CN111220790A - 原状土分层淋溶采样装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及原状土分层淋溶采样装置，包括原状土体组件、用来收集原状土体组件淋溶液的淋溶液收水装置。本发明实现原状土体淋溶液的取样，避免回填操作对土壤微观结构的破坏，所采集的淋溶液的区域代表性更好。实现初期淋溶液的自动取样，能在无人环境下运行，所采集的水样是穿透上层包气带的初期渗漏的淋溶液，尤其适用于包气带优先流中溶质快速运移和非平衡动力学机理研究。实现土体多个层位淋溶液的同步取样，除了相应层位包气带因素的差异外，每个层位的其它实验条件基本一致，便于解析包气带厚度对淋溶污染物组成及通量的影响。针对受试土壤的分层性质、区域地下水埋深特征，便捷地实现更改整体土柱、分层土柱高度等设计。
Description
技术领域
本发明涉及一种原状土分层淋溶采样装置，属于环境科学、土壤水文试验技术领域。
背景技术
农田过量施肥、农药使用是造成浅层地下水污染的重要原因。土体淋溶采样装置是研究养分、农药、重金属等穿透包气带进入浅层地下水的主要装置。同时，由于农田原状土和回填土间存在土壤结构的差异，尤其是回填操作破坏表层根系、动物孔穴形成的优先通道，影响入渗通量及淋溶液组分。地下水埋深动态变化，即包气带厚度动态变化，改变养分、农药、重金属在入渗水和土壤颗粒间吸附-解吸动力学时间，造成穿透不同厚度包气带的淋溶液中污染物组成和浓度的差异。因此，研究一种原状土分层淋溶采样装置十分必要。
目前，已有部分专利涉及到土柱淋溶采样装置，但是这些装置均未解决前述问题。例如名为“土柱淋溶装置”(申请号201410403212.4，公开号为104215747B)的专利，名为“一种污染物迁移模拟的土柱淋溶装置”(申请号201420645580.5，公开号2014116337U)的专利均采用在外侧设置多个取样口来收集淋溶液，这种装置虽然解决了分层取样的问题，但不能区分收集的淋溶液是穿透上层包气带的淋溶水还是土柱底部蓄满后的出流水。同时，上述装置均采用的是淋溶土柱均为回填土，区域代表性不强。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提供了原状土分层淋溶采样装置，具体技术方案如下：
原状土分层淋溶采样装置，包括原状土体组件、用来收集原状土体组件淋溶液的淋溶液收水装置。
作为上述技术方案的改进，所述原状土体组件包括圆管状上取土容器、设置在上取土容器内部的圆柱状上层原状土体、圆管状中取土容器、设置在中取土容器内部的圆柱状中层原状土体、圆管状下取土容器、设置在下取土容器内部的圆柱状下层原状土体、用来密封下取土容器下端的隔水板，所述上层原状土体的下端面与上取土容器的下端面齐平，所述上层原状土体的上端面与上取土容器的上端面之间设置有缓冲区；所述中层原状土体的上端面与中取土容器的上端面齐平，所述中层原状土体的下端面与中取土容器的下端面齐平；所述上取土容器位于中取土容器的上方，所述上取土容器和中取土容器之间设置有上过滤层，所述上过滤层的外部套设有圆管状上接头，所述上取土容器的下端与中取土容器的上端之间通过上接头连通；所述下层原状土体的上端面与下层原状土体的上端面齐平，所述下取土容器的内部还设填充有位于下层原状土体下方的下过滤层，所述隔水板与下取土容器的下端密封连接，所述隔水板设置在下过滤层的下方；所述下取土容器位于中取土容器的下方，所述下取土容器和中取土容器之间设置有中过滤层，所述中过滤层的外部套设有圆管状下接头，所述下取土容器的上端与中取土容器的下端之间通过下接头连通。
