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原文传递一种非连续非饱和土壤降雨入渗物理模拟系统及测定方法

专利名称：	一种非连续非饱和土壤降雨入渗物理模拟系统及测定方法
摘要：	本发明提出一种非连续非饱和土壤降雨入渗物理模拟系统及测定方法，包括试验土槽、补排系统和测量系统，所述测量系统包括土壤水势测量单元、土壤水分测量单元、水头测量单元、土壤温度测量单元、土壤水分扩散测量单元、数据采集仪和数据存储电脑；通过本发明系统及测定方法可以有助于研究者更好的理解包气带非饱和渗流实验的相关概念及理解非连续介质条件下包气带降雨入渗优先流，在实际应用中可以测定土壤的渗透系数、土壤基质势、土壤水分水平扩散速度等，利用测定结果推求非饱和土壤水分的扩散率、下渗曲线及运动方程，以及对研究不同塌陷时期土壤特征对包气带水分运移的影响提供了稳定的数据支撑。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	河南;41
申请人：	河南城建学院
发明人：	吴丽;田俊峰;高宏斌;姜忠峰;梁峰;崔弼峰
专利状态：	有效
申请日期：	2019-01-22T00:00:00+0800
发布日期：	2019-05-14T00:00:00+0800
申请号：	CN201910059965.0
公开号：	CN109752303A
代理机构：	北京汇信合知识产权代理有限公司
代理人：	戴凤仪
分类号：	G01N15/08(2006.01);G;G01;G01N;G01N15
申请人地址：	467000 河南省平顶山市新华区龙翔大道
主权项：	1.一种非连续非饱和土壤降雨入渗物理模拟系统，其特征在于：包括试验土槽(1)、补排系统和测量系统，所述试验土槽(1)上方设有横梁(2)，所述横梁(2)下方两端设有液压杆(3)，所述补排系统包括补水装置、排水装置、底部补给装置和顶部补排装置，所述试验土槽(1)两侧分别通过液压杆(3)设有补水装置和排水装置，所述补水装置和排水装置均包括定水头装置(4)、水槽(5)和滤网(6)，所述液压杆(3)一端连接定水头装(4)置，所述试验土槽(1)内侧设有滤网(6)，所述滤网(6)与试验土槽(1)内侧壁之间的空隙为水槽(5)，所述水槽(5)通过连接软管连通定水头装置(4)，所述底部补给装置包括出水管(7)和连通管(8)，所述试验土槽(1)底部设有连通管(8)，所述连通管(8)一端设有出水管(7)，所述出水管(7)两端分别设有进水阀和出水阀，所述出水管(7)靠近进水阀的一端连通定水头装置(4)，所述试验土槽(1)上方设有顶部补排装置，所述顶部补排装置包括降雨模拟器和热辐射补充装置，所述测量系统包括土壤水势测量单元、土壤水分测量单元、水头测量单元、土壤温度测量单元、土壤水分扩散测量单元、数据采集仪和数据存储电脑，所述土壤水势测量单元、土壤水分测量单元、土壤温度测量单元和土壤水分扩散测量单元均通过数据采集仪连接数据存储电脑。 2.根据权利要求1所述的一种非连续非饱和土壤降雨入渗物理模拟系统，其特征在于：所述试验土槽(1)呈为长方体状，所述试验土槽(1)由有机玻璃制成，所述试验土槽(1)内部下方设有渗水层(9)，所述渗水层(9)上方也设有滤网(6)，所述试验土槽内的试验土壤通过滤网(6)与渗水层(9)接触，所述渗水层(9)由上至下包括粗砂层、砾砂层和碎石层，所述粗砂层砂石粒径为0.05-2mm，平均粒径为1mm，所述砾砂层的砾砂粒径为2-20mm，平均粒径为10mm，所述和碎石层的碎石粒径为10-25mm，平均径为18mm。 3.根据权利要求1所述的一种非连续非饱和土壤降雨入渗物理模拟系统，其特征在于：所述降雨模拟器包括降雨水箱(10)、流速计(11)和降雨器(12)，所述横梁(2)上方设有降雨水箱(10)，所述横梁(2)下方通过液压杆(3)设有降雨器(12)，所述降雨水箱(10)底部通过连接软管设有流速计(11)，且所述连接软管一端连通降雨器(12)。 4.根据权利要求1所述的一种非连续非饱和土壤降雨入渗物理模拟系统，其特征在于：所述热辐射补充装置包括红外线照射灯(13)，所述横梁(2)下方通过液压杆(3)设有安装板(14)，所述安装板(14)上通过导线设有红外线照射灯(13)。 