一种土壤水分运移测定模拟试验装置的制作方法

1.本实用新型涉及土壤水分运移研究领域，具体为一种土壤水分运移测定模拟试验装置。


背景技术：

2.土壤水分运移是一种多孔介质中的水流运动，水流是在土壤表层或分层土层内的界面上流动，因土壤水分受自然环境以及地下土体内植物根系的无规律分布的影响，土壤水分随时间和空间的运移变化较为复杂，而土壤水分运移对流域径流调节、流域水文循环计算、水源涵养以及泥沙迁移等都具有非常重要的作用，因此研究土壤水分运移过程尤为重要。
3.现有技术中，关于土壤水分运移研究，多是针对土壤水分总入渗或土壤中水流的测定，而对于土壤水分垂直入渗和水平入渗各自的运移过程测定较少，且许多壤中流观测多采用修建野外大型土壤水分渗漏试验小区的方式进行，这种方式需要在野外用砖块混凝土砌筑，对于不同降雨强度和不同坡度的实验观测局限性较大，难以控制且成本较高。此外土壤孔隙结构的传统研究方法有切片法、压汞法和氮吸附法等，这些方法不仅会破坏土壤原有的孔隙结构，而且难以重构土壤内部的三维孔隙结构。
4.所以需要针对上述问题设计一种土壤水分运移测定模拟试验装置。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于提供一种土壤水分运移测定模拟试验装置，以解决上述背景技术中提出现有的土壤水分测定设备对土壤水分垂直入渗和水平入渗各自的运移过程测定较少,以及传统的模拟研究方法会破坏土壤原有的空隙结构的问题。
6.为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种土壤水分运移测定模拟试验装置，包括安装底板，所述安装底板上方设置有固定架，所述固定架上方设置有活动轴，且固定架上方连接有径流箱，所述径流箱下方设置有土壤水分垂直入渗导流管，所述径流箱前侧设置有土壤水分水平入渗导流管，且径流箱底部设置有液压坡度调节杆，所述土壤水分垂直入渗导流管前端连接有第一引流软管，所述土壤水分水平入渗导流管右侧连接有第二引流软管，所述第二引流软管下方设置有集流量筒，所述径流箱前侧设置有地表径流导流槽，且径流箱左侧设置有坡度指示器，所述安装底板左侧上方设置有人工降雨装置。
7.优选的，所述固定架两端各固定连接一个支撑杆，所述支撑杆与支撑板连接，所述支撑板两端设置定位孔，所述定位孔与铰链合叶连接。
8.优选的，所述液压坡度调节杆底部设置有固定横杆，所述固定横杆前端通过固定螺丝固定连接前端支撑杆，所述前端支撑杆通过第一钢轴铆钉与上部支撑杆连接，所述上部支撑杆与径流箱连接，所述上部支撑杆中部通过第二钢轴铆钉与中部支撑杆连接,所述中部支撑杆底部通过第三钢轴铆钉与固定横杆后端的可调节螺丝孔连接，所述中部支撑杆中部通过第四钢轴铆钉与液压杆连接，所述液压杆上端通过第五钢轴铆钉与上部支撑杆连
接，所述液压杆包括行程杆和氮气液压缸。
9.优选的，所述径流箱由五面钢板连接而成，其中，前侧钢板和左侧钢板固定连接底部钢板，右侧钢板与后侧钢板可移动调节与其他三面钢板连接，所述前侧钢板底端设置有铰链合叶，所述铰链合叶设置有固定孔，所述固定孔通过螺丝与固定架连接，所述前侧钢板设置有土壤水分水平入渗导流孔，所述底部钢板设置有土壤水分垂直入渗导流孔。
10.优选的，所述前侧钢板和后侧钢板长度为70cm，宽度为60cm，所述左侧钢板、右侧钢板以及底部钢板长度为70cm，宽度为70cm；所述土壤水分水平入渗导流孔直径为1mm，土壤水分垂直入渗导流孔直径均为2cm。
