土壤大孔隙域和基质域间溶质交换模拟装置的制作方法

本实用新型涉及一种土壤大孔隙域和基质域间溶质交换模拟装置。

背景技术：

目前土壤溶质运移非饱和渗流领域，侧重在于溶质在土壤中运移研究方面。传统土壤溶质空间的运移试验，主要有土柱浸泡法、田间开挖法、染色示踪法、土壤水分穿透曲线法、张力渗透仪法、地透雷达法等等。

大孔隙在自然界普遍存在，大孔隙流是土壤中水及溶质运动机制研究由均匀走向非均匀领域的标志，是指在土壤各向异性的情况下，溶质在多重因素的共同作用下，沿着特定的路径向下发生非均匀渗流的现象。大孔隙流是造成降雨型滑坡、泥石流等地质灾害以及地下水质污染、农业土壤中养分流失等现象的主要诱因之一，所以深入开展大孔隙流的研究显得尤为重要。

但是，土壤大孔隙域与基质域的溶质交换和土壤溶质运移存在本质区别：前者在于土壤中同一位置的大孔隙域与基质域之间的溶质交换，而后者为土壤中不同位置的空间溶质运移。因此，对于土壤大孔隙域与基质域的溶质交换无法采用现有的土壤溶质运移试验方法，而且现有土壤大孔隙流模拟试验还未有效实现大孔隙域与基质域的空间分离，因而对土壤大孔隙域和基质域间溶质交换的室内试验模拟提出新的难度。

鉴于此，迫切需要开发一种可实现均质土壤中大孔隙形成的技术手段，用于模拟土壤大孔隙域和基质域间溶质交换过程。

技术实现要素：

鉴于现有技术的不足，本实用新型所要解决的技术问题是提供一种土壤大孔隙域和基质域间溶质交换模拟装置，不仅结构简单，而且便捷高效。

为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：一种土壤大孔隙域和基质域间溶质交换模拟装置，包括透明圆柱体，所述圆柱体的内部设有由试验粘土组成的基质域，基质域中设有由细碎石及粗砂组成的大孔隙域，所述基质域的底部渗水口与第一量筒相连，所述大孔隙域的底部渗水口与第二量筒相连，所述圆柱体上设有多个TDR探针与电阻率探杆。

优选的，所述圆柱体底部固连有圆形盖板，所述圆形盖板的周部与圆柱体密封粘结，所述圆形盖板的上端面与基质域、大孔隙域接触，所述圆形盖板上设有若干个过滤孔并在上端面上覆盖有一层尼龙薄膜，所述圆形盖板的下方设有集水槽，所述集水槽的顶部敞口边缘与圆柱体的底部边缘固设为一体，所述集水槽的槽底经第一分液管与第一量筒相连，所述集水槽的槽底经第二分液管与第二量筒相连。

优选的，所述第一分液管与第一量筒之间、第二分液管与第二量筒之间均设有进水阀，所述第一量筒与第二量筒的底部均经出水阀与废水容器连接。

优选的，所述集水槽的内部设有分流器，所述分流器包括与大孔隙域的底部相连通的若干根集水支管，若干根集水支管顶部穿过圆形盖板后与大孔隙域连通，若干根集水支管底部经一根集水主管相连通，集水主管经出水管与第二分液管的管口密封连接。

优选的，所述大孔隙域的数量为四组，每组大孔隙域均竖直延伸，其中一组大孔隙域位于圆柱形的基质域的中心，其他三组大孔隙域位于中心大孔隙域的周部，呈现三角形布置，所述圆柱体的顶部敞口为供水口。

优选的，所述圆柱体至上往下分布有三组监测机构，每组监测机构包括四根TDR探针与两根电阻率探杆，每组监测机构的两根TDR探针、一根电阻率探杆位于圆柱体一侧，另外两根TDR探针、另一根电阻率探杆位于圆柱体另一相对侧；位于圆柱体一侧的每组监测机构的两根TDR探针分别置于中心的大孔隙域内部和距离该大孔隙域的孔隙壁3cm处的基质域中，平行放置，检测不同位置的含水量变化情况，在该侧TDR探针对应位置下方1cm处设有一根电阻率探杆，该电阻率探杆安装在紧贴该大孔隙域的孔隙壁的基质域中，检测土壤中示踪离子在基质域和大孔隙域间浓度变化；位于圆柱体另一相对侧的每组监测机构的另外两根TDR探针分别置于周部的一大孔隙域内部和距离该大孔隙域的孔隙壁3cm处的基质域中，平行放置，检测不同位置的含水量变化情况，在该相对侧TDR探针对应位置下方1cm处设有另一根电阻率探杆，该电阻率探杆安装在紧贴该大孔隙域的孔隙壁的基质域中，检测土壤中示踪离子在基质域和大孔隙域间浓度变化。

