一种入渗模拟测量装置的制作方法

本发明公开了一种入渗模拟测量装置，涉及土工试验装置领域。

背景技术

随着我国人口增长、现代农业和旅游业发展、工业化和城市化进程加快，以及生态环境的改善，导致水资源消耗持续增长，水资源短缺及土壤水污染等问题成为人们关注的热点。土壤水作为土壤污染物的承载体，在合理利用及渗流扩散等方面受到人们的普遍关注。近年来，土壤水污染问题日益严重，已经影响到生态圈的循环。研究土壤中水分运动规律，探索降雨或灌溉条件下地表水补给地下水的规律，可为水土保持、节水灌溉以及防治污染提供理论参考。探究污染物随土壤水在土壤中的运移规律，首先要了解水分在土壤中的垂向入渗规律。目前常采用的室内土柱入渗试验，通过模拟水分在非饱和土壤中的垂向入渗过程，研究非饱和土壤内水分垂向入渗过程中含水率随时间的变化规律。现有的土壤水分入渗装置在使用时，往往只能进行单一的入渗过程模拟，得到的实验数据较少。且由于试验土柱底部高度较低，不适宜使用量筒等仪器直接测量渗流量，因此无法无法测量土样的渗透系数，也计算水分入渗的速率。此外，上述方法在实施时，对于接水和计时的同步性要求较高，否则将造成较大误差；下渗的水分中混有大量泥沙杂质，占据一定质量和体积，也会带来试验误差；现有装置使用结束后，由于土柱体积较大，重量较重，十分不便于清理。鉴于以上原因，目前试验人员需要一种能够得到有效数据，操作方便，且能有效减少试验误差的入渗模拟测量装置。

技术实现要素：

本发明的目的就在于为解决入渗模拟过程无法测量土样渗透系数和入渗速率的缺点，为改善误差较大且清理困难的问题，提供了一种入渗模拟测量装置。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种入渗模拟测量装置，包括试验柱体，集水机构，压力传感器和fdr探针；

所述的试验柱体顶部敞口，且所述试验柱体用于容纳土壤，所述的试验柱体底部设置过滤网；

所述过滤网可采用多层石棉网、透水无纺布或透水石材料制成；透水速率不应影响上部土柱的入渗速率，同时防止柱内土体流出，也可以防止泥沙对电磁流量阀造成破坏；

所述试验柱体的侧壁设有圆孔，所述压力传感器和fdr探针通过圆孔从外侧插入试验柱体，用于检测水压和湿度；

所述的集水机构包括输水管和电磁流量计，所述的输水管的一端用于收集试验柱体底部渗透的液体，所述的电磁流量计连接于输水管上；所述集水机构还包括漏斗，所述漏斗设置在输水管和试验柱体之间，所述漏斗采用有机玻璃或亚克力材料制成。

进一步的，还包括底座，所述底座上设置连接件，所述的试验柱体通过连接件连接在底座上部，所述的集水机构通过连接件连接在底座的内部。

进一步的，所述的连接件设置在底座的上底板上，所述的上底板中部设有通孔，所述的连接件为环形片，所述的环形片与上底板一体设置，所述环形片与所述试验柱体以及所述集水机构通过螺栓连接，螺栓均匀设设置在环形片的一周，且还设置垫圈，保证连接处受力均匀，不易损坏。

进一步的，所述的连接件分别与所述试验柱体和所述漏斗之间设置橡胶密封圈，防止检测时，试验水体渗漏，所述连接件与试验柱体之间的橡胶密封圈设置在连接件的上部内壁，所述连接件与漏斗之间的橡胶密封圈设置在连接件的下部外壁。

进一步的，所述的连接件内部设置透水层，所述的透水层与所述的上底板在同一水平面，所述过滤网的直径小于透水层的的直径，所述过滤网贴近透水层设置，透水层可对上方试验柱体内的土体起到支撑作用。