11.优选的，所述地表径流导流槽包括导流底板，所述导流底板底部宽度为60cm，所述导流底板两侧连接侧面挡流板，所述侧面挡流板高度为3cm，所述导流底板后端连接固定板，所述固定板长度为60cm，宽度为3cm，所述固定板与径流箱前侧钢板连接，所述导流底板前端连接第一出水管，所述第一出水管长度为4cm，直径为2cm，与第一引流软管连接。
12.优选的，所述土壤水分水平入渗导流管为直径1mm的针管，一端与土壤水分水平入渗导流孔连接，另一端与第二引流软管连接。
13.优选的，所述土壤水分垂直入渗导流管包括第二出水管、滤网和引流槽，所述第二出水管与第一引流软管连接，所述滤网固定连接在第二出水管后端，所述引流槽为半圆槽，与径流箱的土壤水分垂直入渗导流孔连接，所述土壤水分垂直入渗导流管外壁直径为2cm。
14.优选的，所述第一引流软管内壁直径为2cm，且第一引流软管一端与地表径流导流槽或土壤水分水平入渗导流管另一端与集流量筒连接，所述第二引流软管一端与地表径流导流槽或土壤水分垂直入渗导流管，另一端与集流量筒连接。
15.优选的，所述坡度指示器与径流箱固定连接，所述坡度指示器包括角度底板，所述角度底板为四分之一圆形，其圆弧边设置有刻度标记，所述角度底板上端设置有固定钉，所述固定钉与刻度指针顶端嵌套活动连接。
16.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：该土壤水分运移测定模拟试验装置，采用新型的结构设计，对土壤水分垂直入渗与水平入渗分别进行检测，同时通过液压坡度调节杆调节实验装置的坡度，配合角度器精确模拟坡地坡度，使测试结果更加精准；
17.1.本实用新型通过多孔型入渗收集装置，将原状土柱前侧区分为3600个单元观测土壤水分水平入渗，将原状土底部区分为36个单元观测土壤水分垂直入渗，呈现出坡地表层、中层、底层以及坡顶、坡中、坡底的多层次多坡位结构，并通过集流装置对土壤水分入渗进行收集测定，能够对原状土柱土壤水分垂直和水平入渗运移进行时空上的模拟观测，有助于刻画土壤入渗与时间、空间的动态变化关系。
18.2、本实用新型采用原状土柱进行土壤水分运移模拟，使得土体更为接近自然坡面的物理结构状态，模拟效果真实，且利用液压坡度调节杆控制调节试验装置的坡度，便捷省力，并设置了角度器，可精准模拟坡地坡度，方便进行不同坡度的实验观测。
19.3、本实用新型的试验装置制作成本可控，经费需求少，可多坡度重复使用；同时，本实用新型的试验装置可快速拆卸组装，便于移动，可在多种试验环境中进行使用。
附图说明
20.图1为本实用新型整体左侧结构示意图；
21.图2为本实用新型土壤水分运移测定模拟试验装置结构示意图；
22.图3为本实用新型固定架结构示意图；
23.图4为本实用新型液压支撑杆结构示意图；
24.图5为本实用新型径流箱结构示意图；
25.图6为本实用新型地表径流导流槽结构示意图；
26.图7为本实用新型土壤水分水平入渗导流装置局部示意图；
27.图8为本实用新型土壤水分垂直入渗导流管结构示意图；
28.图9为本实用新型角度指示器结构示意图。
29.图中：1、安装底板；
30.2、固定架；21、支撑杆；22、支撑板；23、定位孔；
31.3、液压坡度调节杆；31、固定横杆；311、可调节螺丝孔；32、前端支撑杆；321、固定螺丝；322、第一钢轴铆钉；33、上部支撑杆；34、中部支撑杆；341、第二钢轴铆钉；342、第三钢轴铆钉；343、第四钢轴铆钉；35、液压杆；351、行程杆；352、氮气液压缸；353、第五钢轴铆钉；
32.4、人工降雨装置；
33.5、径流箱；51、前侧钢板；52、左侧钢板；53、右侧钢板；54、后侧钢板；55、底部钢板；56、土壤水分水平入渗导流孔；57、土壤水分垂直入渗导流孔；58、铰链合叶；581、固定孔；
