一种毛细管水上升高度测量系统及方法

摘要

本申请实施例提供了一种毛细管水上升高度测量系统及方法，涉及农业水利工程领域，该测量系统包括：马氏瓶，用于根据预设的水头向土柱供水；四通管，位于土柱的下方，其中：四通管的管口一与土柱底部的透水孔连通，管口二与马氏瓶上的出水口阀门通过导水管连通，管口三与测压管的下端连通，四通管的管口四与差压计通过软管连接；管口二处设置有第一阀门，测压管的上端为自由端且与大气相通，土柱和测压管均沿竖直方向设置且相互平行；导水管上设置有第一阀门，第一阀门与管口二之间的导水管上还连接有排水管，排水管上设置有第二阀门。相比于传统测量方式，本系统的测量精度高了一个数量级，具有测量精准、自动化、操作简易等优点。

说明书

技术领域

本申请涉及农业水利工程领域，具体涉及一种毛细管水上升高度测量系统及方法。

背景技术

当土壤含水量逐渐增大，超过最大分子持水量的那部分水，在毛细管力的作用下，保持在土壤的毛细管孔隙中，不受重力作用的支配，这种靠毛细管力保持在土壤毛细管孔隙中的水就称为毛细管水。

土壤中毛细管水的存在形式和上升高度对水文、地质、环境和农业水利工程建设有着深刻的影响。地下水位过高将导致建筑物地基受浸润，强度降低，土质软化，地基承载力下降，土坡失稳等灾害。尤其在农业生产中，毛细管水影响着作物的生长和产量。土壤底层或地下水的盐分随毛管水上升到地表，水分蒸发后，使盐分在表层土壤累积造成土地盐碱化。土壤盐渍化主要是由于地下水位过高，水分随毛管水上升到地表，当积水的时间和深度超过了作物可耐受的盐水深将导致作物减产甚至绝收。控制毛细管水上升高度是土壤盐渍化改良的一个主要措施，为减轻土壤渍化的危害，需将地下水控制在合理的范围内。而对于农作物浸没问题，多以“毛细管水上升高度加安全超高值”来确定地下水临界埋深，为此，寻找一种有效测量毛细管水上升高度的方法成为解决土壤盐渍化问题的一种途径。

发明内容

本申请实施例提供一种毛细管水上升高度测量系统及方法，在能克服上述技术问题的基础上，还可进行自动化连续测量，具有操作简单、测量精度高(精度提升至0.1mm)的优点。

