CN116908412A - 野外土壤蒸发极限深度测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种野外土壤蒸发极限深度测量装置及测量方法，涉及环境科学和水文学实验领域，测量装置包括水分监测筒、防水帽和水分监测组件；水分监测筒底部封闭顶部设开口、侧壁设多个插孔，插孔内插设防漏水堵头；防水帽扣设于其顶部开口；水分监测组件包括数据采集器、供电装置和多个土壤水分传感器；各个土壤水分传感器的探针一一对应地穿过各个防漏水堵头***到筒内；全部土壤水分传感器均与数据采集器连接，数据采集器与供电装置连接；数据采集器将各个土壤水分传感器感应到的土壤水分信息发送至监测平台。本发明结构简单、造价低，可在野外灵活放置，原位测量、远程监测土壤水分的蒸发过程，用于更好地研究该区域土壤蒸发的极限深度。
Description
技术领域
本发明涉及环境科学和水文学实验领域，尤其是涉及一种野外土壤蒸发极限深度测量装置及测量方法。
背景技术
在干旱半干旱地区，裸土蒸发约占年平均蒸发总量的50-70％，随着人类生产活动的增加，对地区水资源生产使用的增加，同时由于采矿和农业生产等活动也会对区内水资源造成一定的破坏，因此，研究土壤蒸发的水动力学过程对半干旱地区水资源平衡和生态环境的保护至关重要。
传统研究土壤蒸发的方法表明，土壤蒸发的动力学过程十分复杂，大致可以分为两个阶段，当包气带水分充足或接近饱和时，土壤蒸发主要受大气控制的影响，属于大气控制阶段；随着蒸发的不断进行，土壤表层逐渐变干，在土壤含水率、水力性质和温度梯度的共同影响下，土壤蒸发逐渐转为受多孔介质水力性质控制的阶段。土壤蒸发的动力学过程受多种因素的影响，例如土壤质地、土壤保持力、大气需求和地下水位埋深等。
现阶段估算土壤蒸发速率的方法不断增加，既包括测量估算方法，也包括建模方法，主要分为实验观测方法、场地观测方法、解析解方法或基于Richards方程完全耦合的物理模型方法。场地观测方法被认为是较为准确的观测方法，其中主要包括蒸渗仪***观测方法、波文比***蒸发观测方法(BC)、涡度相关***蒸发观测方法(EC)和室法***观测方法，这些观测方法中，波文比***蒸发观测方法(BC)和涡度相关***蒸发观测方法(EC)成本较高，受到气象和仪器精度等因素影响较大且造价高昂；蒸渗仪***观测方法是测量土壤蒸发最精确的仪器之一，因为该方法没有任何假定条件，具有原位测量土壤含水率、温度和蒸发量等优点，可在近似真实的自然条件下进行，但该方法修建维护费用高昂，一旦修建便无法移动，灵活性差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种野外土壤蒸发极限深度测量装置及测量方法，缓解现有测量方式存在的非原位测量测量不准确、原位测量仪器受天气因素影响比较大，且造价和维护成本高的问题。
为实现上述目的，本发明实施例采用如下技术方案：
第一方面，本发明实施例提供一种野外土壤蒸发极限深度测量装置，包括水分监测筒、防水帽和水分监测组件。
所述水分监测筒底部封闭顶部设有开口，在所述水分监测筒的侧壁上设有沿所述水分监测筒长度方向间隔设置的多个插孔，各个所述插孔内部插设有防漏水堵头；所述防水帽扣设于所述水分监测筒顶部的开口上；所述水分监测组件包括土壤水分传感器、数据采集器和供电装置；所述土壤水分传感器具有多个，各个所述土壤水分传感器的探针一一对应地穿过各个所述防漏水堵头***到所述水分监测筒的内部；全部所述土壤水分传感器均与所述数据采集器连接，所述数据采集器与所述供电装置连接；所述数据采集器能够接收各个所述土壤水分传感器感应到的土壤水分信息，并将所述土壤水分信息发送至监测平台。
在本实施例的可选实施方式中，较为优选地，所述防水帽包括支架和连接于所述支架顶部的盖帽，所述盖帽呈中间高周边低的形状。
进一步优选地，所述盖帽由透光材料制作而成。
