一种实验室中测量动态土壤持水曲线的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种实验室中测量动态土壤持水曲线的装置，包括测量系统和水位生成系统，测量系统和水位生成系统通过细软管连接；钢缆穿过定滑轮，钢缆的一端与套管结构的外圆管连接，另一端与步进电机的转动轴连接，步进电机控制外圆管的升降从而控制水位的升降。可以测量地下水位波动时的土壤水分特征曲线。通过计算机控制步进电机的转速，可以准确方便的控制水位生成系统产生的信号周期，同时消除了传统手动控制周期的不确定性。还公开了一种实验室中测量动态土壤持水曲线的方法，将数据采集器与计算机相连接，即可导出时域反射仪和土壤水势传感器每个时刻所测得的土壤含水量和水势数据，提高了实验的效率和准确性。

A Device and Method for Measuring Dynamic Soil Water Holding Curve in Laboratory

【技术实现步骤摘要】
一种实验室中测量动态土壤持水曲线的装置及方法
本专利技术属于水文学和土壤学领域，具体涉及一种实验室中测量动态土壤持水曲线的装置及方法。
技术介绍
土壤中的非饱和流在很多水文系统和过程中起到重要的作用，特别是对于地下水运动，降雨产流，蒸发和污染物运移。土壤水分特征曲线描述的是土壤含水量或饱和度和基质吸力之间的关系，准确测量土壤持水曲线是量化土壤中非饱和流作用的关键。对于同一种土壤，即使在静态情况下会存在两条不同的土壤持水曲线，即土壤脱水过程中的干线和吸水过程中的湿线，这种现象被称为迟滞现象。现有研究表明，土壤持水曲线会受到地下水位波动的影响，当地下水位以一定的振幅周期性波动时，土壤持水曲线会偏离静态时的干湿曲线，并且偏离的程度会随着波动周期的变化而变化。地下水位波动的现象在自然界中普遍存在，在滨海潜水层中，由于受到潮汐和波浪等海洋动力的影响，滨海潜水层地下水会产生周期性的波动。另外，在内陆水文系统中，大坝周期性的运行也会导致河岸带潜水层地下水周期性的波动。在研究地下水波动的传播时，只有采用对应周期下的土壤水分曲线才会取得较好的模拟结果。因此，需要采用仪器测量地下水波动时的土壤持水曲线。实验室中通常采用离心机测量土壤持水曲线，但是测得土壤持水曲线是静态的，不能考虑水位波动的影响，并且测量过程耗时耗力，获得的数据点还比较少。另外，现有水位生成系统生成的水位波动信号周期都通过手动调节方式控制，不方便设定。
技术实现思路
本专利技术提供了一种实验室中测量动态土壤持水曲线的装置，解决了如何测量地下水位波动时的土壤持水曲线、水位波动信号周期不稳定的技术问题；进一步提供了一种实验室中测量动态土壤持水曲线的方法，解决了实验效率和准确性的问题。为了解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种实验室中测量动态土壤持水曲线的装置，其特征在于：包括测量系统和水位生成系统，测量系统和水位生成系统通过细软管连接；所述测量系统包括插设在土柱上的时域反射仪、土壤水势传感器和孔隙水压力计，时域反射仪、土壤水势传感器和孔隙水压力计均与数据采集器连接；所述测量系统还包括储水柱，所述土柱的底部与储水柱的顶部可拆卸连接，连接处设有滤网结构；所述水位生成系统包括水位柱，水位柱内设有套管结构，用于提供水位升降；所述水位柱的正上方设置有定滑轮，钢缆穿过定滑轮，钢缆的一端与套管结构连接，另一端与步进电机的输出端连接；所述水位柱底端侧面上设有进水管，进水管与水泵连接，水泵用于往水位柱中抽水。进一步地，所述滤网结构包括设有若干通孔的滤板和设置在滤板顶面上的高透水性的土工织物。