作为上述技术方案的改进，所述淋溶液收水装置包括呈倾斜设置的上收水槽、呈倾斜设置的中收水槽、呈倾斜设置的下收水槽、用来收集上收水槽流出淋溶液的第一集水瓶、用来收集中收水槽流出淋溶液的第二集水瓶、用来收集下收水槽流出淋溶液的第三集水瓶，所述上收水槽的上端设置在上过滤层的内部，所述上接头的侧壁设置有供上收水槽下端进出的第一安装孔，所述上收水槽的下端设置在上接头的外部，所述上收水槽的下端与第一集水瓶之间设置有第一排水管，所述上收水槽的下端与第一集水瓶的内腔之间通过第一排水管连通；所述中收水槽的上端设置在中过滤层的内部，所述下接头的侧壁设置有供中收水槽下端进出的第二安装孔，所述中收水槽的下端设置在下接头的外部，所述中收水槽的下端与第二集水瓶之间设置有第二排水管，所述中收水槽的下端与第二集水瓶的内腔之间通过第二排水管连通；所述下收水槽的上端设置在下过滤层的内部，所述下取土容器的侧壁设置有供下收水槽下端进出的第三安装孔，所述下收水槽的下端设置在下取土容器的外部，所述下收水槽的下端与第三集水瓶之间设置有第三排水管，所述下收水槽的下端与第三集水瓶的内腔之间通过第三排水管连通。
作为上述技术方案的改进，所述上收水槽、中收水槽、下收水槽之间相互错开布置。
作为上述技术方案的改进，所述上收水槽的横截面为弧形，所述中收水槽的横截面为弧形，所述下收水槽的横截面为弧形。
作为上述技术方案的改进，所述上收水槽与第一安装孔之间为间隙配合，所述中收水槽与第二安装孔之间为间隙配合，所述下收水槽与第三安装孔之间为间隙配合。
作为上述技术方案的改进，所述淋溶液收水装置还包括与第一集水瓶相连的第一气管、与第二集水瓶相连的第二气管、与第三集水瓶相连的第三气管，所述第一气管的尾端设置在第一集水瓶的内部，所述第一气管的首端与上取土容器的上端齐平，所述第二气管的尾端设置在第二集水瓶的内部，所述第二气管的首端与上取土容器的上端齐平，所述第三气管的尾端设置在第三集水瓶的内部，所述第三气管的首端与上取土容器的上端齐平。
作为上述技术方案的改进，所述上过滤层、中过滤层和下过滤层均采用粒径为0.5-1.2mm的细石英砂填充；所述上过滤层的高度、中过滤层的高度和下过滤层的高度均为5-10cm。
本发明的有益效果：
1、实现原状土体淋溶液的取样，避免回填操作对土壤微观结构的破坏，所采集的淋溶液的区域代表性更好。
2、实现初期淋溶液的自动取样，能在无人环境下运行，所采集的水样是穿透上层包气带的初期渗漏的淋溶液，尤其适用于包气带优先流中溶质快速运移和非平衡动力学机理研究。
3、实现土体多个层位淋溶液的同步取样，除了相应层位包气带因素的差异外，每个层位的其它实验条件基本一致，便于解析包气带厚度对淋溶污染物组成及通量的影响。
4、针对受试土壤的分层性质、区域地下水埋深特征，便捷地实现更改整体土柱、分层土柱高度等设计。
5、通过第三气管的水头高度，直观查看土柱(即上层原状土体、中层原状土体和下层原状土体的总和)内蓄水高度，当蓄水高度低于第二集水槽高度时，即可说明所收集的淋溶液并非来自于土柱底部蓄满后的出流水，解决了所收集的淋溶液是穿透上层包气带的淋溶水而非土柱底部蓄满后的出流水的技术难题。
附图说明
图1为本发明所述原状土分层淋溶采样装置的结构示意图；
图2为本发明所述上取土容器、上接头、中取土容器、下接头、下取土容器、隔水板的连接示意图；
图3为本发明所述上收水槽、中收水槽、下收水槽的分布示意图；
图4为本发明所述上收水槽的剖面示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1所示，所述原状土分层淋溶采样装置，包括原状土体组件、用来收集原状土体组件淋溶液的淋溶液收水装置。
如图1、2所示，所述原状土体组件包括圆管状上取土容器21、设置在上取土容器21内部的圆柱状上层原状土体2、圆管状中取土容器41、设置在中取土容器41内部的圆柱状中层原状土体4、圆管状下取土容器61、设置在下取土容器61内部的圆柱状下层原状土体6、用来密封下取土容器61下端的隔水板8，所述上层原状土体2的下端面与上取土容器21的下端面齐平，所述上层原状土体2的上端面与上取土容器21的上端面之间设置有缓冲区1；所述中层原状土体4的上端面与中取土容器41的上端面齐平，所述中层原状土体4的下端面与中取土容器41的下端面齐平；所述上取土容器21位于中取土容器41的上方，所述上取土容器21和中取土容器41之间设置有上过滤层3，所述上过滤层3的外部套设有圆管状上接头9，所述上取土容器21的下端与中取土容器41的上端之间通过上接头9连通；所述下层原状土体6的上端面与下层原状土体6的上端面齐平，所述下取土容器61的内部还设填充有位于下层原状土体6下方的下过滤层7，所述隔水板8与下取土容器61的下端密封连接，所述隔水板8设置在下过滤层7的下方；所述下取土容器61位于中取土容器41的下方，所述下取土容器61和中取土容器41之间设置有中过滤层5，所述中过滤层5的外部套设有圆管状下接头10，所述下取土容器61的上端与中取土容器41的下端之间通过下接头10连通。
