一种模拟不同蒸发量下包气带运移规律的试验装置

技术领域

本发明属于水力运动学科研模拟试验，涉及一种土壤包气带环境下自动快速模拟地表蒸发并监测土壤水向上补给运动及过程装置，具体涉及一种模拟不同蒸发量下包气带运移规律的试验装置。

背景技术

土壤包气带又称非饱和带，土壤水在包气带中运动的主要能量靠土壤毛孔张力。自然包气带环境下，土壤水或者地下水发生向上补给的原因为地表土壤水分蒸发，表土土壤产生毛孔张力，表土以下土壤中的水在表层毛孔张力的吸力下往上运动后出现整个土层有一个水分迁移的水力传导过程。土壤包气带中水分运移的研究对浅层作物水分补给、浅层土壤中溶质运移、土壤盐碱化过程均具有重要意义。目前科研试验中，常规包气带水分运移监测主要有室内土柱模拟蒸发监测和野外自然蒸发过程长期监测两种方式。两种方式中室内土柱模拟蒸发常规手段通过升高表层温度模拟加快地表蒸发的方式改变土壤表层土壤张力情况后再通过土柱内埋设的土壤水分数据变化监测土壤水向上运移补给过程。野外包气带监测主要手段为靠表土自然蒸发后与下层土壤产生张力差后使下层土壤水往上补给，并通过埋设在野外土壤内的土壤水分数据变化监测土壤水向上补给过程。两者方法均有耗时长，无法直接快速实时或模拟监测土壤包气带全过程运动。科研人员需要投入大量实验跟踪时间，寻找地表不同张力情况下水分运移规律。

发明内容

本发明的目的是提供一种模拟不同蒸发量下包气带运移规律的试验装置，通过直接改变表土张力并实现张力可调，可快速模拟不同地表自然蒸发工况下，研究包气带运移相关规律。该装置也可几个单元土柱通过法兰结构连接，组合形成更高的大型土柱，控制试验土体的不同上下边界张力，开展包气带的土体不同张力断面运移研究。通过真空泵抽取包裹表层土壤的地表土壤张力调节装置内渗透的水快速直接改变地表土壤张力，模拟表土自然蒸发。并通过地表土壤张力调节装置下端埋设的土壤含水率传感器监测地表张力改变土壤包气带中土壤水向上补给运动。该装置能够暨适用于室内实验土柱研究土壤包气带下土壤水向上补给规律试验，也适用于野外包气带监测模拟控制。

为解决这一问题，本发明采用的技术方案如下：

如图所示，本发明提供一种模拟不同蒸发量下包气带运移规律的试验装置，包括试验土柱和设于试验土柱顶部的用于改变试验土柱顶部内地表试验土壤张力的地表土壤张力调节装置；

所述地表土壤张力调节装置包括设于内部与试验土壤接触并在具有水膜情况下透水不透气的多孔介质环、设于多孔介质环外侧的负压腔体和与负压腔体底部低点处相连的真空排水装置，通过真空排水装置改变负压腔体的真空度，从而改变多孔介质环内侧土壤的土壤张力。

本实施例中，所述地表土壤张力调节装置还包括与试验土柱顶部相连的法兰底座，所述多孔介质环包括设于法兰底座上的内多孔保护环、外多孔保护环以及夹在两者之间的多孔介质陶土环，所述多孔介质陶土环在有水膜情况下透水不透气(为土壤张力和渗透迁移领域常用材料，比如CN107064243B记载的陶土材料)；所述外多孔保护环外侧的法兰底座上还设有形成负压腔体的环形壳体。

本发明通过真空排水装置改变负压腔体的真空度，改变多孔介质环内侧土壤的土壤张力，从而改变试验土柱顶部内地表试验土壤张力，以模拟不同蒸发量下包气带运移规律试验。

与现有技术相比，本发明有益效果如下：

1.利用多孔陶瓷环多孔介质在有水膜的情况下-100kpa内透水不透气的特性，快速抽取环内负压，进而直接改变陶瓷环所有接触面的土壤水份运移，水分排出后地表土壤张力改变并快速带动土柱内土壤水向上补给，大大提高观测、监测包气带土壤水运移效率。

2.多孔陶瓷环高度定制为5cm并整个包裹地表5Cm土壤能够模拟地表土壤5cm均衡负压环境，能模拟接近真实自然过程。

3.本发明土柱主体的土壤水分传感器安装结构改变，采用可拆卸腔体，传感器芯片部分设置在腔体内，仅不锈钢测针在试验土体内，解决了避免整个传感器在土柱内因体积较大造成的过水断面影响真实土壤水份运移，同时提高的传感器使用寿命及试验便捷性。

