到与透明有机玻璃土柱内积一致的土壤样品；

在预设时间内将所述透明有机玻璃土柱从所述钻头中取出并放入透明容器中，并利用分别与所述透明容器上下截面相连的两个透水石对所述透明有机玻璃土柱内的土壤样品进行加压处理；

根据所述透明有机玻璃土柱上的容量刻度，从所述透明有机玻璃土柱中获取预设体积的测试土壤，并检测所述测试土壤的渗透系数和水分扩散系数；

其中，所述大埋深土壤取样装置，包括：

手柄，为中空结构，在所述手柄的上方以及所述中空结构内设有绞盘；

钻头，为中空且下截面开口的圆形筒状结构；其内设有透明有机玻璃土柱；所述透明有机玻璃土柱为中空且上下截面开口的圆形筒状结构；

连接杆，为连接在所述手柄和所述钻头之间的中空结构，内设有两根L型钢丝，所述两根L型钢丝的垂直部分均穿设在所述连接杆中，且顶部穿设在所述手柄的中空结构里，并与其上的绞盘连接，所述两根L型钢丝的水平部分分别设置在所述透明有机玻璃土柱的上下截面位置，用于切割所述透明有机玻璃土柱上下截面的土壤；

其中，转动所述绞盘，所述绞盘带动所述L型钢丝的水平部分切割所述透明有机玻璃土柱相应截面的土体。

可选地，所述利用大埋深土壤取样装置对大埋深土壤进行取样，得到与透明有机玻璃土柱内积一致的土壤样品的步骤，包括：

通过所述钻头侧面的开口将所述透明有机玻璃土柱放入所述钻头内，并利用与所述开口对应的盖板封闭所述开口；

通过旋转与所述钻头对应的手柄，将所述钻头深入到所述预设取样深度以采集土壤素材；

将所述钻头从土壤中取出，并通过控制对应所述钻头的绞盘旋转以收缩处于钻头内层环形凹槽内的两根钢丝，以切割所述钻头中透明有机玻璃土柱上下截面的土体，得到与所述透明有机玻璃土柱内积一致的土壤样品；所述环形凹槽分别位于所述钻头内层对应于所述透明有机玻璃土柱的上下截面位置处。

可选地，在所述通过旋转与所述钻头对应的手柄，将所述钻头深入到所述预设取样深度以采集土壤素材的步骤之前，还包括：

根据所述预设取样深度，选取相应长度的连接杆连接所述钻头和相应的手柄。

可选地，所述在预设时间内将所述透明有机玻璃土柱从所述钻头中取出并放入透明容器中，并利用分别与所述透明容器上下截面相连的两个透水石对所述透明有机玻璃土柱内的土壤样品进行加压处理的步骤，包括：

在预设时间内将所述透明有机玻璃土柱从所述钻头中取出并放入透明容器中；

利用止水材料填充所述透明有机玻璃土柱与所述透明容器之间的空隙；

当所述土壤样品超出所述透明有机玻璃土柱时，则通过螺纹控制两个透水石分别移动至与所述透明有机玻璃土柱上下截面相连的位置以对所述土壤样品进行加压。

可选地，在所述在预设时间内将所述透明有机玻璃土柱从所述钻头中取出并放入透明容器中的步骤之后，还包括：

利用压力传感器测量所述透明有机玻璃土柱内土壤样品的真实压力值；

当所述真实压力值小于所述预设取样深度对应的理论压力值时，利用所述透水石对所述透明有机玻璃土柱内的土壤样品进行加压处理直至所述真实压力值等于所述理论压力值。

根据本发明的一种大埋深土壤渗透系数和水分扩散系数测定系统，可以利用大埋深土壤取样装置对大埋深土壤进行取样，得到与透明有机玻璃土柱内积一致的土壤样品；在预设时间内将所述透明有机玻璃土柱从所述钻头中取出并放入透明容器中，并利用分别与所述透明容器上下截面相连的两个透水石对所述透明有机玻璃土柱内的土壤样品进行加压处理；根据所述透明有机玻璃土柱上的容量刻度，从所述透明有机玻璃土柱中获取预设体积的测试土壤，并检测所述测试土壤的渗透系数和水分扩散系数。由此解决了传统的大埋深土壤渗透系数和水分扩散系数测定方法，取样得到的土壤相对于原始深度位置会发生膨胀等形变，而且也无法及时有效地对土壤样品进行加压处理，使土壤样品恢复为大埋深时的状态，进而使测得的土壤渗透系数和水分扩散系数等准确度降低。取得了有效保持土壤样品的状态，进而提高所测定的土壤的渗透系数和水分扩散系数准确性的有益效果。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1示出了根据本发明一个实施例的一种大埋深土壤渗透系数和水分扩散系数测定方法的步骤流程图；

