环式入渗仪内土壤水分入渗过程可视化试验装置和方法

技术领域

本发明涉及土壤入渗特性测量领域，更具体涉及环式入渗仪内土 壤水分入渗过程可视化试验装置和方法。

背景技术

土壤入渗性能是指在给定的条件下土壤所具有的最大可能入渗 率，是土壤的固有属性；与土壤侵蚀，水土流失，作物灌溉管理，溶 质运移等方面密切相关。很多学者认为土壤入渗性能的测量是土壤性 质的指示器，因此出现众多土壤入渗率测量方法，如双环法、圆盘入 渗仪法、人工降雨法、降雨-入流-积水法、降雨-入流-产流法、线源入 流测量方法等。其中双环入渗仪由于操作过程简单、计算方法直观和 设备便宜等特点，是目前应用非常广泛也是很经典的土壤入渗性能测 量方法。双环入渗仪，采用两个同心圆环，用铁锤将内环和外环同心 地砸入地表10-15cm；向内外环同时供水并保证两环内水位相同。其 中内环为试验面积，外环供水满足侧向渗流，从而保证内环中的水分 入渗为垂直向下一维入渗，通过记录内环一定时间内入渗的水量，除 以内环面积，计算得到入渗率。大量研究结果表明环式入渗仪测量结 果是人工降雨法的2-10倍。而目前对环式入渗仪的研究主要集中在环 内变水头和常水头对入渗结果的影响，双环和单环测量结果的对比， 环内水头、双环直径、缓冲指数等对测量结果的影响，以上研究并未 关注安装环式入渗仪过程中产生的环壁和土壤间的缝隙引起的优先流 对测量结果的影响。而这一问题在环式入渗仪安装过程中普遍存在， 并且严重影响其测量结果的准确性；优先流的存在可能造成环式入渗 仪测定的初始入渗率是真实值的3.3倍。该结论是利用可剖分入渗环及 打击装置，在初始入渗结束后通过剖切环内土体、观测土壤剖面、并 将测定结果与模拟真实值对比获得的。但上述试验方法无法分析优先 流对土壤入渗过程的影响。在初始入渗结束后，优先流是否存在及其 对后续的入渗过程产生怎样的影响，目前尚不得而知。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题就是能够观察到优先流对整个土壤入渗 过程的影响，为进一步研究环内土壤水分入渗过程提供基础，对分析 环式入渗仪测量结果的准确性及提出消除优先流影响的改进装置提供 有力依据，而提供一套能够显示在优先流影响下环式入渗仪内土壤水 分入渗过程的可视化试验装置和方法。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种环式入渗仪内土壤水 分入渗过程的可视化试验装置，该装置包括：两个半土槽，半土槽连 接板，下部有机玻璃板，上部有机玻璃板，固定有机玻璃板和半土槽 连接板的螺栓，固定两个所述半土槽的螺栓，可剖分入渗环，入渗环 连接板；每个所述半土槽两边均焊有半土槽连接板；两个所述半土槽 中，一者的下部连接板用螺栓与所述下部有机玻璃板固定，将另一形 状和尺寸完全相同的半土槽与连接下部有机玻璃板的半土槽用螺栓组 装成一个完整土槽，形成试验中可拆分的入渗土槽，与剖分入渗环构 成入渗过程可视化的试验装置；所述可剖分入渗环的两边焊有入渗环 连接板，所述上部有机玻璃板封固于所述下部有机玻璃板上方的半土 槽连接板和入渗环连接板上。

优选地，所述半土槽内部长、宽、高分别为30cm、50cm、75cm； 所述连接板长宽分别为75cm，5cm，连接板上每隔7cm打有螺孔； 下部有机玻璃板长宽分别为60cm、55cm，上部有机玻璃板60cm、 20cm。

本发明还提供了一种环式入渗仪内土壤水分入渗过程的可视化试 验装置的使用方法，该方法包括步骤：将两个半土槽组装成一个可拆 分的入渗土槽；将入渗环剖分面放置在半土槽连接板所处位置，砸入 入渗环；用钢板将入渗环内的土壤沿径向切分成两部分，移去半个入 渗环及其中土壤；铲出将要移出的半土槽中入渗环外土壤，移出半个 土槽；在硅胶条上打上玻璃胶粘贴在入渗环连接板上，防止入渗环连 接板和上部有机玻璃板连接处渗水；用上部有机玻璃板封闭和固定剩 下半个入渗环内的土壤，即形成半个入渗环内及下部土壤剖切面；用 电子秤称取一定量的水一次性加入入渗环内，当入渗环内水位下降到 一定值时再加一定量的水使水位上升，始终保持入渗环内最低水位与 最高水位为一固定值，直至稳渗；由秒表记录水位每下降一定距离所 用的入渗时间，根据供水量随时间的变化过程，由记录得到的不同时 刻环内水位的变化过程，通过计算得到土壤的入渗性能。

优选地，所述用电子秤称取的一定量的水为2kg；当所述入渗环内 水位下降到1.5cm水头时所加一定量的水为1.2kg，使水位上升到4cm， 始终保持环内最低水位1.5cm，最高水位4cm；所述由秒表记录水位每 下降的一定距离为0.5cm。