34.6、地表径流导流槽；61、导流底板；62、侧面挡流板；63、固定板；64、第一出水管；
35.7、土壤水分水平入渗导流管；
36.8、土壤水分垂直入渗导流管；81、第二出水管；82、滤网；83、引流槽；
37.9、第一引流软管；10、第二引流软管；11、集流量筒；
38.12、坡度指示器；121、角度底板；122、刻度标记；123、固定钉；124、刻度指针；
39.13、活动轴。
具体实施方式
40.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
41.请参阅图1-9，本实用新型提供一种技术方案：一种土壤水分运移测定模拟试验装置，包括安装底板1，安装底板1上方设置有固定架2，固定架2上方设置有活动轴13，且固定架2上方连接有径流箱5，径流箱5下方设置有土壤水分垂直入渗导流管8，径流箱5前侧设置有土壤水分水平入渗导流管7，且径流箱5底部设置有液压坡度调节杆3，土壤水分垂直入渗导流管8前端连接有第一引流软管9，土壤水分水平入渗导流管7右侧连接有第二引流软管10，第二引流软管10下方设置有集流量筒11，径流箱5前侧设置有地表径流导流槽6，且径流箱5左侧设置有坡度指示器12，安装底板1左侧上方设置有人工降雨装置4。
42.本例中固定架2两端各固定连接一个支撑杆21，支撑杆21与支撑板22连接，支撑板22两端设置定位孔23，定位孔23与铰链合叶58连接，固定架2和液压坡度调节杆3用于支撑调节径流箱5。
43.液压坡度调节杆3底部设置有固定横杆31，固定横杆31前端通过固定螺丝321固定
连接前端支撑杆32，前端支撑杆32通过第一钢轴铆钉322与上部支撑杆33连接，上部支撑杆33与径流箱5连接，上部支撑杆33中部通过第二钢轴铆钉341与中部支撑杆34连接,中部支撑杆34底部通过第三钢轴铆钉342与固定横杆31后端的可调节螺丝孔311连接，中部支撑杆34中部通过第四钢轴铆钉343与液压杆35连接，液压杆35上端通过第五钢轴铆钉353与上部支撑杆33连接，液压杆35包括行程杆351和氮气液压缸352，液压坡度调节杆3用于调节径流箱5坡度，其中，液压杆35包括行程杆351和氮气液压缸352，行程杆351可在氮气液压缸352内伸缩移动，控制上部支撑杆33的角度，从而调节整体装置的坡度，采用液压装置调节试验装置坡度，操作方便，省时省力，可快速准确调节至试验所要求的坡度。
44.径流箱5由五面钢板连接而成，其中，前侧钢板51和左侧钢板52固定连接底部钢板55，右侧钢板53与后侧钢板54可移动调节与其他三面钢板连接，前侧钢板51底端设置有铰链合叶58，铰链合叶58设置有固定孔581，固定孔581通过螺丝与固定架2连接，前侧钢板51设置有土壤水分水平入渗导流孔56，底部钢板55设置有土壤水分垂直入渗导流孔57，前侧钢板51和后侧钢板54长度为70cm，宽度为60cm，左侧钢板52、右侧钢板53以及底部钢板55长度为70cm，宽度为70cm；土壤水分水平入渗导流孔56直径为1mm，土壤水分垂直入渗导流孔57直径均为2cm，径流箱5左侧设置坡度指示器12，利用坡度指示器12，可协助试验装置调节至合适的试验坡度，操作精准便捷。
45.地表径流导流槽6包括导流底板61，导流底板61底部宽度为60cm，导流底板61两侧连接侧面挡流板62，侧面挡流板62高度为3cm，导流底板61后端连接固定板63，固定板63长度为60cm，宽度为3cm，固定板63与径流箱5前侧钢板51连接，导流底板61前端连接第一出水管64，第一出水管64长度为4cm，直径为2cm，与第一引流软管9连接。
