一种利用离心机法测量土壤水分特征曲线的系统及测量方法

摘要

本发明公开了一种利用离心机法测量土壤水分特征曲线的系统及测量方法，所述系统包括离心机、离心管、集水筒、磁致伸缩尺、平衡筒、挡板，其中：离心机用于在设定转速下对土壤样品进行离心排水；离心管用于盛放待测土壤样品；集水筒安装在离心管底部，并用于收集土壤样品排出的水分的闭合中空结构；所述磁致伸缩尺安装在离心管的管盖处，用于测量土壤样品的伸缩量；所述平衡筒用于保证离心机转盘的平衡。本发明根据离心转速、土壤样品压缩量和排水量，即计算出土壤样品的特征曲线，无需每次测量完后倒出水分称重并再次配平衡，极大节省了测量工作量和测量步骤；同时根据土壤样品压缩量计算出容重并对土壤样品的含水量进行修正，因而结果更准确。

说明书

技术领域

本发明涉及一种土壤水分特征曲线的测量系统与测量方法，尤其是一种利用离心机法测量土壤水分特征曲线的系统及测量方法。

背景技术

土壤水分特征曲线一般也叫做土壤水分特征曲线或土壤pF曲线，它表述了土壤水势和土壤水分含量之间的关系。是研究土壤水动力学性质必不可少的重要参数，在生产实践中具有重要意义。

通过实验方法直接测定土壤水分特征曲线的方法称为直接法。直接法中有众多的实验室和田间方法，如张力计法、压力膜法、离心机法、砂芯漏斗法、平衡水汽压法等，而前3种应用最为普遍：

张力计法——是土壤通过陶土杯从张力计中吸收水分造成一定的真空度或吸力，当土壤与外界达到平衡时，测出土壤基质势，再测出陶土杯周围的土壤含水量，不断变更土壤含水量并测相应的吸力，就可完成土壤水分特征曲线的测定。张力计法可用于脱水和吸水2个过程，可测定扰动土和原状土的特征曲线，是用于田间监测土壤水分动态变化重要的手段，在实际工作中得到广泛应用。但张力计仅能测定低吸力范围0～0.08Mpa的特征曲线。

压力膜法——是加压使土壤水分流出，导致土壤基质势降低直到基质势与所加压力平衡为止，测定此时的土壤含水量.通过改变压力逐步获取不同压力下的含水量即可得到水分特征曲线。压力膜法可应用于扰动土和原状土，测定特征曲线的形状与土壤固有的特征曲线相符，可应用于土壤水分动态模拟，但测定周期长，存在着土壤容重变化的问题。

离心机法——测定某吸力下所对应的含水量，原理和实验过程同压力膜法相似，但其压力来源于离心机高速旋转产生的离心力。离心机法可应用于扰动土和原状土，测定周期短。特征曲线的相对形状与土壤固有的特征曲线相符，可用于土壤水分动态模拟。但是离心机仅可测定脱水过程，且在测定过程中土壤容重变化很大，若能对容重的影响进行校正，可望有较高的测定准确度。邵明安(1985)从土壤蒸发试验的预测与实测的含水量的偏离程度初步研究了以上3种方法测 定土壤基质势的差别及准确性，结果表明考虑容重变化的离心机法有较高的准确度。

目前离心机法的测量方法为：用环刀取土壤后，用水浸泡饱和，然后放到离心管里，在不同离心力下测土壤含水率。其缺点在于每个转速转完后要取出离心管称重，倒出离心出的水，再配平衡后放入离心机，因此过程繁琐、复杂；同时离心法测土壤水分特征曲线过程中容重会产生变化，会对土壤水分特征曲线的精度产生较大的影响，因此测量过程中需测定土壤容重变化，从而利用模型对土壤水分特征曲线进行修订。

发明内容

为解决上述现有技术中的问题，本发明提供了一种利用离心机法测量土壤水分特征曲线的系统及测量方法。

本发明采用的技术方案为：一种利用离心机法测量土壤水分特征曲线的系统，包括离心机、离心管、集水筒、磁致伸缩尺、平衡管、挡板，其中：

所述离心机内部具有转轴和转盘，所述离心机外部具有设定和显示离心参数的操作显示屏；

所述离心管设于离心机转盘上，包括管身、管盖和管底，其中所述管身与管底为一体结构，所述管身为圆柱形结构，所述管盖中部设有测量孔，所述管底设有出水孔，所述管身内部靠近管底处设有与管身内径尺寸相匹配的滤板，所述管身和管底设有互相连通的气孔；

所述集水筒套装在离心管底部，所述集水筒包括筒身、设于筒身内部的可拆卸的集水隔板、单向水阀和防水透气阀，所述集水隔板与筒身组合形成闭合的中空结构，所述集水隔板上设有螺纹出水孔，所述单向水阀的进水端通过螺纹连接安装在螺纹出水孔上，所述单向水阀的出水端设于集水隔板与筒身形成的中空结构内，所述集水隔板上设有阶梯型凸起，所述阶梯形凸起处设有螺纹气孔，所述防水透气阀设于集水隔板与筒身形成的中空结构内且通过螺纹连接安装在螺纹气孔上；