图1A示出了根据本发明一个实施例的一种钻头的结构示意图；

图2示出了根据本发明一个实施例的一种大埋深土壤渗透系数和水分扩散系数测定方法的步骤流程图；

图2A示出了根据本发明一个实施例的一种连接杆的结构示意图；

图2B示出了根据本发明一个实施例的一种手柄的结构示意图；

图2C示出了根据本发明一个实施例的大埋深土壤取样装置的结构示意图；

图3示出了根据本发明一个实施例的一种大埋深土壤渗透系数和水分扩散系数测定系统的结构示意图；以及

图3A示出了根据本发明一个实施例的一种样品保存装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

在下文中，将参考附图来更好地理解本发明的许多方面。附图中的部件未必按照比例绘制。替代地，重点在于清楚地说明本发明的部件。

实施例一

参照图1，示出了本申请的一种大埋深土壤渗透系数和水分扩散系数测定方法的步骤流程图。

步骤101，利用大埋深土壤取样装置对大埋深土壤进行取样，得到与透明有机玻璃土柱内积一致的土壤样品。

相对于利用传统的环刀采集土壤样品，在本发明实施例中，为了保证最终获取的土壤样品能够保持在预设取样深度处的压力状态，利用包含透明有机玻璃土柱的钻头从预设取样深度处采集土壤，并且在将钻头从土壤中取出时，切割透明有机玻璃土柱上下截面的土体，得到与透明有机玻璃土柱内积一致的土壤样品。其中的，透明有机玻璃土柱为中空的筒状接口，钻头也为中空的筒状结构，透明有机玻璃土柱可以固定于钻头内部，具体可以利用任何可用方式将透明有机玻璃土柱固定于钻头内部，例如，可以在钻头内层对应有机玻璃土柱上下界面的位置处设置卡槽，用以固定透明有机玻璃土柱；或者设置透明有机玻璃土柱的外径等于钻头的内径，那么可以将透明有机玻璃土柱卡在钻头中等等，对此本发明实施例不加以限定。而且，为了方便取土，透明有机玻璃土柱的上下截面为开口，钻头为下截面开口。其中，透明有机玻璃土柱的高度可以为20cm(厘米)，当然也可以根据需求设定，对此本发明实施例不加以限定。

而且为了保证透明有机玻璃土柱内的土体可以收到其上下截面土体的压力，需要保证有机玻璃土柱的上下截面对应与钻头的上下截面之间存在一定的空间，空间的具体大小可以根据需求进行设定，对此本发明实施例不加以限定。另外，对于透明有机玻璃土柱和钻头的具体形状也可以根据需求设定，其中透明有机玻璃土柱可以和钻头的形状相同，也可以不同，对此本发明实施例不加以限定。

如上述可知，利用包含透明有机玻璃土柱的钻头从预设取样深度处采集土壤的过程中，可以通过钻头中的且在透明有机玻璃土柱上截面之上以及下截面之下的土体保持透明有机玻璃土柱内部土体的压力状态。而且为了尽可能保持透明有机玻璃土柱内部土体的压力状态，在本发明实施例中，钻头在土壤中时，并不对钻头中的土体进行切割，而当将钻头从土壤中取出时，即可以切割透明有机玻璃土柱上下截面的土体，得到与透明有机玻璃土柱内积一致的土壤样品。

在本发明实施例中，可以利用任何可用设备或方法切割透明有机玻璃土柱上下截面的土体，而且可以采用不同的方式分别切割透明有机玻璃土柱上下截面的土体，也可以利用相同的方式切割透明有机玻璃土柱上下截面的土体，对此本发明实施例不加以限定。