4.地表土壤张力调节装置的基座为法兰结构，便于拆卸移动，可把地表土壤张力调节装置单独拿到野外模拟控制原状土壤地表土壤张力开展原状土试验。

5.本发明试验土柱结合了控制土壤下边界地下水埋深，可实现模拟控制土壤下边界地下水位条件，土壤水监测，地表水负压控制张力工况，形成了一套新型完整的土壤水运移模拟装置。为包气带运移科研系统提供了一种模拟及观测试验新思路。

附图说明

图1为本发明模拟不同蒸发量下包气带运移规律的试验装置结构示意图。

图2为本发明实施例中地表土壤张力调节装置结构示意图。

图3为本发明实施例中地表土壤张力调节装置局剖剖切三维示意图。

图4为本发明实施例中多节土柱主体的试验装置结构示意图。

100-试验土柱，101-土柱主体，102-土柱底座，103-多孔分流板，104-土柱底部供水接口，105-土壤水分传感器，106-土壤水分自动采集器，107-法兰式套筒，108-供水管，200-地表土壤张力调节装置，210-多孔介质环，211-内多孔保护环，212-外多孔保护环，213-多孔介质陶土环，220-负压腔体，221-真空表，230-真空排水装置，231-负压取水瓶，232-真空泵，240-法兰底座，241-环形排水槽，242-排水孔，243-法兰孔，250-环形壳体，260-环形盖板。

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。

在本发明的描述中，需要说明的是，此装置不限于装置外形大小或外形结构，对使用本种模拟理念及方式的均具有保护效应。

如图1至图3所示，本发明提供一种模拟不同蒸发量下包气带运移规律的试验装置，包括试验土柱100和设于试验土柱100顶部的用于改变试验土柱100顶部内地表试验土壤张力的地表土壤张力调节装置200；

如图2和图3所示，所述地表土壤张力调节装置200包括设于内部与试验土壤接触并在具有水膜情况下透水不透气的多孔介质环210、设于多孔介质环210外侧的负压腔体220和与负压腔体220底部低点处相连的真空排水装置230，通过真空排水装置230改变负压腔体220的真空度，从而改变多孔介质环210内侧土壤的土壤张力。

本实施例中，所述地表土壤张力调节装置200还包括与试验土柱100顶部相连的法兰底座240，所述多孔介质环210包括设于法兰底座240上的内多孔保护环211、外多孔保护环212以及夹在两者之间的多孔介质陶土环213，内、外多孔保护环212均可以采用不锈钢制成，为了多孔介质陶土环213提供抗压保护；所述多孔介质陶土环213在有水膜情况下透水不透气(为土壤张力和渗透迁移领域常用材料，比如CN107064243B记载的陶土材料)；所述外多孔保护环212外侧的法兰底座240上还设有形成负压腔体220的环形壳体250。

使用时，安装好试验土柱100，在试验土柱100顶部安装地表土壤张力调节装置200，然后根据相同规律在地表土壤张力调节装置200内继续填充土壤，往试验土柱100内注水，将地表土壤张力调节装置200的多孔介质环210润湿后，启动真空排水装置230，改变负压腔体220的真空度，即可进行模拟不同蒸发量下包气带运移规律。

作为一种优选实施例，如图3所示，所述环形壳体250包括设于外多孔保护环212外侧法兰底座240上的柱形壳体和设于柱形壳体顶部的环形盖板260，环形壳体250可以采用不锈钢制成作为保护壳体，所述环形盖板260固定在环形壳体250顶部和内多孔保护环211之间，以便在环形壳体250与外多孔保护环212之间形成良好密封性能的负压腔体220，便于调整负压腔体220的真空度，从而达到方便调整多孔介质环210内侧土壤的土壤张力的目的。

作为一种优选实施例，所述多孔介质陶土环213高度为5cm，可尽可能模拟一个厚度5cm的土壤张力均匀体，同样的内、外多孔保护环212也为高度5cm的保护体。

作为一种优选实施例，如图3所示，所述负压腔体220区域的法兰底座240上设于环形排水槽241，所述真空排水装置230通过管道与环形排水槽241相连，通过环形排水槽241能够将通过多孔介质陶土环213渗透过来的水快速排掉。

作为一种优选实施例，如图3所示，所述环形排水槽241为V型截面，所述环形排水槽241上设有若干与真空排水装置230通过管道相连的排水孔242，所述排水孔242在环形排水槽241上均匀分布，更加有利于排水，防止水在环形排水槽241内聚集。