优选地，所述盖帽的剖切面呈多个挡水瓦片结构自中心向对称的两侧方向重叠向下依次排布形成的叠瓦状。
进一步优选地，所述盖帽包括中心圆锥瓦片结构和由上至下依次排列的多个圆锥台状瓦片结构。位于最上方的所述圆锥台状瓦片结构的顶部***位于所述中心圆锥瓦片结构的底部内，且位于最上方的所述圆锥台状瓦片结构的顶部外侧面贴合于所述中心圆锥瓦片结构的底部内侧面；相邻两个所述圆锥台状瓦片结构中，位于下方的所述圆锥台状瓦片结构的顶部***位于上方的所述圆锥台状瓦片结构的底部内，且位于下方的所述圆锥台状瓦片结构的顶部外侧面贴合于位于上方的所述圆锥台状瓦片结构的底部内侧面、位于下方的所述圆锥台状瓦片结构的顶部直径大于位于上方的所述圆锥台状瓦片结构的顶部直径、位于下方的所述圆锥台状瓦片结构的底部直径大于位于上方的所述圆锥台状瓦片结构的底部直径。
在本实施例的可选实施方式中，较为优选地，所述防漏水堵头由胶质材料制成，在防漏水堵头内部设有插针通道，所述插针通道在自由状态下呈闭合状态，在有探针***的状态下被挤压打开以使探针通过。
进一步优选地，在所述防漏水堵头朝向所述水分监测筒外部的一侧设有与所述插针通道连通的接引开口。
在本实施例的可选实施方式中，较为优选地，所述水分监测筒由钢管和钢板焊接封闭制成。
在本实施例的可选实施方式中，较为优选地，所述水分监测组件的供电装置包括太阳能板和蓄电池，所述太阳能板、所述数据采集器和所述土壤水分传感器分别通过电线与所述蓄电池连接。
第二方面，本发明实施例提供一种野外土壤蒸发极限深度测量方法，应用前述实施方式中任一项所述的野外土壤蒸发极限深度测量装置。
所述野外土壤蒸发极限深度测量方法包括以下步骤：
在野外选定土壤区域向下钻出能容纳整个所述水分监测筒且深度深于所述水分监测筒的高度的钻孔，并在向下钻孔的过程中，将土壤按照取出的次序排好；
将插好所述防漏水堵头和所述土壤水分传感器的水分监测筒保持竖直放入所述钻孔中，使所述水分监测筒的上沿距离地面一段距离；
向所述钻孔内壁与所述水分监测筒的外筒壁之间空隙内回填土壤，并将钻孔时按取出次序排好的土壤按原上下层次序填入所述水分监测筒内部，所述水分监测筒的筒内和筒外的全部回填土壤回填至高度与地面相平；
向所述水分监测筒中注水，直至所述水分监测筒内的土壤达到水饱和状态，之后，将所述防水帽扣设于所述水分监测筒顶部的开口上；
将全部所述土壤水分传感器与所述数据采集器连接，将所述数据采集器与所述供电装置连接，通过监测平台监测到所述水分监测筒内自上而下设置的土壤水分传感器感应到的土壤水分含量逐渐减小，以不再减小时的土壤水分传感器所对应的安装深度作为所选区域内土壤水分最大蒸发深度。
本实施例提供的野外土壤蒸发极限深度测量装置及测量方法能够达到的有益效果包括：
(1)装置结构简单、造价低，该装置一旦安装完成即可实现长期、远程智能和高精度的监测，节省大量人力物力；
(2)可在野外灵活放置，原位情况下获得某一区域特定土壤结构的土壤水分最大蒸发深度，切实有效，符合实际；
(3)装置监测精度较高，且能有效隔绝大气降水对于土壤水分的混淆作用，用于更好地研究该区域土壤蒸发的极限深度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的野外土壤蒸发极限深度测量装置的整体结构示意图；
图2为图1中A部位的局部结构放大图；
图3为以图1为正视角度，本发明实施例提供的野外土壤蒸发极限深度测量装置中，防水帽的正视图；
图4为以图1为正视角度，本发明实施例提供的野外土壤蒸发极限深度测量装置中，防水帽的俯视图；
图5为以图1为正视角度，本发明实施例提供的野外土壤蒸发极限深度测量装置中，防漏水堵头的正视图；
图6为以图1为正视角度，本发明实施例提供的野外土壤蒸发极限深度测量装置中，防漏水堵头的侧视图；
图7为以图1为正视角度，本发明实施例提供的野外土壤蒸发极限深度测量装置中，土壤水分传感器的正视图；
