一种大埋深土壤水动力特征参数测量系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及一种大埋深土壤水动力特征参数测量系统和方法，包括：由刚性材料构成的带有自动恒压加压设施的外层箱体，外层箱体内设置至少一个侧壁由弹性材料构成的样品室，样品室底部固定在外层箱体的底部，并设有能够装入土壤样品的样品口，样品口上设有密封盖，密封盖上设置与水气加压设施连接的进水气口，样品室顶部设有出水气管，样品室顶部处于能够上下浮动的悬浮状态，样品室内土壤样品的顶端和底端分别设置透水石。本发明专利技术利用外层水箱，模拟土壤样品在自然环境下大埋深的状态，并在这种模拟状态下测量土壤样品的饱和与干燥状态两种状态的各种土壤参数，最终获得在大埋深状态下的各种物理参数及其水动力特征参数。

【技术实现步骤摘要】
一种大埋深土壤水动力特征参数测量系统和方法
本专利技术涉及一种大埋深土壤水动力特征参数测量系统和方法，是一种土壤水文测量仪器和方法，是一种对土壤的物理特征参数和水动力参数进行测量的系统和方法。
技术介绍
在土壤水文
，经常需要进行土壤取样以进行土壤水文过程等相关研究。例如，对于研究土壤水文过程而言，土壤物理参数及其水动力特征参数是重要依据。为了获取土壤物理参数及其水动力特征参数，一般采用原状土取样，实验室测定的方式获得。土壤是由固态的土壤颗粒、空隙间的水和空隙等构成的多相介质构成的，由于土壤构成物质的特性不同，一般的土壤在含水量增加的过程中会膨胀，而在失水的过程中会收缩。但是对于埋深较大的土壤，由于深度的增加，土壤受到的土压力也会相应增大，进而使得土壤的水分传输过程中的结构调整受限，从而反过来影响土壤的水分传导等土壤水分特性。因此，为了保证测定的土壤物理参数及其水动力特征参数的准确性，那么在对土壤进行测量的过程中，需要保证采样得到的土壤样品仍然可以维持在相应深度位置时的状态。现有的大埋深土壤渗透系数和水分扩散系数测定方法也无法及时有效地对土壤样品进行加压处理，使土壤样品恢复为大埋深时的状态，进而使测得的土壤渗透系数和水分扩散系数等准确度降低。
技术实现思路
为了克服现有技术的问题，本专利技术提出了一种大埋深土壤水动力特征参数测量系统和方法。所述的系统和方法利用双层水箱模拟地下大埋深的土壤环境，对土壤的物理参数和水动力特征参数进行测量。本专利技术的目的是这样实现的：一种大埋深土壤水动力特征参数测量系统，包括：由刚性材料构成的带有自动恒压加压设施的外层箱体，所述的外层箱体内设置至少一个侧壁由弹性材料构成的样品室，所述的样品室底部固定在外层箱体的底部，并设有能够装入土壤样品的样品口，所述的样品口上设有密封盖，所述密封盖上设置与水气加压设施连接的进水气口，所述的样品室顶部设有出水气管，所述的样品室顶部处于能够上下浮动的悬浮状态，所述的样品室内土壤样品的顶端和底端分别设置透水石。进一步的，所述的自动恒压加压设施包括设在外层水箱内的水压传感器，所述外层水箱顶部连接有水压传感器控制的增压水泵，所述外层水箱底部设有水压传感器控制的泄压阀。进一步的，所述的外层水箱上设有观察设施。进一步的，所述的样品室侧壁设有变形传感器。进一步的，所述的变形传感器包括周向变形传感器和轴向变形传感器。进一步的，所述的样品室中设有称重传感器和干燥度传感器。进一步的，所述的水气加压设施包括带有注水阀和流量计的虹吸管，以及与所述虹吸管连接的高位储水箱，所述的高位储水箱底部的高度超过样品室顶部的高度。进一步的，所述的样品室顶部和底部分别设有散水设施。进一步的，所述的样品室的进水气口连接加热送风器，所述的出水气管连接抽气泵。一种使用上述系统的大埋深土壤水动力特征参数测量方法，所述方法的步骤如下：步骤1，获取土壤样品：在研究区域野外现场取得土壤样品，并测得土壤样品在原位的深度、重量、温度、湿度；步骤2，装入土壤样品：将土壤样品从样品室底部装入样品室中，盖紧密封盖，这时将样品室侧壁的周向变形传感器和轴向变形传感器设置为零，同时通过称重传感器校对样品重量；步骤3，加压：根据野外取得土壤样品的环境计算土壤样品在原位所受到的压力，启动加压设施在外层水箱中注水并达到计算得到的压力，以此模拟土壤样品在原位所受到的压力，这时记录样品室侧壁的变形量，包括周向变形量和轴向变形量；步骤4，注水：开启注水阀，对土壤样品注水，直至出水气管有水流流出，这时土壤样品饱和，关闭注水阀，记录土壤样品饱和的周向变形量和轴向变形量，以及土壤样品饱和时重量和注水量；步骤5，干燥：启动加热送风器和抽气泵，利用热空气的热量使土壤样品中的水分蒸发，观察干燥度传感器，直至土壤样品完全干燥，在送入热空气的同时根据土壤样品的干燥度逐渐调低外侧水箱中的水压；待土壤样品干燥后，记录样品室侧壁的变形量，同时记录土壤样品的重量，并通过饱和与干燥两种状态所测得的数值，计算大埋深条件下的土壤其他物理参数及其水动力特征参数。本专利技术产生的有益效果是：本专利技术利用外层水箱，模拟土壤样品在自然环境下大埋深的状态，并在这种模拟状态下测量土壤样品的饱和与干燥状态两种状态的各种土壤参数，最终获得在大埋深状态下的各种物理参数及其水动力特征参数。所述的系统结构简单，能够实现完全的自动化测量，大大减少了人工的干预，提高了测量精度。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。图1是本专利技术的实施例一所述系统的结构示意图；图2是本专利技术的实施例二所述带有自动恒压加压设施的系统结构示意图；图3是本专利技术的实施例五所述的样品室侧壁的变形传感器结构示意图；图4是本专利技术的实施例七所述的水气加压设施结构示意图；图5是本专利技术的实施例八所述的样品室扩散和收集设施的结构示意图；图6是本专利技术的实施例九所述带有加热设施的样品室结构示意图；图7是本专利技术的实施例十所述的方法的流程图。具体实施方式实施例一：本实施例是一种大埋深土壤水动力特征参数测量系统，如图1所示。本实施例包括：由刚性材料构成的带有自动恒压加压设施1的外层箱体2，所述的外层箱体内设置至少一个侧壁301由弹性材料构成的样品室3，所述的样品室底部302固定在外层箱体的底部，并设有能够装入土壤样品的样品口，所述的样品口上设有密封盖303，所述密封盖上设置与水气加压设施4连接的进水气口，所述的样品室顶部304设有出水气管5，所述的样品室顶部处于能够上下浮动的悬浮状态，所述的样品室内土壤样品6的顶端和底端分别设置透水石305、306。本实施例的基本思路是：利用外层水箱模拟土壤中的压力，对样品室中的土壤样品产生压力，由于在土层中的土壤所受到的压力来自多个方向，即来自四周围和顶部，只有底部是对下面的土壤层产生压力，因此可以忽略不计，因此将整个样品室放在外层水箱的底部，让水压从上方以及四周围对样品室产生压力，这样就可以很好的模拟土壤样品在实际中的真实受压状态。由此可以看出，外层水箱必须由刚性材料构成，并必须具有一定的强度，能够抵抗一定的水压，可以使用钢材或其他金属材料。为了观察方便，可以在外层水箱上设置观察窗，或者使用针孔摄像头等设施对样品室的膨胀伸缩情况进行观察。为使外层水箱内产生实验所需要的压力，本实施例设置了自动恒压加压设施。自动恒压加压设施的作用主要是利用外部的水压使外层水箱内产生恒定的压力。自动恒压加压设施可以有多种形式，例如利用高位水箱中稳定的水位所产生的恒压，或者利用水泵和自动控制系统外层水箱中的水压进行自动控制等。外层水箱的外形可以是立方体或圆柱形、球型等各种形状，但作为低压压力容器，为方便制造，圆柱体是最为现实的设计。样品室是本实施例的关键要素，是主要进行实验的设施。为测定土壤样品在饱和状态和干燥状态的各种参数，样品室中设置了各种传感器，对土壤样品进行观察和测量。在一个外层水箱内可以安装多个样品室，这样可以对多个土壤样品同时进行观测，以提高工作效率。为测量土壤样品的膨胀，本实施例所述的样品室的侧壁使用了带有弹性的柔性材料，样品室的端部和底部还是刚性材料构成，这样样品室可以在两个维度上变形，即在轴向上变形和在外圆周方向（周向）上变形。在这里需要说明的是，样品室的外形是圆柱体，这是因为土壤样品本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大埋深土壤水动力特征参数测量系统，其特征在于，包括：由刚性材料构成的带有自动恒压加压设施的外层箱体，所述的外层箱体内设置至少一个侧壁由弹性材料构成的样品室，所述的样品室底部固定在外层箱体的底部，并设有能够装入土壤样品的样品口，所述的样品口上设有密封盖，所述密封盖上设置与水气加压设施连接的进水气口，所述的样品室顶部设有出水气管，所述的样品室顶部处于能够上下浮动的悬浮状态，所述的样品室内土壤样品的顶端和底端分别设置透水石。

