一种可拆卸式土柱土壤水和溶质运移测试装置及方法

摘要

本发明涉及一种可拆卸式土柱土壤水和溶质运移测试装置，装置的组件和基座为有机玻璃制作，其中有机玻璃筒上下两端分别设置凹槽和凸环，形成各组件之间的密封结构；紧锁装置为半圆形钢板，两个半圆形钢板在组件连接处拼接，保证土柱的稳定性和密封性；各组件土壤层内分别埋设土壤盐分、水分和温度传感器、土壤溶液负压取样器，与相应采集器和取样瓶相连，采集器集中与计算机终端相连自动测记数据；顶部组件和基座分别与马氏瓶相连，用于控制装置土壤进水量和地下水埋深。本发明通过可拆卸、灵活组装的土柱，监测不同类型土壤及其组合下的多层土壤水及溶质迁移转化过程，可为探究不同水深控制下土壤水及溶质再分布及其淋失提供试验工具和技术支持。

说明书

技术领域

本发明设计土壤水及溶质迁移领域，具体地说是一种可拆卸式土柱土壤水和溶质运移测试装置及方法。

背景技术

土柱试验装置是研究水分及溶质在地下水-土壤-作物-大气系统中运移及转化规律非常有效的工具，在水利、土壤、农业、环保等领域都有着广泛的应用，并在土壤溶质运移模拟、土壤水文性质、重金属和污染物迁移转化等科学研究中取得了大量的研究成果。

但传统垂直土柱多为一体式，一旦建成只能研究固定的土壤类型，需要研究不同类型土壤的性质及其内部溶质运移过程时，需要修建多个土柱，造价较高；一体式土柱体量较大，存在制作困难、实验操作不方便、占地面积大等问题。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题而提供一种可拆卸式土柱土壤水和溶质运移测试装置及方法，采用可拆卸土柱组件，研究不同性质土壤组合下的分层土壤水分及溶质运移过程，相比现有一体式土柱，该装置能够大大减少加工制作难度、制作费用和占地面积。通过该装置可以测试不同水层深度和地下水埋深组合下，水分及溶质在土壤间的运移和转化过程，并反演关键参数。

一种可拆卸式土柱土壤水和溶质运移测试装置，从上到下依次设置有土柱上部组件(1)、土柱中部组件(2)、土柱下部组件(3)和底座(18)，土柱中部组件(2)与土柱上部组件(1)的连接处、土柱中部组件(2)与土柱下部组件(3)的连接处以及土柱下部组件(3)与底座(18)的连接处设置紧锁密封装置(4)和密封结构；底座(18)通过软管与玻璃瓶、管道与马氏瓶相连，用于收集淋滤液和控制地下水埋深；

土柱上、中、下部组件(1～3)均由有机玻璃筒和填充其内部的土壤层组成，土柱上部组件(1)、中部组件(2)的底部设置有尼龙网罩(5)，用于固定土壤层，便于组件之间的土壤层发生水分及溶质的运移；组件(1～3)有机玻璃筒外壁有刻度，方便分层回填土柱并压实；侧壁预留适量取样孔(6)，取样孔为圆孔形，孔径为2-3cm，每个取样孔皆配有防渗水橡皮塞，不取样时用橡皮塞堵住。土柱下部组件(3) 土壤层下，从上至下依次包括反滤层(7)、尼龙布层(8)；所述反滤层(7)厚5～10cm，由细石英沙、粗石英砂、砾石组成。

各组件有机玻璃筒上下端环形中间分别切割出环形凹槽和凸环，组装时上下相邻的组件环形凹槽与凸环嵌合；底座(18)与下部组件(3)采用相同方式密封；组件间有机玻璃筒、组件和底座的有机玻璃筒环形槽内设置有密封圈，用于密封连接处。各部分连接处由螺栓结构的紧锁装置(4)固定。试验时，紧锁密封装置(4)关闭(补充图)，土柱各部分能够紧密连接；更换组件或非试验期，紧锁密封装置(4) 开启，各组件能够拆开、更换。紧锁装置(4)为内径与土柱组件有机玻璃筒一致的宽3cm、厚2mm半圆形钢板，钢板两端分别打孔，钢板内壁设有橡胶圈，土柱组件组装后，两个半圆形钢板在组件连接处拼接，用法兰螺栓固定在连接处，保证土柱的稳定性和密封性。