图8为以图1为正视角度，本发明实施例提供的野外土壤蒸发极限深度测量装置中，土壤水分传感器的侧视图。
图标：1-水分监测筒；2-防水帽；21-支架；22-盖帽；221-中心圆锥瓦片结构；222-圆锥台状瓦片结构；3-水分监测组件；31-土壤水分传感器；311-探针；32-数据采集器；33-供电装置；4-防漏水堵头；41-插针通道；42-接引开口。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本实施例第一方面提供一种野外土壤蒸发极限深度测量装置，参照图1和图2，该野外土壤蒸发极限深度测量装置包括水分监测筒1、防水帽2和水分监测组件3。
具体地，水分监测筒1底部封闭顶部设有开口，在水分监测筒1的侧壁上设有沿水分监测筒1长度方向间隔设置的多个插孔，各个插孔内部插设有防漏水堵头4；防水帽2扣设于水分监测筒1顶部的开口上；水分监测组件3包括土壤水分传感器31、数据采集器32和供电装置33；土壤水分传感器31具有多个，各个土壤水分传感器31的探针311一一对应地穿过各个防漏水堵头4***到水分监测筒1的内部；全部土壤水分传感器31均与数据采集器32连接，数据采集器32与供电装置33连接；数据采集器32能够接收各个土壤水分传感器31感应到的土壤水分信息，并将土壤水分信息发送至监测平台。
针对本实施例第一方面提供的野外土壤蒸发极限深度测量装置，本实施例第二方面还提供一种野外土壤蒸发极限深度测量方法，该野外土壤蒸发极限深度测量方法需应用实施例一中任一可选实施方式提供的野外土壤蒸发极限深度测量装置进行。
具体地，该野外土壤蒸发极限深度测量方法包括以下步骤：
在野外选定土壤区域向下钻出能容纳整个水分监测筒1且深度略深于水分监测筒1的高度的钻孔，并在向下钻孔的过程中，将土壤按照取出的次序排好；
将插好防漏水堵头4和土壤水分传感器31的水分监测筒1保持竖直放入钻孔中，使水分监测筒1的上沿距离地面4cm-6cm，优选5cm的小段距离；
向钻孔内壁与水分监测筒1的外筒壁之间空隙内回填土壤，并将钻孔时按取出次序排好的土壤按原上下层次序填入水分监测筒1内部，水分监测筒1的筒内和筒外的全部回填土壤回填至高度与地面相平；
向水分监测筒1中注水，直至水分监测筒1内的土壤达到水饱和状态，之后，将防水帽2扣设于水分监测筒1顶部的开口上；
将全部土壤水分传感器31与数据采集器32连接，将数据采集器32与供电装置33连接，长时间静置，期间通过监测平台监测水分监测筒1内自上而下设置的各土壤水分传感器31感应到的土壤水分含量，可监测到这些土壤水分传感器31感应到的土壤水分含量由上至下逐渐减小，以不再减小时的土壤水分传感器31所对应的安装深度作为所选区域内土壤水分最大蒸发深度。该深度表征该地气候条件下，该区域监测点土壤结构中土壤水分最大蒸发深度，对于研究该区域土壤水分的散失、地下水-土壤水-大气水的转化和指定该区域集约高效灌溉方案具有重要指导意义。
其中，较佳地，将数据采集器32浅埋在10cm深度土层处，以确保数据采集的稳定性；另外，实际监测之前还可以进行试监测，测试各结构功能全部正常后再进行实际监测，还可以多次监测求取平均值，以提高监测数据准确度。
本实施例提供的野外土壤蒸发极限深度测量装置及测量方法至少具有如下优点：
(1)装置结构简单、造价低，该装置一旦安装完成即可实现长期、远程智能和高精度的监测，节省大量人力物力；
(2)可在野外灵活放置，原位情况下获得某一区域特定土壤结构的土壤水分最大蒸发深度，切实有效，符合实际；
(3)装置监测精度较高，且能有效隔绝大气降水对于土壤水分的混淆作用，用于更好地研究该区域土壤蒸发的极限深度。
在本实施例的可选实施方式中，较为优选地，如图3和图4所示，防水帽2包括支架21和连接于支架21顶部的盖帽22，盖帽22呈中间高周边低的形状，以快速对雨水进行导流，雨水从盖帽22的下沿流走，而扣设状态下，盖帽22的下沿是低于水分监测筒1的顶部开口上沿的，因而，就可以保证雨水和大气凝结水不会进入防水帽2底部的水分监测筒1内部。
