一种岩溶区定水头饱和导水率装置和测定方法

1.本发明涉及水土保持和土壤学室内试验技术领域，尤其涉及一种岩溶区定水头饱和导水率装置和测定方法。


背景技术：

2.土壤水分含量大小及其水分运移特征影响着土壤肥力的大小，对植被的生长起着关键性作用。因此，确定其土壤相关水力特性参数，可以为农业合理灌溉、改善土壤-植被根区环境、提高农作物生产量提供帮助。其中，土壤饱和导水率参数尤为重要。土壤饱和导水率是土壤被水饱和时,单位水势梯度下、单位时间内通过单位面积的水量，它是土壤质地、容重、孔隙分布特征的函数，饱和导水率由于土壤质地、容重、孔隙分布以及有机质含量等的空间变量的影响其空间变异强烈，其中孔隙分布特征对土壤饱和导水率的影响最大。土壤饱和导水率是决定降水入渗与径流比例的重要参数，是土壤水—溶质迁移与作物生长模型、计算土壤剖面水通量和设计灌溉、排水系统工程的一个重要土壤参数，也是水分循环和土壤侵蚀模型中的重要参数。
3.现有土壤饱和导水率测定装置单一，无法做到稳定调节水头并固定水头测试，另外，测试过程中还需人工手动加水，这些缺陷都可能导致饱和导水率大小发生改变，造成试验数据不准确，同时现有大部分测定装置都是单一测定，不能对土样进行批量测定，且测定土壤的饱和导水率所需时间较长，常导致测定效率大大降低。