上部组件(1)土壤层在其顶部5cm以下，留出空间，便于试验时马氏瓶供水；蓄水空间不够时，可在上部另外嵌合有机玻璃筒。土壤层内各设置位于同一水平面的土壤盐分传感器(9)、土壤溶液负压取样器(10)和土壤水分温度测量传感器(11)，所述土壤盐分传感器(9)、土壤水分温度测量传感器(11) 利用导线通过玻璃柱预留孔(17)与土壤盐分采集器(12)和土壤温度采集器(14)、土壤水分采集器(15) 相连，土壤溶液负压取样器(10)利用导线通过玻璃柱预留孔(17)与取样瓶(13)相连；土壤盐分采集器(12)、土壤温度采集器(14)、土壤水分采集器(15)集成在土壤综合数据采集箱(16)内，土壤综合数据采集箱(16)与计算机终端相连，自动测记数据。

一种可拆卸式土柱土壤水和溶质运移测试方法，包括以下步骤：

(1)根据试验要求制作不同土壤层厚度和性质的土柱，并根据试验方案组合土柱，提前测量各组件土壤层的容重、粒径级配、水分常数、全氮、全磷、速效氮等理化性质和水力传导度、水分特征曲线等水动力学性质；

(2)将上部组件和下部组件分别与马氏瓶相连，通过调整马氏瓶位置分别控制试验进水和地下水埋深；具体进水量及速率、地下水埋深根据试验要求确定；

(3)试验开始后，由传感器测量土壤含水率、土壤温度、土壤盐分等，并将数据传输到计算机终端存储；按照试验要求，通过负压取样装置定时抽取土壤水溶液，并送实验室检测氮、磷等溶质含量，由此获取，试验过程中土壤水分、温度、溶质含量、盐分含量的变化过程及其再分布，为统计分析和数值模拟反演参数提供数据；

(4)一组实验结束后，根据试验要求，将目标组件安装或拆卸掉，重新组成土柱装置，进而开始新的试验。

本发明一种可拆卸式土柱土壤水和溶质运移测试装置及测试方法的优点是：

(1)针对自然环境中土壤普遍存在的分层和过渡层的现状，本发明采用多层土壤搭配的土柱装置，安装、埋设相应仪器和传感器，为多层土壤水分及其溶质运移研究提供了可靠工具；

(2)通过发明中设计的紧锁装置，土柱采用可拆卸、组装的形式安装制作，能够根据试验需要，将不同土壤性质的土柱组件灵活搭配，快速获取不同土壤性质组合的土柱装置，与现有一体式土柱相比，发明涉及的土柱装置体量小、易批量制作、搬运和存放，通过不同组件的搭配，能够获得多样化的土柱装置，降低土柱制作费用；

(3)该发明涉及的装置及测试过程，能够通过连接的马氏瓶、阀门控制试验过程中的土壤供水和地下水埋深，定量获取下渗和地下水与土壤水的交换水量，并探究不同水深控制下伴随的溶质迁移转化过程及路径。

附图说明

图1为土柱剖面图和立体图；

图2为土柱俯视图；

图3为密封结构示意图；

图4为紧锁装置。

具体实施方式

实施例一

下面结合附图对本发明进一步说明。如图1～3所示，一种可拆卸式土柱土壤水和溶质运移测试装置从上到下依次设置有土柱上部组件1、中部组件2、下部组件3和底座18，土柱上、中、下部组件(1-3) 均由有机玻璃筒和填充其内部的土壤层组成；土柱上部管体、中部管体和下部管体的内外径均相同。底座 18同样由有机玻璃制成，但其直径大于土柱管体，以保证其整体稳定性。组件与组件、组件与底座18的连接处设置紧锁装置4和密封结构，保证组件与组件、组件与底座连接的稳定性和密封性。通过紧锁装置的开启和闭合，能够将需要的组件拆卸，更换安装。

土柱上部、中部和下部管体均为内径30cm的有机玻璃筒，厚度均为10mm，上部管体的高度为30.5cm、中部管体的高度为30.5cm；下部管体的高度为30cm。土柱下部组件3底部设置多孔法兰19，由螺栓与底座固定。底座18为与土柱等直径的有机玻璃筒，高10cm，上部和下部分别焊接直径均为40cm的多孔法兰19和有机玻璃板。多孔法兰19下接导水软管，可将淋滤液引入玻璃瓶，导水管上设置阀门20，用于控制淋滤排水；多孔法兰19中部设置导水管，与马氏瓶21相连，通过马氏瓶的控制该土柱装置的地下水位。