起到了有效过滤、防止土柱中泥土下沉到储水柱中的作用。进一步地，所述套管结构包括内圆管和外圆管，外圆管套设在内圆管外，内圆管固设在水位柱底部且与粗软管连接，外圆管顶端通过钢棒与钢缆连接。进一步地，所述外圆管的底端侧壁上设有铁块。起到了便于外圆管下降、调节水位的作用。进一步地，所述粗软管一端与所述内圆管连接，另一端与水箱连接。起到了节约用水，、水循环使用的作用。进一步地，所述储水柱的底端侧面与所述水位柱底端侧面通过若干根细软管连接。进一步地，所述水位柱顶端入口处安装有固定支架，固定支架的中间开设有圆孔，圆孔供钢棒穿过。起到了防止钢棒晃动、即防止外圆管晃动的作用。进一步地，所述内圆管和外圆管均为亚克力材质。进一步地，所述水位柱设置在基座上，基座固定于地面上。起到了便于粗软管连接、水位柱稳固的作用。一种实验室中测量动态土壤持水曲线的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、往水箱中加入离子水，直到装满水箱，打开水泵的开关，将水箱中的水抽往水位柱中，并检查水位生成系统是否漏水；S2、通过计算机设置步进电机的转速，使得波动的周期达到预先的设定值，并且通过调节钢缆的长度，使得波动的振幅达到预先的设定值；S3、通过计算机设置时域反射仪、土壤水势传感器和孔隙水压力计的数据读取和记录周期；S4、运行步进电机，使得外圆管升降，通过孔隙水压力计的数据判断生成水位信号是否达到预先设定值；S5、待步进电机运行数个周期后，关闭水泵的阀门，操作步进电机使得外圆管降至水位柱底部，关闭步进电机，从数据采集器导出时域反射仪和土壤水势传感器每一个时刻所测得的土壤含水量和水势数据。本专利技术所达到的有益效果：（1）该装置不仅可以测量静态情况下的土壤水分特征曲线，还可以测量地下水位波动时的土壤水分特征曲线，对于准确模拟水分和污染物在土壤中的运移过程具有重要的意义。（2）钢缆穿过定滑轮，钢缆的一端与套管结构的外圆管连接，另一端与步进电机的输出端连接，步进电机控制外圆管的升降从而控制水位的升降。通过计算机控制步进电机的转速，可以准确方便的控制水位生成系统产生的信号周期，同时消除了传统手动控制周期的不确定性。（3）实验结束后，将自记式的数据采集器与计算机相连接，即可导出时域反射仪和土壤水势传感器每个时刻所测得的土壤含水量和水势数据，提高了实验的效率和准确性。附图说明图1为本专利技术装置的示意图；图2是实施例一的实测土壤水分特征曲线；图3是实施例二的实测土壤水分特征曲线；图4是实施例三的实测土壤水分特征曲线。图中：1-土柱；2-数据采集器；3-时域反射仪；4-土壤水势传感器；5-孔隙水压力计；6-套管结构；7-水箱；8-水泵；9-步进电机；10-滤网结构；11-固定支架；12-定滑轮；13-基座；14-细软管；15-粗软管；16-铁块；17-钢缆；18-钢棒。具体实施方式下面对本专利技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术的技术方案，而不能以此来限制本专利技术的保护范围。如图1所示，一种实验室中测量动态土壤持水曲线的装置，包括测量系统和水位生成系统，测量系统和水位生成系统通过细软管连接。测量系统包括插设在土柱上的时域反射仪、土壤水势传感器和孔隙水压力计。时域反射仪、土壤水势传感器和孔隙水压力计具有较高的测量精度和响应速度、且均与数据采集器连接。测量系统还包括储水柱，土柱的底部与储水柱的顶部通过螺栓可拆卸连接，连接处设有滤网结构。水位生成系统包括水位柱，水位柱内设有套管结构，用于提供水位升降。