浮球杠杆自动控流定水头土壤饱和导水率批量测定仪

摘要

浮球杠杆自动控流定水头土壤饱和导水率批量测定仪，由供水装置、浮球杠杆装置、定水装置和承水装置组成；所述供水装置包括供水箱、供水箱支架和供水箱出水管；所述浮球杠杆装置包括杠杆、浮球、活塞和活塞连接杆；所述定水装置包括定水槽、环刀出露口、橡皮塞、橡胶皮套、环刀和环刀底盖；所述承水装置包括漏斗架，漏斗和锥形瓶。该测定仪不仅能较为高效、精确的测定土壤饱和导水率，而且还能自动加水，保证定水头测定条件。

说明书

技术领域

本发明涉及一种测定土壤饱和导水率的测定仪，尤其是可自动加水、以定水头法、批量 测定土壤饱和导水率的装置。

背景技术

土壤饱和导水率(又叫土壤渗透系数或水力传导系数)，是指土壤被水饱和时，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，是 土壤重要的物理性质之一，反映了土壤的孔隙状况和导水状况，也可反映土壤质地。土壤饱 和导水率可以在较大程度上反映土壤水在田间的运动过程，如水分入渗、再分配过程，浅层 地下水蒸发过程中的饱和水分运动等。土壤饱和导水率的测定可直接应用到农业、园林绿化 等方面，用以指导灌溉用水量、设计排水系统工程、计算土壤剖面中水的通量等。也是水文 模型中的重要参数，它的准确与否严重影响模型的精度。

饱和导水率由于多种空间变量因素(如土壤容重、质地、有机质含量、孔隙分布等)的 影响，其空间变异强烈。测定土壤饱和导水率的方法主要有：公式法，田间测定，室内测定。 其中，公式法由于不同土壤质地、容重的换算系数差异较大，不能较好的和实际情况吻合。 田间测定由于野外测定条件的限制，测定精度难以保证，且测定方法较为繁琐。因此，室内 测定是较好的选择。

目前，公知的土壤饱和导水率的装置主要有定水头法和变水头法，其中定水头法能够较 好的反映土壤实际导水率(霍丽娟等，定水头法和降水头法测定黄土的饱和导水率，2010)。

现有的测定土壤饱和导水率的方法和仪器都是针对单一样品，每次只能测定一个样品， 测定效率低；且难以保证不同测定批次的系统误差一致，增大了测定误差，降低了数据准确 性。这限制了土壤饱和导水率作为一项重要土壤物理系数在大规模采样测定比较或不同改良 配方下效果比较等试验类型中的应用。

按照目前的方法，想同时测定多个样品，只能同时配备多套设备，这将成倍增加实验成 本。

发明内容

解决的技术问题：为了克服现有的土壤饱和导水率测定中存在的测定效率低，单位样品 测定成本高，样品数据间误差大等问题，本发明提供一种浮球杠杆自动控流定水头土壤饱和 导水率批量测定仪，该测定仪不仅能较为高效、精确的测定土壤饱和导水率，而且还能自动 加水，保证定水头测定条件。

技术方案：浮球杠杆自动控流定水头土壤饱和导水率批量测定仪，由供水装置、浮球杠 杆装置、定水装置和承水装置组成；所述供水装置包括供水箱、供水箱支架和供水箱出水管， 所述供水箱顶部设有具塞进水口和具塞排气口，供水箱出水管设于供水箱下部，供水箱体上 与供水箱出水管同水平高度处设有进气口，进气口上设有进气导管，供水箱出水管和进气口 内均设有阀门，供水箱出水管的末端为截面为上窄下宽的楔形开口；所述浮球杠杆装置包括 杠杆、浮球、活塞和活塞连接杆，所述杠杆上具有第一支点，第二支点，均为可旋转支点， 第一支点位于杠杆临近供水箱的一端，第二支点在杠杆中部，所述浮球设于杠杆另一端，活 塞连接杆的一端与第二支点相连，活塞设于活塞连接杆的另一端且设于供水箱出水管内，活 塞连接杆在与杠杆相交所处平面内灵活转动；所述定水装置包括定水槽、环刀出露口、橡皮 塞、橡胶皮套、环刀和环刀底盖，定水槽内设有至少一个环刀出露口，每个环刀出露口内均 设有一个橡胶皮套，所述橡皮塞或环刀设于橡胶皮套内，所述橡皮塞用于密封不使用的环刀 出露口，所述环刀底盖设于环刀下端；所述承水装置包括漏斗架，漏斗和锥形瓶，漏斗架上 设有一组上大下小的漏斗孔，漏斗设于漏斗孔内，环刀底盖与漏斗内壁贴合，锥形瓶设于漏 斗下方。