优选的，所述供水口上设有供水机构，所述供水机构包括用于容纳加入示踪离子的水溶液的水箱，所述水箱内部设有导水管，所述导水管的出水口上设有渗透盘，所述导水管沿着水流方向依次设有自动式平衡阀、水泵、流量表。

优选的，所述渗透盘盖设在供水口上，所述渗透盘由上盘体与下盘体组成，所述上盘体与下盘体之间填充有透水石层，所述上盘体上设有与导水管的出水口连接的中间通孔，所述下盘体上均布有若干个渗水孔。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：该土壤大孔隙域和基质域间溶质交换模拟装置的结构简单，操作简单便捷，结构设计合理，可实现模拟各类大孔隙土壤中溶质非均匀入渗过程，分析大孔隙域和基质域间溶质交换规律及入渗特点，为防治降雨条件下引发的边坡失稳和泥石流灾害提供了理论参考。

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步详细的说明。

附图说明

图1为本实用新型实施例的构造示意图（去除检测机构）。

图2为本实用新型实施例中监测机构的分布置示意图一。

图3为本实用新型实施例中监测机构的分布置示意图二。

图4为本实用新型实施例中分流器的构造示意图。

图5为本实用新型实施例中渗透盘的构造示意图。

具体实施方式

为让本实用新型的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。

如图1~5所示，一种土壤大孔隙域和基质域间溶质交换模拟装置，包括透明圆柱体1，所述圆柱体的内部设有由试验粘土组成的基质域2，基质域中设有由细碎石及粗砂组成的大孔隙域3，所述基质域的底部渗水口与第一量筒4相连，所述大孔隙域的底部渗水口与第二量筒5相连，所述圆柱体上设有多个TDR探针6与电阻率探杆7，圆柱体的内部为用于装填的空腔结构，大孔隙域与基质域的深度均一致。

在本实用新型实施例中，所述圆柱体底部固连有圆形盖板8，所述圆形盖板的周部与圆柱体周部密封粘结，所述圆形盖板的上端面与基质域、大孔隙域接触，所述圆形盖板上设有若干个过滤孔并在上端面上覆盖有一层尼龙薄膜，尼龙薄膜可过滤出溶质，防止土壤流失，所述圆形盖板的下方设有集水槽9，所述集水槽的顶部敞口边缘与圆柱体的底部边缘固设为一体，所述集水槽的槽底经第一分液管10与第一量筒4相连，所述集水槽的槽底经第二分液管11与第二量筒5相连。

在本实用新型实施例中，所述第一分液管与第一量筒之间、第二分液管与第二量筒之间均设有进水阀12，所述第一量筒与第二量筒的底部均经出水阀13与废水容器31连接。

在本实用新型实施例中，所述集水槽的内部设有分流器14，所述分流器包括与大孔隙域的底部相连通的若干根集水支管15，若干根集水支管顶部穿过圆形盖板后与大孔隙域连通，若干根集水支管底部经一根集水主管16相连通，集水主管经出水管17与第二分液管的管口密封连接，使流往集水槽的基质域的溶质只能从第一分液管流出，无法从第二分液管流出，大孔隙域的溶质只能从第二分液管流出。

在本实用新型实施例中，所述大孔隙域的数量为四组，每组大孔隙域均竖直延伸，其中一组大孔隙域位于圆柱形的基质域的中心，其他三组大孔隙域位于中心大孔隙域的周部，呈现三角形布置，所述圆柱体的顶部敞口为供水口18。

在本实用新型实施例中，所述圆柱体至上往下分布有三组监测机构19，每组监测机构包括四根TDR探针与两根电阻率探杆，每组监测机构的两根TDR探针、一根电阻率探杆位于圆柱体一侧，另外两根TDR探针、另一根电阻率探杆位于圆柱体另一相对侧；位于圆柱体一侧的每组监测机构的两根TDR探针分别置于中心的大孔隙域内部和距离该大孔隙域的孔隙壁3cm处的基质域中，平行放置，检测不同位置的含水量变化情况，在该侧TDR探针对应位置下方1cm处设有一根电阻率探杆，该电阻率探杆安装在紧贴该大孔隙域的孔隙壁的基质域中，检测土壤中示踪离子在基质域和大孔隙域间浓度变化；位于圆柱体另一相对侧的每组监测机构的另外两根TDR探针分别置于周部的一大孔隙域内部和距离该大孔隙域的孔隙壁3cm处的基质域中，平行放置，检测不同位置的含水量变化情况，在该相对侧TDR探针对应位置下方1cm处设有另一根电阻率探杆，该电阻率探杆安装在紧贴该大孔隙域的孔隙壁的基质域中，检测土壤中示踪离子在基质域和大孔隙域间浓度变化；通过TDR探针与电阻率探杆可以监测不同深度处溶质交换速率和交换量以及大孔隙域壁两侧溶质浓度大小情况，也可以监测同一水平处大孔隙域及基质域不同点位置溶质浓度和溶质交换速率动态变化过程，且设备无交叉，有间距，降低了传感器之间的相互干扰。

