模拟0)2在±壤中均匀扩散的试验装 置进行实验验证。
[0039](一）实验目的 通过室内试验，验证〇)2在±壤中均匀扩散装置的可行性。
[0040] (二）实验仪器及装置 ±壤〇)2均匀扩散装置；本发明所述的实验组装置和传统的对照组装置各两个，气体输 送装置，C〇2气体检测仪，气体采样器，卷尺等。
[oow巨）实验步骤 步骤1) ±壤C02均匀扩散装置的制作： 步骤1. 1)将外径15畑1、内径14cm的透明有机玻璃管切割成长为50cm的四段管道作为 箱体1的主体部分，分别用于制作两个实验组、两个对照组装置； 步骤1. 2)分别在距有机玻璃管一端5cm处，用电钻钻一个直径为1cm的通气管安装孔， 并将此端作为装置的底端； 步骤1. 3)分别将1cm粗的PVC通气管通过通气管安装孔与有机玻璃管连接，并使其出 气口位于有机玻璃管的中屯、，W便C02从装置底部中屯、泄露； 步骤1. 4)在两个实验组有机玻璃管距装置底端20cm处用玻璃胶粘结固定直径为 14cm，孔径为1mm的多孔陶瓷板3,并在陶瓷板3上部安置一层半透膜2 ; 步骤1. 5)将实验组两个玻璃管底部20cm高的空间内分别填充上10cm的粗砂碱 (uf=3. 1-3. 7)，10cm细砂碱（uf=l. 6-2. 2)，保证有机玻璃管正放时，粗砂碱层5在下，细砂 碱层4在上；对照组则不设置砂碱层，多孔陶瓷板3和半透膜2 ; 步骤1. 6)用外径为20cm的有机玻璃板依次封闭四个玻璃管的底端； 步骤1. 7)将统一来源、相同压实度的±壤12分别装入四个有机玻璃管中，在实验组的 有机玻璃管中装入30cm高的±壤12,在对照组的有机玻璃管中装入50cm高的±壤12,使 得实验组和对照组的±壤12顶面高度相同； 步骤2) ±壤中C02本底值测定；用气体采样器和C0 2气体检测仪分别测定未通入气体 的实验组±壤和对照组±壤深度10cm和20cm处的C02本底值，它们的C02浓度均在0. 1% 左右； 步骤3) ±壤C02均一化程度测定： 步骤3. 1)将实验组和对照组同时通入相同通量的0)2,本次验证实验通入的C02速率V为lOml/min，根据C02注入通量F和注入速率F之间的换算公式F=vXp/s，求出对应的 注入通量F为1284. 284g/(m2Xd)，其中P为常压下C02密度，P约为1.977g/L;s为 有机玻璃管横截面面积； 步骤3. 2)经过1. 5min后，气体在实验装置中分布稳定，此时C02通量为50ml/min，用 气体采样器和C02气体检测仪分别测定实验组和对照组±壤深度20cm处的C02含量，具体 测定方法为： 步骤3. 21)分别将每个有机玻璃管周向划分为八个区域，每个区域内沿径向设置=个 测定点，S个测定点分别离圆屯、3畑1，5cm和7畑1，加上圆屯、共计25个监测点； 步骤3. 22)实验组和对照组的每个监测点分别进行=次重复监测，求出每点对应的0)2 浓度均值，W有机玻璃管的中屯、点为中屯、，建立坐标系，算出25个监测点的对应坐标，形成 每个监测点坐标和C02浓度对应的数据表； 步骤3. 3)运用SU计er软件，算出C02浓度相应指标的最大值、最小值和均值等，并画 出其对应的等值线图。
[0042](四）实验结果及分析 验证实验于2015年3月28日-3月29日进行，在得出实验组与对照组C〇2浓度变化 对比表(表1)及对应的等值线图（图4,图5)。
[0043] 表1实验组与对照组C〇2含量变化对比(单位；％)
经测定，经过1. 5min后，气体在实验装置中分布稳定，此时C〇2通量为50ml/min，实验 组±壤(砂碱层+ ±壤）和对照组±壤的体积为3. 141592X7cmX7cmX50cm=7696. 9ml，可 推算出C02在±壤中均匀分布的情况下，±壤中C0 2的含量为 75/7696.9X100%=0.9744% 从表1可W看出，对照组C〇2浓度的变化随距CO2泄漏中屯、距离的变化差异巨大，但实 验组C〇2浓度的变化随距C0 2泄漏中屯、距离的变化差异不明显。对照组与实验组的浓度均 值相近，也与估算出的C〇2含量相近。但实验组和对照组C〇2浓度最大值、最小值、衰变的速 率有着巨大的差别。对照组在距离C〇2泄漏中屯、3cm处的衰减率达到了 40. 9%，而实验组在 相同的距离处的衰减率却只有0. 943%，两者相差将近40% ;对照组在距离C〇2泄漏中屯、5cm 处的衰减率达到了 63. 6%，而实验组在相同的距离处的衰减率却只有14. 15%，对照组比实 验组多了将近50%。
[0044] 另外，对比图3和图4可W看出，对照组两条等值线之间的浓度差为0. 1%，而实验 组两条等值线之间的浓度差为0. 01%，同样的距离，对照组含量变化是实验组的10倍。由此 可见，本发明的装置对〇)2在±壤中均匀扩散具有良好的效果。