例如，可以利用两根钢丝分别切割透明有机玻璃土柱上下截面的土体。如图1A为一种钻头的结构示意图。其中，5为钻头外层，6为钻头内层，7为透明有机玻璃土柱，8为两根钢丝，两根钢丝的底部与透明有机玻璃土柱上下截面平行，其中一根钢丝对应于透明有机玻璃土柱上截面，另一根钢丝对应于透明有机玻璃土柱的下截面。那么可以分别利用对应于透明有机玻璃土柱上下截面的钢丝切割透明有机玻璃土柱上下截面的土体。例如，如果透明有机玻璃土柱为环形筒状结构，那么可以将钢丝底部的水平部分设置为环形，且环形底部的内径大于等于透明有机玻璃土柱的内径，那么可以将两根钢丝的钢丝底部分别放置于透明有机玻璃土柱的上下截面位置，然后收缩其水平部分的环形，进而切割透明有机玻璃土柱上下截面的土体。

步骤102，在预设时间内将所述透明有机玻璃土柱从所述钻头中取出并放入透明容器中，并利用分别与所述透明容器上下截面相连的两个透水石对所述透明有机玻璃土柱内的土壤样品进行加压处理。

在本发明实施例中，为了在后续使用过程中，仍然可以保持土壤样品的压力状态，需要将钻头内的透明有机玻璃土柱预设时间内从钻头内取出并放入透明容器中。其中的预设时间可以根据需求进行设定，对此本发明实施例不加以限定。例如可以设置预设时间为1分钟(Min)，那么在切割完透明有机玻璃土柱上下截面的土体之后，需要在1min之内将透明有机玻璃土柱从钻头中取出并放入透明容器中。其中，该透明容器为上下截面开口且中空的筒状结构，对于透明容器的具体形状本发明实施例不加以限定，例如其可以为中空的环形筒状结构、或者是中空的多边形筒状结构等等。

在透明容器的上下截面处各连接一块透水石，且透水石分别与透明容器上下截面的内侧相连。那么在将透明有机玻璃土柱放入透明容器中之后，即可以利用两块透水石封闭透明容器，同时可以通过透水石对透明有机玻璃土柱内的土壤样品进行加压处理，使其保持在预设取样深度处在压力状态。具体的，可以利用任何可用方式对透明有机玻璃土柱内的土壤样品进行加压，对此本发明实施例不加以限定。

例如，如前述，在刚刚切割完成时，可以默认透明有机玻璃土柱内的土壤样品的压力状态为在预设取样深度下的压力状态，因此可以认定如果透明有机玻璃土柱内的土壤样品在未缺失的情况下，且土壤样本的体积等于透明有机玻璃土柱的体积，此时土壤样品的压力状态为在预设取样深度下的压力状态。而如果土壤样品的压力值发生变化，其会变形膨胀，那么土壤样品会超出透明有机玻璃土柱，此时可以向透明容器中心移动透明容器上下截面处的透水石并分别移动至透明有机玻璃土柱的上下截面处，那么透水石在移动过程中可以将超出透明有机玻璃土柱的土体压缩回透明有机玻璃土柱内，从而使土壤样本恢复原有的压力状态。

步骤103，根据所述透明有机玻璃土柱上的容量刻度，从所述透明有机玻璃土柱中获取预设体积的测试土壤，并检测所述测试土壤的渗透系数和水分扩散系数。

在实际应用中，在获取了土壤样品之后，可能需要检测多个相关参数，那么可能需要多次检测过程，而在不同次检测过程中，为了保持检测土壤的压力状态不会发生过大变化，可以在每次测试时从透明有机玻璃土柱中获取满足本次检测的预设体积的测试土壤，其中预设体积可以根据需求进行设定，对此本发明实施例不加以限定。在本发明实施例中，为了方便相关人员快速且准确地获取预设体积的测试土壤，在透明有机玻璃土柱标有容量刻度，那么即可以根据透明有机玻璃土柱上的容量刻度，从透明有机玻璃土柱中获取预设体积的测试土壤。其中，容量刻度在单位可以根据需求进行设定，对此本发明实施例不加以限定。

