一种土壤水分下渗试验设备及其试验方法与流程

[0001]
本发明涉及环境监测技术领域，具体是涉及一种土壤水分下渗试验设备及其试验方法。


背景技术：

[0002]
水透过地面进入土壤的过程，又称入渗。土壤水分的入渗与保存是植物与地下水水源补给的主要途径。它是水在分子力、毛细管引力和重力的综合作用下在土壤中发生的物理过程，是径流形成过程的重要环节之一。下渗不仅直接决定地面径流量的生成及大小，同时也影响土壤水和潜水的增长，影响表层流、地下径流的生成和大小。
[0003]
土壤入渗是土壤的基本物理性状，是水分通过地表向下的流动，从土壤表面渗入土壤形成土壤水的过程，是植物吸收利用土壤水的唯一途径，土壤入渗流速率(入渗性能)直接影响着土壤对水分传输的再分配能力，是森林植被水文生态功能定量评价研究的重要指标。同时，土壤入渗流速率与降水产流、土壤侵蚀、非点源污染等过程密切相关，因此，快速、准确测定土壤入渗流速率具有重要的意义。
[0004]
中国专利 cn201721391552.5公开了一种土壤水分入渗测量装置，包括土壤盛装机构、渗水引流机构以及渗水承接机构，所述土壤盛装机构用于盛装土壤并注水，所述渗水引流机构用于将所述土壤盛装机构渗出水分引流至所述渗水承接机构，所述渗水承接机构用于承接并测量渗水量。
[0005]
该装置仅通过采样的土壤进行测试，无法有效检测实际土壤下渗状况。


技术实现要素：

[0006]
为解决上述技术问题，提供一种土壤水分下渗试验设备及其试验方法， 本技术方案解决了实地检测土壤水分下渗问题。
[0007]
为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：一种土壤水分下渗试验设备，包括有：水平移动支架，其工作能够沿水平方向移动；双压入渗发生器，其工作端竖直朝下设置在水平移动支架外侧，所述双压入渗发生器能够模拟有压入渗和无压入渗环境；计量盒，其开口朝上设置在双压入渗发生器工作端底部，所述计量盒内侧设置有与控制器电连接且用于检测其内部水量的液位传感器； 旋压机构，其工作端竖直朝下设置在水平移动支架工作端，工作状态下，所述旋压机构工作端能够竖直升降且沿竖直周向旋转；插接筒，同轴固定设置在旋压机构工作端，所述插接筒外周镜面光滑；内螺纹固定筒，同轴可拆卸设置在插接筒中，且所述插接筒和内螺纹固定筒与计量盒同竖直面；引流斗，其窄口竖直朝下同轴设置在插接筒顶端。
[0008]
优选地，插接筒内周顶端同轴设置有第一固定圈；内螺纹固定筒顶端同轴向均布有与第一固定圈同轴的螺纹孔，所述内螺纹固定筒同轴插接在插接筒中且通过螺栓贯穿第一固定圈与螺纹孔同轴螺纹拧接。
[0009]
优选地，插接筒内周均布有沿轴向的限位条；内螺纹固定筒外周设置有与限位条
沿竖直方向滑动的第一限位槽。
[0010]
优选地，内螺纹固定筒底端同轴设置有顶端外径等于插接筒外径的插接固定圈，所述顶端插接固定圈内径等于内螺纹固定筒内径，所述插接固定圈外径沿竖直方向逐渐减小，所述插接固定圈内径沿竖直方向逐渐增大。
[0011]
优选地，内螺纹固定筒筒体沿轴向设置有便于分离土壤柱样的扩径缝。
[0012]
优选地，水平移动支架包括有：底板，设置有用于避让插接筒和内螺纹固定筒竖直插接的避让孔，计量盒设置在底板上；立板，垂直固定设置在底板一侧且两侧通过连接板与底板固定连接；第一滑动板，通过第一导轨水平滑动设置在立板内侧，双压入渗发生器设置在第一滑动板上；滚珠丝杆滑台，水平设置在立板上且其工作端与第一滑动板内侧固定连接。