[0045]运用此装置W后，植被采样面积大大增加，例如，进行上壤中C〇2含量为1%的植被 采样时，在对照组中，采集面积只有一个内径为2cm，外径为4cm的圆环，而在实验组中，却 可W采集直径为5cm的圆形区域。因此满足了大田试验需要采集大量样品的要求，且解决 了采样量太小，可重复性差，代表性不明确等问题。并且在对实验精度不是极其苛刻的情况 下，此装置可W近似地看做上壤中所有C〇2浓度是均一的，从而模拟C02泄漏对农作物、± 壤、地下水和生态等的影响。实际应用中，装置的大小可W随试验的需求进行一定的调整。
[0046]在W上实验中，没有给进气装置6增加环形套管10,仅是用了一个单一的点源输 送，如果增加环形套管10将会对气体均匀输送有一定的前期处理，〇)2在±壤中的均匀化扩 散效果将会更明显。
【主权项】
1. 一种模拟CO 2在土壤中均匀扩散的试验装置，包括箱体、进气装置和输气系统，进气 装置与输气系统连接；其特征是，还包括由下至上设于箱体内的粗砂砾层、细砂砾层、多孔 陶瓷板和半透膜，试验土壤放置在半透膜上；所述多孔陶瓷板与箱体固连，半透膜贴合固定 在多孔陶瓷板顶面；所述进气装置的出气口设在粗砂砾层中，且位于箱体的中心。2. 根据权利要求1所述的一种模拟CO2在土壤中均匀扩散的试验装置，其特征是，所述 进气装置由连接管与输气系统连接，连接管上设置气动转换接头。3. 根据权利要求1所述的一种模拟CO2在土壤中均匀扩散的试验装置，其特征是，所述 箱体的底面为圆形或正多边形，由有机透明玻璃组成，顶部为开口设计。4. 根据权利要求1所述的一种模拟CO2在土壤中均匀扩散的试验装置，其特征是，所述 粗砂烁层和细砂烁层厚度相等；粗砂烁的细度模数为3. 7~3. 1，平均粒径为0. 5mm以上，细 砂砾的细度模数为2. 2~1. 6,平均粒径为0. 35~0. 25mm ;所述多孔陶瓷板的孔径为1mm，用玻 璃胶与箱体固定，其中纵向抗压强度>35Mpa，横向抗压强度>12Mpa ;所述半透膜用玻璃胶 固定于多孔陶瓷板上。5. 根据权利要求1所述的一种模拟CO2在土壤中均匀扩散的试验装置，其特征是，所述 进气装置设有环形套管，环形套管设于粗砂砾层中，其顶面周向均布气孔，环形套管由连接 管与外部输气系统连接。6. 根据权利要求5所述的一种模拟CO2在土壤中均匀扩散的试验装置，其特征是，所述 环形套管的内侧面或外侧面均布气孔。7. 根据权利要求5所述的一种模拟CO2在土壤中均匀扩散的试验装置，其特征是，所述 环形套管通过支架与箱体连接。8. 根据权利要求5所述的一种模拟CO2在土壤中均匀扩散的试验装置，其特征是，所述 环形套管的半径不小于箱体底面内径的四分之一且不大于箱体底面内径的三分之一。9. 根据权利要求5所述的一种模拟CO2在土壤中均匀扩散的试验装置，其特征是，所述 环形套管为不锈钢管，其中管道外径为25mm，内径为20mm，所述气孔的直径0.5mm。10. -种模拟CO 2在土壤中均匀扩散的试验方法，其特征在于包括如下步骤： 步骤1)安装设备，截取一段圆形或多边形有机玻璃管作为箱体主体，另截取一块与有 机玻璃外径大小相同的圆形板作为箱体底板，并在底板上钻孔，进气装置的管体穿过钻孔 与底板固定；将多孔陶瓷板用玻璃胶与箱体内壁固定，并用玻璃胶将半透膜贴覆在多孔陶 瓷板的顶面；将箱体主体倒立，依次装入细砂砾和粗砂砾，使进气装置的出气口埋设于粗砂 砾层中，将底板与箱体主体粘结固定；将箱体正立，用连接管将进气装置与输气系统连接起 来；最后向箱体中装入试验土壤； 步骤2)打开输气系统以及气动转换接头，向土壤内通入CO2气体，气体通过进气装置 的出气口排出； 步骤3) 0)2先经过粗砂砾层，再经过细砂砾层，扩散至多孔陶瓷板，由于砂砾层通水透 气性好，有利于将气流分散至不同的方向，近似地将气体由点源扩散变为面源扩散，使CO2 气体较均匀地向上溢出，而后，多孔陶瓷板进一步地将CO2气体均化； 步骤4)气流继续经过半透膜2,逸散于上方土壤中，半透膜的设置一方面有利于下方 CO2气流向上扩散，一方面防止土壤堵塞多孔陶瓷板的小孔； 步骤5)经过砂砾层、多孔陶瓷板以及半透膜的层层均匀化，使得0)2气流均匀扩散于 覆于半透膜之上的土体中，改变了传统的点源气体通入的不均匀特点。
【专利摘要】本发明提供了一种模拟CO2在土壤中均匀扩散的试验装置与方法，外界通入的CO2，通过外界输气系统控制浓度，经进气管运输至埋于砂砾层的进气装置，再经砂砾层，多孔陶瓷板，半透膜，均匀稳定地扩散于土体中，从而模拟CO2泄漏对农作物、土壤、地下水和生态等的影响。其工艺简单，成本低廉，气体均一化程度高，实用性强。
【IPC分类】G01N13/00
【公开号】CN104949903
【申请号】CN201510375957
【发明人】陈浮, 谭敏, 张绍良, 马静, 郝邵金, 徐雅晴
【申请人】中国矿业大学
【公开日】2015年9月30日
【申请日】2015年7月1日