体积置换法测土壤质量含水率和体积密度的装置及方法

摘要

本发明提供一种体积置换法测土壤质量含水率和体积密度的装置及方法，所述装置包括控制器、取样容器、称量设备和饱和系统，控制器与称量设备连接，饱和系统包括预饱和池和供水设备。所述方法为：在已知土壤颗粒密度的情况下，取一定体积的土样，测得其初始质量，对所述土样进行预饱和处理，然后对其进行持续供水，使其保持饱和状态，当土样的质量恒定不变时，测得其饱和时的质量，根据所述土样的体积、土壤颗粒密度、土样初始质量、饱和时土样的质量及水的密度，通过公式计算得到所述土样的质量含水率。本发明利用体积置换法对土壤质量含水率和体积密度进行直接测量，操作简单方便，测量精度高，仪器稳定性好，省时省力且节约能源。

说明书

技术领域

本发明涉及土壤质量含水率和体积密度测量领域，尤其涉及一种 体积置换法测土壤质量含水率和体积密度的装置及方法。

背景技术

土壤质量含水率和体积密度的直接测量是相关研究和应用的基 础，在土壤力学、作物栽培、农田灌溉、生态环境等研究和实践中十 分重要。特别是随着水资源危机日益突出，国内外对节水农业研究都 给予高度重视，土壤质量含水率成了节水农业研究中经常测定的项目。 在生产建设、农业、水利等工程中，需要简便、快速测定土壤含水率。

目前，直接测量土壤含水率的方法主要有烘干称质量法或酒精燃 烧法，作为直接测量土壤水分含量的唯一方法，其中烘干称质量法为 标准方法。这两种方法是其他所有间接测量方法的基础，在测量精度 上具有其它间接测量方法不可比拟的优势。传统测量含水率的烘干法 比较费时间且不适合野外作业；酒精燃烧法消耗能源，测量精度相对 较低。其他间接测量方法（如TDR、FDR、伽马射线、电容传感器、 中子仪等），必须采用上述两种直接测量方法之一进行校准和标定，同 时存在价格昂贵、不易操作、可能对人体危害较大等多方面的缺陷。 因此，简单、方便的直接测量方法非常重要。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明的目的是，提供一种测量土壤质量含水率和体积密度的方 法及装置，以克服现有技术费时耗力、浪费资源、价格昂贵且不易操 作等缺陷。

（二）技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种体积置换法测土壤质 量含水率和体积密度的装置，所述体积置换法测土壤含水率和体积密 度的装置包括控制器、取样容器、称量设备和饱和系统，控制器与称 量设备连接，所述饱和系统包括预饱和池和供水设备。

优选地，所述取样容器底部设有排水支管。

优选地，所述取样容器为取样环刀。

优选地，所述控制器为计算机，通过数据线与称量设备连接，所 述计算机中安装有测量控制软件。

优选地，所述称量设备为电子秤。

优选地，所述预饱和池中的水位低于取样容器中待测土样的上表 面。

优选地，所述供水设备为滴水管。

本发明还提供了一种体积置换法测土壤质量含水率和体积密度的 方法，包括以下步骤：

S1、在已知土壤颗粒密度ρ_s的条件下，取一定体积的所述土样， 测得其初始质量；

S2、对所述土样进行预饱和处理；

S3、对所述经预饱和处理的土样进行持续供水，使其保持饱和状 态，当土样的质量恒定不变时，测得其饱和时的质量；

S4、根据所述土样的体积V、土壤颗粒密度ρ_s、土样初始质量M₁、 饱和时土样的质量M₂及水的密度ρ_w，通过公式计算得到所述土样的质 量含水率和体积密度。

优选地，所述土样的土壤颗粒密度ρ_s取值范围为2600kg/m³至 2800kg/m³，在本发明中设定常规土壤颗粒的密度为2653kg/m³，水的 密度为1000kg/m³。

优选地，所述公式为：

V_s×ρ_s+V_w×ρ_w=M₁

V_s×ρ_s+(V_w+V_a)×ρ_w=M₂

V_s+V_w+V_a=V

式中，ρ_w表示水的密度，ρ_s表示土壤颗粒密度，V_a表示土壤中气 体体积，V_w表示土壤中水分体积，V_s表示土壤中土壤颗粒体积，V表 示土壤总体积，M₁表示初始质量，M₂表示饱和后的质量；其中ρ_s、ρ_w和V为已知，M₁和M₂也可以通过称量得到，V_s、V_w和V_a为未知， 通过上面三个公式可以推导出V_s、V_w和V_a，从而得到：