在本实用新型实施例中，所述供水口上设有供水机构20，所述供水机构包括用于容纳加入示踪离子的水溶液的水箱21，加入示踪离子的水溶液用于模拟溶质，所述水箱内部设有导水管22，所述导水管的出水口上设有渗透盘23，使水分均匀下渗，所述导水管沿着水流方向依次设有自动式平衡阀24、水泵25、流量表26，通过水泵进行持续供水，流量表用于监测流量大小，自动式平衡阀用于根据实际流量大小进行调节。

在本实用新型实施例中，所述渗透盘盖设在供水口上，所述渗透盘由上盘体27与下盘体28组成，所述上盘体与下盘体之间填充有透水石层29，所述上盘体上设有与导水管的出水口连接的中间通孔，中间通孔与透水石层相通，所述下盘体上均布有若干个渗水孔30。

在本实用新型实施例中，所述圆柱体采用丙烯酸材质，其内径为24cm，高度为80cm，壁厚1cm，在圆柱体至上而下深度分别为15cm、40cm和65cm的位置布置三组监测机构，TDR探针用于监测含水量，分析溶质在大孔隙域和基质域中的交换量及交换速率；电阻率探杆用于监测溶质中由于示踪离子在两域之间自由扩散和交换而引起的电阻率数值变化，示踪离子浓度越大，电阻率变化也越大，上述传感器与电脑连接，实时监测，圆形盖板为PVC材质，其上的过滤孔为直径2mm的小孔。

一种土壤大孔隙域和基质域间溶质交换模拟装置的使用方法，按以下步骤进行：（1）实验时，打开水泵，通过调节自动式平衡阀来保持水箱内溶质（水溶液）以一个恒定的流量排出，溶质均匀的通过渗透盘并在重力作用下入渗，模拟降雨过程，并通过流量表实时监测实际流量大小，记录溶质在土壤中的入渗时间；溶质分别通过圆形盖板与分流器，打开进水阀，将流经圆形盖板和分流器中溶质分别收集在第一量筒、第二量筒中，记录最终的总流量；（2）将TDR探针记录的含水量变化和电阻率探杆记录的示踪离子浓度实时传输到电脑上，并进行分析研究，得到不同时刻基质域和大孔隙域间溶质交换规律及入渗特点；（3）试验结束后，关闭自动式平衡阀，打开出水阀，溶质最后被收集在废水容器中。

由于大孔隙域与基质域的深度均一致，所以仅需考虑透明圆柱体横截面处大孔隙面积与基质面积之比，根据装置尺寸可知，理想状态下，最终流入第一量筒与流入第二量筒溶质流量之比应该为:

π×（24/2）² : π×（2/2）²×4 = 36:1

而考虑大孔隙的存在，溶质将不均匀入渗，基质与大孔隙之间存在溶质交换，所以不能简单按理想状态下面积之比换算流量比。只是由于大孔隙内部填充的粗砂及碎石为多孔介质，相比于基质中密实的粘土，大孔隙域内部导水率更高，阻力更小，因此，水分和溶质在入渗过程中会绕过土壤基质，优先流经导水能力更强的大孔隙域，实际收集的两个量筒流量比会比理想状态下计算值小得多。

因此我们假设实际第一量筒流量为a，第二量筒流量为b，交换量为x，可得出换算公式：

（a+x）:（b-x）=36:1

可以定量得出溶质在两域之间的交换量x，为保证数据合理性，可重复试验步骤，取3次试验平均值，间接分析溶质在两域之间交换规律。

在本实用新型实施例中，在步骤（1）之前，需进行模拟装置的制作，制作时先在圆柱体中竖直插入金属导管，金属导管下部与穿过圆形盖板的集水支管对接牢固，在圆柱体内分层装填试验粘土，并进行压实，在金属导管中加入细碎石及粗砂，均匀填充，保留足够孔隙，然后缓慢抽出金属导管，在圆柱体顶部加盖渗透盘，与圆柱体紧密连接，在水箱中装入适量含示踪离子的水溶液，至水箱顶部三分之二位置，导水管与水箱相连，导水管的出水口与渗透盘相连；在圆柱体两相对侧插入监测机构，监测机构至上往下设置三组，TDR探针与电阻率探杆与圆柱体的接口处用胶水粘连牢固；金属导管内径为2cm，每根导管长70cm。

本实用新型不局限于上述最佳实施方式，任何人在本实用新型的启示下都可以得出其他各种形式的土壤大孔隙域和基质域间溶质交换模拟装置。凡依本实用新型申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本实用新型的涵盖范围。