为使筒内土壤的光照条件尽可能地与筒外相同，进一步优选地，使盖帽22由透光有机玻璃或其他透光材料制作，使防水帽2不会遮挡阳光对于水分监测筒1内部土壤的照射。
进一步地，为避免蒸发作用强烈时，水分监测筒1中蒸发的大量水汽在防水帽2中聚集形成高湿区域而影响土壤水分的蒸发，本实施例在保证防水帽2具有快速导流作用、且不会使雨水倒灌到筒内的同时，对防水帽2进行了透风设计，具体地，继续参照图3和图4，使防水帽2中，盖帽22的剖切面呈多个挡水瓦片结构自中心向对称的两侧方向重叠向下依次排布形成的叠瓦状，更进一步优选地，使盖帽22包括中心圆锥瓦片结构221和由上至下依次排列的多个圆锥台状瓦片结构222。位于最上方的圆锥台状瓦片结构222的顶部***位于中心圆锥瓦片结构221的底部内，且位于最上方的圆锥台状瓦片结构222的顶部外侧面贴合于中心圆锥瓦片结构221的底部内侧面；相邻两个圆锥台状瓦片结构222中，位于下方的圆锥台状瓦片结构222的顶部***位于上方的圆锥台状瓦片结构222的底部内，且位于下方的圆锥台状瓦片结构222的顶部外侧面贴合于位于上方的圆锥台状瓦片结构222的底部内侧面、位于下方的圆锥台状瓦片结构222的顶部直径大于位于上方的圆锥台状瓦片结构222的顶部直径、位于下方的圆锥台状瓦片结构222的底部直径大于位于上方的圆锥台状瓦片结构222的底部直径。
在本实施例的可选实施方式中，较为优选地，如图5至图8所示，防漏水堵头4由橡胶或硅胶等胶质材料制成，在防漏水堵头4内部设有插针通道41，插针通道41在自由状态下呈闭合状态，在有探针311***的状态下被挤压打开以使探针311通过，以保证防漏水堵头4允许土壤水分传感器31的探针311进入，同时，不会因为探针311进入造成筒内水土流出。
进一步优选地，在防漏水堵头4朝向水分监测筒1外部的一侧设有与插针通道41连通的接引开口42，以对探针311的***进行导向。
在本实施例的可选实施方式中，较为优选地，水分监测筒1由钢管和钢板焊接封闭制成，易于制造，但要保证焊接密封性能良好，防止漏水。
在本实施例的可选实施方式中，较为优选地，水分监测组件3的供电装置33包括太阳能板和蓄电池，太阳能板、数据采集器32和土壤水分传感器31分别通过电线与蓄电池连接，在太阳能板和蓄电池之间可设支撑杆，电线设于支撑杆内部空腔中或绕支撑杆设置，优选设于支撑杆内部空腔中以对电线进行保护。太阳能板为土壤水分传感器31和数据采集器32提供电能，其中蓄电池可直接集成在数据采集器32上，以使土壤水分传感器31和数据采集器32在晚上和阴雨天保持正常工作。
最后应说明的是：本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分相互参见即可；本说明书中的以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种野外土壤蒸发极限深度测量装置，其特征在于：包括水分监测筒(1)、防水帽(2)和水分监测组件(3)；
所述水分监测筒(1)底部封闭顶部设有开口，在所述水分监测筒(1)的侧壁上设有沿所述水分监测筒(1)长度方向间隔设置的多个插孔，各个所述插孔内部插设有防漏水堵头(4)；
所述防水帽(2)扣设于所述水分监测筒(1)顶部的开口上；
所述水分监测组件(3)包括土壤水分传感器(31)、数据采集器(32)和供电装置(33)；所述土壤水分传感器(31)具有多个，各个所述土壤水分传感器(31)的探针(311)一一对应地穿过各个所述防漏水堵头(4)***到所述水分监测筒(1)的内部；全部所述土壤水分传感器(31)均与所述数据采集器(32)连接，所述数据采集器(32)与所述供电装置(33)连接；
所述数据采集器(32)能够接收各个所述土壤水分传感器(31)感应到的土壤水分信息，并将所述土壤水分信息发送至监测平台。