[0013]
优选地，双压入渗发生器包括有：支架，设置在水平移动支架一侧；转动盘，其外周上下端分别设置有第一限位圈和第二限位圈，所述转动盘通过所述限位圈轴线竖直转动设置在支架上，所述转动盘同轴位于计量盒顶部；注水喷嘴和喷淋喷嘴，所述注水喷嘴输出端竖直朝下贯穿均布在转动盘外周，所述注水喷嘴输出端竖直朝下贯穿均布在转动盘内周，工作状态下，所述注水喷嘴位于引流斗内周顶部，所述喷淋喷嘴位于土壤柱样顶部，所述喷嘴与水泵输出端通过软管分工连接；第一外齿圈，同轴固定设置在转动盘上；第一伺服电机，输出轴与第一外齿圈同轴向固定设置在支架上；第一齿轮，同轴固定设置在第一伺服电机输出轴上且与第一外齿圈相互啮合。
[0014]
优选地，旋压机构包括有：第二滑动板，通过第二导轨竖直滑动设置在水平移动支架工作端上；液压缸，竖直固定设置在水平移动支架工作端上且其输出轴与第二滑动板内侧固定连接；连接框，水平固定设置在第二滑动板底端；三角板，与所述第二滑动板和连接框同侧固定连接；第二固定圈，其轴线竖直固定设置在连接框底端，所述第二固定圈内周顶端设置有阶梯沿；转动筒，其外周顶端同轴设置有与阶梯沿同轴转动配合的第三固定圈，所述连接框内周设置有与插接筒固定连接的第四固定圈；第二外齿圈，同轴固定设置在转动筒外周；第二伺服电机，其输出轴与转动筒同轴向设置在连接框上；第二齿轮，同轴固定设置在第二伺服电机输出轴上且与第二外齿圈相互啮合。
[0015]
优选地，转动筒内周底端均布有沿径向的第二限位槽，旋压机构还包括有第五固定圈和内螺纹限位圈，所述第五固定圈同轴固定设置在插接筒外周顶端，所述第五固定圈内周顶端均布有与第二限位槽竖直卡接的限位齿，所述内螺纹限位圈同轴拧接在插接筒外周顶端且抵接在第四固定圈顶端。
[0016]
一种土壤水分下渗试验设备及其试验方法，包括以下步骤：步骤一，将试验设备放置在待测土壤地面上，启动滚珠丝杆滑台，使其工作端带动旋压机构移动至计量盒外侧；步骤二，启动液压缸和第二伺服电机，使得插接筒和内螺纹固定筒同轴插接在土壤中，当插接筒和内螺纹固定筒同轴插接在土壤中一段高度时，驱使液压缸工作端复位，从而带动插接筒和内螺纹固定筒沿轴向竖直上升，从而取出完整的土壤柱样；步骤三，启动滚珠丝杆滑台，使其工作端带动土壤柱样水平移动至计量盒顶部；步骤四，启动水泵和第一伺服电机，从而便于根据实际试验需要，通过注水喷嘴和喷淋喷嘴对土壤柱样进行有压入渗或无压入渗，从而根据液位传感器测量其液面高低，发送信
号给控制器，由控制器对双压入渗发生器输出量和计量盒接受量进行分析，计算出待测土壤区域的渗吸速度；步骤五，试验结束后，将内螺纹固定筒从插接筒中取下，通过扩径缝扩大其内径处理掉内螺纹固定筒中土壤柱样，便于下一次试验。
[0017]
本发明与现有技术相比具有的有益效果是：1、本发明能够实地自动取样，具体的，工作时，将试验设备放置在待测土壤地面上，启动滚珠丝杆滑台，使其工作端带动旋压机构移动至计量盒外侧，从而防止计量盒影响旋压机构正常工作；启动液压缸和第二伺服电机，使其工作端带动插接筒和内螺纹固定筒同轴竖直下降的同时沿周向旋转，从而使得插接筒和内螺纹固定筒同轴插接在土壤中，当插接筒和内螺纹固定筒同轴插接在土壤中一段高度时，启动旋压机构升降部，使其升降部带动插接筒和内螺纹固定筒沿轴向竖直上升，而内螺纹固定筒内周设置有螺纹，且插接筒外周镜面光滑