(三)有益效果

本发明直接观察在优先流影响下入渗环内土壤水分入渗过程的试 验装置，配合相应的使用方法，能够直观地显示入渗环内土壤水分真 实的入渗过程及优先流对环内土壤水分入渗过程的影响。该装置首次 将优先流影响下环式入渗仪内土壤水分入渗状况可视化，为进一步研 究环内土壤水分入渗过程试验提供基础，对分析环式入渗仪测量结果 的准确性及提出消除优先流影响的改进装置提供了有力的依据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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是本发明装置的半土槽示意图；

图2是本发明装置的完整土槽示意图；

图3是本发明使用方法入渗环内土壤湿润特征第一入渗阶段示意 图；

图4是本发明使用方法入渗环内土壤湿润特征第二入渗阶段示意 图；

图5是本发明使用方法入渗环内土壤湿润特征第三入渗阶段示意 图；

图6是土壤入渗性能随时间的变化曲线，其中：(a)前30分钟入 渗过程，(b)30-120分钟入渗过程；

图中标记：1、半土槽，2、半土槽连接板，3固定有机玻璃板和半 土槽连接板的螺栓，4、下部有机玻璃板，5、固定两个半土槽的螺栓， 6、上部有机玻璃板，7、可剖分入渗环，8、入渗环连接板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例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和图2所示，为获得入渗环打击入土后能够观察环内土壤 水分入渗过程，本发明设计了一种可拆分的室内试验土槽装置。该装 置由可以拆分的土槽和可剖分入渗环及可以透视的有机玻璃板组成。 当在土槽内将入渗环打击入土后，用钢板将环内的土壤沿径向切分成 两半后，移去其中一个半环及其中的土壤。用有机玻璃板封闭和固定 剩下半环内的土壤，用于进行土壤水分入渗过程的可视化试验，观察 环式入渗仪内的水分运动过程。半个土槽内部长、宽、高分别为30cm、 50cm、75cm，2个同样的半土槽1(图1)可以组装成如图2所示的土 槽。半土槽1的两边焊有半土槽连接板2(5cm×75cm)，半土槽连接 板2上每隔7cm打有螺孔。首先在一个半土槽1外边的下部用螺栓固 定长宽分别为60cm×55cm的下部有机玻璃板4。然后再将另外一个半 土槽1与连接下部有机玻璃板4的半土槽1组装成一个完整土槽，即 形成试验中可拆分的入渗土槽。这两个半土槽形状和尺寸完全相同。 当剖分入渗环7时，只需移出半个土槽和半个入渗环，并将上部有机 玻璃板6封固于下部有机玻璃板4上方的半槽连接板2和入渗环连接 板8上，即能透过有机玻璃板显示出入渗环内部及下部土壤剖面内入 渗水分的运动过程。

本发明试验装置主要包括可剖分的入渗环及可拆分的如图2所示 的入渗土槽。供试土壤为粉壤土(粘粒15％，粉粒50.2％，砂粒34.8％)。 在0.5×0.6×0.75m的土槽内，装土容重控制在1.4g/cm³，初始含水量 约为10％，每5cm为一层分层装入。试验进行两次重复。

本发明装置实际操作过程如下：

1.将两个半土槽组装成一个可拆分的入渗土槽；

2.将入渗环剖分面放置在土槽连接板所处位置，砸入入渗环；

3.用钢板将环内的土壤沿径向切分成两部分，移去一个半环及其 中土壤；

4.铲出将要移出的半个土槽中入渗环外土壤，移出半个土槽；

5.在硅胶条上打上玻璃胶粘贴在入渗环连接板上，上部有机玻璃 板封固于下部有机玻璃板上方的半土槽连接板和入渗环连接板上，防 止入渗环连接板和有机玻璃板连接处渗水；

6.用有机玻璃板封闭和固定剩下半环内的土壤，即形成半环内及 下部土壤剖切面；

7.用电子秤称取2kg水一次性加入环内，当环内水位下降到1.5cm 水头时加水1.2kg使水位上升到4cm，始终保持环内最低水位1.5cm， 最高水位4cm，直至稳渗；