所述供水箱上部设有进水口和排气口，所述进水口上设有进水口旋盖，所述排气口上设 有排气口旋盖。

所述活塞为橡胶制圆柱体，其底面直径与供水箱出水管出水末端内径相同，外表面涂有 润滑液。

所述杠杆上第一支点位于供水箱支架上，所连接的杠杆可以以其为支点灵活上下转动。

所述浮球的大小，以其在定水槽中漂浮时的浮力能够支撑上方活塞连接杆、活塞的重量 和供水箱出水管处的水压确定。

与所述环刀出露口内橡胶皮套配合的橡皮塞为圆台形，下部小于环刀出露口直径，上部 大于环刀出露口直径。

所述定水槽高度根据常测土壤的平均饱和导水率确定：常测定土壤类型为沙土时，其高 度为环刀高度的50～100％；常测定土壤类型为壤土时，其高度为环刀高度的100～200％；常 测定土壤类型为粘土是，其高度为不低于环刀高度的200％。

所述橡胶皮套固定在定水槽底面下部，与环刀出露口连接，连接固定处一周紧密不透水； 且其内径小于环刀外径，将环刀从该橡胶皮套内放入后，使橡胶皮套和环刀之间密封；所述 橡胶皮套的高度，在环刀装入后，占环刀高度的三分之一。

所述漏斗架两端设有卡槽，定水槽两端设有支撑板，所述支撑板与卡槽可拆卸连接。

所述漏斗架上具漏斗孔，漏斗孔为倒圆台形，孔的直径为从上到下由大渐小，其内表面 与漏斗外壁贴合。

有益效果：

1、目前的土壤饱和导水率测定装置每次只能测定一个土壤样品的饱和导水率，本发明可 批量测定土壤饱和导水率，极大的提高了土壤饱和导水率的测定效率。

2、目前的土壤饱和导水率测定装置未见有能够精确提供自动加水功能，部分具有自动加 水功能的装置在精确控制方面精度较差。本发明通过浮球杠杆装置进行自动加水功能，控制 土壤饱和导水率测定在定水头下进行，灵敏度较高，且能保证加水连续、自动，减少了实验 中人力的使用以及人为误差，提高了测定准确度。

3、与目前测定土壤饱和导水率的复杂设备相比，本发明结构较为简单，全部通过机械连 接完成，因而成本较低，易于制作。

4、与环刀法测定土壤饱和导水率相比，本发明以定水槽代替环刀法中的上方空环刀，定 水槽的高度可以根据土壤类型进行定制，提高了测定时的灵活性。尤其是当测定土样为粘土 时，由于粘土饱和导水率较低，以环刀法水头为环刀高度的情况下，渗透作用非常缓慢，甚 至不能渗水，导致测定效率低，周期长，甚至无法测定。针对性，该情况下应用本发明，提 高定水槽的高度，增大水头，提高水压，能够缩短实验周期，提高测定效率。

5、供水箱出水管下缘具楔形开口，既能保持活塞在出水管内有所依靠，一维上下活动， 又能根据液面下降程度调节出水速度。液面降低越多，出水速度越快。

6、实验过程中，在浮球杠杆装置的活塞上涂抹润滑液，可提高浮球杠杆装置对定水槽内 液面响应的灵敏性。

7、采用橡胶皮套固定环刀，由于橡胶皮套具有收缩性，实验全程都紧紧束缚住环刀，避 免漏水，提高了实验精度。安装拆卸都较为方便，实验效率更高，较传统的胶带固定、止水 带固定等具有较大优势。