，从而使得内螺纹固定筒内周中土壤柱样从内螺纹固定筒底端断裂，且土壤柱样不易脱离内螺纹固定筒，从而便于取出完整的土壤柱样，即便于根据土壤柱样进行渗透试验以便于得出待测区域土壤的渗吸速度；2、本发明能根据双压入渗发生器实现有压和无压入渗试验，具体的，启动水泵和第一伺服电机，从而便于根据实际试验需要，通过注水喷嘴和喷淋喷嘴对土壤柱样进行有压入渗或无压入渗，通过计量盒能够收集从土壤柱样中渗出的水分，从而便于根据液位传感器测量其液面高低，以便于发送信号给控制器，由控制器对双压入渗发生器输出量和计量盒接受量进行分析，以便于计算出该区域土壤的渗吸速度，引流斗便于收集双压入渗发生器输出液，从而使得计量更加精准；而内螺纹固定筒同轴可拆卸设置在插接筒中，从而便于在试验结束后，将内螺纹固定筒从插接筒中取下，以便于通过扩径缝扩大其内径处理掉内螺纹固定筒中土壤柱样，便于下一次试验。
附图说明
[0018]
图1为本发明的立体图；图2为本发明的正视图；图3为图2的a-a截面处的剖视图；图4为图3的b处局部放大图；图5为图3的c处局部放大图；图6为图3的d处局部放大图；图7为本发明的旋压机构立体图；图8为本发明的插接筒和内螺纹固定筒的正视图；图9为图8的e-e截面处的剖视图；图10为本发明的插接筒和内螺纹固定筒立体分解图。
[0019]
图中标号为：1-水平移动支架；1a-底板；1a1-避让孔；1b-立板；1c-连接板；1d-第一滑动板；1e-第一导轨；1f-滚珠丝杆滑台；2-双压入渗发生器；2a-支架；2b-转动盘；2b1-第一限位圈；2b2-第二限位圈；2c-注水喷嘴；2d-喷淋喷嘴；2e-第一外齿圈；2f-第一伺服电机；2g-第一齿轮；
3-计量盒；3a-液位传感器；4-旋压机构；4a-第二滑动板；4b-第二导轨；4c-液压缸；4d-连接框；4e-三角板；4f-第二固定圈；4f1-阶梯沿；4g-转动筒；4g1-第三固定圈；4g2-第四固定圈；4g3-第二限位槽；4h-第二外齿圈；4i-第二伺服电机；4j-第二齿轮；4k-第五固定圈；4k1-限位齿；4m-内螺纹限位圈；5-插接筒；5a-第一固定圈；5b-限位条；6-内螺纹固定筒；6a-螺纹孔；6b-第一限位槽；6c-插接固定圈；6d-扩径缝；7-引流斗。
具体实施方式
[0020]
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。
[0021]
参照图1所示，一种土壤水分下渗试验设备，包括有：水平移动支架1，其工作能够沿水平方向移动；双压入渗发生器2，其工作端竖直朝下设置在水平移动支架1外侧，所述双压入渗发生器2能够模拟有压入渗和无压入渗环境；计量盒3，其开口朝上设置在双压入渗发生器2工作端底部，所述计量盒3内侧设置有与控制器电连接且用于检测其内部水量的液位传感器3a；旋压机构4，其工作端竖直朝下设置在水平移动支架1工作端，工作状态下，所述旋压机构4工作端能够竖直升降且沿竖直周向旋转；插接筒5，同轴固定设置在旋压机构4工作端，所述插接筒5外周镜面光滑；内螺纹固定筒6，同轴可拆卸设置在插接筒5中，且所述插接筒5和内螺纹固定筒6与计量盒3同竖直面；引流斗7，其窄口竖直朝下同轴设置在插接筒5顶端。
[0022]