进一步的，所述的压力传感器和fdr探针的前端缠绕防水胶带后插入试验柱土体内部，防止检测时，试验水体渗漏。

进一步的，所述的试验柱体上方侧壁设有入水口，所述的试验柱体内壁设有环形凹槽，所述的入水口连接环形凹槽，将水注入环形凹槽中。

进一步的，所述的入水口出设置有第一阀门。

进一步的，所述输水管的另一端连接集水槽，所述输水管和集水槽之间还设置第二阀门。

有益效果：1.在进行土壤水分入渗模拟时，可根据仪表和已有参数由已有相关公式快速测得土壤渗透系数，改变单一的入渗过程模拟，能够直接获有效得获得试验数据。

2.本发明由过滤网滤去下渗水分中的泥沙，可减少试验误差，提高试验精度。

3.本发明免去实验中接水，量水操作，入渗过程和数据记录可以同时进行，进一步减小由于人工操作带来的误差。

4.本发明上部实验柱体、底座和输水管通过接头相连，装置使用后拆卸接头即可将实验柱体中的土样清理掉，方便下一次实验。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为底座部分的俯视视图；

图3为本发明过滤网示意图；

图4为本发明底座结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1~4所示，本发明提供的一种入渗模拟测量装置，包括试验柱体1，集水机构，压力传感器12和fdr探针13；

所述的试验柱体1顶部敞口，且所述试验柱体1用于容纳土壤，所述的试验柱体1底部设置过滤网4；

所述过滤网4可采用多层石棉网、透水无纺布或透水石材料制成；透水速率不应影响上部土柱的入渗速率，同时防止柱内土体流出，也可以防止泥沙对电磁流量阀造成破坏；

所述试验柱体1的侧壁设有圆孔，所述压力传感器12和fdr探针13通过圆孔从外侧插入试验柱体1，用于检测水压和湿度；

所述的集水机构包括输水管10和电磁流量计7，所述的输水管10的一端用于收集试验柱体1底部渗透的液体，所述的电磁流量计7连接于输水管10上；所述集水机构还包括漏斗6，所述漏斗6设置在输水管10和试验柱体1之间，所述漏斗6采用有机玻璃或亚克力材料制成。

还包括底座9，所述底座9上设置连接件15，所述的试验柱体1通过连接件15连接在底座9上部，所述的集水机构通过连接件15连接在底座9的内部。

所述的连接件设置在底座9的上底板91上，所述的上底板91中部设有通孔，所述的连接件为环形片，所述的环形片与上底板一体设置，所述环形片与所述试验柱体1以及所述集水机构通过螺栓2连接，螺栓2均匀设设置在环形片的一周，且还设置垫圈3，保证连接处受力均匀，不易损坏。

所述的连接件分别与所述试验柱体1和所述漏斗6之间设置橡胶密封圈11，所述连接件与试验柱体1之间的橡胶密封圈11设置在连接件的上部内壁，所述连接件与漏斗3之间的橡胶密封圈11设置在连接件的下部外壁，防止检测时，试验水体渗漏。

所述的连接件内部设置透水层5，所述的透水层5与所述的上底板在同一水平面，所述过滤网4的直径小于透水层5的的直径，所述过滤网4贴近透水层4设置，透水层4可对上方试验柱体1内的土体起到支撑作用。

所述的压力传感器12和fdr探针13的前端缠绕防水胶带后插入试验柱土体内部，防止检测时，试验水体渗漏。

所述的试验柱体1上方侧壁设有入水口，所述的试验柱体1内壁设有环形凹槽16，所述的入水口连接环形凹槽16，将水注入环形凹槽16中。

所述的入水口出设置有第一阀门14。

所述输水管10的另一端连接集水槽，所述输水管10和集水槽之间还设置第二阀门8。

在本发明装置使用前，应先进行整体组装，将下部漏斗与底座下部接头连接好，接着将过滤网平放在透水层上，且过滤网应能完全盖住透水层上所有开孔，对有破损的过滤网应及时予以更换；之后将试验柱体放置在底座上，对齐螺栓孔后，用带有垫圈的螺栓将试验柱体和底座紧密连接，即可完成本装置的整体组装。