水位柱的正上方设置有定滑轮，钢缆穿过定滑轮，钢缆的一端与套管结构连接，另一端与步进电机的输出端连接。水位柱底端侧面上设有进水管，进水管与水泵连接，水泵用于往水位柱中抽水。水泵可将水箱中的水抽往水位柱中。套管结构包括内圆管和外圆管，外圆管套设在内圆管外，内圆管固设在水位柱底部且与粗软管连接，外圆管顶端通过钢棒与钢缆连接。步进电机通过自身转动控制套管结构中外圆管的提升或下降。外圆管的底端侧壁上设有铁块。起到了便于外圆管下降、调节水位的作用。本专利技术中内圆管和外圆管均为亚克力材质。粗软管一端与内圆管连接，另一端与水箱连接。起到了节约用水，、水循环使用的作用。水位柱设置在基座上，基座固定于地面上，起到了便于粗软管连接、水位柱稳固的作用。水位柱顶端入口处安装有固定支架，固定支架的中间开设有圆孔，圆孔供钢棒穿过。起到了防止钢棒晃动、即防止外圆管晃动的作用。滤网结构包括设有若干通孔的滤板和设置在滤板顶面上的高透水性的土工织物。起到了有效过滤、防止土柱中泥土下沉到储水柱中的作用。储水柱的底端侧面与水位柱底端侧面通过若干根细软管连接，本专利技术优选5根细软管。实施例一：土柱本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种实验室中测量动态土壤持水曲线的装置，其特征在于：包括测量系统和水位生成系统，测量系统和水位生成系统通过细软管连接；所述测量系统包括插设在土柱上的时域反射仪、土壤水势传感器和孔隙水压力计，时域反射仪、土壤水势传感器和孔隙水压力计均与数据采集器连接；所述测量系统还包括储水柱，所述土柱的底部与储水柱的顶部可拆卸连接，连接处设有滤网结构；所述水位生成系统包括水位柱，水位柱内设有套管结构，用于提供水位升降；所述水位柱的正上方设置有定滑轮，钢缆穿过定滑轮，钢缆的一端与套管结构连接，另一端与步进电机的输出端连接；所述水位柱底端侧面上设有进水管，进水管与水泵连接，水泵用于往水位柱中抽水。

【技术特征摘要】
1.一种实验室中测量动态土壤持水曲线的装置，其特征在于：包括测量系统和水位生成系统，测量系统和水位生成系统通过细软管连接；所述测量系统包括插设在土柱上的时域反射仪、土壤水势传感器和孔隙水压力计，时域反射仪、土壤水势传感器和孔隙水压力计均与数据采集器连接；所述测量系统还包括储水柱，所述土柱的底部与储水柱的顶部可拆卸连接，连接处设有滤网结构；所述水位生成系统包括水位柱，水位柱内设有套管结构，用于提供水位升降；所述水位柱的正上方设置有定滑轮，钢缆穿过定滑轮，钢缆的一端与套管结构连接，另一端与步进电机的输出端连接；所述水位柱底端侧面上设有进水管，进水管与水泵连接，水泵用于往水位柱中抽水。2.根据权利要求1所述的一种实验室中测量动态土壤持水曲线的装置，其特征在于，所述滤网结构包括设有若干通孔的滤板和设置在滤板顶面上的高透水性的土工织物。3.根据权利要求1所述的一种实验室中测量动态土壤持水曲线的装置，其特征在于，所述套管结构包括内圆管和外圆管，外圆管套设在内圆管外，内圆管固设在水位柱底部且与粗软管连接，外圆管顶端通过钢棒与钢缆连接。4.根据权利要求3所述的一种实验室中测量动态土壤持水曲线的装置，其特征在于，所述外圆管的底端侧壁上设有铁块。5.根据权利要求3所述的一种实验室中测量动态土壤持水曲线的装置，其特征在于，所述粗软管一端与所述内圆管连接，另一端与水箱连接。6.根据权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗照阳，孔俊，季智灵，周晨琦，姚昱婷，韩笑，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32