在本发明实施例中，在获取测试土壤之后，即可以利用任何可用方法检测测试土壤的渗透系数和水分扩散系数，对此本发明实施例不加以限定。当然也可以直接利用整个土壤样品作为测试土壤并检测渗透系数和水分扩散系数，对此本发明实施例不加以限定。

例如，检测渗透系数的步骤具体可以如下：

(1)将获取的测试土壤放入中空且上下截面开口的第一筒状容器中，并将该第一筒状容器浸入水中。一般砂土浸4h～6h(小时)，壤土浸8h～12h，粘土浸24h。浸水时要保持水面与第一筒状容器上截面平齐，且勿使水淹到第一筒状容器上口的土面。

(2)在预定时间将第一筒状容器取出，并在上面套上一个与第一筒状结构一致的空的第二筒状容器，接口处先用胶布封好，再用熔蜡粘合，严防从接口处漏水。然后将接合的第一筒状容器放到漏斗上，漏斗下面用100mL烧杯承接。

(3)向上面的第二筒状容器中加水，水面比第二筒状容器上截面低1mm(毫米)，水层厚5cm(厘米)。

(4)加水后，自漏斗下面滴下第一滴水时用秒表计时，每隔1、2、3、5、10……n分钟更换漏斗下的烧杯(间隔时间的长短，视渗透快慢而定)，并分别用100mL(毫升)或10mL量筒计量渗出水量Q1、Q2、Q3……Qn。每更换一次烧杯，要将上面的第二筒状容器的水面加至原来高度，并用温度计记录水温。

(5)试验一般持续时间约1h才开始稳定。如果仍不稳定，应继续延长时间直到单位时间内渗出水量相等时为止。

那么，渗出水总量的计算公式为：

其中，Q为渗出水总量，单位为mm；Q1、Q2…Qn表示每次渗出水量，单位为mL，即cm³,(立方厘米)；S为第一筒状容器和第二筒状容器的横截面积，单位为cm²(平方厘米)，10是将cm换算为mm所乘倍数。

渗透速度的计算公式为：

其中，V为渗透速度，单位为mm/min(毫米每分钟)，Qn为n次渗出水量，单位为mL，t_n为每次渗透所间隔时间，单位为min。

渗透系数的计算公式为：

其中，Kt为温度为t(℃，摄氏度)时的渗透参数，单位为mm/min；Qn为n次渗出水量，单位为mL；tn为每次渗透所间隔时间，单位为min；S为第一筒状容器和第二筒状容器的横截面积，单位为cm²；h为水层厚度，单位为cm；L为土层厚度，单位为cm；V为渗透速度，单位为mm/min。

为了使不同温度下所测得的K_t值便于比较，应换算成10℃时的渗透参数，按式(4)计算：

其中，K₁₀为温度为10℃时的渗透参数，单位为mm/min；K_t为温度为t(℃)时的渗透系数，单位为mm/min；t°为测定时水的温度，单位为℃。

在本申请实施例中，可以重复上述测试以及计算过程预设次数，并计算各次结果的算术平均值，其中预设次数可以根据需求设定，对此本发明实施例不加以限定。例如，可以重复测试并计算四次，取四次结果的算术平均值，并取两位小数。

另外，在本发明实施例中，可以利用任何可用的方法或设备检测土壤样品的水分扩散系数，例如水平土柱吸渗法、扩散偏微分方程求解方法等等，对此本发明实施例不加以限定。

需要说明的是，在本发明实施例中，可以在将透明有机玻璃土柱从钻头中取出后，直接以上述的透明有机玻璃土柱作为第一筒状容器，以透明有机玻璃土柱内的土壤样品作为测试土壤，立即测量该土壤样品的土壤渗透系数和水分扩散系数。而且，为了方便测量，可以设定透明有机玻璃土柱的高度为20cm。