土柱上部组件1、中部组件2的底部设置有尼龙网罩5，用于固定土壤层，便于组件之间的土壤层发生水分及溶质的运移。

密封结构位于组件玻璃筒连接处，组件玻璃筒两端5mm范围内，一端内侧和外侧分别切割2.5mm，中间形成高5mm、宽5mm的圆周型凸出部，另一端切割出高5mm、宽5mm的圆周型凹槽，上下相邻的两个土柱玻璃筒的凸出部与凹槽相贴合；底座18上也设置有相应的高5mm、宽5mm的圆周型凹槽，螺栓固定时与土柱下部组件3下端圆周型凸出部相贴合。土柱组件玻璃筒之间、组件玻璃筒与底座18之间的圆周型凹槽内设置密封圈，用于连接处的密封止水。

紧锁装置4为内径与土柱组件有机玻璃筒一致的宽3cm、厚2mm半圆形钢板，钢板两端分别打孔，钢板内壁设有橡胶圈，土柱组件组装后，两个半圆形钢板在组件连接处拼接，用法兰螺栓固定在连接处，保证土柱的稳定性和密封性。

在可拆卸式土柱土壤水和溶质运移测试装置的有机玻璃筒侧壁上，于预定高度分别设置三个土壤取样孔，取样孔位于同一高度且绕玻璃筒一周均匀布置，取样孔的孔径大小为2～3cm，两取样口间弧长对应的圆心角为120°。

土柱上、中、下部组件的土壤层各设置位于同一水平面的土壤盐分传感器9、土壤溶液负压取样器10 和土壤水分温度测量传感器11,所述土壤盐分传感器9、土壤水分温度测量传感器11利用导线通过玻璃柱预留孔17与土壤盐分采集器12和土壤温度采集器14、土壤水分采集器15相连，土壤溶液负压取样器10 利用导线通过玻璃柱预留孔17与取样瓶13相连。土壤盐分采集器12、土壤温度采集器14、土壤水分采集器15集成在土壤综合数据采集箱16内，土壤综合数据采集箱16与计算机终端相连，设置频率后，自动采集数据。土柱上、中、下部组件各设有三个预留孔17且三个预留孔17与取样口6位于同一水平面上，每两预留孔间弧长对应的圆心角为120°且预留孔17与临近的两取样口间弧长一致，弧长对应的圆心角为 60°。

土柱上部组件1中，土柱上部组件顶端开一直径为2cm的圆型开口，用于供水，土柱上部组件1顶部 5cm部分是空的，用于蓄水，其下方是土壤层。供水装置为马氏瓶。

土柱下部组件(3)中，从上至下依次包括土壤层、反滤层7、尼龙布层8；所述反滤层7厚5～10cm，由细石英沙、粗石英砂、砾石组成，防止土壤颗粒被水冲走。

本发明方法包括以下步骤：

(1)提前测量各组件土壤层的容重、粒径级配、水分常数、全氮、全磷、速效氮等理化性质和水力传导度、水分特征曲线等水动力学性质；

(2)根据试验要求制作不同土壤层厚度和性质的土柱，并根据试验方案组合土柱；

(3)将上部组件和下部组件分别与马氏瓶相连，通过调整马氏瓶位置分别控制试验进水和地下水埋深；具体进水量及速率、地下水埋深根据试验要求确定；

(4)试验开始后，由传感器测量土壤含水率、土壤温度、土壤盐分等，并将数据传输到计算机终端存储；按照试验要求，通过负压取样装置定时抽取土壤水溶液，并送实验室检测氮、磷等溶质含量，由此获取，试验过程中土壤水分、温度、溶质含量、盐分含量的变化过程及其再分布，为统计分析和数值模拟反演参数提供数据；

(5)一组实验结束后，根据试验要求，将目标组件安装或拆卸掉，重新组成土柱装置，进而开始新的试验。

通过该方法监测不同土壤性质土柱组合下土壤水及其溶质伴随的迁移转化过程，探究多种水深控制条件下的土壤水及溶质淋失规律，为土壤水及其养分涵养和管理提供理论依据和技术支撑。

实施例二

结合岩溶地区土壤特性对本装置的应用进一步进行说明。

如图1所示本装置由下至上分布为底座18、反滤层7、土柱下、中、上部组件(3-1)，土柱上部组件和下部组件分别与马氏瓶相连，通过调整马氏瓶位置分别控制试验进水和地下水埋深。