为了解决上述问题，本申请实施例公开了一种毛细管水上升高度测量系统，包括：

马氏瓶、土柱、四通管、测压管以及差压计；

所述马氏瓶用于根据预设的水头向所述土柱供水；

所述四通管位于所述土柱的下方，其中：

所述四通管的管口一与所述土柱底部的透水孔连通；

所述四通管的管口二与所述马氏瓶上的出水口阀门通过导水管连通；

所述四通管的管口三与所述测压管的下端连通，所述测压管的上端为自由端且与大气相通，其中，所述土柱和所述测压管均沿竖直方向设置且相互平行；

所述四通管的管口四与所述差压计通过软管连接；

其中，所述导水管上设置有第一阀门，所述第一阀门与所述管口二之间的所述导水管上还连接有排水管，所述排水管上设置有第二阀门。

在本申请一实施例中，还包括：

无纸记录仪，与所述差压计连接，用于记录与其连接的所述差压计传输的数据。

在本申请一实施例中，还包括：

实时数据显示器，与所述无纸记录仪连接，用于显示所述无纸记录仪传输的数据。

在本申请一实施例中，还包括：

固定件，所述固定件设置于所述土柱和所述测压管之间，用于保持所述土柱和所述测压管平行。

在本申请一实施例中，还包括土柱支架、土柱支撑槽，其中：

所述土柱支撑槽与所述土柱支架在竖直方向上可调节连接，所述土柱支撑槽用于放置所述土柱。

在本申请一实施例中，所述土柱支撑槽包括相互连接的套筒、承重平板，所述土柱支架包括竖杆；其中：

所述套筒套在所述土柱支架的竖杆上，所述套筒内开有螺纹孔，所述螺纹孔上设置有制动螺栓；

所述承重平板通过连接件与所述套筒的外侧壁固定，所述连接件上设置有半封闭的卡环，所述卡环的内径与所述土柱的外径相互匹配；

所述承重平板的板面用于放置所述土柱。

在本申请一实施例中，还包括马氏瓶支架、马氏瓶卡槽，其中：

所述马氏瓶卡槽与所述马氏瓶支架在竖直方向上可调节连接，所述马氏瓶卡槽用于放置所述马氏瓶。

在本申请一实施例中，所述马氏瓶包括：

马氏瓶本体，设置有瓶口；

弹性密封塞，安装于所述瓶口中且对所述瓶口具有径向压力；

进气细管，上端为进气口，下端为出气口且贯穿所述弹性密封塞的端面置于所述马氏瓶本体内，所述进气口与所述马氏瓶本体内腔相通。

在本申请一实施例中，所述测压管和所述土柱的管壁上均设置有刻度线；

当所述土柱和所述测压管平行时，所述测压管的零刻度线与所述土柱内土样的表面齐平。

为了解决上述问题，本申请实施例还公开了一种毛细管水上升高度测量方法，所述方法应用于本申请实施例所述的系统，所述方法包括：

取试验土样装入土柱内，分层夯实；

打开出水口阀门和第一阀门，并保持第二阀门关闭，马氏瓶内的水进入所述土柱和测压管，待所述土柱内的水上升至试验土样表面时关闭第一阀门，记录此时差压计所显示的第一数据；

打开第二阀门，当所述测压管中的水位不再下降时，记录此时差压计所显示的第二数据；

根据所述土柱中试验土壤的实际厚度、所述第一数据以及所述第二数据，计算得到所述土柱内的毛细管水上升高度。

本申请实施例包括以下优点：

由于土壤中发生毛细观象时，弯液面产生负压力使毛管中静水压力小于大气压力，其差值等于土壤毛细管水上升水柱高度乘以水的容重，利用连通管测定的毛细管水上升高度的负压水柱与测压管下降水柱高度的等压面。因此，本申请实施例采用四通管将马氏瓶、土柱、测压管以及差压计联通，能实现对土柱中毛细管水上升高度的自动测量，通过差压计可分别测得土柱里的土壤水饱和时测压管的水柱高度，以及土柱中的自由水在下降一定程度后不再下渗即测压管中的液面稳定时的水柱高度，差压计前后两次数据之差即为测压管下降的水柱高度，将此差值减去土柱高度即为土壤毛细管水上升高度。本申请实施例的测量精度可达0.1毫米水柱(mmH

本申请实施例采用无纸记录仪连接差压计，采用实时数据显示器连接无纸记录仪，能把测压管内的压力变化数据在实时数据显示器上实时显示，便于试验人员随时了解毛细管水上升高度测量数据变化情况。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请一实施例毛细管水上升高度测量系统的结构示意图；

图2是本申请一实施例马氏瓶安装在支架上的结构示意图；

图3是本申请一实施例四通管的结构示意图；

图4是本申请一实施例土柱的结构示意图；

图5是本申请一实施例测压管的结构示意图；

图6(a)是本申请一实施例测压管与土柱连接的平面结构示意图；

图6(b)是本申请一实施例测压管与土柱连接的立体结构示意图；

图7是本申请一实施例差压计的结构示意图；

图8是本申请一实施例无纸记录仪的结构示意图；

图9是本申请一实施例毛细管水上升高度测量方法的步骤流程图。

附图标记说明：

1-马氏瓶；2-土柱；3-四通管；4-测压管；5-差压计；6-出水口阀门；7-第一阀门；8-第二阀门；9-无纸记录仪；10-实时数据显示器；11-固定件；12-土柱支架；13-土柱支撑槽；14-卡环；15-马氏瓶支架；16-马氏瓶卡槽；17-蓄水桶；18-排水管；19-导水管；20-软管；21-透水孔。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

已有技术中，测量毛细管水上升高度室内试验方法主要有直接观测法和卡明斯基毛细仪法。直接观测法直观，适用各种土壤，但耗时较长，费用高，且由于观测视角的不同其测量结果也不同(俯视观测数据偏小，仰视观测数据偏大)，容易存在误差。而传统卡明斯基毛细仪法虽然比直接观测法简便，且费用低，但不能自动测量，且精度较差，其精度都在5mm以上。