根据本发明的一种大埋深土壤渗透系数和水分扩散系数测定方法，可以利用大埋深土壤取样装置对大埋深土壤进行取样，得到与透明有机玻璃土柱内积一致的土壤样品；在预设时间内将所述透明有机玻璃土柱从所述钻头中取出并放入透明容器中，并利用分别与所述透明容器上下截面相连的两个透水石对所述透明有机玻璃土柱内的土壤样品进行加压处理；根据所述透明有机玻璃土柱上的容量刻度，从所述透明有机玻璃土柱中获取预设体积的测试土壤，并检测所述测试土壤的渗透系数和水分扩散系数。由此解决了传统的大埋深土壤渗透系数和水分扩散系数测定方法，取样得到的土壤相对于原始深度位置会发生膨胀等形变，而且也无法及时有效地对土壤样品进行加压处理，使土壤样品恢复为大埋深时的状态，进而使测得的土壤渗透系数和水分扩散系数等准确度降低。取得了有效保持土壤样品的状态，进而提高所测定的土壤的渗透系数和水分扩散系数准确性的有益效果。

实施例二

参照图2，示出了本申请的一种大埋深土壤渗透系数和水分扩散系数测定方法的步骤流程图。

步骤201，通过所述钻头侧面的开口将所述透明有机玻璃土柱放入所述钻头内，并利用与所述开口对应的盖板封闭所述开口。

如图1A的钻头结构示意图，钻头包括钻头内层6和钻头外层5；在钻头内层6的任一侧面以及钻头外层5的相应侧面设有一开口以及与该开口配套的盖板；而且开口的尺寸大于等于透明有机玻璃土柱7的纵向最大截面。那么即可以通过钻头侧面的开口将透明有机玻璃土柱放入钻头内，并利用与开口对应的盖板封闭开口。

在本发明实施例中，透明有机玻璃土柱7的外直径还可以与钻头内层直径相同；那么透明有机玻璃土柱可以固定于钻头内部且与开口对应的钻头内层贴合。那么用户可以通过钻头的开口将透明有机玻璃土柱放入钻头后，钻头可以直接固定在钻头内部且与开口对应的钻头内层贴合，从而可以无须再调整透明有机玻璃土柱的位置，减少用户的操作，而且也较少在钻头内侧设置较多的槽口。

步骤202，根据所述预设取样深度，选取相应长度的连接杆连接所述钻头和相应的手柄。

其中，可以选取一根相应长度的连接杆连接钻头和相应的手柄，也可以选取多个子连接杆连接得到相应长度的连接杆，并利用该连接杆该连接钻头和相应的手柄。其中，连接杆可以通过螺纹分别连接钻头和相应的手柄，那么此时在手柄与连接杆的连接处分别具有内表面螺纹和外表面螺纹；连接杆与钻头的连接处也分别具有内表面螺纹和外表面螺纹。例如，手柄中与连接杆的连接处具有内表面螺纹，那么连接杆中与手柄的连接处具有外表面螺纹；而如果手柄中与连接杆的连接处具有外表面螺纹，那么连接杆中与手柄的连接处具有内表面螺纹。当然，在本发明实施例中，也可以利用嵌插等等其他任何可用方式连接手柄与连接杆以及钻头与连接杆，而且，手柄与连接杆之间的连接方式以及钻头与连接杆之间的连接方式可以不同，也可以相同，对此本发明实施例也不加以限定。

另外，如果选取多个子连接杆连接得到相应长度的连接杆，那么各个子连接杆之间也可以通过螺纹或嵌插等任何可用方式进行连接，对此本发明实施例也不加以限定。

如图2A为一种用多个子连接杆连接到的连接杆的结构示意图。其中，2a、2b、2c分别为各个子连接杆。

步骤203，通过旋转与所述钻头对应的手柄，将所述钻头深入到所述预设取样深度以采集土壤素材。

如图2B为手柄的结构示意图，其中4为绞盘。绞盘置于手柄上，手柄为中空的结构，且手柄和绞盘都可以转动。而且，绞盘可以独立转动。

步骤204，将所述钻头从土壤中取出，并通过控制对应所述钻头的绞盘旋转以收缩处于钻头内层环形凹槽内的两根钢丝，以切割所述钻头中透明有机玻璃土柱上下截面的土体，得到与所述透明有机玻璃土柱内积一致的土壤样品；所述环形凹槽分别位于所述钻头内层对应于所述透明有机玻璃土柱的上下截面位置处。