8、定水槽下面有一排环刀出露口，可配合橡皮塞控制测定样品的数量。配合的橡皮塞为 圆台形，下部小于环刀出露口，上部大于环刀出露口，根据土样数量控制环刀出露口的数量。 需要用的环刀出露口处的橡皮塞取出，不需要用的环刀出露口处的橡皮塞塞入，塞入后不漏 水。采用橡皮塞与环刀出露口的组合设计，可通过增减橡皮塞数量，实现不同数量土样测定 时的灵活调整，提高自动加水定水头土壤饱和导水率批量测定仪测定样品的灵活性。

9、漏斗架上具漏斗孔，孔的直径为从上到下由大渐小，其斜面与漏斗吻合，避免漏斗晃 动。

10、漏斗架的高度为放好漏斗和锥形瓶后，漏斗颈下端正好在锥形瓶瓶口上方，可以保 证漏斗与锥形瓶较好对应，避免液体溅出，也能保证操作时的便捷性。

11、漏斗架两端对应于定水槽两端支撑板处，具卡槽，可将支撑板卡在其中，保证测定 过程中定水装置和承水装置的相对稳定。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1是本发明纵剖面构造图；

图2是供水箱出水管与浮球杠杆装置示意图；

图3是本发明实施例1的结构示意图。

图中：1.供水箱，2.进水口，3.进水口旋盖，4.排气口，5.排气口旋盖，6.进气口，7.进气 口阀门，8.进气导管，9.供水箱出水管，10.供水箱支架，11.第一支点，12.第二支点，13.活塞 连接杆，14.活塞，15.杠杆，16.浮球，17.定水槽，18.橡皮塞，19.环刀出露口，20.橡胶皮套， 21.环刀，22.环刀底盖，23.漏斗，24.漏斗架，25.锥形瓶，26.出水管阀门。

具体实施方式

以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明 精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。 若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。

实施例1

对照图1与图2，自动加水定水头土壤饱和导水率批量测定仪，由供水装置、浮球杠杆 装置、定水装置、承水装置等四部分依次连接构成。其中供水装置包括供水箱1、进水口2、 进水口旋盖3、排气口4、排气口旋盖5、进气口6、进气口阀门7以及进气导管8、供水箱 出水管9、出水管阀门26、供水箱支架10等部分。浮球杠杆装置包括杠杆15，第一支点11， 第二支点12，浮球16，活塞14，活塞连接杆13等部分。定水装置由定水槽17、环刀出露口 19、橡皮塞18、橡胶皮套20、环刀21、环刀底盖22等部分构成。承水装置由漏斗架24，漏 斗23，锥形瓶25等构成。

所述供水箱1内装有为定水装置提供的水，其尺寸根据实际需要制作，以可以满足单次 实验定水装置需水量为准。所述供水箱1按照马氏瓶原理设计，具有进水口2、进水口旋盖3、 排气口4、排气口旋盖5、进气口6、进气口阀门7以及进气导管8和供水箱出水管9、出水 管阀门26。其中，所述进气口6与所述供水箱出水管9上端口在同一水平线。

所述供水箱支架10为四脚平台，长宽与供水箱1长宽一致，高度可保证供水箱出水管9 在定水槽17液面以上，但出水口离定水槽17上缘距离小于活塞连接杆13与活塞14长度之 和。所述供水箱支架10在供水箱出水管9一面具有一竖向平面，可固定杠杆第一支点11。 通过调节供水箱支架10可调节供水箱1的高度。

所述供水箱出水管9为一直角弯管，弯管处弧形连接，其水平段具控流阀门，即出水管 阀门26。供水箱出水管9内径均匀一致，内壁光滑。所述供水箱出水管9的末端为截面为上 窄下宽的楔形开口。供水箱出水管9管口楔形开口顶端与供水箱出水管9上端口的垂直距离 的确定，以能够保持该处水压与活塞14所受浮球浮力相平衡来确定。供水箱出水管9管口位 于定水槽17上方，出水时只流入定水槽17内。

所述第一支点11位于供水箱支架10的合适位置，可使所连接的杠杆15以其为支点灵活 上下活动。

所述第二支点12位于杠杆15中部，连接杠杆15和活塞连接杆13，活塞连接杆13可以 相对于杠杆15在其二者所处平面内灵活转动。

所述活塞14固定于活塞连接杆13的末端，位于供水箱出水管9末端内部，为橡胶制圆 柱，其底面直径与供水箱出水管9内径相同，涂抹润滑液后能在供水箱出水管9内灵活上下 往复运动。