所述磁致伸缩尺包括长杆、主体、位置磁铁、显示仪和导线，其中所述长杆通过所述离心管的管盖中部的测量孔伸入离心管内部，所述主体设于离心管的管盖外部，所述位置磁铁套在长杆上并设于离心管内，所述显示仪设于离心机转轴 顶端并通过导线连接主体；

所述挡板为中心设有圆孔的圆形板，所述挡板安装于磁致伸缩尺的长杆上且位于位置磁铁和筒底之间，所述挡板的半径小于离心管的内径；

所述平衡管设于离心机的转盘上，且与离心管相对离心机转轴为中心对称。

基于上述一种利用离心机法测量土壤水分特征曲线的系统的测量方法，其包括以下步骤：

(一)用环刀取需测量的土壤样品，用水浸泡至饱和；

(二)将滤板放入离心管内靠近管底处，将环刀和土壤样一起放入离心管内，装上集水筒、磁致伸缩尺、挡板和管盖并放入离心机转盘上，根据离心管、集水筒、挡板、磁致伸缩尺的长杆、主体、位置磁铁、环刀和土壤样品的总重量配置平衡管并放入离心机的转盘上；

(三)设置离心转速ω₁和测量时间，开启离心机电源开始测量；

(四)待到转速ω₁下测量完成，取出离心管和集水筒，拆下集水筒称重并减去集水筒本身质量即可得出排水量M₁，将离心管正立放置并通过磁致伸缩尺的显示仪读取土壤样品的高度H₁；

(五)将集水筒套装于离心管底部并放回离心机内转盘上，并设定下一次测量的离心机转速ω_m，在每一个转速下均重复步骤(三)、(四)，得出转速ω_m下排水量M_m和高度H_m；

(六)设定最后一个转速ω_n并测量该转速下排水量M_n和高度H_n，取出土壤样品称取湿重，然后将土壤样品烘干称重，即可得出转速ω_n对应的土壤样品的含水量θ_n，然后根据转速ω_n对应排水量M_n和转速ω_n-1对应排水量M_n-1之差即可计算出含水量θ_n-1，同理依次计算出转速ω_n-2对应的含水量θ_n-2直至θ₁，然后根据土壤样品的高度H₁、H₂…H_n计算出相应的土壤样品容重ρ₁、ρ₂…ρ_n，再利用容重对含水量进行修正，最后根据转速ω_m所对应的土水势ψ_m做出“土水势ψ_m-土壤含水量θ_m”的土壤水分特征曲线。

测试过程中，在高速旋转产生的离心力作用下，土壤样品所含水分经过滤板并通过出水孔流出来，再通过集水隔板上的螺纹出水孔和单向水阀进入到集水筒的内部并收集起来，集水筒内的空气可通过防水透气阀和气孔排出到离心管外，并保证了水分不会泄漏出来以致测试结果不准。同时，土壤样品在离心力作用下 会产生压缩，挡板和磁致伸缩尺的位置磁铁随着土壤样品的深度变化一起在长杆上滑动，而挡板则避免了位置磁铁陷入土壤样品中而导致测试结果不准确。

相对现有技术，本发明的有益效果在于：

①本发明采用离心力为土壤样品提供压力，将每个设定转速下土壤样品排出的水分通过出水孔、集水隔板、单向水阀导入集水筒内进行收集，通过称重计算出相应转速下的排水量，无需将每个设定转速下排出的水分倒掉并测量，因此只需一次配平衡，无需每次测量完毕都要倒出水分并再次配平衡，极大缩减了测量步骤；

②本发明采用单向水阀防止水倒流，保证了测量结果的准确性；

③本发明通过在离心管内设置滤板，可有效防止泥土颗粒通过出水孔脱离出来并堵塞集水软管；

④本发明通过磁致伸缩尺可直接读取每个设定转速下的土壤高度，从而计算出每个设定转速下的容重变化，进而根据容重对土壤样品的含水量进行修正，保证了测量结果的准确性，并且步骤简单、操作简单，利于推广实施。

附图说明

图1为本发明所述一种利用离心机法测量土壤水分特征曲线的系统的示意图。

图2为本发明所述离心管、集水筒和磁致伸缩尺的结构示意图。

图中：1-离心机，11-转轴，12-转盘，13-操作显示屏，2-离心管，21-管身，22-管盖，23-管底，24-测量孔，25-出水孔，26-滤板，27-气孔，3-集水筒，31-筒身，32-集水隔板，33-单向水阀，34-防水透气阀，35-螺纹出水孔，36-螺纹气孔，4-磁致伸缩尺，41-长杆，42-主体，43-位置磁铁，44-显示仪，45-导线，5-平衡管，6-挡板，7-环刀，8-土壤样品。