根据岩溶地区土壤特性，装置土壤层由上至下依次分为淋溶层(A)、沉积层(B)、母质层(C)，各层土壤性质可根据实验要求设置，直径、高度均设置为30cm。将土壤柱依次填入土柱(1-3)组件中，土柱上部组件1顶部5cm部分用于蓄水。土柱下部组件3中，从上至下依次包括土壤层、反滤层7、尼龙布层 8；所述反滤层7由铺设5～10cm细石英沙、粗石英砂、砾石组成，为入渗过程提供一个气流顺畅的入渗环境。

各土层内分别设置有位于同一平面的土壤盐分传感器9、土壤溶液负压取样器10和土壤水分温度测量传感器11，各传感器、取样器利用各自的导线通过玻璃柱预留孔17分别连接至各采集器、取样瓶。各层的土壤盐分传感器9位于同一竖直平面内、土壤溶液负压取样器10位于同一竖直平面内、土壤水分温度测量传感器11位于同一竖直平面内。

可拆卸式土柱土壤水和溶质运移测试装置的侧壁上设置有取样口6，便于分层取土样，土柱管外壁有刻度，方便分层回填土柱并压实。

土柱下部组件3由螺栓与底座固定。底座18为与土柱等直径的有机玻璃筒，上层为多孔法兰19，下层为圆形有机玻璃板，多孔法兰19下接导水软管，将淋滤液引入玻璃瓶，导水管上设置阀门20，用于控制淋滤排水；多孔法兰19中部设置导水管，与马氏瓶21相连，通过马氏瓶的控制该土柱装置的地下水位。

土壤盐分采集器12、土壤温度采集器14、土壤水分采集器15集成在土壤数据综合采集箱16内，土壤数据综合采集箱16与计算机终端相连。观测参数的动态检测过程并读取对应的动态变化数据。

本发明方法包括以下步骤：

(1)制作土柱上部组件1、中部组件2、下部组件3、紧缩装置4和底座18，土柱组件(1-3) 由有机玻璃筒组成，机玻璃筒指定高度上分布着如图1所示的取样口6和预留孔17。组件与组件、组件与底座18的连接处设置紧锁装置4和密封结构，通过紧锁装置的开启和闭合，能够将需要的组件拆卸，更换安装；

(2)根据岩溶地区土壤特性，土柱土壤由上至下依次分为淋溶层(A)、沉积层(B)、母质层(C)，根据实验具体需要设置土壤基本理化性质，分别制作直径、高度均为30cm的淋溶层(A)、沉积层(B)、母质层(C)，于各层土壤中分布一定量的石块以模拟岩溶地区土层土石结合特性，具体土石比例以实验具体要求设置；

(3)各土层内分别设置有位于同一平面的土壤盐分传感器9、土壤溶液负压取样器10和土壤水分温度测量传感器11，各传感器、取样器利用各自的导线通过玻璃柱预留孔17分别连接至各采集器、取样瓶。由传感器测量土壤含水率、土壤温度、土壤盐分等，并将数据传输到计算机终端存储；按照试验要求，通过负压取样装置定时抽取土壤水溶液，并送实验室检测氮、磷等溶质含量，由此获取，试验过程中土壤水分、温度、溶质含量、盐分含量的变化过程及其再分布，为统计分析和数值模拟反演参数提供数据；

(4)底座18上层为多孔法兰19，下层为圆形有机玻璃板，多孔法兰19下接导水软管，将淋滤液引入玻璃瓶，导水管上设置阀门20，用于控制淋滤排水；多孔法兰19中部设置导水管，与马氏瓶21相连，通过马氏瓶的控制该土柱装置的地下水位；

(5)实验前先测量各组件土壤层的容重、粒径级配、水分常数、全氮、全磷、速效氮等理化性质和水力传导度、水分特征曲线等水动力学性质，确定各项理化参数初始值；

(6)将上部组件和下部组件分别与马氏瓶相连，通过调整马氏瓶位置分别控制试验进水和地下水埋深；具体进水量及速率、地下水埋深根据试验要求确定；

(7)根据所述埋设在土柱各层的传感器动态监测土壤水和溶质运移过程中每层土壤中土壤含水率、土壤温度、土壤盐分等，同时用土壤溶液负压取样器按照实验需求于各层分别取水样,并根据实验具体要求进行测量。结合观测到的土壤含水率、土壤温度、土壤盐分等进行分析,探究土壤水和溶质运移过程中在土壤中的分布，进一步研究土壤水和溶质在各层之间迁移转化的过程。