所述浮球16的大小，以其在定水槽17中漂浮时的浮力能够支撑上方活塞连接杆13、活 塞14的重量和供水箱出水管9处的水压。

所述定水槽17为敞口长方体水槽，底部具一排环刀出露口19。其高度根据常测土壤的 平均饱和导水率或直接根据土壤质地确定。一般地，常测定土壤类型为沙土时，其高度为环 刀21高度的50～100％，常测定土壤类型为壤土时，其高度为环刀21高度的100～200％，长 测定土壤类型为粘土是，其高度为环刀21高度的200％以上。

所述环刀出露口19和橡皮塞18、橡胶皮套20都为相同规格的多个，且三者一一对应。

所述橡皮塞18为圆台形，下部小于环刀出露口19，上部大于环刀出露口19。可以根据 土样数量控制环刀出露口19的数量。需要用的环刀出露口19处的橡皮塞18取出，不需要用 的环刀出露口19处的橡皮塞18塞入，塞入后不漏水。

所述橡胶皮套20固定在定水槽17底面下部，与环刀出露口19连接，连接固定处一周紧 密不透水；其内径比标准环刀21外径略小，将环刀21从该橡胶皮套20内放入后，可保证橡 胶皮套20和环刀21紧紧贴合，不会漏水。所述橡胶皮套20的长度，在环刀21装入后，占 环刀21高度的三分之一。

所述定水槽17两端下部具支撑板，其高度可保持环刀21上端与定水槽17底面平行，环 刀21下端扣好环刀底盖22后，环刀底盖22正好与漏斗23内壁吻合。

所述漏斗架24上具漏斗孔，漏斗孔为倒圆台形，孔的直径为从上到下由大渐小，其斜面 与漏斗23外壁吻合，避免漏斗23晃动。所述漏斗架24的漏斗孔、漏斗23、锥形瓶25与环 刀出露口19均一一对应。所述漏斗架24两端对应于定水槽17两端支撑板处，具卡槽，可将 支撑板卡在其中，保证实验过程中定水装置和承水装置的相对稳定。所述漏斗架24高度为放 好漏斗23和锥形瓶25后，漏斗颈下端正好在锥形瓶25瓶口上方。

原理说明：

供水箱出水口恒压的实现

所述供水箱1采用马氏瓶原理保持供水箱出水管9末端恒压。

所述供水箱1顶部有具旋盖进水口2和排气口4，下部同水平高度有具阀门供水箱出水 管9和进气口6，进气口6上连有进气导管8，其上端开口固定在供水箱1顶部。

先关闭供水箱出水管阀门26和进气口阀门7，打开进水口旋盖3和排气口旋盖5，通过 进水口2向供水箱1中加水，加水量以能够完成单次测定需水为准。供水箱1的高度通过供 水箱支架10调节。供水箱出水管9管口楔形开口顶端与供水箱出水管9上端口的垂直距离的 确定，以能够保持该处水压与活塞14所受浮球16浮力相平衡来确定。

供水箱1中加入足量水后，关闭进水口旋盖3和排气口旋盖5。打开出水管阀门26和进 气口阀门7，供水箱1开始供水。

随着供水箱1内水面的下降，水面上方的大气压将小于1atm(atm为标准大气压单位， 1atm＝1.01325*10⁵pa)，当水面上方气压与进气口上方水柱水压之和等于外界大气压时，进气 口6处内外压强达到平衡，都是1atm。在此期间供水箱1供水速率不是恒定的，而是逐渐减 小的，供水箱出水管9管口处的压强也不是恒定的。

当水面继续下降时，外部大气压将气体从进气导管8压入供水箱1内。供水箱1内液体 的空气接触点为进气口6，这样供水箱1水体的静水压等于进气口6下端的液面高出供水箱 出水管9末端水面的高度内的水压，使得在进气口6处的压强保持一致，相应的，供水箱出 水管9管口楔形开口顶端处的压力也是恒定的。