土壤质量含水率=[(M₂-1000V_a)/(V_s×ρ_s)-1]×100%；

土壤体积密度=V_s×ρ_s/V。

当土壤颗粒的密度为2653kg/m³时，则;

土壤质量含水率=[(M₂-1000V_a)/(V_s×2653)-1]×100%；

土壤体积密度=V_s×2653/V。

（三）有益效果

本发明利用体积置换法对土壤质量含水率和体积密度进行直接测 量，操作简单方便，测量精度高，仪器稳定性好，省时省力且节约能 源，克服长久以来测量土壤含水率的传统烘干称质量法和酒精燃烧法 等存在的费时耗力、浪费资源等问题。

附图说明

图1为本发明体积置换法测土壤质量含水率和体积密度的装置的 示意图；

图2为本发明的预饱和池示意图；

图3为本发明土样的三相分布图。

图中，1：计算机；2：电子秤；3：取样环刀；4：排水支管； 5：滴水管；6：数据线；7：预饱和池。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施 例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

如图1所示，本实施例的控制器为计算机1，所述计算机1中安装 有测量控制软件；取样容器为取样环刀3，其底部设有排水支管4；称 量设备为电子秤2，其通过数据线6与计算机1连接；供水设备为滴水 管5。

如图1和图2所示，本发明实施例的工作过程为：首先，将待测 土壤质量含水率和体积密度的土样放入取样环刀3中，或用取样环刀3 从田间取得原状土样，所述土样的土壤颗粒密度已知，用电子秤2测 量得到土样的初始质量，并传输存储在计算机1中；然后，将取样环 刀3置于预饱和池7中，预饱和池7中注入的水位低于取样环刀3中 待测土样的上表面，取样环刀3底部的排水支管4可以用于与预饱和 池7通水，土样通过土粒间的毛细作用达到饱和状态；预饱和一段时 间后将装有待测土样的取样环刀3取出，擦干取样环刀3外壁，置于 电子秤2上，为避免土样因排水而形成非饱和状态，采用滴水管5对 土样持续供水，使土样保持饱和状态即吸水与排水达到相对平衡，多 余的水会由取样环刀3底部的排水支管4排出，当取样环刀3中的水 与土样的总质量不再变化，即电子秤2示数稳定不变时，停止向土样 中供水，将此时的质量由电子秤2传输到计算机1中；最后，根据土 样的体积、土壤颗粒密度、土样初始质量和饱和时土样的质量，以及 取样环刀3的质量，通过计算机1和计算机中安装的测量控制软件自 动计算并输出土壤质量含水率，同时也可以计算出所述土样的体积密 度值。

如图3所示，土样的三相分布图，本发明中土壤质量含水率的计 算原理为：土壤是土粒、水分和气体组成的三相体系，土的体积和质 量包含着这三相的体积和质量。对于装入一定体积取样环刀3内的土 壤来说，空气所占的质量很小，在测量计算中可以忽略不计，待测湿 润土壤的质量为水的质量与土壤颗粒的质量之和。通过向待测量土壤 补充水分使土壤达到饱和，用一定体积的水置换土壤中充气孔隙的体 积，可以得到非饱和土壤的孔隙体积，即图中的V_a。由总的土样体积 和计算得到的充气空隙体积，可以计算得到土壤颗粒和土壤中所含水 分的体积，即图中的V_s与V_w，土壤总的体积V为水分体积V_w、土壤 颗粒体积V_s和气体体积V_a之和。用一定体积的水置换充气土壤中的充 气孔隙后，进而可以根据水和土壤颗粒的质量密度及初始湿润土样的 质量，测量计算得到土壤质量含水率和体积密度。

土样中土壤颗粒与水的质量分别等于它们各自的体积与密度的乘 积。土壤体积密度大小与土壤的化学与矿物组成有关，一般土壤的颗 粒密度多在2600kg/m³至2800kg/m³范围内，有机质含量高的土壤密度 较低。细粒土（粘性土）一般在2700kg/m³至2750kg/m³，砂土一般在 2650kg/m³左右。计算时通常采用平均密度值2650kg/m³。在本发明中 系统设定常规土壤颗粒的密度为2653kg/m³，水的密度为1000kg/m³。 通过计算机和控制软件控制测量过程，测量一定体积土壤的初始质量 和土样饱和后的质量，并在已知土壤颗粒密度（2653kg/m³）的条件下， 可以自动计算、输出并存取土壤质量含水率以及土壤体积密度值。