其中，所述上过滤层3、中过滤层5和下过滤层7均采用粒径为0.5-1.2mm的细石英砂填充；所述上过滤层3的高度、中过滤层5的高度和下过滤层7的高度均为5-10cm。
如图1所示，所述淋溶液收水装置包括呈倾斜设置的上收水槽11、呈倾斜设置的中收水槽12、呈倾斜设置的下收水槽13、用来收集上收水槽11流出淋溶液的第一集水瓶14、用来收集中收水槽12流出淋溶液的第二集水瓶15、用来收集下收水槽13流出淋溶液的第三集水瓶16，所述上收水槽11的上端设置在上过滤层3的内部，所述上接头9的侧壁设置有供上收水槽11下端进出的第一安装孔，所述上收水槽11的下端设置在上接头9的外部，所述上收水槽11的下端与第一集水瓶14之间设置有第一排水管19，所述上收水槽11的下端与第一集水瓶14的内腔之间通过第一排水管19连通；所述中收水槽12的上端设置在中过滤层5的内部，所述下接头10的侧壁设置有供中收水槽12下端进出的第二安装孔，所述中收水槽12的下端设置在下接头10的外部，所述中收水槽12的下端与第二集水瓶15之间设置有第二排水管20，所述中收水槽12的下端与第二集水瓶15的内腔之间通过第二排水管20连通；所述下收水槽13的上端设置在下过滤层7的内部，所述下取土容器61的侧壁设置有供下收水槽13下端进出的第三安装孔，所述下收水槽13的下端设置在下取土容器61的外部，所述下收水槽13的下端与第三集水瓶16之间设置有第三排水管23，所述下收水槽13的下端与第三集水瓶16的内腔之间通过第三排水管23连通。
如图3所示，所述上收水槽11、中收水槽12、下收水槽13之间相互错开布置。
如图4所示，所述上收水槽11的横截面为弧形，所述中收水槽12的横截面为弧形，所述下收水槽13的横截面为弧形。
进一步地，为方便安装并同时防止细石英砂泄露；所述上收水槽11与第一安装孔之间为间隙配合，所述中收水槽12与第二安装孔之间为间隙配合，所述下收水槽13与第三安装孔之间为间隙配合。
进一步地，所述淋溶液收水装置还包括与第一集水瓶14相连的第一气管18、与第二集水瓶15相连的第二气管22、与第三集水瓶16相连的第三气管25，所述第一气管18的尾端设置在第一集水瓶14的内部，所述第一气管18的首端与上取土容器21的上端齐平，所述第二气管22的尾端设置在第二集水瓶15的内部，所述第二气管22的首端与上取土容器21的上端齐平，所述第三气管25的尾端设置在第三集水瓶16的内部，所述第三气管25的首端与上取土容器21的上端齐平。
通过设置第一气管18并且第一气管18的首端与上取土容器21的上端齐平，即使上层原状土体2处积水，也能够避免第一集水瓶14内部的水流出。同理，通过设置第二气管22且所述第二气管22的首端与上取土容器21的上端齐平，即使中层原状土体4处积水，也能够避免第二集水瓶15内部的水流出。同理，通过设置第三气管25且第三气管25的首端与上取土容器21的上端齐平，即使下层原状土体6处积水，也能够避免第三集水瓶16内部的水流出。
所述缓冲层1设置的目的是为了控制地表径流流失，缓冲层1的高度为3-5cm。所述上取土容器21、中取土容器41和下取土容器61均由UPVC管材制成。上层原状土体2、中层原状土体4和下层原状土体6的土体高度以土壤剖面层状分布特征确定，他们的半径均为20-30cm，他们的壁厚均为0.3-0.5cm。所述隔水板8用PVC板材制成，厚度0.3-0.5cm。所述第一气管18、第二气管22、第三气管25、第一排水管19、第二排水管20和第三排水管23均选用PE管，管内径为6-10mm。