如图2C为本发明一种大埋深土壤取样装置的结构示意图。其中，1为手柄，2为连接杆，与连接杆底部相连的是钻头，4是绞盘，5是钻头外层，6是钻头内层，7是透明有机玻璃土柱，8是两根L型钢丝，9是内槽，另外在钻头内层对应透明有机玻璃土柱上下截面位置处还分别存在环形内槽(图中未示出)。

其中，两根L型钢丝的水平部分为环形且环形外直径等于环形凹槽外直径，其中一根L型钢丝的水平部分固定于透明有机玻璃土柱上截面对应的环形凹槽内，另一根L型钢丝的水平部分固定于透明有机玻璃土柱下截面对应的环形凹槽内；那么当绞盘旋转释放两根L型钢丝时，L型钢丝的水平部分收缩并移动固定至内槽中，从而完成对透明有机玻璃土柱上下截面土体的切割。

而在切割土壤之前，该两条L型钢丝8的水平部分是环形且环形外直径等于所述环形凹槽外直径。其中一根L型钢丝的水平部分固定于透明有机玻璃土柱7上截面对应的环形凹槽内，另一根L型钢丝的水平部分固定于透明有机玻璃土柱7下截面对应的环形凹槽内。在切割土壤之后，两根L型钢丝的水平部分收缩完毕，那么其可以变为较小的环形或者是直接收缩为实心圆盘，此时，为了不影响移动透明有机玻璃土柱等操作，可以将收缩后的两根L型钢丝的水平部分固定于钻头内侧开口处的内槽中。在本发明实施例中，也可以根据需求将内槽设置与钻头的其他可用区域，或者是利用其他任何可用方式或设备固定收缩后的L型钢丝的水平部分，对此本发明实施例不加以限定。

而且，在本发明实施例中，在将切割后的透明有机玻璃土柱从钻头中取出之后，以及在将装有空载的透明有机玻璃土柱的钻头再次植入土壤以采集土壤之前，可以通过控制绞盘执行相应的操作以释放收缩后的两个L型钢丝的水平部分，将两个L型钢丝的水平部分还原为环形，并将两个L型钢丝的水平部分从钻头内层的内槽对应移动固定至透明有机玻璃土柱上下截面对应的凹槽。

这样，在L型钢丝未使用时，可以使L型钢丝在钻头内有能够卡住的位置，避免在大埋深土壤取样装置移动时，该钢丝在钻头内部发生摇晃而损坏能够碰撞的各个部件或者影响采集土壤的效果。

而且将L型钢丝的水平部分固定在钻头内侧，这样一方面可以节约大埋深土壤取样装置的制造成本，另一方面可以避免在容积较小的钻头内设置更多的槽口；当然，在不同实施例中，本领域的技术人员也可以根据实际需要在钻头内部设置其他可以在L型钢丝不用时来卡住L型钢丝的其他部件，其只要能够保持L型钢丝不摇晃即可，本发明对此并不做具体限定。

步骤205，在预设时间内将所述透明有机玻璃土柱从所述钻头中取出并放入透明容器中。

为了尽可能保持透明有机玻璃土柱内的土壤样品的压力状态，在本发明实施例中，在完成切割后，需要在预设时间内将透明有机玻璃土柱从钻头中取出并放入透明容器中。其中，预设时间可以根据需求进行设定，对此本发明实施例不加以限定。

步骤206，利用止水材料填充所述透明有机玻璃土柱与所述透明容器之间的空隙。

在本发明实施例中，在将透明有机玻璃土柱放入透明容器之后，为了避免后续操作过程中透明有机玻璃土柱左右晃动，可以利用止水材料填充透明有机玻璃土柱与透明容器之间的空隙。

步骤207，当所述土壤样品超出所述透明有机玻璃土柱时，则通过螺纹控制两个透水石分别移动至与所述透明有机玻璃土柱上下截面相连的位置以对所述土壤样品进行加压。

步骤208，利用压力传感器测量所述透明有机玻璃土柱内土壤样品的真实压力值。

在本发明实施例中，还可以利用压力传感器实时检测透明有机玻璃土柱内土壤样品的真实压力值并展示，那么当相关人员察觉到土壤样品的真实压力值小于计算值时，则可以通过上述的透水石对土壤样品进行加压处理。

