本实用新型涉及寒区土壤地下水科学研究技术领域，特别是涉及一种封闭式模拟冻土一维水热盐运移的土柱装置。
背景技术：
冻土分为多年冻土和季节性冻土，多年冻土活动层的冻融特点是双向冻结、单向融化，季节性冻土的冻融特点是单向冻结、双向融化。在不同的冻融特点下土壤地下水中的水热盐具有不同的迁移变化规律和机理，但目前由于水热盐迁移变化的耦合性和复杂性，该科学内容研究尚浅。为深入研究该部分内容，室内模拟实验相比野外试验具有周期短，可操作性强的优点，受到广大学者的欢迎。
但目前室内实验装置存在如下问题：(1)成本高，实现起来困难；(2)冷/热端温度难以控制，多采用冷风制冷，受冷/热面不确定，难以控制单向冻结、双向融化和双向冻结、单向融化的实验条件，不能很好的模拟野外温度场；(3)封闭性较差，实验柱多为敞口以便接受冷源，这会导致水分蒸发、挥发和非实验性热传递现象等；(4)不能同时实时监测土柱内不同高度的水分和盐分含量，多采用实验后拆土柱并将土样分层切割测得水分和盐分含量，用结果反推过程，不利于机理分析；(5)可同时进行的实验柱数量有限，工作量大。这些问题严重阻碍了该领域科学问题的探究。
由此可见，上述现有的用于研究冻土一维水热盐运移的室内实验装置在结构、方法与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。如何能创设一种新的封闭式模拟冻土一维水热盐运移的土柱装置，成为当前业界极需改进的目标。
技术实现要素：
本实用新型要解决的技术问题是提供一种封闭式模拟冻土一维水热盐运移的土柱装置，使其能很好的模拟季节性冻土和多年性冻土活动层冻融的室内一维水热盐运移，为冻土区水热盐迁移规律和机理的研究提供有利支持，从而克服现有的室内实验装置的不足。
为解决上述技术问题，本实用新型提供一种封闭式模拟冻土一维水热盐运移的土柱装置，包括保温箱、设置在所述保温箱内的筒体、冷浴循环温控系统、实时监测及数据采集系统；
所述筒体的底部设有底端冷浴循环板，所述筒体的上部设有顶端冷浴循环板，所述底端冷浴循环板和顶端冷浴循环板之间为用于形成土柱的土壤填充区，所述筒体与所述土壤填充区相对应的侧壁下端和上端分别连接进水管和出水管，所述筒体与所述土壤填充区相对应的侧壁上沿其轴向还设有多个出线孔；
所述冷浴循环温控系统包括第一冷浴循环仪和第二冷浴循环仪，所述第一冷浴循环仪通过冷浴循环管与所述底端冷浴循环板循环连通，形成底部冷浴循环温控单元，所述第二冷浴循环仪通过冷浴循环管与所述顶端冷浴循环板循环连通，形成顶部冷浴循环温控单元；
所述实时监测及数据采集系统包括多个5TE传感器和数据采集单元，所述多个5TE传感器分别设置在所述土壤填充区的不同深度处，且分别通过所述筒体侧壁上的多个出线孔与所述数据采集单元连接。
作为本实用新型的一种改进，所述底端冷浴循环板内部设有s型防冻液管道，所述底端冷浴循环板的防冻液进出口位于所述底端冷浴循环板的侧部，所述筒体侧壁上开设有与所述底端冷浴循环板防冻液进出口相对应的通孔，所述底端冷浴循环板外周与所述筒体内壁之间密封连接。
进一步改进，所述筒体的底部还设有位于底端冷浴循环板下方的聚氨酯发泡板。
进一步改进，所述顶端冷浴循环板内部设有s型防冻液管道，所述顶端冷浴循环板的防冻液进出口位于所述顶端冷浴循环板的上部，所述顶端冷浴循环板外周与所述筒体内壁之间密封连接。
进一步改进，所述筒体的顶端冷浴循环板上方还依次设有聚氨酯发泡板和密封盖板，所述密封盖板与所述筒体顶端开口处设置的法兰盘固定连接，且所述法兰盘与密封盖板之间设有密封垫，所述顶端冷浴循环板上方的聚氨酯发泡板和密封盖板上开设有与所述顶端冷浴循环板防冻液进出口相对应的通孔。
进一步改进，所述底端冷浴循环板与所述筒体内壁采用密封胶密封；所述顶端冷浴循环板与所述筒体内壁采用凡士林密封，所述筒体的出线孔处设有水密头。
进一步改进，所述实时监测及数据采集系统还包括两个温度传感器，所述两个温度传感器分别设置在所述土壤填充区的最下端和最上端，所述两个温度传感器分别通过所述筒体侧壁上的出线孔与所述数据采集单元连接。
