CN103884635A - 垂直饱和与非饱和土柱入渗试验装置及其试验方法 - Google Patents
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Abstract
一种垂直饱和与非饱和土柱入渗试验装置，包括试验土柱、第一马氏瓶及第二马氏瓶，所述第一马氏瓶连接该试验土柱的底部，所述第二马氏瓶连接该试验土柱的顶部，所述试验土柱包括底部的粗砂部、上部的土壤部、及该粗砂部与土壤部之间垫设一间隔层，所述土壤部装有土壤，所述粗砂部装有粒径为2~7mm的砂砾石，所述土壤部的侧壁沿试验土柱的垂向设若干排取样孔，所述粗砂部设有若干垂直排布的出水孔；本发明还包括一种垂直饱和与非饱和土柱入渗试验装置的试验方法；本发明通过第一马氏瓶、第二马氏瓶、试验土柱的粗砂部及土壤部的设置，准确模拟田间土壤和地下水之间的关系。
Description
技术领域
本发明涉及一种试验装置及其试验方法，尤其涉及一种垂直饱和与非饱和土柱入渗试验装置及其试验方法，主要用于研究地下水位较深时施肥条件下波涌灌溉间歇入渗土壤水分、氮素运移规律及对地下水水质的影响机理。
背景技术
设施农业是通过改变自然环境，获得生物最适生长条件，使农业生产从“资源依存型”转向“科技依存型”的一种手段。由于具有一定的环境调控功能，可不同程度的摆脱不利的自然环境条件与有限土地资源的制约，进行周年生产和空间延伸生产，从而达到提高作物的产量和土地资源的利用率，缓解我国人地矛盾。
然而，为避免设施内土壤环境质量及地下水水质的恶化，如何准确模拟田间土壤和地下水之间的关系，掌握氮素运移规律及对地下水水质的影响，已成为目前待解决的重要课题。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种可以准确模拟田间土壤和地下水之间的关系的垂直饱和与非饱和土柱入渗试验装置及其试验方法。
一种垂直饱和与非饱和土柱入渗试验装置，包括试验土柱、第一马氏瓶及第二马氏瓶，所述第一马氏瓶连接该试验土柱的底部，所述第二马氏瓶连接该试验土柱的顶部，所述试验土柱包括底部的粗砂部、上部的土壤部、及该粗砂部与土壤部之间垫设一间隔层，所述土壤部装有土壤，所述粗砂部装有粒径为2~7mm的砂砾石，所述土壤部的侧壁沿试验土柱的垂向设若干排取样孔，所述粗砂部设有若干垂直排布的出水孔。
一种如上述所述的垂直饱和与非饱和土柱入渗试验装置的试验方法，包括以下步骤：
由所述第一马氏瓶控制1.5米地下水位，当第一马氏瓶中水量在一天内无变化时，判定为上升毛管水稳定；
先通过水槽定额灌水变水头对试验土柱的上部供水，再通过第二马氏瓶进行定水头供水，按照先密后疏的时间间隔通过第二马氏瓶读取累积入渗量，由试验土柱观测垂直湿润深度随入渗时间的变化，在间歇入渗各周期供水阶段末、间歇阶段末与连续入渗的相应时间，以及停水后再分布过程1d、3d、5d、观测土壤含水量、土壤中NO3 --N含量和地下水中NO3 --N含量分布。
与现有技术相比，本发明的垂直饱和与非饱和土柱入渗试验装置及其试验方法通过第一马氏瓶、第二马氏瓶、试验土柱的粗砂部及土壤部的设置，准确模拟田间土壤和地下水之间的关系。
附图说明
图1为本发明的垂直饱和与非饱和土柱入渗试验装置的结构示意图。
图2为图1的排水汇流管的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案能更清晰地表示出来，下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1及图2所示，为本发明的一较佳实施例的垂直饱和与非饱和土柱入渗试验装置100，包括一试验土柱10、连接该试验土柱10的底部的第一马氏瓶20、连接该试验土柱10的顶部的第二马氏瓶30。