所述上层原状土体2和上接头9、中层原状土体4和上接头9、下层原状土体6和下接头10、中层原状土体4和下接头10、下层原状土体6和隔水板8等所有的接缝均用热熔胶棒做防渗处理。
进一步地，在隔水板8和下取土容器61的下方设置有支撑台17。
实施例2
结合实施例1对“降雨条件下砂姜黑土氮素流失机理研究”对本发明进行进一步描述：
砂姜黑土表层土壤大孔隙发育、深层土壤含有砂姜，由于回填扰动改变了砂姜黑土上述结构特征，而且回填土恢复到自然条件需要漫长的时间，因此以野外采装原状土开展淋溶实验的区域代表性更好、更加便捷。相似地，文献“富营养化河水灌溉对稻田土壤氮磷养分贡献的影响——以太湖地区黄泥土为例”，对比分析了原状土和回填土的氮素淋失形态，发现原状土氮素流失量均低于原状土，原因在于回填土破坏了土壤层次结构。
野外取原状砂姜黑土土柱3层，分层高度分别为0.3m、0.2m、0.5m，分别对应上层原状土体2、中层原状土体4、下层原状土体6。装柱完成后首先进行土体稳定工作，通过人工降雨布水器布水，水源为去离子水，雨强为40mm/h，待第一气管18、第二气管22、第三气管25均充满水后，停止布水；这样淋洗操作的作用是：保证原状砂姜黑土土柱内部所有孔隙都蓄满水，从而提高淋洗效果。打开下集水瓶16，利用第三排水管23排空原状土体内蓄积的水；待第三排水管23无水流出后，重复进行上述淋溶操作，反复淋溶10次；反复淋洗后，使得后续淋溶液的指标稳定。
实验选择作物为玉米，品种为登海618，单个测筒种植1棵玉米，施用50kg/亩的玉米专用肥作为底肥。淋溶实验开展前，原状土体已经过反复淋洗、稳定处理。每组实验开展前，均用去离子水洗净第一集水瓶14、第二集水瓶15、第三集水瓶16，雨停后收取第一集水瓶14、第二集水瓶15、第三集水瓶16内部的淋溶液，送检化验硝态氮、铵态氮等水质指标。
人工降雨实验控制雨强60mm/h，待第一集水瓶14、第二集水瓶15、第三集水瓶16均收集满初期淋溶液后停止降雨，收集了玉米苗期(株高2-3cm)、成熟期(株高1.8m)初期淋溶液，记录集水瓶(第一集水瓶14、第二集水瓶15、第三集水瓶16)采集淋溶液的开始时间作为初始渗漏时间，两组实验期间集水瓶均能很好的收集淋溶液，氨氮、硝氮的检测结果见表1。结果显示，越往下端初始渗漏时间越大，符合入渗锋前进速度规律，同时第三气管25上端的水头低于第二集水槽12上端的高度，说明柱体内并未蓄满水，反映出集水瓶收集的水样是对应集水槽上端淋溶下来的淋溶液。苗期的初期淋溶液中氨氮、硝氮的浓度远高于成熟期的浓度，主要受玉米专用肥的施肥影响；区内氮素流失以硝氮流失为主；越往深层淋溶液浓度越低，受包气带吸附-解吸影响，上层的淋溶液中的氮素被下层土壤颗粒吸附，反映了包气带对氮素流失的阻隔效应。
表1
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.原状土分层淋溶采样装置，其特征在于：包括原状土体组件、用来收集原状土体组件淋溶液的淋溶液收水装置。
2.根据权利要求1所述的原状土分层淋溶采样装置，其特征在于：所述原状土体组件包括圆管状上取土容器(21)、设置在上取土容器(21)内部的圆柱状上层原状土体(2)、圆管状中取土容器(41)、设置在中取土容器(41)内部的圆柱状中层原状土体(4)、圆管状下取土容器(61)、设置在下取土容器(61)内部的圆柱状下层原状土体(6)、用来密封下取土容器(61)下端的隔水板(8)，所述上层原状土体(2)的下端面与上取土容器(21)的下端面齐平，所述上层原状土体(2)的上端面与上取土容器(21)的上端面之间设置有缓冲区(1)；所述中层原状土体(4)的上端面与中取土容器(41)的上端面齐平，所述中层原状土体(4)的下端面与中取土容器(41)的下端面齐平；所述上取土容器(21)位于中取土容器(41)的上方，所述上取土容器(21)和中取土容器(41)之间设置有上过滤层(3)，