技术实现要素：

4.本发明提供一种岩溶区定水头饱和导水率装置和测定方法。
5.为解决上述技术问题，本发明提供的一种岩溶区定水头饱和导水率装置，包括支撑座，所述支撑座上表面的左右两端均固定连接有限位滑杆，所述限位滑杆上滑动连接有限位滑块，所述限位滑块的前侧端固定连接有移动板，所述移动板的前侧端固定连接有支撑板，所述支撑板的上表面固定连接有若干个马式瓶，所述移动板的后侧设置有升降机构，所述移动板的前侧设置有渗透装置；
6.其中，所述渗透装置包括支撑架，所述支撑架的上方设置有漏斗，所述漏斗的下端贯穿支撑架的上侧壁，并与支撑架的上侧壁固定连接，所述所述漏斗的上方设置有上环刀和下环刀，所述上环刀的下端与下环刀的上端抵接，所述上环刀和下环刀连接处的外侧设置有弹性橡胶带，所述下环刀的下端设置有纱布，所述下环刀外侧设置有捆扎带，所述纱布的上端位于捆扎带和下环刀的外侧壁之间，所述纱布的外侧壁与漏斗的内壁抵接。
7.优选的，所述支撑架内侧放置有若干个烧杯，所述支撑架上表面的后侧端固定连接有固定板，所述固定板的上端开设有固定槽。
8.优选的，所述马式瓶的上端固定连接有进水阀，所述进水阀的下端贯穿马式瓶的上侧壁，并与马式瓶相连通，所述马式瓶外侧壁的下端固定连接有出水阀，所述出水阀与马式瓶相连通，所述出水阀远离马式瓶的一端固定连接有出水管，所述马式瓶的侧壁上设置
有刻度尺，所述马式瓶上端设置有进气管，所述进气管的下端贯穿马式瓶的上侧壁，并延伸至马式瓶内部。
9.优选的，所述升降机构包括升降丝杆，所述升降丝杆固定连接在支撑座的上表面，所述升降丝杆的上方设置有升降板，所述升降板的前侧端与移动板的后侧端固定连接。
10.优选的，所述升降板的下表面固定连接有防护框，所述升降丝杆的上端依次贯穿防护框的下侧壁和升降板，所述升降丝杆的侧壁上开设有限位滑槽，所述防护框通过限位滑槽与升降丝杆滑动连接。
11.优选的，所述防护框的后侧内壁转动连接有蜗杆，所述蜗杆的前侧端依次贯穿防护框的前侧壁以及移动板，所述移动板和防护框均与蜗杆转动连接，所述蜗杆的前侧端固定连接有手摇柄。
12.优选的，所述防护框的下侧内壁固定连接有连接柱，所述连接柱的上端转动连接有蜗轮，所述升降丝杆贯穿连接柱和蜗轮，所述升降丝杆和连接柱滑动连接，所述升降丝杆和蜗轮螺纹连接。
13.进一步的，还提供一种岩溶区定水头饱和导水率测定方法，所述测定方法包括如下步骤：
14.步骤1：安装并固定好上述饱和导水率装置，关闭出水阀，并打开进水阀，采用外部自动抽水装置将马式瓶内注满水，再通过转动手摇柄，带动蜗杆和蜗轮相互配合，进而带动蜗轮在升降丝杆上转动，利用蜗轮和升降丝杆螺纹连接，对支撑板的高度进行调整，保证马式瓶下端出水阀高于下环刀内土壤样品表层，随后关闭马式瓶上端的进水阀，打开马式瓶下端的出水阀；
15.步骤2：根据下环刀内土样高度，通过手动调节支撑板高度，将马式瓶调整到合适的高度以调整气压差，等待马式瓶内外压力平衡以后，通过止水夹对橡胶管中的水流进行截流；
16.步骤3：将同规格的上环刀的下端口边缘涂上凡士林，并用具有高度弹性的弹性橡胶带将下环刀的上端与上环刀的下端吻合，在下环刀下方设置纱布，将其置于渗透装置的漏斗上，将马式瓶下方的出水管放入上环刀内且通过固定槽对其固定，并额外添加相应水量到上环刀中，以将出水管的出水口处淹没，同时打开出水管上的止水夹，直到上环刀内水面高度维持稳定状态，同样，如需测量多个土样，采取同样的方法将土样放置于该饱和导水率装置上。
17.步骤4：打开止水夹的同时，打开秒表开始计时，一段时间后，水流自下环刀下方渗出，并用烧杯接渗漏水量。
18.步骤5：采取等时间原则，通过电子天平称量烧杯和渗漏水的总体质量，同时采用游标卡尺测量相应时间下的水头高度，并做好数据记录。
19.步骤6：通过达西定律——饱和导水率计算公式计算两次相同间隔时间段内渗出速率是否相等，即渗流是否稳定。若连续3～5次计算数据误差保持在规定范围内，即可认为渗流到达稳定，随即关闭马式瓶下端的出水阀并采取止水夹止住水流，停止试验
20.与相关技术相比较，本发明提供的一种岩溶区定水头饱和导水率装置和测定方法具有如下有益效果：
21.本发明提供一种岩溶区定水头饱和导水率装置和测定方法，本装置在支撑板上设
置有多个马式瓶，在马式瓶的下方同样设置有多个渗透装置，在渗透装置上设置有漏斗、上环刀和下环刀，在漏斗的下方设置有烧杯，通过马式瓶以及升降机构，利用手摇柄、蜗轮、蜗杆和升降丝杆相互配合，对马式瓶的高度进行调整，进而对上环刀中的水头高度进行控制，本装置中利用马式瓶进行供水，从而解决现有测量装置中采用人工注水时，无法保证上环刀中的水量，容易造成试验数据产生误差的问题，同时能够保证装置能够满足不同高度环刀的使用，提高饱和导水率装置的灵活性；
22.本装置结构简单，便于安装使用，同时设置多个马式瓶，便于同时对多组样品的饱和导水率进行试验缩短试验时间，提高工作效率。
附图说明
23.图1为测定装置的立体结构示意图；
24.图2为图1中a处的局部放大图；
25.图3为图1中b处的局部放大图；
26.图4为马式瓶位置立体结构示意图；
27.图5为马式瓶位置另一角度立体结构示意图；
28.图6为图5中c处的局部放大图；
29.图7为升降机构的立体结构示意图；
30.图8为渗透装置的立体结构示意图；
31.图9为漏斗的立体结构示意图；
32.图10为上环刀和下环刀处的爆炸示意图；
33.图11为局部升降机构的立体结构示意图。