工作时，将试验设备放置在待测土壤地面上，启动水平移动支架1，使其工作端带动旋压机构4移动至计量盒3外侧，从而防止计量盒3影响旋压机构4正常工作；启动旋压机构4，使其工作端带动插接筒5和内螺纹固定筒6同轴竖直下降的同时沿周向旋转，从而使得插接筒5和内螺纹固定筒6同轴插接在土壤中，当插接筒5和内螺纹固定筒6同轴插接在土壤中一段高度时，启动旋压机构4升降部，使其升降部带动插接筒5和内螺纹固定筒6沿轴向竖直上升，而内螺纹固定筒6内周设置有螺纹，且插接筒5外周镜面光滑，从而使得内螺纹固定筒6内周中土壤柱样从内螺纹固定筒6底端断裂，且土壤柱样不易脱离内螺纹固定筒6，从而便于取出完整的土壤柱样，即便于根据土壤柱样进行渗透试验以便于得出待测区域土壤的渗吸速度；启动水平移动支架1，使其工作端带动土壤柱样水平移动至计量盒3顶部，从而启动双压入渗发生器2，从而便于根据实际试验需要，对土壤柱样进行有压入渗或无压入渗，所述有压入渗包括有漫灌、畦灌和沟灌，所述无压入渗包括有喷灌和滴灌，而通过计量盒3能够收集从土壤柱样中渗出的水分，从而便于根据液位传感器3a测量其液面高低，以便于发送信号给控制器，由控制器对双压入渗发生器2输出量和计量盒3接受量进行分析，以便于计算出该区域土壤的渗吸速度，引流斗7便于收集双压入渗发生器2输出液，从而使得计量更
加精准；而内螺纹固定筒6同轴可拆卸设置在插接筒5中，从而便于在试验结束后，将内螺纹固定筒6从插接筒5中取下，以便于处理掉内螺纹固定筒6中土壤柱样，便于下一次试验。
[0023]
如图10所示，插接筒5内周顶端同轴设置有第一固定圈5a；内螺纹固定筒6顶端同轴向均布有与第一固定圈5a同轴的螺纹孔6a，所述内螺纹固定筒6同轴插接在插接筒5中且通过螺栓贯穿第一固定圈5a与螺纹孔6a同轴螺纹拧接。
[0024]
第一固定圈5a同轴设置在插接筒5内周顶端，且内螺纹固定筒6通过其顶端的螺纹孔6a与其固定连接，从而使得内螺纹固定筒6不易脱离插接筒5，且能够使得插接筒5带动内螺纹固定筒6正常下压，从而便于取样，且试验结束后，以将内螺纹固定筒6从插接筒5上拆下。
[0025]
如图10所示，插接筒5内周均布有沿轴向的限位条5b；内螺纹固定筒6外周设置有与限位条5b沿竖直方向滑动的第一限位槽6b。
[0026]
内螺纹固定筒6通过第一限位槽6b与限位条5b竖直滑动配合，从而使得插接筒5能够带动内螺纹固定筒6稳定沿周向转动，从而便于使得内螺纹固定筒6同轴拧接在土壤中，从而便于取样。
[0027]
如图9所示，内螺纹固定筒6底端同轴设置有顶端外径等于插接筒5外径的插接固定圈6c，所述顶端插接固定圈6c内径等于内螺纹固定筒6内径，所述插接固定圈6c外径沿竖直方向逐渐减小，所述插接固定圈6c内径沿竖直方向逐渐增大。
[0028]
通过底端相对其两侧呈尖锐状的插接固定圈6c，能够使得插接筒5和内螺纹固定筒6稳定快速插接在土壤中，从而便于快速取样。
[0029]
如图10所示，内螺纹固定筒6筒体沿轴向设置有便于分离土壤柱样的扩径缝6d。
[0030]
当试验结束后，将内螺纹固定筒6从插接筒5中取下，通过扩径缝6d使得内螺纹固定筒6内径增大，从而便于使得土壤柱样脱离其螺纹，从而使得土壤柱块能够快速脱离内螺纹固定筒6。
[0031]
如图3所示，水平移动支架1包括有：底板1a，设置有用于避让插接筒5和内螺纹固定筒6竖直插接的避让孔1a1，计量盒3设置在底板1a上；立板1b，垂直固定设置在底板1a一侧且两侧通过连接板1c与底板1a固定连接；第一滑动板1d，通过第一导轨1e水平滑动设置在立板1b内侧，双压入渗发生器2设置在第一滑动板1d上；滚珠丝杆滑台1f，水平设置在立板1b上且其工作端与第一滑动板1d内侧固定连接。