该试验土柱10包括一底部的粗砂部11及上部的土壤部12，该粗砂部11与土壤部12之间垫设一间隔层13。在本实施方式中，试验土柱10为中空且底部密封、顶部具有开口的柱体，试验土柱10可采用有机玻璃制成；试验土柱10由下至上分为所述粗砂部11、土壤部12，粗砂部11中装有粒径为2~7mm的砂砾石以模拟地下饱和含水层，土壤部12中装有非饱和均质土壤以模拟田间上层土壤，该试验土样经风干、粉碎、过筛、配水，按设计土壤容重分层（5cm）装土，砂砾石与非饱和均质土壤之间设置间隔层13，以免土壤部12的土壤进入粗砂部11，其中间隔层13为弹性较差的薄海面或过滤纸。
进一步的，排水汇流管40试验土柱10高度为200cm，内径为15cm，该粗砂部11的高度为40cm，试验土柱10的处于粗砂部11的侧壁上设置若干出水孔110，该出水孔110的数量为6个，由上至下垂直排布在粗砂部11的侧壁上，相邻两个出水孔110的间距为5cm。
试验土柱10的处于土壤部12的侧壁沿试验土柱10的垂向设四排取样孔50。每一取样孔50的孔径1.5cm，用橡皮塞封堵。同一排取样孔50中相邻的两个取样孔50的中心间距为5cm，相邻两排取样孔50以垂直孔距2.5cm交叉布置，如此可以避免所取土样间距过大，降低漏测氮素含量峰值的可能性。可以理解地，所述粗砂部11的侧壁上同样设有四排取样孔50，直径间距均与土壤部12的取样孔50相同，并且与所述土壤部12的取样孔50依次排列。
第一马氏瓶20与试验土柱10的底部连接。具体地，试验土柱10的底部设有供水口18，所述第一马氏瓶20连接该供水口18以模拟地下供水***，其中通过调整第一马氏瓶20的进气孔高度实现对地下水位的控制。所述第二马氏瓶30连接所述试验土柱10的顶部，具体地，所述试验土柱10的顶部设有进水口19，所述第二马氏瓶30连接该进水口19。
进一步的，垂直饱和与非饱和土柱入渗试验装置100还包括排水汇流管40，排水汇流管40的一端从排水汇流管***孔110***试验土柱10中，且排水汇流管40的另一端外露在试验土柱10外，该排水汇流管40的***端封闭，外侧端形成排水口41，该排水汇流管40的内径为8mm，该排水汇流管40的孔壁设有孔径为2mm的汇水孔42，以保证取得的地下水样NO3 --N（硝酸盐氮）浓度能代表取样位置处水平面内的平均值。排水汇流管40由铜管制成，且试验前所述排水口41用胶皮管和夹子封堵，避免漏水。
进一步的，为了减轻各周期加水和排水过程对表层土壤致密层的破坏，在试验土柱10的侧壁开设一高0.3cm、宽4.0cm的进（排）水缝（图未标），进（排）水缝靠近试验土柱10的开口，该进（排）水缝的外侧设有水槽16，在供水阶段初期通过烧杯对水槽16加水，在水槽16下部安装放水管嘴161，可以排放周期供水结束后试验土柱10上表面的积水，土壤入渗水量通过第一马氏瓶20读取。
进一步的，本发明还提供一种使用上述垂直饱和与非饱和土柱入渗试验装置100的试验方法，包括如下步骤：
步骤（1）：由第一马氏瓶20控制1.5米地下水位，当第一马氏瓶20中水量在一天内无变化时，判定为上升毛管水稳定；即试验土柱10中水分状况已达到1.5米水位条件下的平衡水分条件；
步骤（2）：先通过水槽16定额灌水变水头对试验土柱10的上部供水，再通过第二马氏瓶30进行定水头供水，按照先密后疏的时间间隔通过第二马氏瓶30读取累积入渗量，由试验土柱10观测垂直湿润深度随入渗时间的变化，在间歇入渗各周期供水阶段末、间歇阶段末与连续入渗的相应时间，以及停水后再分布过程1d、3d、5d、观测土壤含水量、土壤中NO3 --N含量和地下水中NO3 --N含量分布。