为此，参照图1，本申请实施例新提出了一种毛细管水上升高度测量系统，该测量系统可以包括：

马氏瓶1、土柱2、四通管3、测压管4以及差压计5；

马氏瓶1用于根据预设的水头向土柱2供水；

四通管3位于土柱2的下方，其中：

四通管3的管口一与土柱2底部的透水孔21连通；

四通管3的管口二与马氏瓶1上的出水口阀门6通过导水管19连通；

四通管3的管口三与测压管4的下端连通，测压管4的上端为自由端且与大气相通，其中，土柱2和测压管4均沿竖直方向设置且相互平行；

四通管3的管口四与差压计5通过软管20连接；

其中，导水管19上设置有第一阀门7，第一阀门7与管口二之间的导水管19上还连接有排水管18，排水管18上设置有第二阀门8。

在本申请实施例中，其中，马氏瓶1是一种基于连通器原理，使得容器内外压强一致，从而实现马氏瓶1内水头恒定及自动补水的装置。具体而言，该马氏瓶1可包括：马氏瓶本体(图未标记)，设置有瓶口；弹性密封塞(图未标记)，安装于所述瓶口中且对所述瓶口具有径向压力；进气细管(图未标记)，上端为进气口，下端为出气口且贯穿所述弹性密封塞的端面置于所述马氏瓶本体内，所述进气口与所述马氏瓶本体内腔相通。在本申请实施例中，通过上下拉动进气细管，即可调节出气口的高度，通过出气口高度的位置变化即可实现水分入渗水头的调节，使得马氏瓶1可以按照预设的水头向土柱2供水，以使用户在该水头下完成毛细管水上升高度测量试验。关于如何调整马氏瓶1与土柱2之间的水分入渗水头，可参照已有技术，在此不多赘述。

在本申请实施例中，还包括马氏瓶支架15、马氏瓶卡槽16，其中：马氏瓶卡槽16与马氏瓶支架15在竖直方向上可调节连接，马氏瓶卡槽16用于放置马氏瓶1。参照图1和图2，马氏瓶卡槽16通过套筒套接在马氏瓶支架15的竖杆上，马氏瓶支架15的竖杆壁上开设有多个螺孔，多个螺孔沿轴向按一定间距设置，套筒与马氏瓶支架15的竖杆通过制动螺栓连接，即通过将制动螺栓穿过套筒旋扭进螺孔内可达到制动目的，通过此措施可以实现水头的进一步调节，达到恒压供水的目的。

四通管3，其结构示意图可参照图3，即四通管3的管口一、管口二、管口四位于同一平面，管口三与管口一、管口二、管口四均垂直且相通。需要说明的是，在本申请实施例中，管口一、管口二、管口三以及管口四仅是对四通管3的四个管口进行区分，不具有限定作用。四通管3可选用透明塑料管，以便观察四通管3内的情况，了解其是否有被土壤堵住或有气泡段等。

参照图4，土柱2，可选采用有机玻璃土柱2，可便于观察土柱2内毛细管水上升现象。按照预设的试验方案，土柱2底部装有等尺寸的透水石，为了防止小颗粒土壤随着排水堵塞透水石，透水石上覆盖一张滤纸，然后根据试验方案要求，分层填装有试验土壤。土柱2底部开设有透水孔21，该透水孔21也称进/排水孔，该透水孔21具有进水和排水功能，当要使土壤饱和的时候，土柱下端的孔则起到进水的功能，反之实现排水功能。参照图1，透水孔21通过导水管19与四通管3的管口一连通，四通管3的管口二通过导水管19与马氏瓶1上的出水口阀门6通过导水管19连通，其中，其中，导水管19上设置有第一阀门7，当同时开启出水口阀门6和第一阀门7时，可实现马氏瓶1与土柱2的连通，马氏瓶1可以根据当前出气口高度所确定的水头向土柱2供水。在马氏瓶1的供水下，土柱2内的水从下往上渗透，直至将土柱2内的试验土壤上表面浸没，使得土柱2内的试验土壤处于饱和状态。第一阀门7与管口二之间的导水管19上还连接有排水管18，排水管18与导水管19呈水平设置的部分垂直，排水管18上设置有第二阀门8，排水管18底端口为排水孔，通过开启第二阀门8，土柱2内的自由水受重力作用从排水孔排出。在排水管18的下方还可设置蓄水桶17，蓄水桶17用于盛装从排水管18流出的水。

