CN109884268A - 一种非扰动季节冻土冻融深度监测装置及方法 - Google Patents

一种非扰动季节冻土冻融深度监测装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种非扰动季节冻土冻融深度监测装置及方法。该装置主体由内壳、外壳、顶盖、钻头、冻结深度指示管、表层融化指示管组成；内壳与外壳通过两侧的隔离层固装，上方固装有顶盖，下方固装有钻头，在外壳外侧固装有切土螺旋；在顶盖上安装有冻结深度指示管、表层融化指示管；监测方法包括：注入土样浸泡液，液面稳定后注入油液；将装置旋切入待测地点；监测时计数并计算。本发明结构简单，极寒气候下作业运行稳定可靠，节省劳力，方便固定监测站点周期性观测。

Description

一种非扰动季节冻土冻融深度监测装置及方法
技术领域
本发明创造属于冻土冻融深度测量技术领域，尤其涉及一种非扰动季节冻土冻融深度监测装置及方法。
背景技术
冻土是指零摄氏度以下，并含有冰的各种土壤和岩石。冻土在我国分布非常广阔，多年冻土和季节冻土的总分布面积几乎占了整个国土面积的三分之二。精确测量冻土深度，研究其演变规律，掌握冻土带的消退移动情况，能够为冻土区工程建设、种植结构调整、气候变化等方面研究提供基础数据支持，具有重大的科学意义。
目前，国内外使用的冻土观测方法主要有三种。第一种，冻土器观测法，通过人工摸测放置在地下的装有蒸馏水的橡胶管冻结情况来测量冻土，由于水和土壤比热相差较大，再加上土壤质地、有机质含量和酸碱度等因素的影响，土壤冻结温度与纯水并不相同，此外，在取出橡胶管进行冻土器观测时，会受到外界空气温度影响，破坏橡胶管内热平衡，因此，冻土器观测冻土容易出现偏差，不一定能反映实际冻土深度；第二种，直接测量法(如人工挖掘或钻孔)，具有测量直接、直观的优点，但要纯手工操作，观测劳动强度大，数据观测密度不够，不能实时监测土壤冻融深度及其发展变化，且观测员主观因素影响较大；第三种，遥感法，它实现了对区域甚至全球的大尺度冻土深度观测，但由于冻土受外界温度的影响，往往以多层形式存在，遥感法难以观测到冻土层内部的融冻情况，难以满足精细化的冻土观测需求。
此外，冻结融化过程包括单向冻结、单向融化和双向融化。目前的冻土深度观测方法无法直接测量双向融化过程，即同时测定冻结层上下两个界面的消融深度。
发明内容
本发明创造的目的就是针对上述现有技术存在的问题，提供一种非扰动季节冻土冻融深度监测装置及方法，利用水体液固相变所产生的体积变化来实时反应观测点处冻土冻融深度，特别是可以测定双向融化时期，冻结层上下界面的变化。本发明结构简单，在极寒环境下工作性能稳定可靠，操作简易方便，安装后可在不扰动原土层结构的前提下进行冻土冻融深度的连续观测，实现了节省人工、降低劳动强度的目的。
本发明创造的技术方案是这样实现的：一种非扰动季节冻土冻融深度监测装置，其内壳8与外壳4同心安装，内壳8与外壳4之间通过两侧的隔离层5固装连接，上方固装有顶盖14，下方固装有钻头7，在外壳4外侧固装有切土螺旋6。内壳8、外壳4、隔离层5、顶盖14与钻头7围成储水仓9与储油仓10，所述储水仓9与储油仓10在隔离层5下端尽头处相通；所述储水仓9相接的部分内壳8与外壳4均为热传导性能较好的材料制成；所述储油仓10相接的部分内壳8、外壳4、顶盖14、隔离层5均为热传导性能较差的材料制成。在顶盖14上固装有可以灌水排水的球阀Ⅱ13、表层融化指示管1和冻结深度指示管2；所述表层融化指示管1上安装有球阀Ⅰ3；所述表层融化指示管1与储水仓9相通，球阀Ⅱ13与储水仓9相通，冻结深度指示管2与储油仓10相通；所述冻结深度指示管2上有刻度Ⅰ11，表层融化指示管1上有刻度Ⅱ12。
一种非扰动季节冻土冻融深度监测装置的测量方法，包括如下步骤：
S1：将检测地点的土壤样品充分浸泡搅拌后得到的定量滤液通过球阀Ⅱ13的进水口灌入储水仓9，待储水仓9与储油仓10内水体液面稳定不变后，保持球阀Ⅱ13为开启状态，通过表层融化指示管1注入定量的油液，关闭球阀Ⅰ3，通过冻结深度指示管2注入定量的油液，待油液液面稳定不再下降，关闭球阀Ⅱ13；
S2：通过旋转钻筒把手15，将所述装置旋切入待测地点，直到地面与标准线16平齐为止，记下此时油液液面在刻度尺Ⅰ11上的数值，记为h1；
