技术领域
[0001] 本
发明提供了一种大型包气带土壤非饱和渗流物理模拟装置，主要用于模拟不同补排条件下的土壤
水流与溶质运移过程，属于水文地质研究领域。
背景技术
[0002] 我国的可耕地面积不断减少，近年来由于不良
灌溉和
淡水缺乏，更是使土壤发生严重的次生盐
碱化，威胁着农业的可持续发展，更是威胁着我国21世纪14亿人口的粮食需求。当前农业生产上的重要问题——洗盐和防止盐分积累、调控土壤水盐以适应作物的要求、土壤养分的保持等则是这一问题的核心之一。要理解这一核心问题，不同补排条件的土壤水流与溶质运移的研究就显得尤为重要。它既是研究土壤盐渍化发生和改良的理论
基础，又是干旱、半干旱地区农业和生态环境、地质环境保护及国土
整治的主要理论依据之一。作为此类问题的重要研究方法，室内物理模拟仪具有很多优点，做为物理模拟的主要工具，
地下水模拟装置影响着物理模拟研究领域的发展，近年来，国内外涌现了一大批这类的装置。
[0003] 例如，由前人研制的室内一维土柱，它可以模拟包气带土壤非饱和渗流，能模拟一维水动
力弥散，但是该仪器只能模拟一维流动；又如由前人研制的地下水污染模拟槽，该装置可以模拟多个含水层的溶质运移过程，也可以模拟二维土壤水流，但是其尺寸太小，不能完全模拟野外实际情况，不能进行多种参数的同时在线监测。
[0004] 从前人的研究中反映出目前的包气带土壤非饱和渗流物理模拟装置存在如下几个
缺陷：1、尺度小，其边壁对土壤水流与溶质运移过程影响大，使得试验缺乏代表性，也很难满足模型的边界条件；2、渗流场太小，不能模拟复杂的包气带水文地质条件，不能较准确的反映野外真实地质条件；3、不能做到多种参数的同时测定和在线监测；4、不能对非饱和带渗流和溶质运移同时进行模拟研究。
[0005] 近年来，各个领域都尝试运用物理模拟方法分析解决实际问题，而包气带土壤非饱和渗流是研究和解决包气带水文地质环境地质问题的核心理论基础，构建更接近野外真实水文地质条件的大尺度复杂物理模型是包气带水文
地质学物理模拟发展的趋势。
发明内容
[0006] 本发明提供了一种大型包气带土壤非饱和渗流物理模拟装置，不仅解决了上述
现有技术中的不足，而且其测定方便，误差小。
[0007] 实现本发明上述目的所采用的技术方案为：
[0008] 一种大型包气带土壤非饱和渗流物理模拟装置，至少包括试验土槽、补排系统和测量系统，试验土槽内部盛装有试验土壤，所述的补排系统包括侧向补排单元、底部补排单元以及顶部补排单元，侧向补排单元由分别安装于试验土槽两
侧壁上的补水装置和排水装置组成，其中补水装置和排水装置均包括水槽、滤网和水箱，滤网位于试验土槽内且与试验土壤
接触，水槽位于滤网和试验土槽的内壁之间，水箱安装于试验土槽的外壁上且其高度能够进行调节，水箱通过水管与水槽连通；底部补排单元包括通水管和连接管，通水管的两端分别设有进水
开关和出水开关，连接管至少设有一根，连接管的一端与通水管连通，连接管的另一端与试验土槽的底部连通；顶部补排单元包括降雨装置、
蒸发装置以及积水入渗装置，降雨装置包括降雨水箱和
覆盖于试验土槽上方的降雨器，降雨水箱通过水管与降雨器连通；蒸发装置包括位于试验土槽上方的
灯座、
导线以及安装于灯座上的红外灯；测量系统包括土壤溶质测量单元、土壤水分测量单元、土壤水势测量单元和地下水位测量单元。
[0009] 试验土槽呈长方体状，由
铁板
焊接而成。
[0010] 补水装置和排水装置上的水箱均通过升降架安装于试验土槽的侧壁上，所述的升降架固定于试验土槽的侧壁上。
[0011] 底部补排单元中的连接管设有两根，底部补排单元上还设有平衡层，平衡层位于试验土槽的底部，平衡层的上方设有滤网，平衡层通过滤网与试验土壤接触，所述的平衡层由沙石组成，且沙石的粒径由上至下逐渐增大。
[0012] 降雨器由有机玻璃制成，降雨器的