进一步改进，该数据采集单元包括与所述5TE传感器连接的Em50记录仪和与所述温度传感器连接的短信报警温度记录仪，以及与所述Em50记录仪和短信报警温度记录仪连接的终端控制器。
进一步改进，所述筒体的外部采用保温棉包裹；所述保温箱包括箱体和盖体，所述箱体和盖体均为双层结构，夹层内充填聚氨酯发泡剂。
进一步改进，所述保温箱中包括两个以上的所述筒体，且所述两个以上的筒体中的底端冷浴循环板之间串联，所述两个以上的筒体中的顶端冷浴循环板之间串联。
采用这样的设计后，本实用新型至少具有以下优点：
本实用新型通过在土柱层上部和下部分别设置顶部冷浴循环温控单元和底部冷浴循环温控单元，并通过各单元中的冷浴循环仪的温度控制，进而控制土柱顶端和底端的温度，达到很好的模拟季节性冻土单向冻结双向融化和多年冻土活动层双向冻结单向融化的冻融过程，为探究冻土区土壤地下水中水热盐迁移规律及机理提供了良好的支持。
本实用新型中土柱内的土壤直接和冷浴循环板接触，且冷浴循环板又不直接与筒体盖板和底板接触，能避免冷浴循环板影响筒体壁温度，进而降低筒体壁与其内部的土壤热传递，同时在筒体外围包裹保温棉，隔绝外界热传导，从而达到只有顶端和底端受冷(热)的效果。
本实用新型通过在土柱中的不同位置设有可同时监测温度、含水率、电导率的5TE传感器，一方面可以实时监测实验过程中的数据，直接分析过程，利于机理探究；另一方面避免多个单独传感器因安装位置差异而带来实验误差，同时也可避免了打多个孔所造成的土柱密封性降低的问题。还通过设置于土壤填充区上下端的温度传感器，能测到土柱顶端和底端的实际温度，提高实验研究结果的准确性。
本实用新型筒体的出线孔处采用水密头密封，筒体的顶端采用密封垫和密封盖板密封，底端冷浴循环板与筒体内壁采用密封胶密封，顶端冷浴循环板与筒体内壁采用凡士林密封，形成具有良好的密封性。
本实用新型的保温箱内部可以同时设置多个筒体土柱装置，实现同时完成多个土柱实验的目的，提高实验效率。
本实用新型结构简单、安装方便、成本低，效率高。
附图说明
上述仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。
图1是本实用新型封闭式模拟冻土一维水热盐运移的土柱装置的整体结构示意图。
图2为本实用新型中保温箱的结构示意图。
图3为本实用新型中土柱及土柱内自动实时监测系统的结构示意图。
图4为本实用新型中与土柱连接的底端和顶端冷浴循环系统的结构示意图。
图5为本实用新型中底端冷浴循环板的结构示意图。
图6为本实用新型中顶端冷浴循环板的结构示意图。
图7为本实用新型实施例中模拟季节性冻土区单向冻结条件下的温度场分布图。
图8为本实用新型实施例中模拟季节性冻土区双向融化条件下的温度场分布图。
图9为本实用新型实施例中模拟多年冻土活动区双向冻结条件下的温度场分布图。
图10为本实用新型实施例中模拟多年冻土活动区单向融化条件下的温度场分布图。
其中：1、保温箱，2、筒体，6、第一冷浴循环仪，6’、第二冷浴循环仪，8、底端冷浴循环板，8’、顶端冷浴循环板，9、土壤填充区，10、底端的聚氨酯发泡圆形板，10’、顶端的聚氨酯发泡圆形板，11、密封盖板，11’、法兰盘，12、5TE传感器，13、温度传感器，14、出水口，15、进水口，16、保温棉，17、Em50记录仪，17’、短信报警温度记录仪，18、电脑，19、水密头，20、底端冷浴循环板进口，21、底端冷浴循环板出口，20’、顶端冷浴循环板进口，21’、顶端冷浴循环板出口，22、出水管，23、进水管，25、螺栓，26、密封垫，31、箱体，32、盖体，33、保温箱夹层充填的聚氨酯发泡剂，34、保温箱进出线孔。
具体实施方式
本实施例以该保温箱中包括两个土柱为例，对本申请进行详细说明，不应理解为是对该申请的任何限制。
参照附图1所示，本实用新型一种封闭式模拟冻土一维水热盐运移的土柱装置，包括保温箱1、设置在该保温箱1内的筒体2、冷浴循环温控系统、实时监测及数据采集系统。
参照附图2所示，本实施例中保温箱1包括箱体31和盖体32，该箱体31和盖体32均为不锈钢双层结构，其夹层内充填聚氨酯发泡剂33，用于保温隔热。该箱体31的左右两侧分别开孔34，用于穿过箱体内部部件的各种管和线。