在供水箱1内的水面高于供水箱出水管9上端开口时，供水箱出水管9管口楔形开口顶 端的压力一直都是恒定的。

浮球杠杆控流定水的实现

供水箱出水管9上具楔形开口，浮球杠杆装置的活塞14位于供水箱出水管9内，与管壁 紧密贴合，可自由活动。

在装置达到平衡时，活塞14上缘恰好位于供水箱出水管9楔形开口顶端，堵住供水箱出 水管，没有水流出。随着定水槽17内液面下降，浮球16带动杠杆15也随之下降，因而牵动 第二支点12、活塞连接杆13、活塞14向下运动，楔形开口出露，供水箱出水管9出水。

当定水槽17内液面下降幅度较大时，楔形开口出露幅度较大，出露口面积较大，因而供 水箱出水管9水流量较大，能够较快速的补充定水槽17内的水量，反之则流量较小。能够较 好的维持定水槽17内的水头恒定。

批量测定实现

所述定水槽17下面有一排环刀出露口19，可配合橡皮塞18控制测定样品的数量。所述 橡皮塞18为圆台形，下部小于环刀出露口，上部大于环刀出露口，根据土样数量控制环刀出 露口19的数量。需要用的环刀出露口19处的橡皮塞18取出，不需要用的环刀出露口19处 的橡皮塞18塞入，塞入后不漏水。

采用橡皮塞18与环刀出露口19的组合设计，可通过增减橡皮塞18数量，实现不同数量 土样测定时的灵活调整，提高浮球杠杆控流定水头土壤饱和导水率批量测定仪测定样品的灵 活性。

操作步骤：

①在野外选取有代表性的采样点，挖好土壤剖面到目标深度，找平上表面，将环刀摆正， 环刀刃在下，利用环刀手柄和工具锤将环刀垂直打入土壤中，用工具铲将环刀和其中的原状 土完整取出，避免晃动和振荡。用利刃将环刀上下面露出的土体削平，以保鲜膜包裹。盖好 环刀上下盖，下盖内放置提前剪好的滤纸。

②将野外采好的装有原状土的环刀带回室内，运输过程中仍然避免晃动和振荡。去除环 刀上下盖，去掉保鲜膜，再次修整环刀上下面的土体，保证土体表面平整，同时也要将土面 拉毛。盖上环刀下盖。

③将环刀连同内部的原状土和环刀下盖置于水盆内，加水至水面离环刀上表面1mm处。 砂质土浸泡8小时，壤质土浸泡12小时，粘质土浸泡24小时或更长时间，最后环刀内土体 上表面明显湿润饱和。

④将自动加水定水头土壤饱和导水率批量测定仪安装完成，进行实验前准备。

⑤将饱和后的环刀21从定水槽17的环刀出露口19往下放，束缚在橡胶皮套20中，使 环刀上缘与环刀出露口平齐。每个环刀21对应一个环刀出露口19，环刀不足时，用橡皮塞 18塞住环刀出露口19。

⑥向定水槽17中加水，加至实验需水量的三分之二处。向供水箱1内注水，供水箱出水 管9处将继续出水，直到水面高度使浮球杠杆装置将供水箱出水管9关闭。在供水箱1内继 续加入足量的水，加水量以能够完成单次测定需水为准，拧紧进水口旋盖3和排气口旋盖5， 将进气导管8上端固定在高于供水箱1顶部的位置，打开出水管阀门26和进气口阀门7，供 水箱1开始供水。记录定水槽17内的水层厚度，h。

⑦当漏斗23流出液流速稳定后一般土壤约为1小时，开始测定。记录每次渗透所间隔的 时间t_n，以及该时间间隔内锥形瓶25收集的渗出水量Q_n，以量筒测量。记录测定时的水温， t。

⑧进行结果计算。

⑨至少重复测定4次，取其算术平均值，取两位小数。

⑩将环刀拆卸出，整理、清洗实验仪器。

结果计算：

根据F-HZ-DZ-TR-0021标准，饱和导水率(渗透系数)按下式计算：

$K_t=\frac{10\times Q_n\times L}{t_n\times S\times (h+L)}=V\times \frac{L}{h+L}.$