2.根据权利要求1所述的野外土壤蒸发极限深度测量装置，其特征在于：所述防水帽(2)包括支架(21)和连接于所述支架(21)顶部的盖帽(22)，所述盖帽(22)呈中间高周边低的形状。
3.根据权利要求2所述的野外土壤蒸发极限深度测量装置，其特征在于：所述盖帽(22)由透光材料制作而成。
4.根据权利要求2所述的野外土壤蒸发极限深度测量装置，其特征在于：所述盖帽(22)的剖切面呈多个挡水瓦片结构自中心向对称的两侧方向重叠向下依次排布形成的叠瓦状。
5.根据权利要求3所述的野外土壤蒸发极限深度测量装置，其特征在于：所述盖帽(22)包括中心圆锥瓦片结构(221)和由上至下依次排列的多个圆锥台状瓦片结构(222)；
位于最上方的所述圆锥台状瓦片结构(222)的顶部***位于所述中心圆锥瓦片结构(221)的底部内，且位于最上方的所述圆锥台状瓦片结构(222)的顶部外侧面贴合于所述中心圆锥瓦片结构(221)的底部内侧面；
相邻两个所述圆锥台状瓦片结构(222)中，位于下方的所述圆锥台状瓦片结构(222)的顶部***位于上方的所述圆锥台状瓦片结构(222)的底部内，且位于下方的所述圆锥台状瓦片结构(222)的顶部外侧面贴合于位于上方的所述圆锥台状瓦片结构(222)的底部内侧面、位于下方的所述圆锥台状瓦片结构(222)的顶部直径大于位于上方的所述圆锥台状瓦片结构(222)的顶部直径、位于下方的所述圆锥台状瓦片结构(222)的底部直径大于位于上方的所述圆锥台状瓦片结构(222)的底部直径。
6.根据权利要求1所述的野外土壤蒸发极限深度测量装置，其特征在于：所述防漏水堵头(4)由胶质材料制成，在防漏水堵头(4)内部设有插针通道(41)，所述插针通道(41)在自由状态下呈闭合状态，在有探针(311)***的状态下被挤压打开以使探针(311)通过。
7.根据权利要求6所述的野外土壤蒸发极限深度测量装置，其特征在于：在所述防漏水堵头(4)朝向所述水分监测筒(1)外部的一侧设有与所述插针通道(41)连通的接引开口(42)。
8.根据权利要求1所述的野外土壤蒸发极限深度测量装置，其特征在于：所述水分监测筒(1)由钢管和钢板焊接封闭制成。
9.根据权利要求1所述的野外土壤蒸发极限深度测量装置，其特征在于：所述水分监测组件(3)的供电装置(33)包括太阳能板和蓄电池，所述太阳能板、所述数据采集器(32)和所述土壤水分传感器(31)分别通过电线与所述蓄电池连接。
10.一种野外土壤蒸发极限深度测量方法，其特征在于：应用权利要求1至9中任一项所述的野外土壤蒸发极限深度测量装置，所述野外土壤蒸发极限深度测量方法包括以下步骤：
在野外选定土壤区域向下钻出能容纳整个所述水分监测筒(1)且深度深于所述水分监测筒(1)的高度的钻孔，并在向下钻孔的过程中，将土壤按照取出的次序排好；
将插好所述防漏水堵头(4)和所述土壤水分传感器(31)的水分监测筒(1)保持竖直放入所述钻孔中，使所述水分监测筒(1)的上沿距离地面一段距离；
向所述钻孔内壁与所述水分监测筒(1)的外筒壁之间空隙内回填土壤，并将钻孔时按取出次序排好的土壤按原上下层次序填入所述水分监测筒(1)内部，所述水分监测筒(1)的筒内和筒外的全部回填土壤回填至高度与地面相平；
向所述水分监测筒(1)中注水，直至所述水分监测筒(1)内的土壤达到水饱和状态，之后，将所述防水帽(2)扣设于所述水分监测筒(1)顶部的开口上；
将全部所述土壤水分传感器(31)与所述数据采集器(32)连接，将所述数据采集器(32)与所述供电装置(33)连接，通过监测平台监测到所述水分监测筒(1)内自上而下设置的土壤水分传感器(31)感应到的土壤水分含量逐渐减小，以不再减小时的土壤水分传感器(31)所对应的安装深度作为所选区域内土壤水分最大蒸发深度。
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