参照附图3所示，本实施例中该筒体2为采用有机玻璃制成的圆形筒体，其自下而上依次为：底端的聚氨酯发泡圆形板10、底端冷浴循环板8、土壤填充区9、顶端冷浴循环板8’、顶端的聚氨酯发泡圆形板10’、密封盖板11。
参照附图5所示，该底端冷浴循环板8的防冻液进出口20、21位于该底端冷浴循环板8的侧部，其内部设有S型防冻液管道，可以让防冻液均匀流经循环板。该筒体侧壁上开设有与该底端冷浴循环板防冻液进出口20、21相对应的通孔，该底端冷浴循环板外周与该筒体内壁之间密封连接。由于该底端冷浴循环板8在安装好后不会进行拆卸，所以此处采用密封胶进行密封，能很好的防止土壤填充区9的水下渗到其下方的聚氨酯发泡圆形板10或从筒体侧壁渗漏。
该筒体2的顶端开口处设有法兰盘11’，该法兰盘11’与密封盖板11之间设有密封垫26，该密封盖板11通过螺栓25固定在法兰盘11’上，用于实现筒体的密封。该密封垫26为黑色橡胶材质，密封盖板11为有机玻璃材质。
参照附图6所示，该顶端冷浴循环板8’的防冻液进出口20’、21’位于该顶端冷浴循环板8’的上部，其内部也设有S型防冻液管道，可以让防冻液均匀流经循环板。该顶端冷浴循环板8’上方的聚氨酯发泡板10’和密封盖板11上开设有与该顶端冷浴循环板8’防冻液进出口相对应的通孔。该顶端冷浴循环板8’外周与该筒体内壁之间密封连接。由于该顶端冷浴循环板8’在安装好后会进行拆卸，所以此处采用凡士林进行密封。
该底端和顶端的聚氨酯发泡板是为了避免底端和顶端冷浴循环板与筒体顶端壁和底端壁的直接接触，避免影响筒体壁的温度，进而避免筒体壁与土柱内部的热传递。
该筒体2与土壤填充区9相对应的侧壁下端和上端分别设有进水口15、出水口14，该进水口15和出水口14分别与进水管23和出水管22连接，用于向土壤填充区的土柱补充水。该进水管23和出水管22可以连接蠕动泵供水，用于冻融开始之前的土柱饱和，也可连接补水系统用于冻融过程中的补水。
该筒体2与该土壤填充区9相对应的侧壁上沿其轴向还设有多个出线孔。
参照附图4所示，该冷浴循环温控系统包括第一冷浴循环仪6和第二冷浴循环仪6’，该第一冷浴循环仪6通过冷浴循环管与该底端冷浴循环板8连通，且两个筒体中的底端冷浴循环板8之间串联，形成底部冷浴循环温控单元；该第二冷浴循环仪6’通过冷浴循环管与该顶端冷浴循环板8’循环，且两个筒体中的顶端冷浴循环板8’之间串联，形成顶部冷浴循环温控单元。
该第一冷浴循环仪6和第二冷浴循环仪6’均可以设定具体的温度，范围为：+50℃～-50℃，精度为±0.1℃，设定某一温度后的波动小于±0.5℃。该冷浴循环仪的防冻液进出口可以通过扭动阀门控制防冻液的流速大小。防冻液可以根据实际情况选择乙二醇、酒精等。
该实时监测及数据采集系统包括多个5TE传感器12和数据采集单元。该5TE传感器12可以同时测得温度(精度±0.1℃)、体积含水率和体积电导率。该多个5TE传感器12分别设置在该土壤填充区9(即土柱)的不同深度处，且分别通过该筒体侧壁上的多个出线孔与该数据采集单元连接，用于穿过该5TE传感器与数据采集单元连接线的该筒体出线孔处安装有塑料水密头19，用以密封和防止漏水。
该数据采集单元包括与5TE传感器12对应连接的Em50记录仪17和一台终端控制器，如电脑18。该Em50记录仪17可以设置不同的时间间隔进行记录，并将记录数据上传至终端控制器，由终端控制器进行数据监测和计算分析。
为了能实际测到土壤填充区中顶端和底端的温度，该实时监测及数据采集系统还包括两个温度传感器13和与其连接的短信报警温度记录仪17’，该短信报警温度记录仪17’与该终端控制器连接。该两个温度传感器13分别设置在该土壤填充区9的最下端和最上端。该温度传感器的精度为±0.1℃。该短信报警温度记录仪17’也可以设置不同的时间间隔进行记录，并将记录数据上传至终端控制器，由终端控制器进行数据监测和计算分析，还可以设置温度报警，达到报警值时发送短信通知，亦可以通过短信实现远程数据查询和记录设置等。