5.据权利要求1所述的一种非连续非饱和土壤降雨入渗物理模拟系统，其特征在于：所述土壤水分测量单元包括土壤水分传感器(15)，所述试验土槽(1)内设有土壤水分传感器(15)，所述土壤水分传感器(15)通过数据采集仪连接数据存储电脑。 6.据权利要求1所述的一种非连续非饱和土壤降雨入渗物理模拟系统，其特征在于：所述土壤水势测量单元包括张力计(16)和压力传感器(17)，所述张力计(16)的陶土头前端穿过试验土槽(1)的侧壁填埋于试验土壤中，所述张力计(16)的尾端连接口连接压力传感器(17)，所述张力计(16)通过数据采集仪将压力传感器所测得的张力值存入数据存储电脑的数据库内。 7.据权利要求1所述的一种非连续非饱和土壤降雨入渗物理模拟系统，其特征在于：所述水头测量单元包括水位观测孔(18)和测压管(19)，所述试验土槽(1)侧壁上均匀设有水位观测孔(18)，所示水位观测孔(18)上通过U型软管设有测压管(19)。 8.据权利要求1所述的一种非连续非饱和土壤降雨入渗物理模拟系统，其特征在于：所述土壤温度测量单元包括电源和土壤温度传感器(20)，所述试验土槽内设有土壤温度传感器(20)，所述温度传感器(20)通过数据采集仪将采集的试验土壤温度存入数据存储电脑的数据库内。 9.据权利要求1所述的一种非连续非饱和土壤降雨入渗物理模拟系统，其特征在于：所述土壤水分扩散测量单元包括长度标尺(21)和红外高清摄像机(22)，所述试验土槽(1)侧壁上设有长度标尺(21)，所述试验土槽(1)外侧设有红外高清摄像机(22)。 10.一种非连续非饱和土壤降雨入渗物理测定方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：选择试验地区的土壤作为试验土壤，选择试验土壤时，先对试验地区的土壤进行测定土壤容重、颗粒级配，然后在实验室配置相同容重、级配土样作为试验土壤，试验土壤选择后进行杂质筛除，然后将试验土壤装入试验土槽(1)内；步骤二：利用补水装置的水槽(5)和定水头装置(4)分别模拟河流侧向补给和侧向补给水头，利用排水装置的水槽(5)模拟下游排水渠道排水沟渠的水位，并通过排水装置的定水头装置(4)稳定排水沟渠的水位；步骤三：利用底部补给装置保持水槽(5)内的水头与定水头装置(4)水位一致；步骤四：利用降雨模拟器的流速仪(11)控制降雨水箱(10)的流速，为试验土槽(1)内的试验土壤提供不同雨强的模拟降雨，利用热辐射补充装置红外线照射灯(13)模拟模拟太阳辐射，测定试验土壤的土体表面在不同日照条件下的蒸发过程；步骤五：将土壤水分传感器(15)进行校准，为对比塌陷裂缝对土壤水分的影响，将土壤分成3层，分别于形成的塌陷裂缝处及无裂缝处，然后在同一标高处分层将土壤水分传感器(15)埋入试验土槽(1)内的试验土壤内，测量时打开电源及数据采集仪进行测量土壤水分；步骤六：分别于试验土壤水平方向的每层裂缝处和裂缝0.5m处埋入两个张力计(16)，并在垂直方向处分别于裂缝处和无裂缝处每间隔10cm安装一个张力计(16)，然后将张力计(16)的尾端与压力传感器(17)连接，由压力传感器(17)直接测量张力，将压力传感器(17)直接连接到数据采集仪上，通过数据采集仪自动定时记录土壤中各位置的土水势；步骤七：利用土壤温度传感器(20)测量试验土壤的温度数据，测量时，打开电源，由土壤温度传感器(20)将实时监测数据通过数据采集仪存入数据存储电脑的数据库；步骤八：利用测压管(19)观测试验土槽(1)内实验土壤的入渗水位的高度，再利用土壤水分扩散测量单元的红外高清摄像机(22)实时拍摄试验土槽(1)外侧观测的试验土壤中水平扩散的速度及位置，从而测定土壤水平扩散率，然后沿裂缝处布置土壤水分含水率测样点，并于降雨器(12)停止时利用计时器开始计时并读数，观测并记录湿润锋前进的速度，计时器读数间隔时间为5分钟，通过湿润锋运移过程，绘制湿润锋运移速率与时间的变化曲线；步骤九：根据试验测定结果及非饱和土壤水流的基本方程，推求非连续非饱和土壤水分扩散率，建立均质非连续非饱和土壤水分运动的基本方程，得到降雨条件下土壤水下渗曲线及其经验公式。
所属类别：	发明专利