作为一种优选实施例，如图1和图2所示，所述真空排水装置230包括负压泵和负压取水瓶231(采用现有技术即可，具体结构与本发明解决技术问题不影响，因此不再赘述)，所述负压泵、负压取水瓶231和负压腔体220底部的排水孔242依次通过管道相连。

作为一种优选实施例，所述负压腔体220上设有真空表221，以便于实时监测负压腔体220真空度。

作为一种优选实施例，所述试验土柱100包括土柱主体101和土柱底座102，所述土柱主体101固定在土柱底座102上，土柱底座102内设有通往土柱主体101内的土柱底部供水接口104，所述土柱底部供水接口104上方的土柱主体101内设有多孔分流板103，能够模拟地下水均匀稳定从底部入渗。

作为一种优选实施例，所述土柱底部供水接口104加工为锥度状，能够在试验时从底部供水控制不同地下水位或在土柱土体发生入渗后能够排尽土里内的渗漏水。

多孔分流板103上方的土柱主体101通过法兰式套筒107安装若干土壤水分传感器105，比如可以采用CS655/TDR315土壤水分传感器，多个土壤水分传感器105通过土壤水分自动采集器106采集数据，能够实时监测记录每一层水分的变化及水分运移过程。

包气带运移规律试验时，通过土柱底部供水接口104往土柱主体101内注水，水通过多孔分流板103分散后均匀向上迁移，并通过土壤水分传感器105测量土柱主体101内各部分土壤水分。

作为一种优选实施例，土柱主体101侧壁的传感器安装处设置有法兰式套筒107，传感器测针插入埋设在土柱土壤内，传感器电路测量部分可拆卸的安装在法兰式套筒107内，解决了原土柱试验传感器整体埋设在土柱内，过水断面太大，影响了自然的土壤水流向，同时解决了传感器整体长期埋设在土壤内因传感器进水、泥土后出现故障无法在不扰动试验土壤的情况下更换传感器持续进行科研试验。

作为一种优选实施例，如图4所示，所述土柱主体101有多节，每节土柱主体101顶部均设有一个地表土壤张力调节装置200，除了最底部的土柱主体101以外，其余土柱主体101内均只设置若干土壤水分传感器105，通过多个地表土壤张力调节装置200控制试验土体的不同上下边界张力，并配套水分实时监测设备开展包气带的土体不同张力断面运移研究。

还可以将多节土柱主体101通过法兰连接成一个尺度更高的土柱，研究厚包气带环境的模拟运移。

本发明还提供一种具体一种模拟不同蒸发量下包气带运移规律的试验方法，具体步骤如下：

在图1中，土柱主体101为内径280mm高度550mm的有机玻璃土柱，底下安装好配套尺寸的土柱底座102，并在土柱底座102底下安装土柱底部供水接口104；土柱主体101内底部安装好高度5cm的多孔分流板103，然后后按试验土壤的容重分层回填土壤到试验土柱100内，回填到埋设土壤水分传感器105安装位时(有机玻璃土柱表土以下5cm，15cm，25cm，35cm，45cm，65cm)，一边回填土壤一边通过预设于有机玻璃土柱侧壁上的法兰式套筒法兰可拆卸式插入CS655/TDR315土壤水分传感器进入土柱主体101内，并让土柱内试验土壤与CS655/TDR315土壤水分传感器充分接触。

土柱主体101内的试验土壤回填完成后，顶部通过法兰螺丝连接固定地表土壤张力调节装置200；地表土壤张力调节装置200的多孔介质环210湿润后，多孔介质环210内按试验土柱100内土壤规定的土壤容重回填。土壤回填完成后，负压取水瓶231连接负压腔体220，真空泵232连接负压取水瓶231。开启真空泵232并调节对应的土壤地表负压值区间抽取表层土壤的水分，表土土壤水在负压的情况下向外排出，从而改变表土的土壤张力，使土柱内的土壤水分向上补给，表土土壤水分传感器105连接土壤水分自动采集器106CR1000X数据并通电后自动采集土壤水分数据。

模拟完成后，通过数据采集器内自动存储的数据及地表压力控制数据供科研人员分析相关运行规律。

当需要模拟高蒸发量时或者分段模拟试验时，可以将多个土柱主体101叠加起来，每个土柱主体101顶部均设置一个地表土壤张力调节装置200，进行分段模拟不同蒸发量下包气带运移规律试验。

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当中。