其中的压力传感器可以与任意一个透水石相连，对此本发明实施例不加以限定。当然，在本发明实施例中，也可以利用其他任何可用方法或设备测量透明有机玻璃土柱内土壤样品的真实压力值，对此本发明实施例不加以限定。

步骤209，当所述真实压力值小于所述预设取样深度对应的理论压力值时，利用所述透水石对所述透明有机玻璃土柱内的土壤样品进行加压处理直至所述真实压力值等于所述理论压力值。

其中，理论压力值的计算公式可以为：

其中，P为理论压力值，单位为Pa(帕斯卡)；为H深度处土壤平均密度，单位为kg/m³(千克每立方米)，H为预设取样深度，单位为m(米)。其中，可以取值为2.65g/cm³(克每立方厘米)。

在本发明实施例中，可以利用任何可用方法基于透水石对透明有机玻璃土柱内的土壤样品进行加压处理直至真实压力值等于理论压力值。而且也可以不基于透水石，而利用任何其他的可用方法或设备对透明有机玻璃土柱内的土壤样品进行加压处理直至真实压力值等于所述理论压力值，对此本发明实施例不加以限定。

需要说明的是，在本发明实施例中，步骤208-209也可以在步骤207之前执行，或者是与步骤207同时执行，或者是只利用上述的一种方式对土壤样品进行加压处理，对此本发明实施例不加以限定。

步骤210，根据所述透明有机玻璃土柱上的容量刻度，从所述透明有机玻璃土柱中获取预设体积的测试土壤，并检测所述测试土壤的渗透系数和水分扩散系数。

需要说明的是，在本发明实施例中，在从透明有机玻璃土柱中取出测试土壤之后，如果其中的土壤样品仍然需要保存以后续测试使用，那么以后仍然需要利用前述的步骤对透明有机玻璃土柱中的土体进行加压处理。

根据本发明的一种大埋深土壤渗透系数和水分扩散系数测定方法，可以利用大埋深土壤取样装置对大埋深土壤进行取样，得到与透明有机玻璃土柱内积一致的土壤样品；在预设时间内将所述透明有机玻璃土柱从所述钻头中取出并放入透明容器中，并利用分别与所述透明容器上下截面相连的两个透水石对所述透明有机玻璃土柱内的土壤样品进行加压处理；根据所述透明有机玻璃土柱上的容量刻度，从所述透明有机玻璃土柱中获取预设体积的测试土壤，并检测所述测试土壤的渗透系数和水分扩散系数。由此解决了传统的大埋深土壤渗透系数和水分扩散系数测定方法，取样得到的土壤相对于原始深度位置会发生膨胀等形变，而且也无法及时有效地对土壤样品进行加压处理，使土壤样品恢复为大埋深时的状态，进而使测得的土壤渗透系数和水分扩散系数等准确度降低。取得了有效保持土壤样品的状态，进而提高所测定的土壤的渗透系数和水分扩散系数准确性的有益效果。而且，本发明方便用户操作，从取样到保存的过程中都可以有效避免土壤样品压力状态的变化，从而可以进一步提高所测定的土壤的渗透系数和水分扩散系数准确性。

实施例三

参照图3，示出了本申请的一种大埋深土壤渗透系数和水分扩散系数测定系统的结构示意图。

本发明实施例中的大埋深土壤渗透系数和水分扩散系数测定系统30，包括取样模块301、样品保存模块302和测定模块303。

其中，所述取样模块301，用于对大埋深土壤进行取样，得到与透明有机玻璃土柱内积一致的土壤样品。

如图2C为本发明实施例的一种取样模块的结构示意图。包括：

手柄1，为中空结构，在所述手柄的上方以及所述中空结构内设有绞盘4。

钻头，为中空且下截面开口的圆形筒状结构；其内设有透明有机玻璃土柱7；所述透明有机玻璃土柱为中空且上下截面开口的圆形筒状结构。

连接杆2，为连接在所述手柄和所述钻头之间的中空结构，内设有两根L型钢丝8，所述两根L型钢丝的垂直部分均穿设在所述连接杆中，且顶部穿设在所述手柄的中空结构里，并与其上的绞盘连接，所述两根L型钢丝的水平部分分别设置在所述透明有机玻璃土柱的上下截面位置，用于切割所述透明有机玻璃土柱上下截面的土壤。