本实施例中该筒体2的外部还采用具有粘性的保温棉16包裹，能更好的保证筒体中的土壤只有顶端和底端接受冷(热)源。
本实用新型封闭式模拟冻土一维水热盐运移的土柱装置的具体装填及密封过程如下：
1、筒体底部的聚氨酯发泡圆形板10和底端冷浴循环板8在制作筒体试件时嵌入；
2、装填土柱时，先插入底端的温度传感器13，接着利用干推法分层填充土壤，形成土柱，边填土柱边分层埋设5TE传感器12，之后在土柱顶部插入上端的温度传感器13，并将所有出线孔用水密头19拧紧密封；
3、在土柱上方放置顶端冷浴循环板8’，使之与土壤密切接触，并将带孔的聚氨酯发泡板10’放在顶端冷浴循环板8’的上方，再在筒体法兰盘11’的上方放置密封垫26和密封盖板11，通过螺栓固定好密封盖板11，到此实验土柱装填完毕；
4、用有粘性的保温棉16将实验筒体包裹，即实现装填和密封土柱的工作。
上述部分工作完成后，结合图1和图4，需要进行连接补水系统、冷浴循环温控系统和实时监测及数据采集系统工作。在连接补水系统和冷浴循环温控系统之前需要将装填好的土柱体放置于保温箱内，保温箱的两侧设有进出线孔，用于导出各种管线，然后连接好补水系统、冷浴循环温控系统和数据采集系统后，将保温箱盖体盖好。
其中，补水系统可以是在冻融开始前饱和土柱，之后停止水量交换，用以研究冻融过程中饱水带水热盐的迁移规律及机理。也可以是在冻融过程中连接补水装置，用以研究冻融过程中水分的迁移转化。关于具体的补水系统已有成熟的办法和装置，本申请不再进行详述。
完成上述步骤后，可以开始调节冷浴循环仪的温度，模拟多年冻土活动层和季节性冻土的冻融。如多年冻土的冻融特点是双向冻结，单向自上而下融化，因此在冻结阶段，需将两台冷浴循环仪的温度都调为0℃以下，即土柱顶端和底端均为负温，双向冻结。在融化阶段，底部冷浴循环温控单元中的冷浴循环仪的温度处于0℃以下，顶部冷浴循环温控单元中的冷浴循环仪的温度调为0℃以上，即土柱顶端正温，底端负温，开始自上而下的单向融化。
季节性冻土的冻融特点是单向自上而下冻结，双向融化，因此在冻结阶段，需将底部冷浴循环温控单元中的冷浴循环仪的温度调为0℃以上，顶部冷浴循环温控单元中的冷浴循环仪温度调为0℃以下，即顶端负温，底端正温，开始自上而下的单向冻结。在融化阶段，两台冷浴循环仪的温度都处于0℃以上，即土柱底端和顶端均为正温，开始双向融化。
需要注意的是，由于冷浴循环通道不可避免的有一定的热量损失，因此土柱顶底端的温度，由土柱顶底端的温度传感器的实测数据为准。
以下为本实施例(土柱高18cm，直径15cm)展示了四种不同冻融条件下的温度场情况。
如图7为模拟季节性冻土区自上而下单向冻结的温度场分布图。其中，土柱初始温度为11℃，接着开始单向冻结，图1左边冷浴循环仪的温度调为5.5℃，右边浴循环仪的温度调为-10℃。开始顶端冻结层随时间的增加逐渐向下增厚，最后温度场趋于平衡。
如图8为模拟季节性冻土区双向融化的温度场分布图。其中，将图1左边冷浴循环仪的温度保持5.5℃，右边冷浴循环仪的温度调为5.5℃。顶底端温度高，中间温度低，冻结层开始双向融化，到7.6小时土柱完全融化，到11.8h土柱达到恒定温度场。
如图9为模拟多年冻土区双向冻结的温度场分布图。其中，土柱初始温度约为11℃，接着开始进行双向冻结，将图1左边冷浴循环仪的温度调为-5℃，右边冷浴循环仪的温度调为-10℃。顶底端温度低于中部温度，冻结层由两端向中部延伸，直到8.27小时完全冻结，之后达到一个稳定的温度场。
如图10为模拟多年冻土区自上而下单向融化的温度场分布图。其中，开始土柱处于冻结状态，之后开始单向融化，图1左边冷浴循环仪的温度保持-5℃，右边浴循环仪的温度调为3℃。顶端0℃以上的融化层随时间增加逐渐向下增厚，最后温度场趋于平衡。
本实用新型还通过相关对应软件进行温度传感器的温度以及5TE传感器温度、含水率和电导率的实时监测和数据下载，进行数据分析以研究寒区土壤地下水中水热盐迁移规律和机理的探究。
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本实用新型的保护范围内。