46.土壤水分水平入渗导流管7为直径1mm的针管，一端与土壤水分水平入渗导流孔56连接，另一端与第二引流软管10连接，用于区分水平与垂直入渗的数据差距。
47.土壤水分垂直入渗导流管8包括第二出水管81、滤网82和引流槽83，第二出水管81与第一引流软管9连接，滤网82固定连接在第二出水管81后端，引流槽83为半圆槽，与径流箱5的土壤水分垂直入渗导流孔57连接，土壤水分垂直入渗导流管8外壁直径为2cm。
48.第一引流软管9内壁直径为2cm，且第一引流软管9一端与地表径流导流槽6或土壤水分水平入渗导流管7另一端与集流量筒11连接，所述第二引流软管10一端与地表径流导流槽6或土壤水分垂直入渗导流管8，另一端与集流量筒11连接。
49.坡度指示器12与径流箱5固定连接，坡度指示器12包括角度底板121，角度底板121为四分之一圆形，其圆弧边设置有刻度标记122，角度底板121上端设置有固定钉123，固定钉123与刻度指针124顶端嵌套活动连接。
50.工作原理：使用本装置时，首先使用原状土柱取样，根据试验要求，从目标区域外围100cm
×
100cm边界逐渐往选定的60cm
×
60cm
×
60cm核心区域缓慢开挖，当土柱成型后利用剪刀修剪其土柱外围多余的植物根系使四周平面平整，用特制木框套取土体，形成五面封闭的方形土柱，在运输土柱过程中，需轻拿轻放，尽可能避免土柱倾斜，防止土柱边缘受损以及土体结构发生改变。
51.随后进行填装径流箱5，将径流箱5右侧钢板53和后侧钢板54移出取出形成缺口，把原状土柱从径流箱5缺口处缓慢放入径流箱5，向右下方移动原状土柱，使其贴紧径流箱5右侧钢板53和前侧钢板51，接着将径流箱5右侧钢板53安装至径流箱5右侧并移动贴紧原状
土柱，再将径流箱5后侧钢板54安装至径流箱5后侧并移动贴紧原状土柱，使得径流箱5与原状土柱贴紧，减少降雨径流从径流箱5和土柱接缝处渗漏。
52.接着调节坡度控制装置，根据研究区坡地自然坡度，通过控制径流箱5下方液压坡度调节杆3并观测坡度指示器12，使径流箱5整体坡度符合模拟要求，再通过人工降雨模拟观测，采用人工降雨装置4，将径流箱5放置于人工降雨大厅人工降雨装置4下方，模拟不同强度的降雨环境，观测不同坡度条件下原状土柱土壤水分垂直、水平入渗过程，通过第一引流软管9和第二引流软管10将地表径流、土壤水分垂直入渗流和水平入渗流收集至集流量筒11，每组试验预计降雨时间总长为2h，入渗过程中，初始入渗率较大，随着试验时间的延长，入渗率逐步趋向稳定，在入渗初始阶段每隔2min记录各量筒内的水量，当入渗率趋向稳定后可延长观测时间间隔为5min或10min。
53.最后测算模拟土壤多向入渗运移过程，根据人工降雨量、地表径流、土壤垂直入渗以及水平入渗水量的积累，计算入渗速率随时间和空间的变化，对比分析土壤水分垂直入渗与水平入渗的速率变化，确定土壤水分运移richards方程的相关参数，通过逐步回归法建立孔隙结构参数—土壤渗透系数的函数关系式，将建立的函数关系式代入土壤水分运移richards方程，以此为基础构建修正后的hydrus-3d模型，模拟土壤水分运移过程，以上便是整个土壤水分运移测定模拟试验装置的功能介绍与操作步骤，本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
54.尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。