【技术特征摘要】
1.一种大埋深土壤水动力特征参数测量系统，其特征在于，包括：由刚性材料构成的带有自动恒压加压设施的外层箱体，所述的外层箱体内设置至少一个侧壁由弹性材料构成的样品室，所述的样品室底部固定在外层箱体的底部，并设有能够装入土壤样品的样品口，所述的样品口上设有密封盖，所述密封盖上设置与水气加压设施连接的进水气口，所述的样品室顶部设有出水气管，所述的样品室顶部处于能够上下浮动的悬浮状态，所述的样品室内土壤样品的顶端和底端分别设置透水石。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的自动恒压加压设施包括设在外层水箱内的水压传感器，所述外层水箱顶部连接有水压传感器控制的增压水泵，所述外层水箱底部设有水压传感器控制的泄压阀。3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述的外层水箱上设有观察设施。4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述的样品室侧壁设有变形传感器。5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述的变形传感器包括周向变形传感器和轴向变形传感器。6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述的样品室中设有称重传感器和干燥度传感器。7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述的水气加压设施包括带有注水阀和流量计的虹吸管，以及与所述虹吸管连接的高位储水箱，所述的高位储水箱底部的高度超过样品室顶部的高度。8.根据权利要求1-7之一所述的系统，其特征在于，所述的样品室顶部和底部分别设有...

【专利技术属性】
技术研发人员：龚家国，刘佳嘉，郝春沣，杜军凯，彭玕，王英，余弘婧，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11