其中，转动所述绞盘，所述绞盘带动所述L型钢丝的水平部分切割所述透明有机玻璃土柱相应截面的土体。

可选地，所述透明有机玻璃土柱上标有容量刻度，且所述容量刻度延所述透明有机玻璃土柱侧面从任一截面向另一截面增加。

可选地，所述连接杆包含至少一个通过螺纹连接的子连接杆。

所述样品保存模块302，用于利用透明容器存储包含土壤样品的透明有机玻璃土柱，并利用分别与所述透明容器上下截面相连的两个透水石对所述透明有机玻璃土柱内的土壤样品进行加压处理。

如图3A所示为一种样品保存模块的结构示意图。所述样品保存模块302，包括：所述透明有机玻璃土柱7和加压器；所述加压器包括透明容器11、止水材料12和两块透水石10。

所述透明容器为中空且上下截面开口的圆形筒状结构；所述透明容器的内径大于等于所述透明有机玻璃土柱的外径；所述透明容器靠近上下截面的内表面存在螺纹，且所述螺纹的总高度与所述有机玻璃土柱的高度之和大于等于所述透明容器的高度。

所述止水材料填充于所述透明有机玻璃土柱置于所述透明容器中时，所述透明有机玻璃土柱与所述透明容器之间的空隙。

所述透水石的外径与所述透明容器的内径相同；所述透水石的环形外表面存在螺纹，一个透水石通过螺纹与所述透明容器的上截面相连，另一个透水石通过螺纹与所述透明容器的下截面相连。

可选地，所述样品保存模块，还包括：压力传感器，用于测量并展示所述透明有机玻璃土柱内土壤样品的真实压力值；当所述真实压力值小于所述预设取样深度对应的理论压力值时，利用所述透水石对所述透明有机玻璃土柱内的土壤样品进行加压处理直至所述真实压力值等于所述理论压力值。

所述测定模块303，用于在根据所述透明有机玻璃土柱上的容量刻度，从所述透明有机玻璃土柱中获取预设体积的测试土壤后，检测所述测试土壤的渗透系数和水分扩散系数。

可选地，在本发明实施例中，为了方便后续测量参数，可以设置所述透明有机玻璃土柱的高度为20cm。而且，在本发明实施例中，测定模块可以为上述的样品保存模块稍作调整后得到。例如前述的将样品保存装置的透水石去除，直接以透明有机玻璃土柱为第一筒状容器，等等。那么此时可以在获取到土壤样品之后立即检测土壤样品的土壤渗透系数和水分扩散系数。

在本发明实施例中，可以利用大埋深土壤取样装置对大埋深土壤进行取样，得到与透明有机玻璃土柱内积一致的土壤样品；在预设时间内将所述透明有机玻璃土柱从所述钻头中取出并放入透明容器中，并利用分别与所述透明容器上下截面相连的两个透水石对所述透明有机玻璃土柱内的土壤样品进行加压处理；根据所述透明有机玻璃土柱上的容量刻度，从所述透明有机玻璃土柱中获取预设体积的测试土壤，并检测所述测试土壤的渗透系数和水分扩散系数。由此解决了传统的大埋深土壤渗透系数和水分扩散系数测定方法，取样得到的土壤相对于原始深度位置会发生膨胀等形变，而且也无法及时有效地对土壤样品进行加压处理，使土壤样品恢复为大埋深时的状态，进而使测得的土壤渗透系数和水分扩散系数等准确度降低。取得了有效保持土壤样品的状态，进而提高所测定的土壤的渗透系数和水分扩散系数准确性的有益效果。而且，本发明方便用户操作，从取样到保存的过程中都可以有效避免土壤样品压力状态的变化，从而可以进一步提高所测定的土壤的渗透系数和水分扩散系数准确性。

在此提供的算法和显示不与任何特定计算机、虚拟系统或者其它设备固有相关。各种通用系统也可以与基于在此的示教一起使用。根据上面的描述，构造这类系统所要求的结构是显而易见的。此外，本发明也不针对任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本发明的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本发明的最佳实施方式。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

本发明的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本发明实施例的大埋深土壤渗透系数和水分扩散系数测定设备中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本发明还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本发明的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。

应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。