所述上过滤层(3)的外部套设有圆管状上接头(9)，所述上取土容器(21)的下端与中取土容器(41)的上端之间通过上接头(9)连通；所述下层原状土体(6)的上端面与下层原状土体(6)的上端面齐平，所述下取土容器(61)的内部还设填充有位于下层原状土体(6)下方的下过滤层(7)，所述隔水板(8)与下取土容器(61)的下端密封连接，所述隔水板(8)设置在下过滤层(7)的下方；所述下取土容器(61)位于中取土容器(41)的下方，所述下取土容器(61)和中取土容器(41)之间设置有中过滤层(5)，所述中过滤层(5)的外部套设有圆管状下接头(10)，所述下取土容器(61)的上端与中取土容器(41)的下端之间通过下接头(10)连通。
3.根据权利要求2所述的原状土分层淋溶采样装置，其特征在于：所述淋溶液收水装置包括呈倾斜设置的上收水槽(11)、呈倾斜设置的中收水槽(12)、呈倾斜设置的下收水槽(13)、用来收集上收水槽(11)流出淋溶液的第一集水瓶(14)、用来收集中收水槽(12)流出淋溶液的第二集水瓶(15)、用来收集下收水槽(13)流出淋溶液的第三集水瓶(16)，所述上收水槽(11)的上端设置在上过滤层(3)的内部，所述上接头(9)的侧壁设置有供上收水槽(11)下端进出的第一安装孔，所述上收水槽(11)的下端设置在上接头(9)的外部，所述上收水槽(11)的下端与第一集水瓶(14)之间设置有第一排水管(19)，所述上收水槽(11)的下端与第一集水瓶(14)的内腔之间通过第一排水管(19)连通；所述中收水槽(12)的上端设置在中过滤层(5)的内部，所述下接头(10)的侧壁设置有供中收水槽(12)下端进出的第二安装孔，所述中收水槽(12)的下端设置在下接头(10)的外部，所述中收水槽(12)的下端与第二集水瓶(15)之间设置有第二排水管(20)，所述中收水槽(12)的下端与第二集水瓶(15)的内腔之间通过第二排水管(20)连通；所述下收水槽(13)的上端设置在下过滤层(7)的内部，所述下取土容器(61)的侧壁设置有供下收水槽(13)下端进出的第三安装孔，所述下收水槽(13)的下端设置在下取土容器(61)的外部，所述下收水槽(13)的下端与第三集水瓶(16)之间设置有第三排水管(23)，所述下收水槽(13)的下端与第三集水瓶(16)的内腔之间通过第三排水管(23)连通。
4.根据权利要求3所述的原状土分层淋溶采样装置，其特征在于：所述上收水槽(11)、中收水槽(12)、下收水槽(13)之间相互错开布置。
5.根据权利要求3所述的原状土分层淋溶采样装置，其特征在于：所述上收水槽(11)的横截面为弧形，所述中收水槽(12)的横截面为弧形，所述下收水槽(13)的横截面为弧形。
6.根据权利要求3所述的原状土分层淋溶采样装置，其特征在于：所述上收水槽(11)与第一安装孔之间为间隙配合，所述中收水槽(12)与第二安装孔之间为间隙配合，所述下收水槽(13)与第三安装孔之间为间隙配合。
7.根据权利要求1所述的原状土分层淋溶采样装置，其特征在于：所述淋溶液收水装置还包括与第一集水瓶(14)相连的第一气管(18)、与第二集水瓶(15)相连的第二气管(22)、与第三集水瓶(16)相连的第三气管(25)，所述第一气管(18)的尾端设置在第一集水瓶(14)的内部，所述第一气管(18)的首端与上取土容器(21)的上端齐平，所述第二气管(22)的尾端设置在第二集水瓶(15)的内部，所述第二气管(22)的首端与上取土容器(21)的上端齐平，所述第三气管(25)的尾端设置在第三集水瓶(16)的内部，所述第三气管(25)的首端与上取土容器(21)的上端齐平。
8.根据权利要求3所述的原状土分层淋溶采样装置，其特征在于：所述上过滤层(3)、中过滤层(5)和下过滤层(7)均采用粒径为0.5-1.2mm的细石英砂填充；所述上过滤层(3)的高度、中过滤层(5)的高度和下过滤层(7)的高度均为5-10cm。
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