底板上均匀的设有出水针头；降雨装置中还包括有升降杆，降雨水箱安装于升降杆上。
[0013] 积水入渗装置包括升降杆、入渗水箱、流量计、入渗开关以及量筒，入渗水箱安装于升降杆上，入渗水箱通过水管与试验土槽上的渗水入口连通，水管上设有流量计和入渗开关，量筒位于试验土槽上的渗水出口的下方，所述的渗水入口和渗水出口均位于试验土壤的上表面的上方。
[0014] 所述的土壤溶质测量单元包括溶质成分测量装置和溶液浓度测量装置，溶质成分测量装置主要由土壤溶液取样器和化学分析仪器组成；土壤溶液取样器由吸杯、
采样瓶、缓冲瓶和
真空泵组成，四者通过
硅胶管依次连接；所述的吸杯由陶瓷头和聚酯管组成，陶瓷头位于试验土壤的内部，聚酯管穿过试验土槽的侧壁与硅胶管连通，聚酯管与试验土槽的接触部位采用
橡胶圈密封；溶液浓度测量装置由位于试验土壤内部的盐分
传感器以及通过导线与盐分传感器连接的电导率仪组成。
[0015] 土壤水分测量单元由
电阻法测量装置和
中子散射法测量装置组成，其中电阻法测量装置由
石膏块和水分测定仪组成，石膏块均匀分布于试验土壤中，水分测定仪通过导线与石膏块连接；中子散射法测量装置包括土壤水分中子仪和测管组成，测管设有三根，均匀分布于试验土槽内。
[0016] 土壤水势测量单元包括
张力计管、
电子张力计、
压力传感器以及
数据采集仪，张力计管的首段穿过试验土槽的侧壁埋填于试验土壤中，且张力计管的首端为多孔的陶瓷头，张力计管的尾端设有两个连
接口，其中一个连接口与压力传感器连接，压力传感器与数据采集仪连接；另一连接口上设有橡胶塞，电子张力计上的探针能够穿过橡胶塞进入张力计管内直接测量张力。
[0017] 地下水位测量单元包括均匀的安装于试验土槽底部的5根测压管，测压管的一端位于试验土槽的内部。
[0018] 本发明提供的大型包气带土壤非饱和渗流物理模拟装置有以下优点：1、有助于研究者更好的理解包气带非饱和渗流实验中的相关概念和溶质运移等理论，在试验过程中通过改变实验条件可以提高研究者的动手能力。2、在实际运用中可以测定土体的渗透系数和弥散系数等，并可研究不同灌溉方法对土壤性质的影响。3、在科研中可深入研究不同溶液淋滤对土壤结构的影响、壤中流对包气带土体和地下水的影响，还可适用于包气带
水文学的相关领域中的参数测定，如水污染评价、
海水入侵、节水灌溉等。总之，该仪器具有广泛的应用前景和继续开发的功能。
附图说明
[0019] 图1为本发明提供的大型包气带土壤非饱和渗流物理模拟装置的整体结构示意图；
[0020] 图2为侧向补排单元的结构示意图；
[0021] 图3为底部补排单元的结构示意图；
[0022] 图4为降雨装置的结构示意图；
[0023] 图5为积水入渗装置的结构示意图；
[0024] 图6为土壤溶液取样器的结构示意图；
[0025] 图中：1-试验土槽，2-补水装置，3-排水装置，4-水槽，5-水箱，6-升降架，7-底部补排单元，8-通水管，9-连接管，10-平衡层，11-滤网，12-降雨装置，13-降雨器，14-降雨水箱，15-升降杆，16-蒸发装置，17-红外灯，18-灯座，19-导线，20-积水入渗装置，21-入渗水箱，22-流量计，23-量筒，24-测压管，25-土壤溶液取样器，26-吸杯，27-采样瓶，28-缓冲瓶，29-
真空泵，30-地下水位测量单元，31-电导率仪，32-电阻法测量装置，33-中子散射法测量装置，34-石膏块，35-水分测定仪，36-土壤水分中子仪，37-测管，38-土壤水势测量单元，39-张力计管，40-电子张力计，41-压力传感器，42-数据采集仪。
具体实施方式
[0026] 下面结合附图对本发明做详细具体的说明。