式中：

K_t——温度为t(℃)时的饱和导水率(渗透系数)，mm/min；

Q_n——n次渗出水量，mL，即cm³；

t_n——每次渗透所间隔时间，min；

S——环刀的横截面积，cm²；(标准环刀为20cm²)

h——水层厚度，cm；

L——土层厚度，cm；(标准环刀为5cm)

V——渗透速度，mm/min。

为了便于比较不同温度下的饱和导水率，应按照下式统一换算成10℃时的饱和导水率(渗 透系数)：

$K_{10}=\frac{K_t}{0.7+0.03t}$

式中：

K₁₀——温度为10℃时的饱和导水率(渗透系数)，mm/min；

K_t——温度为t(℃)时的饱和导水率(渗透系数)，mm/min；

t——测定时水的温度，℃。

表1 本发明与现有装置应用情况对比分析

实施例2

浮球杠杆自动控流定水头土壤饱和导水率批量测定仪，由供水装置、浮球杠杆装置、定 水装置和承水装置组成；所述供水装置包括供水箱1、供水箱支架10和供水箱出水管9，所 述供水箱1顶部设有具塞进水口2和具塞排气口4，供水箱出水管9设于供水箱1下部，供 水箱体上与供水箱出水管同水平高度处设有进气口6，进气口6上设有进气导管8，供水箱出 水管9和进气口6内均设有阀门，供水箱出水管9的末端为截面为上窄下宽的楔形开口；所 述浮球杠杆装置包括杠杆15、浮球16、活塞14和活塞连接杆13，所述杠杆15上具有第一 支点11，第二支点12，均为可旋转支点，第一支点11位于杠杆15临近供水箱的一端，第二 支点在杠杆15中部，所述浮球16设于杠杆15另一端，活塞连接杆13的一端与第二支点12 相连，活塞14设于活塞连接杆13的另一端且设于供水箱出水管9内，活塞连接杆在与杠杆 相交所处平面内灵活转动；所述定水装置包括定水槽17、环刀出露口19、橡皮塞18、橡胶 皮套20、环刀21和环刀底盖22，定水槽17内设有至少一个环刀出露口19，每个环刀出露 口19内均设有一个橡胶皮套20，所述橡皮塞18或环刀21设于橡胶皮套20内，所述橡皮塞 18用于密封不使用的环刀出露口19，所述环刀底盖22设于环刀21下端；所述承水装置包括 漏斗架24，漏斗23和锥形瓶25，漏斗架上设有一组上大下小的漏斗孔，漏斗23设于漏斗孔 内，环刀底盖22与漏斗内壁贴合，锥形瓶25设于漏斗23下方。所述供水箱1上部设有进水 口2和排气口4，所述进水口上设有进水口旋盖3，所述排气口4上设有排气口旋盖5。所述 活塞为橡胶制圆柱体，其底面直径与供水箱出水管出水末端内径相同，外表面涂有润滑液。 所述杠杆上第一支点位于供水箱支架10上，所连接的杠杆可以以其为支点灵活上下转动。所 述浮球的大小，以其在定水槽中漂浮时的浮力能够支撑上方活塞连接杆、活塞的重量和供水 箱出水管处的水压确定。与所述环刀出露口内橡胶皮套配合的橡皮塞为圆台形，下部小于环 刀出露口直径，上部大于环刀出露口直径。所述定水槽高度根据常测土壤的平均饱和导水率 确定：常测定土壤类型为沙土时，其高度为环刀高度的50～100％；常测定土壤类型为壤土时， 其高度为环刀高度的100～200％；常测定土壤类型为粘土是，其高度为不低于环刀高度的200％。 所述橡胶皮套20固定在定水槽底面下部，与环刀出露口连接，连接固定处一周紧密不透水； 且其内径小于环刀外径，将环刀从该橡胶皮套内放入后，使橡胶皮套和环刀之间密封；所述 橡胶皮套的高度，在环刀装入后，占环刀高度的三分之一。所述漏斗架两端设有卡槽，定水 槽两端设有支撑板，所述支撑板与卡槽可拆卸连接。所述漏斗架上具漏斗孔，漏斗孔为倒圆 台形，孔的直径为从上到下由大渐小，其内表面与漏斗外壁贴合。