[0032]
底板1a和立板1b用于固定连接第一导轨1e和计量盒3，连接板1c用于稳固连接底板1a和立板1b，通过启动滚珠丝杆滑台1f，使其工作端带动第一滑动板1d在第一导轨1e上滑动，从而便于带动旋压机构4水平滑动，从而便于土壤柱样从避让孔1a1顶部水平移动至双压入渗发生器2工作端底部，从而便于实地检测土壤渗吸速度。
[0033]
如图4所示，双压入渗发生器2包括有：支架2a，设置在水平移动支架1一侧；转动盘2b，其外周上下端分别设置有第一限位圈2b1和第二限位圈2b2，所述转动盘2b通过所述限位圈轴线竖直转动设置在支架2a上，所述转动盘2b同轴位于计量盒3顶部；
注水喷嘴2c和喷淋喷嘴2d，所述注水喷嘴2c输出端竖直朝下贯穿均布在转动盘2b外周，所述注水喷嘴2c输出端竖直朝下贯穿均布在转动盘2b内周，工作状态下，所述注水喷嘴2c位于引流斗7内周顶部，所述喷淋喷嘴2d位于土壤柱样顶部，所述喷嘴与水泵输出端通过软管分工连接；第一外齿圈2e，同轴固定设置在转动盘2b上；第一伺服电机2f，输出轴与第一外齿圈2e同轴向固定设置在支架2a上；第一齿轮2g，同轴固定设置在第一伺服电机2f输出轴上且与第一外齿圈2e相互啮合。
[0034]
支架2a用于支持转动盘2b使其通过第一限位圈2b1和第二限位圈2b2能够在支架2a上稳定转动，而注水喷嘴2c设置在转动盘2b外周，从而使得工作端向下注水从而抵接在引流斗7内壁上，从而防止水流直接冲击土壤柱样，从而实现有压渗入，而喷淋喷嘴2d设置在转动盘2b内周，启迪第一伺服电机2f，使其输出轴通过第一齿轮2g带动第一外齿圈2e同轴向转动，从而使得转动盘2b带动喷淋喷嘴2d同轴转动，从而模拟在土壤柱样顶部无压渗入环境。
[0035]
如图5、图6和图7所示，旋压机构4包括有：第二滑动板4a，通过第二导轨4b竖直滑动设置在水平移动支架1工作端上；液压缸4c，竖直固定设置在水平移动支架1工作端上且其输出轴与第二滑动板4a内侧固定连接；连接框4d，水平固定设置在第二滑动板4a底端；三角板4e，与所述第二滑动板4a和连接框4d同侧固定连接；第二固定圈4f，其轴线竖直固定设置在连接框4d底端，所述第二固定圈4f内周顶端设置有阶梯沿4f1；转动筒4g，其外周顶端同轴设置有与阶梯沿4f1同轴转动配合的第三固定圈4g1，所述连接框4d内周设置有与插接筒5固定连接的第四固定圈4g2；第二外齿圈4h，同轴固定设置在转动筒4g外周；第二伺服电机4i，其输出轴与转动筒4g同轴向设置在连接框4d上；第二齿轮4j，同轴固定设置在第二伺服电机4i输出轴上且与第二外齿圈4h相互啮合。
[0036]
启动液压缸4c，使其输出轴带动第二滑动板4a在第二滑动板4a上相对水平移动支架1工作端竖直升降，从而通过连接框4d带动插接筒5和内螺纹固定筒6竖直插接在土壤中，三角板4e用于稳固连接第二滑动板4a和连接框4d，启动第二伺服电机4i，使其输出轴通过第二齿轮4j带动第二外齿圈4h同轴向转动，从而使得转动筒4g通过第三固定圈4g1在阶梯沿4f1上同轴转动，从而通过第四固定圈4g2带动插接筒5和内螺纹固定筒6同轴转动，从而便于取样。
[0037]
如图6和图10所示，转动筒4g内周底端均布有沿径向的第二限位槽4g3，旋压机构4还包括有第五固定圈4k和内螺纹限位圈4m，所述第五固定圈4k同轴固定设置在插接筒5外周顶端，所述第五固定圈4k内周顶端均布有与第二限位槽4g3竖直卡接的限位齿4k1，所述内螺纹限位圈4m同轴拧接在插接筒5外周顶端且抵接在第四固定圈4g2顶端。