其中，步骤（2）中观测垂直湿润深度是通过采用小型土钻对试验土柱10的取样孔50进行取样，对取样进行土壤含水量测定。
本发明的垂直饱和与非饱和土柱入渗试验装置100用于研究的主要内容为：
（1）土壤初始含水率对土壤毛管水上升过程、毛管水上升特性的影响特性研究；
（2）连续入渗和间歇入渗土壤氮素运移特性；分析波涌灌和连续灌条件下, 氮素迁移和转化对地下水环境的影响，建立入渗土壤湿润深度范围内的土壤含水量分布与养分浓度分布间的关系；
（3）波涌灌技术要素（循环率、周期数、周期供水时间）对一定地下水位埋深条件下的土壤含水量分布、氮素运移和转化特性的影响；研究入渗湿润深度范围内土壤含水量和NO3 --N浓度的分布规律；分析氮素运移、转化对地下水中氮浓度及其分布的影响；
（4）施肥方式、灌水定额及施肥量对地下水位埋深150cm土壤水分和氮素运移、转化特性的影响及其氮素运移、转化对地下水环境的影响研究；土壤初始含水率对土壤毛管水上升过程和氮素运移、转化特性的影响。
以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种垂直饱和与非饱和土柱入渗试验装置，包括试验土柱、第一马氏瓶及第二马氏瓶，其特征在于：所述第一马氏瓶连接该试验土柱的底部，所述第二马氏瓶连接该试验土柱的顶部，所述试验土柱包括底部的粗砂部、上部的土壤部、及该粗砂部与土壤部之间垫设一间隔层，所述土壤部装有土壤，所述粗砂部装有粒径为2~7mm的砂砾石，所述土壤部的侧壁沿试验土柱的垂向设若干排取样孔，所述粗砂部设有若干垂直排布的出水孔。
2.如权利要求1所述的垂直饱和与非饱和土柱入渗试验装置，其特征在于：还包括若干排水汇流管，每一排水汇流管水平对应***所述粗砂部的出水孔；每一排水汇流管的***端封闭，外侧端形成排水口，该排水汇流管的孔壁设有若干汇水孔。
3.如权利要求2所述的垂直饱和与非饱和土柱入渗试验装置，其特征在于：所述排水汇流管的内径为8mm，每一汇水孔的孔径为2mm。
4.如权利要求1所述的垂直饱和与非饱和土柱入渗试验装置，其特征在于：所述试验土柱的高度为200cm，内径为15cm；所述粗砂部的高度为40cm，所述出水孔的间距为5cm。
5.如权利要求1所述的垂直饱和与非饱和土柱入渗试验装置，其特征在于：所述每一取样孔的孔径1.5cm，同一排取样孔的中心间距为5cm，相邻两排取样孔以垂直孔距2.5cm交叉布置。
6.如权利要求1所述的垂直饱和与非饱和土柱入渗试验装置，其特征在于：所述间隔层为弹性较差的薄海面或过滤纸。
7.如权利要求1所述的垂直饱和与非饱和土柱入渗试验装置，其特征在于：所述试验土柱的上部一侧壁开设一高0.3cm、宽4.0cm的进水缝，该进水缝的外侧设有水槽，在供水阶段初期通过烧杯对水槽加水，该水槽的下部安装放水管嘴。
8.一种如权利要求1-7中任意一项所述的垂直饱和与非饱和土柱入渗试验装置的试验方法，包括以下步骤：
由所述第一马氏瓶控制1.5米地下水位，当第一马氏瓶中水量在一天内无变化时，判定为上升毛管水稳定；
先通过水槽定额灌水变水头对试验土柱的上部供水，再通过第二马氏瓶进行定水头供水，按照先密后疏的时间间隔通过第二马氏瓶读取累积入渗量，由试验土柱观测垂直湿润深度随入渗时间的变化，在间歇入渗各周期供水阶段末、间歇阶段末与连续入渗的相应时间，以及停水后再分布过程1d、3d、5d、观测土壤含水量、土壤中NO3 --N含量和地下水中NO3 --N含量分布。
9.如权利要求8所述的垂直饱和与非饱和土柱入渗试验装置的试验方法，其特征在于：观测垂直湿润深度是通过采用小型土钻对试验土柱的取样孔进行取样，对取样进行土壤含水量测定。
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