本发明土壤质量含水率和体积密度可以根据下面三个公式推算求 出：

V_s×ρ_s+V_w×ρ_w=M₁

V_s×ρ_s+(V_w+V_a)×ρ_w=M₂

V_s+V_w+V_a=V

式中，ρ_w表示水的密度，ρ_s表示土壤颗粒密度，V_a表示土壤中气 体体积，V_w表示土壤中水分体积，V_s表示土壤中土壤颗粒体积，V表 示土壤总体积，M₁表示初始质量，M₂表示饱和后的质量；其中ρ_s、ρ_w和V为已知，M₁和M₂也可以通过称量得到，V_s、V_w和V_a为未知， 通过上面三个公式可以推导出V_s、V_w和V_a，从而得到：

土壤质量含水率=[(M₂-1000V_a)/(V_s×ρ_s)-1]×100%；

土壤体积密度=V_s×ρ_s/V。

当土壤颗粒的密度为2653kg/m³时，则；

土壤质量含水率=[(M₂-1000V_a)/(V_s×2653)-1]×100%；

土壤体积密度=V_s×2653/V。

下面根据具体实验，采用三种土壤材料，分别为采自陕西杨凌黏 黄土、北京粉壤土和江西黏红土（以下分别称为T1、T2、T3），以检 验本装置对不同土壤的测量精准度。

T1、T2、T3分别预制成6种含水率：风干土（含水率2~3%）、5%、 10%、15%、25%、30%体积含水率；3种土壤密度：1.25g/cm³、1.35g/cm³、 1.45g/cm³。三种土壤共制成54份土样。每份土样分别用两种方法测量 土壤质量含水率：一是采用传统的土工测量方法，即烘干称质量法（用 来对比说明使用本发明的装置测量的精准性）；另一种是用本发明的装 置测量。

对于每一种土壤，将不同土壤体积密度下烘干称质量法和用本装 置测量得到的土壤质量含水率用下列公式（1）进行拟合：

y=B×x+A    （1）

式中：y为用本装置测得土壤质量含水率值；x为烘干称质量法测 量值，A和B分别为回归系数和回归常数。

表1.T1在3种土壤密度情况下拟合参数

 土壤密度（g/cm³）   A   B   R² 1.25   0.51794   0.99430   0.9994  1.35   0.24465   1.00937   0.9997  1.45   0.43037   1.00111   0.9997

表2.T2在3种土壤密度情况下拟合参数

 土壤密度（g/cm³）   A   B   R² 1.25   0.14402   1.00843   0.9997  1.35   0.23783   1.00898   0.9999  1.45   0.12348   1.02130   0.9998

表3.T3在3种土壤密度情况下拟合参数

 土壤密度（g/cm³）   A   B   R² 1.25   0.62819   0.99560   0.9974  1.35   0.26524   1.00626   0.9995  1.45   0.10163   1.02393   0.9998

从表1、2、3可以看出，对于每种土壤的不同质量含水率，用本 装置测得的土壤质量含水率与传统烘干称质量法测得的结果具有较好 的一一对应关系，说明用本装置测量的合理性。参数A大于零，说明 用本装置测得的土壤质量含水率大于由传统烘干称质量法测得的结 果，这是因为用传统烘干称质量法测量时，烘干后的土样中仍有1~2% 的水份残留，而这部分误差往往被实验者忽略，导致测量得到的含水 率比真实含水率值偏小。所以，用本装置测量得到的土壤质量含水率 更接近真实值。

对于每一种土壤，每一种土壤密度，用传统烘干称质量法和用本 装置测得的土壤质量含水率进行误差分析比较，比较误差在1%左右， 表明用本装置的测量值具有较高精度，结果如表4。

表4.本发明与传统法测得的含水率误差比较（%）

本装置测量得到的土壤体积密度与试验预制的3种土壤密度进行 比较分析，并按照公式（1）进行拟合，其中y为试验预制三种土壤的 密度，x为本装置测量得到的土壤体积密度，拟合参数如表5，R²为 决定系数，表示拟合优度，其绝对值越接近1，表示相关的拟合方程式 参考价值越高，表5中的决定系数均大于0.99。

表5.预制土壤密度与本装置测量得到的土壤体积密度的拟合参数

  A   B   R²  杨凌黏黄土   8.6341   1.0095   0.998   北京粉壤土   1.5016   1.0164   0.998   江西黏红土   30.1841   0.9958   0.996

表5中的参数B接近1，表明用本装置测量得到的土壤体积密度 与预制土壤密度有较好的一一对应关系；参数A大于0，表明预制土 壤密度大于实测得到的土壤体积密度，这进一步说明烘干称质量法残 存水分的影响。结果表明用本装置测量得到的土壤体积密度值与实际 土壤体积密度值之间的误差小于1%，具有较高的精度，本装置可以应 用于同时测量土壤质量含水率及土壤体积密度。

本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗 漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的 普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明 本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本 发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。