具体实施方式

结合附图及实施例对本发明的技术方案进一步说明。

如图1、图2所示，本发明采用的技术方案为：一种利用离心机法测量土壤水分特征曲线的系统，包括离心机1、离心管2、集水筒3、磁致伸缩尺4、平衡管5、挡板6，其中：

所述离心机1的内部设有转轴11和转盘12，所述离心机1的外部设有设定 并显示离心参数的操作显示屏13；

如图2所示，所述离心管2设于离心机转盘12上，包括管身21、管盖22和管底23，其中所述管身21与管底23为一体结构，所述管身21为圆柱形结构，所述管盖22中部设有测量孔24，所述管底23设有出水孔25，所述管身21内部靠近管底23处设有与管身21内径尺寸相匹配的滤板26，所述管身21和管底23设有互相连通的气孔27；所述集水筒3套装在离心管2的底部，所述集水筒包3括筒身31、设于筒身内部的可拆卸的集水隔板32、单向水阀33和防水透气阀34，其中所述集水隔板32与筒身31组合形成闭合的中空结构；所述集水隔板32上设有螺纹出水孔35，所述单向水阀33的进水端通过螺纹连接安装在螺纹出水孔35上，所述单向水阀33的出水端设于集水隔板32与筒身31形成的中空结构内；所述集水隔板32上设有阶梯型凸起，所述阶梯形凸起处设有螺纹气孔36，所述防水透气阀34设于集水隔板32与筒身31形成的中空结构内且通过螺纹连接安装在螺纹气孔36上；所述磁致伸缩尺4包括长杆41、主体42、位置磁铁43、显示仪44和导线45，其中所述长杆41通过所述离心管2的管盖22中部的测量孔24伸入离心管2内部，所述主体42设于管盖22外部，所述位置磁铁43套在长杆41上并设于离心管2内，所述显示仪44设于离心机转轴11的顶端并通过导线45连接主体42；所述挡板6为中心设有圆孔的圆形板，所述挡板安装于磁致伸缩尺4的长杆上且位于位置磁铁43和筒底23之间，所述挡板6的半径小于离心管2的内径；所述平衡管5设于离心机1的转盘12上，且与离心管2相对离心机转轴12为中心对称。

基于上述一种利用离心机法测量土壤水分特征曲线的系统的测量方法，其包括以下步骤：

(一)用环刀7取需测量的土壤样品8，用水浸泡至饱和；

(二)将滤板26放入离心管2内靠近管底23处，将环刀7和土壤样品8一起放入离心管2内，装上集水筒3、磁致伸缩尺3、挡板6和管盖22并放入离心机1的转盘12上，根据离心管2、集水筒3、挡板6、磁致伸缩尺4的长杆41、主体42、位置磁铁43、环刀7和土壤样品8的总重量配置平衡管5并放入离心机的转盘12上；

(三)设置离心转速ω₁和测量时间，开启离心机电源开始测量；

(四)待到转速ω₁下测量完成，取出离心管2和集水筒3，拆下集水筒3称重并减去集水筒本身质量即可得出排水量M₁，将离心管正立放置并通过磁致伸缩尺4的显示仪44读取土壤样品8的高度H₁；

(五)将集水筒3套装于离心管2底部并放回离心机内转盘12上，并设定下一次测量的离心机转速ω_m，在每一个转速下均重复步骤(三)、(四)，得出转速ω_m下排水量M_m和高度H_m；

(六)设定最后一个转速ω_n并测量该转速下排水量M_n和高度H_n，取出土壤样品8称取湿重，然后将土壤样品8烘干称重，即可得出转速ω_n对应的土壤样品8的含水量θ_n，然后根据转速ω_n对应排水量M_n和转速ω_n-1对应排水量M_n-1之差即可计算出含水量θ_n-1，同理依次计算出转速ω_n-2对应的含水量θ_n-2直至θ₁，然后根据土壤样品8的高度H₁、H₂…H_n计算出相应的土壤样品8容重ρ₁、ρ₂…ρ_n，再利用容重对含水量进行修正，最后根据转速ω_m所对应的土水势ψ_m做出“土水势ψ_m-土壤含水量θ_m”的土壤水分特征曲线。

本发明采用集水筒3对土壤样品8排出的水分进行收集以便于称重、计算排水量，并采用了单向水阀33防止水倒流出来，采用了防水透气阀34使得集水筒3内外气压相通，从而避免了现有技术中每次测量完毕后均要倒出水分称重并重新配平衡的问题，同时通过磁致伸缩尺4可直观测量出土壤样品的高度，极大地节约了测量工作量和步骤，提高了效率，同时根据土壤样品高度变化计算出相应转速下的容重并对含水量进行修正，使得测量出的土壤水分特征曲线更加准确。