在本申请一实施例中，还包括土柱支架12、土柱支撑槽13，其中：土柱支撑槽13与土柱支架12在竖直方向上可调节连接，土柱支撑槽13用于放置所述土柱2。具体而言，土柱支撑槽13包括相互连接的套筒、承重平板，土柱支架12包括竖杆；其中：套筒套在土柱支架12的竖杆上，套筒内开有螺纹孔，螺纹孔上设置有制动螺栓；承重平板的一侧端面通过连接件与所述套筒的外侧壁固定，连接件上设置有半封闭的卡环14，卡环14的内径与土柱2的外径相互匹配；承重平板的板面用于放置土柱2。本申请通过将制动螺栓旋钮进套筒上的螺纹孔，即可抵住土柱支架12的竖杆，达到制动目的，这将有利于调节土柱2高度，满足实验需求。承重平板和卡环14的结构，既能便于土柱2的安放和取出，又能将土柱2限制在承重平板上，不易碰倒。

将四通管3与测压管4连接时，可将四通管3的管口三竖直向上设置并直接与测压管4的下端连通，以此既实现了土柱2和测压管4的连通，也可达到土柱2和测压管4均沿竖直方向设置且相互平行的目的，进而可以通过观察测压管4内的水位变化，实现对土柱2内试验土壤中毛细管水上升高度的测量。

在本申请一实施例中，分别参照图4和图5，测压管4和土柱2的管壁上均设置有刻度线；当土柱2和测压管4平行时，测压管4的零刻度线与土柱2内土样的表面齐平。测压管4的零刻度线位于测压管4的上半段，将测压管4的零刻度线与土柱2内土样的表面齐平，可以使得差压计5所测数据更加精确，减小试验测量误差。

由于测压管4较长，本申请还设置有固定件11，所述固定件11设置于土柱2和测压管4之间，用于保持土柱2和测压管4平行。固定件11可以为两端带有粘性的支撑辊，可以为两端带有卡口(一端卡口大，一端卡口小)的支撑辊，也可以是一端套接在测压管4外侧，另一端可抵住土柱2外壁的支撑辊。本申请实施例对固定件11的形状、结构不作限定，能实现发明目的既可。参照图6(a)和图6(b)，分别示出了测压管4与土柱2连接的平面结构示意图和立体结构示意图。

参照图7，示出了本申请一实施例差压计5的结构示意图，差压计5用于测量测压管4内的气压变化。差压计5包括进气口正极接口、进气口负极接口、显示面板、功能键面板、电源正负极以及USB信号输出接头。开展试验时，可将四通管3的管口四通过软管20与差压计5的进气口正极接口或进气口负极接口连通。当软管20与进气口正极接口相连时，差压计5所测数据为正值；当软管20与进气口负极接口相连时，差压计5所测数据为负值(其绝对值为实际值)。功能键面板上有多个功能键按钮，在试验前，当差压计5的两个进气口(正负进气口)与外界大气连通，而差压计5的两个接口压差不为零时，用户可按下面板正面的“置零”按钮进行校正调零。特别需要注意的是，当软管20下垂，土柱2或者测压管4排水的时候，液态水有可能进入软管20，导致测量出现误差，因此，在本申请一实施例中，四通管3的管口四处还填充透气不透水材料或者保证连接管口四与差压计5的软管20与管口四处于同一水平面。

综上，本申请实施例采用四通管3将马氏瓶1、土柱2、测压管4以及差压计5联通，能实现对土柱2中毛细管水上升高度的自动测量，特别采用差压计5测量测压管4在装满水和达到稳定后的数值，其测量精度可达0.1毫米水柱(mmH