[0038]
通过将第五固定圈4k设置在插接筒5外周顶端，使得限位齿4k1竖直卡接在第二限位槽4g3上，从而使得插接筒5不易相对转动筒4g沿周向转动，且通过内螺纹限位圈4m同轴拧接在插接筒5顶端，从而使得插接筒5不易脱离转动筒4g，从而便于转动筒4g带动插接筒5
和内螺纹固定筒6同轴稳定转动，从而便于取样。
[0039]
一种土壤水分下渗试验设备及其试验方法，包括以下步骤：步骤一，将试验设备放置在待测土壤地面上，启动滚珠丝杆滑台1f，使其工作端带动旋压机构4移动至计量盒3外侧；步骤二，启动液压缸4c和第二伺服电机4i，使得插接筒5和内螺纹固定筒6同轴插接在土壤中，当插接筒5和内螺纹固定筒6同轴插接在土壤中一段高度时，驱使液压缸4c工作端复位，从而带动插接筒5和内螺纹固定筒6沿轴向竖直上升，从而取出完整的土壤柱样；步骤三，启动滚珠丝杆滑台1f，使其工作端带动土壤柱样水平移动至计量盒3顶部；步骤四，启动水泵和第一伺服电机2f，从而便于根据实际试验需要，通过注水喷嘴2c和喷淋喷嘴2d对土壤柱样进行有压入渗或无压入渗，从而根据液位传感器3a测量其液面高低，发送信号给控制器，由控制器对双压入渗发生器2输出量和计量盒3接受量进行分析，计算出待测土壤区域的渗吸速度；步骤五，试验结束后，将内螺纹固定筒6从插接筒5中取下，通过扩径缝6d扩大其内径处理掉内螺纹固定筒6中土壤柱样，便于下一次试验。
[0040]
本发明的工作原理：本装置通过以下步骤实现本发明的功能，进而解决了本发明提出的技术问题：步骤一，工作时，将试验设备放置在待测土壤地面上，启动滚珠丝杆滑台1f，使其工作端带动旋压机构4移动至计量盒3外侧，从而防止计量盒3影响旋压机构4正常工作；步骤二，启动液压缸4c和第二伺服电机4i，使其工作端带动插接筒5和内螺纹固定筒6同轴竖直下降的同时沿周向旋转，从而使得插接筒5和内螺纹固定筒6同轴插接在土壤中，当插接筒5和内螺纹固定筒6同轴插接在土壤中一段高度时，启动旋压机构4升降部，使其升降部带动插接筒5和内螺纹固定筒6沿轴向竖直上升，而内螺纹固定筒6内周设置有螺纹，且插接筒5外周镜面光滑，从而使得内螺纹固定筒6内周中土壤柱样从内螺纹固定筒6底端断裂，且土壤柱样不易脱离内螺纹固定筒6，从而便于取出完整的土壤柱样，即便于根据土壤柱样进行渗透试验以便于得出待测区域土壤的渗吸速度；步骤三，启动滚珠丝杆滑台1f，使其工作端带动土壤柱样水平移动至计量盒3顶部；步骤四，启动水泵和第一伺服电机2f，从而便于根据实际试验需要，通过注水喷嘴2c和喷淋喷嘴2d对土壤柱样进行有压入渗或无压入渗，通过计量盒3能够收集从土壤柱样中渗出的水分，从而便于根据液位传感器3a测量其液面高低，以便于发送信号给控制器，由控制器对双压入渗发生器2输出量和计量盒3接受量进行分析，以便于计算出该区域土壤的渗吸速度，引流斗7便于收集双压入渗发生器2输出液，从而使得计量更加精准；步骤五，而内螺纹固定筒6同轴可拆卸设置在插接筒5中，从而便于在试验结束后，将内螺纹固定筒6从插接筒5中取下，以便于通过扩径缝6d扩大其内径处理掉内螺纹固定筒6中土壤柱样，便于下一次试验。
[0041]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。