S3：在测量冻结深度时，读取实时油液液面在刻度尺Ⅰ11处的数值，记为h2，则该时刻的冰层深度H1为：
其中，r1为有冻结深度指示管2半径；S为储水仓9横截面面积。
S4：在冻结深度稳定不再增加后，打开球阀Ⅰ3，油液液面平稳时，记录油液在刻度尺Ⅱ12处的数值，记为h3，随后定期观测记录刻度Ⅱ12上的数值，记为h4，则该时刻表层融化深度H2为：
其中，r2为有表层融化指示管1半径；S为储水仓9横截面面积。
本发明创造结构新颖、合理、简单，在固定监测站点方便周期性观测所需，避免了反复人工挖掘或钻孔带来的劳动力浪费。该装置不但安装简单，作业运行稳定可靠，而且可以减少甚至避免检测地点原状土层的扰动，极大程度地降低了对测量结果的影响，此外，该装置除了具备检测冻结深度的变化外，还可以检测在消融过程中，冻土表层融化的深度。安装拆卸操作简易方便，节省操作人员，劳动强度低。此外，该设备应用水体液固相变体积变化所引起的液位差来测定冻土深度，精度可达毫米级，可以满足科研和工程所需。
附图说明
图1是一种非扰动季节冻土冻融深度监测装置结构示意图；
图2是纵剖面示意图；
图3是1-1剖面侧视图；
图4是2-2剖面侧视图；
图5是顶端侧视图。
图中件号说明：
1、表层融化指示管；2、冻结深度指示管；3、球阀Ⅰ；4、外壳；5、隔离层；6、切土螺旋；7、钻头；8、内壳；9、储水仓；10、储油仓；11、刻度Ⅰ；12、刻度Ⅱ；13、球阀Ⅱ；14、顶盖；15、钻筒把手；16、标准线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明创造实施方案进行详细描述。一种非扰动季节冻土冻融深度监测装置，其内壳8与外壳4同心安装，内壳8与外壳4之间通过两侧的隔离层5固装连接，上方固装有顶盖14，下方固装有钻头7，在外壳4外侧固装有切土螺旋6。内壳8、外壳4、隔离层5、顶盖14与钻头7围成储水仓9与储油仓10，所述储水仓9与储油仓10在隔离层5下端尽头处相通；所述储水仓9相接的部分内壳8与外壳4均为热传导性能较好的材料制成；所述储油仓10相接的部分内壳8、外壳4、顶盖14、隔离层5均为热传导性能较差的材料制成。在顶盖14上固装有可以灌水排水的球阀Ⅱ13、表层融化指示管1和冻结深度指示管2；所述表层融化指示管1上安装有球阀Ⅰ3；所述表层融化指示管1与储水仓9相通，球阀Ⅱ13与储水仓9相通，冻结深度指示管2与储油仓10相通；所述冻结深度指示管2上有刻度Ⅰ11，表层融化指示管1上有刻度Ⅱ12。
在作业使用时，将检测地点的土壤样品充分浸泡搅拌后得到的定量滤液通过球阀Ⅱ13的进水口灌入储水仓9，待储水仓9与储油仓10内水体液面稳定不变后，保持球阀Ⅱ13为开启状态，通过表层融化指示管1注入定量的油液；关闭球阀Ⅰ3，通过冻结深度指示管2注入定量的油液，在油液重力作用下，储油仓10中的水通过储水仓9及球阀Ⅱ13排出，待油液液面在冻结深度指示管2中稳定不再下降，关闭球阀Ⅱ13；通过旋转钻筒把手15，将所述装置旋切入待测地点，直到地面与标准线16平齐为止，记下此时油液液面在刻度尺Ⅰ11上的数值，记为h1；当测量地点土壤由表层开始向下冻结，由于储水仓9相接的部分内壳8与外壳4具有优良的热传导性能，储水仓9中的液体会与土层保持相同的冻结速度，由此保证两者能够同步冻结。储水仓9中水体冻结，体积膨胀，迫使油液受压，油液液面沿着储油仓10及冻结深度指示管2上升。此后，每当需要观测冰厚时，读取油液液面在冻结深度指示管2处的读数即可，在测量冻结深度时，读取实时油液液面在刻度尺Ⅰ11处的数值，记为h2，则该时刻的冰层深度H1为：
其中，r1为有冻结深度指示管2半径；S为储水仓9横截面面积。
冻土层在融化期，具有双向融化的特征，即从表层向下融化及从最大冻结深度向地表融化两方面。在进入融化期前，冻结深度稳定不再增加后，打开球阀Ⅰ3，油液液面平稳时，记录油液在刻度尺Ⅱ12处的数值，记为h3，在融化期定期观测记录刻度Ⅱ12上的数值，记为h4，则该时刻表层融化深度H2为：
其中，r2为有表层融化指示管1半径；S为储水仓9横截面面积。
融化期中冻结深度的变化值可以通过读取实时油液液面在刻度尺Ⅰ11处的数值，记为h5，则该时刻的冰层深度H3为：
其中，r1为有冻结深度指示管2半径；S为储水仓9横截面面积。