34.图中标号：1、支撑座；2、限位滑杆；3、升降丝杆；4、限位滑槽；5、移动板；6、限位滑块；7、升降板；8、防护框；9、支撑板；10、马式瓶；11、刻度尺；12、进气管；13、进水阀；14、出水阀；15、出水管；16、支撑架；17、烧杯；18、固定板；19、固定槽；20、漏斗；21、下环刀；22、上环刀；23、手摇柄；24、蜗杆；25、蜗轮；26、纱布；27、捆扎带；28、弹性橡胶带；29、连接柱。
具体实施方式
35.由图1-11给出，本发明包括支撑座1，支撑座1上表面的左右两端均固定连接有限位滑杆2，限位滑杆2上滑动连接有限位滑块6，限位滑块6的前侧端固定连接有移动板5，移动板5的前侧端固定连接有支撑板9，支撑板9的上表面固定连接有若干个马式瓶10，移动板5的后侧设置有升降机构，移动板5的前侧设置有渗透装置；
36.其中，渗透装置包括支撑架16，支撑架16的上方设置有漏斗20，漏斗20的下端贯穿支撑架16的上侧壁，并与支撑架16的上侧壁固定连接，漏斗20的上方设置有上环刀22和下环刀21，上环刀22的下端与下环刀21的上端抵接，上环刀22和下环刀21连接处的外侧设置有弹性橡胶带28，下环刀21的下端设置有纱布26，下环刀21外侧设置有捆扎带27，纱布26的上端位于捆扎带27和下环刀21的外侧壁之间，纱布26的外侧壁与漏斗20的内壁抵接，支撑架16内侧放置有若干个烧杯17，支撑架16上表面的后侧端固定连接有固定板18，固定板18的上端开设有固定槽19；
37.马式瓶10的上端固定连接有进水阀13，进水阀13的下端贯穿马式瓶10的上侧壁，
并与马式瓶10相连通，马式瓶10外侧壁的下端固定连接有出水阀14，出水阀14与马式瓶10相连通，出水阀14远离马式瓶10的一端固定连接有出水管15，马式瓶10的侧壁上设置有刻度尺11，马式瓶10上端设置有进气管12，所述进气管12的下端贯穿马式瓶10的上侧壁，并延伸至马式瓶10内部；
38.升降机构包括升降丝杆3，升降丝杆3固定连接在支撑座1的上表面，升降丝杆3的上方设置有升降板7，升降板7的前侧端与移动板5的后侧端固定连接，升降板7的下表面固定连接有防护框8，升降丝杆3的上端依次贯穿防护框8的下侧壁和升降板7，升降丝杆3的侧壁上开设有限位滑槽4，防护框8通过限位滑槽4与升降丝杆3滑动连接，防护框8的后侧内壁转动连接有蜗杆24，蜗杆24的前侧端依次贯穿防护框8的前侧壁以及移动板5，移动板5和防护框8均与蜗杆24转动连接，蜗杆24的前侧端固定连接有手摇柄23，防护框8的下侧内壁固定连接有连接柱29，连接柱29的上端转动连接有蜗轮25，升降丝杆3贯穿连接柱29和蜗轮25，升降丝杆3和连接柱29滑动连接，升降丝杆3和蜗轮25螺纹连接。
39.再进一步的，本发明提出一种岩溶区定水头饱和导水率测定方法：
40.步骤1：安装并固定好上述饱和导水率装置，关闭出水阀14，并打开进水阀13，采用外部自动抽水装置将马式瓶10内注满水，再通过转动手摇柄23，带动蜗杆24和蜗轮25相互配合，进而带动蜗轮25在升降丝杆3上转动，利用蜗轮25和升降丝杆3螺纹连接，对支撑板9的高度进行调整，保证马式瓶10下端出水阀14高于下环刀21内土壤样品表层，随后关闭马式瓶10上端的进水阀13，打开马式瓶10下端的出水阀14；
41.步骤2：根据下环刀21内土样高度，通过手动调节支撑板9高度，将马式瓶10调整到合适的高度以调整气压差，等待马式瓶10内外压力平衡以后，通过止水夹对橡胶管中的水流进行截流；
42.步骤3：将同规格的上环刀22的下端口边缘涂上凡士林，并用具有高度弹性的弹性橡胶带28将下环刀21的上端与上环刀22的下端吻合，在下环刀21下方设置纱布26，将其置于渗透装置的漏斗20上，将马式瓶10下方的出水管15放入上环刀22内且通过固定槽19对其固定，并额外添加相应水量到上环刀22中，以将出水管15的出水口处淹没，同时打开出水管15上的止水夹，直到上环刀22内水面高度维持稳定状态，同样，如需测量多个土样，采取同样的方法将土样放置于该饱和导水率装置上。
43.步骤4：打开止水夹的同时，打开秒表开始计时，一段时间后，水流自下环刀21下方渗出，并用烧杯17接渗漏水量。
44.步骤5：采取等时间原则，通过电子天平称量烧杯17和渗漏水的总体质量，同时采用游标卡尺测量相应时间下的水头高度，并做好数据记录。
45.步骤6：通过达西定律——饱和导水率计算公式计算两次相同间隔时间段内渗出速率是否相等，即渗流是否稳定。若连续3～5次计算数据误差保持在规定范围内，即可认为渗流到达稳定，随即关闭马式瓶10下端的出水阀14并采取止水夹止住水流，停止试验。
46.工作原理：
47.在使用时，先将马式瓶10顶部的进水阀13打开，将所有马式瓶10灌满蒸馏水，然后关闭进水阀13，在渗透装置的漏斗20下分别放置一个烧杯17，漏斗20上放置上环刀22和下环刀21，下环刀21为土壤样品环刀，上环刀22为空环刀，上环刀22用来装水确定水头大小，上环刀22和下环刀21之间用凡士林涂抹并用弹性橡胶带28固定，通过手摇柄23带动蜗杆24
转动，进而带动蜗轮25转动，使得马式瓶10底部高于上环刀22且不高于下环刀21高度，保证水头的存在且防止水头过高溢出水来，将马式瓶10下端的出水阀14上的出水管15置于上环刀22中，并手动向上环刀22中倒入一部分水以淹没出水管15的出水口，随即打开出水管15上的止水夹和打开出水阀14，使上环刀22内盛水，若上环刀22内的水溢出，可通过转动手摇柄23，降低马式瓶10的高度，并立即打开秒表进行计时5min，5min后将烧杯17和烧杯17内的渗漏水转移到电子天平上称量，并做好数据记录，以通过蒸馏水的密度和质量换算出渗漏水体积，同时，采用游标卡尺测量上环刀22内水的深度即水头大小，最后，采用达西定律公式测定土壤饱和导水率大小，直到连续三次测定数值大小保持在一定误差范围内即可停止试验。