本发明在使用前，先检查装置气密性是否良好，具体实施方式为：按上述方式组装好装置后，关闭输水管上的第二阀门，将缠好防水胶带的压力传感器和fdr探针插入试验柱体上预留的圆孔中并塞紧；接着通过入水口向试验柱体内注水，水面高度至少高于试验柱体与底座接头，同时也应完全淹没插有压力传感器和探针的圆孔10-20cm；观察橡胶密封圈以及圆孔处是否有水渗出，并记录试验柱体中水面高度。一段时间后若水面高度不变，则说明气密性良好；若水面高度下降较多，说明装置存在渗漏点，应检查底座上下接口处的橡胶密封圈，检查防水胶带是否缠好，探针等装置是否塞紧，及时更老化的橡胶密封圈。

确认装置气密性良好后，应打开输水管上的第二阀门，排出试验柱体内的水；接着向试验柱体内装入土样，装样时，应注意在压力传感器及探针插入孔附近位置尽量不留空隙；装样高度应低于出水口的高度约5-10cm；将压力传感器和fdr探针连接好读数装置，进行下一步试验。

进行入渗过程模拟测量时，先保持输水管上的第二阀门打开，用供水装置通过入水口向试验柱体内供水；水流通过入水口内侧环形凹槽，环形凹槽满后，水流均匀注入试验柱体内；调整供水装置的出水速率或调整出水口的第二阀门，使得试验柱体内形成常水头，且保证该水头高度应在试验全过程维持不变，同时开始计时间t1。水分从土层表面入渗，一段时间后可以观察到有水进入集水机构，并从水管流出；在该过程中，可实时监测fdr探针的示数，得到该位置的土壤含水率随入渗时间t1的变化规律，即完成对水分入渗过程的模拟。

继续向试验柱体内供水，观察电磁流量阀的示数；待示数稳定在某数值附近波动较小时，开始记一段时间t2，在t2时间段内，每隔较短时间记录流量阀示数q1和压力传感器示数p1。求出q1和p1的平均值q、p作为t2时间段内的流量值和压力值；根据规律p＝ρgh得到水头高度h，用刻度尺量出土层表面到压力传感器的竖直距离记为渗径l，根据柱体内径算出柱体横截面积a。则t2时间段内渗水量为v＝q1·t2，由达西定律可知，试样的渗透系数k＝v·l/（a·h·t）＝q·l·ρg／（a·p）；同时测得该过程的入渗速率为v＝k·h／l＝q/a。在最后结果的运算中并没有用到时间t2，在计算中t2作为中间量已被消去，因此在实际实验过程中也可不必记时t2，有足够多组的q1和p1，也能够求出平均值，得到入渗速率相关数据。

本发明在使用时，由过滤网滤去水中混有的泥沙等杂质，经过透水层流入漏斗中；通过压力传感器得到水压，从而计算出水头高度，避免了人工读数带来的误差，都有利于提高实验精度。

本发明在模拟水分入渗的过程中，电磁流量计与压力传感器和fdr探针的数值对比结合，记录数据，便于直观具体的了解入渗规律，快速测得土壤渗透系数；相比于现有装置，增设过滤网去除下渗水分中的泥沙，可减小试验误差，提高试验精度；入渗过程和数据记录可以同时进行，进一步减小人工操作的误差，使用完毕后本装置易于拆卸，方便清理，从而大大方便了对水分入渗过程的研究。

本发明在进行土壤水分入渗模拟时，可根据仪表和已有参数由已有相关公式快速测得土壤渗透系数，改变单一的入渗过程模拟，能够直接获有效得获得试验数据。

本发明由过滤网滤去下渗水分中的泥沙，可减少试验误差，提高试验精度。

本发明免去接水操作，入渗过程和数据记录可以同时进行，进一步减小由于人工操作带来的误差。

本发明上部实验柱体、底座和输水管通过接头相连，装置使用后拆卸接头即可将实验柱体中的土样清理掉，方便下一次实验。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。