Claims (4)

1.一种非扰动季节冻土冻融深度监测装置，其特征在于：内壳(8)与外壳(4)同心安装，内壳(8)与外壳(4)之间通过两侧的隔离层(5)固装连接，上方固装有顶盖(14)，下方固装有钻头(7)，在外壳(4)外侧固装有切土螺旋(6)。
2.根据权利要求1所述的一种非扰动季节冻土冻融深度监测装置，其特征在于：内壳(8)、外壳(4)、隔离层(5)、顶盖(14)与钻头(7)围成储水仓(9)与储油仓(10)，所述储水仓(9)与储油仓(10)在隔离层(5)下端尽头处相通；所述储水仓(9)相接的部分内壳(8)与外壳(4)均为热传导性能较好的材料制成；所述储油仓(10)相接的部分内壳(8)、外壳(4)、顶盖(14)、隔离层(5)均为热传导性能较差的材料制成。
3.根据权利要求1所述的一种非扰动季节冻土冻融深度监测装置，其特征在于：在顶盖(14)上固装有可以灌水排水的球阀Ⅱ(13)、表层融化指示管(1)和冻结深度指示管(2)；所述表层融化指示管(1)上安装有球阀Ⅰ(3)；所述表层融化指示管(1)与储水仓(9)相通，球阀Ⅱ(13)与储水仓(9)相通，冻结深度指示管(2)与储油仓(10)相通；所述冻结深度指示管(2)上有刻度Ⅰ(11)，表层融化指示管(1)上有刻度Ⅱ(12)。
4.根据权利要求1-3所述的一种非扰动季节冻土冻融深度监测装置，其测量方法的特征在于，包括如下步骤：
S1：将检测地点的土壤样品充分浸泡搅拌后得到的定量滤液通过球阀Ⅱ(13)的进水口灌入储水仓(9)，待储水仓(9)与储油仓(10)内水体液面稳定不变后，保持球阀Ⅱ(13)为开启状态，通过表层融化指示管(1)注入定量的油液，关闭球阀Ⅰ(3)，通过冻结深度指示管(2)注入定量的油液，待油液液面稳定不再下降，关闭球阀Ⅱ(13)；
S2：通过旋转钻筒把手(15)，将所述装置旋切入待测地点，直到地面与标准线(16)平齐为止，记下此时油液液面在刻度尺Ⅰ(11)上的数值，记为h1；
S3：在测量冻结深度时，读取实时油液液面在刻度尺Ⅰ(11)处的数值，记为h2，则该时刻的冰层深度H1为：
其中，r1为有冻结深度指示管(2)半径；S为储水仓(9)横截面面积；
S4：在冻结深度稳定不再增加后，打开球阀Ⅰ(3)，油液液面平稳时，记录油液在刻度尺Ⅱ(12)处的数值，记为h3，随后定期观测记录刻度Ⅱ(12)上的数值，记为h4，则该时刻表层融化深度H2为：
其中，r2为有表层融化指示管(1)半径；S为储水仓(9)横截面面积。
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