在本申请一实施例中，参照图1和图8，毛细管水上升高度测量系统还包括无纸记录仪9，与差压计5连接，用于记录与其连接的差压计5传输的数据。本申请实施例通过将无纸记录仪9与差压计5连接，能在开启差压计5后，将连续测量的数据通过数据线传至无纸记录仪9中，无纸记录仪9可将差压计5所测气压可视化并储存数据。将无纸记录仪9与差压计5连接时，将差压计5的USB信号输出接头连接于无纸记录仪9的USB接口上。

在本申请一实施例中，参照图1，毛细管水上升高度测量系统还可包括：实时数据显示器10，与无纸记录仪9连接，用于显示无纸记录仪9传输的数据。其中，实时数据显示器10可以为台式电脑、笔记本电脑或独立显示器等。本申请实施例可将无纸记录仪9与实时数据显示器10通过USB数据线连接，能把测压管4内的压力变化数据在实时数据显示器10上实时显示，便于试验人员随时了解毛细管水上升高度测量数据变化情况。

综上所述，本系统具有测量精度高，自动化强、操作方便、节省人力等优点。

针对本申请的技术问题，参照图9，示出了本申请一实施例毛细管水上升高度测量方法的步骤流程图，该方法应用于本申请实施例所述的毛细管水上升高度测量系统，该方法可以包括以下步骤：

步骤S1：取试验土样装入土柱2内，分层夯实；

步骤S2：打开出水口阀门6和第一阀门7，并保持第二阀门8关闭，马氏瓶1内的水进入土柱2和测压管4，待土柱2内的水上升至试验土样表面时关闭第一阀门7，记录此时差压计5所显示的第一数据P

步骤S3：打开第二阀门8，当所述测压管4中的水位不再下降时，记录此时差压计5所显示的第二数据P

步骤S4：根据土柱2中试验土壤的实际厚度、第一数据以及第二数据，计算得到土柱2内的毛细管水上升高度。

毛细管水上升高度测量系统的工作原理为：土壤中发生毛细观象时，弯液面产生负压力使毛管中静水压力小于大气压力，其差值等于土壤毛细管水上升水柱高度乘以水的容重，利用连通管测定的毛细管水上升高度的负压水柱与测压管4下降水柱高度的等压面。因此，在本申请中，差压计5前后两次数据之差即为测压管4下降的水柱高度，将此差值减去土柱2中试验土壤的实际厚度h，计算得到的土柱2内的毛细管水上升高度即为试验土壤毛细管水上升高度。

在开展试验过程中，首先，执行步骤S1，为了防止试验土壤排水时，土柱2中的土壤颗粒从土柱2底部排出，土柱2底部应该加一层透水石，透水石上面再铺一张滤纸，然后根据试验方案要求，取试验土样装入土柱2内，分层夯实。为提高试验效率，可在分层夯实后，再用水浸湿，当然，此时还未达到饱水状态。接着，连接好整个系统的导水管19和软管20，保证其密封性。

接着，执行步骤S2，关闭第二阀门8，打开出水口阀门6和第一阀门7，马氏瓶1里的水通过导水管进入土柱2与测压管4，同时差压计5实时测量测压管4的水压，也就是从差压计5软管接口到测压管4水面的高度，等土柱2里的土壤水饱和即测压管4中的水到达零刻度线时(此处的零刻度参照物为土壤表面，而非实际上的差压计数值，测压管4的零刻度对应的是差压计5的最大值)，关闭第一阀门7，记录此时差压计5显示的第一数据h

然后，打开第二阀门8，土柱2中的自由水受重力作用开始排出，这时测压管4的液面也开始下降，由于土壤存在毛细作用，土柱2中的水在下降一定程度后不再下渗，此时测压管4中的液面稳定即水位不再下降，记录此时差压计5显示的第二数据h

最后，根据第一数据h

△h＝h

所测得土壤毛细管水上升高度为：

h

其中，h为土柱2中试验土壤的实际厚度，由土柱2事先给定，为土壤表面到土柱2内底表面的高度，h在入渗排水过程中不变。

实际中，在刚开始开展试验时，也可目测测压管4中的液面稳定后，测压管4下降高度H，以目测结果计算土壤毛细管水上升高度h

由此，可根据目测计算的结果h

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

还需要说明的是，在本文中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，诸如“第一”和“第二”之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上对本申请所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请，在具体实施方式及应用范围上均会有不同形式的改变之处，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本申请的保护范围之中。