8.由秒表记录水位每下降0.5cm所用的入渗时间，根据供水量随 时间的变化过程，由记录得到的不同时刻环内水位的变化过程，计算 得到土壤的入渗性能曲线。

实验结果分析：

1.入渗水分在环内土壤中运动过程的描述

根据湿润土体随时间的变化特征，入渗过程可以划分为三个阶段， 初始入渗阶段、过渡阶段、稳渗阶段。

1.1初始入渗阶段

图3清楚地显示出，入渗环与土壤间的缝隙引起了优先流。环内 水分的入渗包括地表的入渗和侧壁入渗两部分。图3显示了优先流影 响下环内土体入渗过程第一个阶段即初始入渗阶段的特征。初次向入 渗环内加水后，水流迅速充满环壁和土壤之间的缝隙并覆盖地表，形 成垂直和径向入渗，半环剖切面呈现出由地表向下和侧壁向内的湿润 状况。缝隙底部的水分以线源的形式进行入渗；剖切面上土壤湿润特 征是由地表向下和环壁向内共同湿润环内土体的结果，湿润锋为直线 状向前推进，在剖切面上显示入渗环底部缝隙内水分以点源方式弧形 向内向外入渗。由于优先流的影响，环内水分真实的入渗体积由环内 土体的上表面和侧面入渗共同构成；侧面入渗造成环式入渗仪测定的 初始入渗率远大于土壤的真实初始入渗率。初始入渗阶段，土壤入渗 率主要由基质势控制，重力作用相对很小，因此垂直入渗深度和径向 入渗宽度近似相等。除底部两侧点源入渗外，垂直向下和径向向内的 湿润锋均以直线的方式向前推进，半环剖切面未湿润面积为矩形(图 3)。该阶段称为初始入渗阶段，持续时间较短，大约为3min。

1.2过渡阶段

初始入渗阶段过后，由于优先流的作用，环壁和土壤之间缝隙内 的水分继续产生径向入渗；此外由于土壤初始入渗率很大，垂直湿润 面积和水平径向湿润面积相互重叠部分迅速增加，重叠部分为垂直和 径向入渗共同作用的区域，其入渗速率大于单项垂直和径向入渗速率， 因此侧壁重叠部分土壤的径向入渗宽度大于底部土壤，垂直入渗深度 大于位于中间位置的土壤。湿润锋逐渐由直线变为曲线向前推移。缝 隙底部的水分继续以线源的方式向环下部和侧部土壤入渗，湿润面积 逐渐增大，此后进入第二个入渗阶段，剖切面湿润形状如图4所示。 随着时间推移，土壤入渗率降低，重力对入渗的作用逐渐增大，入渗 环中间位置土壤的入渗深度逐渐大于环壁两侧土壤的径向入渗宽度， 湿润锋的弯曲度趋于平缓。入渗继续推进，当环内土壤基本全部湿润 后，湿润锋逐渐由环内部向环下部推进，剖切面湿润锋形状逐渐趋于 水平，此时第二个入渗阶段基本结束。第二阶段承接着第一和第三阶 段，称为过渡阶段。

1.3稳渗阶段

当半环剖切面内土壤全部湿润后，入渗进入第三个阶段，该阶段 湿润面积形态特征基本不再发生明显变化。此阶段，来自地表的垂直 入渗和侧壁缝隙侧向入渗两部分水分汇集后，在重力势的作用下向下 入渗，进入到环下部土壤，形成垂直入渗，同时还会向入渗环向下延 长线的外侧形成侧渗，因此土壤的垂直入渗深度逐渐大于两侧土壤的 垂直入渗深度。此时剖面上土壤湿润锋逐渐呈现椭圆形状，并以此形 状向前推进。在土壤入渗趋于稳定时，湿润锋推进速度和形状也趋于 稳定，形成如图5所示的湿润状况。

与理想状态(无侧壁优先流存在)垂直一维入渗相比，在优先流 影响下，环内土体更易达到充分饱和，此阶段环下部土壤入渗是在有 水压的情况下进行，因此环式入渗仪测得的稳定入渗率也可能偏高。 第三阶段，土壤剖切面湿润面积特征不再发生变化，因此称为稳渗阶 段。

2.土壤入渗性能计算

环式入渗仪土壤入渗率根据水量平衡进行计算，公式为：

$i=\frac{\mathrm{\Delta Q}}{\mathrm{\Delta t}\times A}---\left(1\right)$

其中，ΔQ为Δt时段马氏瓶供水量，mm³；Δt为入渗时段，h；A为 内环面积，mm²。

利用试验中记录的入渗一定水量所需时间，计算各时刻的入渗率， 得到土壤入渗速率随时间变化的过程曲线(图6)，进而可以用土壤入 渗模型入渗过程进行拟合，包括Philip、Horton、Kostiakov入渗模型。

由于优先流的产生增加了水分入渗体积，造成测定的初始入渗率 高达2117mm/h，初始入渗阶段土壤入渗率降低很快，入渗进行到3min 时初始入渗率降低到415mm/h，减小幅度大于一般情况下初始入渗率 的减小幅度。第二个阶段的入渗曲线变化趋于平缓，入渗率降低幅度 变慢。在第三个入渗阶段土壤入渗率逐渐趋于稳定，湿润锋推进速度 也趋于稳定。环内土体完全湿润后，环壁和土壤缝隙之间的水分产生 径向入渗与垂直入渗水分汇集后向下入渗，因此环式入渗仪测得的稳 定入渗率大于土壤的真实入渗性能。

本发明根据剖切面土壤湿润面积特征将入渗过程划分为初始入 渗、过渡和稳渗三个阶段。根据供水量随时间的变化过程计算了土壤 入渗速率曲线，能很好地表达优先流影响下的土壤入渗速率随时间的 变化规律。本发明装置首次将优先流影响下环式入渗仪内土壤水分入 渗状况可视化，为进一步研究环内土壤水分入渗过程试验提供基础， 对分析环式入渗仪测量结果的准确性及提出消除优先流影响的改进装 置提供了有力的依据。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参 照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理 解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱 离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围 之中。