[0027] 本发明提供的大型包气带土壤非饱和渗流物理模拟装置的整体结构示意图如图1所示，至少包括试验土槽1、补排系统和测量系统，试验土槽1呈长方体状，由0.5cm厚的铁板焊接而成，长方体状的实验土槽的长、宽、高分别为3m、1m、4m。试验土槽1内部盛装有试验土壤，试验介质选取长江河漫滩的松散
沉积物，将试验土壤中的杂质筛除，然后分层装入土槽并
压实，每层厚度10～20cm，总共装土厚度为3.6m。
[0028] 补排系统包括侧向补排单元、底部补排单元7以及顶部补排单元，侧向补排单元由分别安装于试验土槽1两侧壁上的补水装置2和排水装置3组成，其结构如图2所示。其中补水装置2和排水装置3均包括水槽4和水箱5，水箱5均通过升降架6安装于试验土槽1的外壁上且其高度能够进行调节，水箱5通过水管与水槽4连通；所述的升降架6固定于试验土槽1的侧壁上，水槽4呈狭长状，由试验土槽1的内壁和滤网11包夹而成，且水槽4的内侧通过滤网11与试验土壤接触。左侧的水槽用来模拟给水河渠，右侧的水槽模拟排水河渠；左侧的水箱5用于稳定给水河渠的水位，右侧的水箱5用于稳定排水河渠的水位；升降架6可自由升降水箱5，用于改变试验土槽1两侧的水位；滤网11主要是保证水分进入和排出土壤时不破坏土壤结构以保证土壤的
稳定性。
[0029] 底部补排单元7的结构如图3所示，包括通水管8和连接管9，通水管8的两端分别设有进水开关和出水开关，连接管9至少设有一根，本
实施例中连接管9设有两根。连接管9的一端与通水管8连通，连接管9的另一端与试验土槽1的底部连通；底部补排单元7上还设有平衡层10，平衡层10位于试验土槽1的底部，平衡层10的上方设有滤网11，平衡层10通过滤网11与试验土壤接触，所述的平衡层10由沙石组成，且沙石的粒径由上至下逐渐增大。平衡层10的作用是补排水时保证水位的水平升降，平衡层10由上至下依次为粗砂、砾粒、碎石，碎石层的厚度为10cm，碎石的粒径为2～10cm；砾粒层的厚度为5cm，砾粒的粒径为0.2～2cm；粗砂层的厚度为5cm，粗砂的粒径为0.05～0.2cm。当进水开关、排水开关都关闭时，底部补排单元7不进行补排水；当进水开关开启，排水开关关闭时，底部补排单元7进水；当进水开关关闭，排水开关开启时，底部补排单元7排水。滤网11的作用在于水分进入、排出土壤时不破坏土壤结构。
[0030] 顶部补排单元包括降雨装置12、蒸发装置16以及积水入渗装置20，所述的降雨装置12的结构如图4所示，包括降雨水箱14和覆盖于试验土槽1上方的降雨器13，降雨水箱14通过水管与降雨器13连通。降雨器13由有机玻璃制成，其宽1m、长3m。降雨器13的底板上均匀的设有7500个出水针头；降雨装置12中还包括有升降杆15，降雨水箱14安装于升降杆15上并且降雨水箱14的高度能够调节。降雨水箱14的作用在于为降雨器13提供一个稳定的水流，通过调节降雨水箱14在升降杆15上的高度来调节不同水面高度，以达到改变降雨强度的目的。
[0031] 蒸发装置16包括位于试验土槽1上方的灯座18、导线19以及安装于灯座18上的红外灯17；蒸发装置16主要模拟土表不同蒸发强度下的排泄条件。利用红外灯17模拟
太阳辐射，辐射强度由可调压
变压器调节。
[0032] 积水入渗装置20的结构如图5所示，包括升降杆15、入渗水箱21、流量计22、入渗开关以及量筒23，入渗水箱21安装于升降杆15上且其高度能够调节，入渗水箱21通过水管与试验土槽1上的渗水入口连通，水管上设有流量计22和入渗开关，量筒23位于试验土槽1上的渗水出口的下方，所述的渗水入口和渗水出口均位于试验土壤的上表面的上方。积水入渗装置20主要模拟漫灌补给条件，其功能在于在试验土壤的上表面上建立一个稳定水深的水层，并能连续供水和测定下渗水量。流量计22用来测量进水流量；入渗水箱21的作用在于提供一个稳定的水位，以保证水稳定地流入试验土槽1，同时保证流量计22的准确性和可靠性；通过升降杆15可调整入渗水箱21的高度，以调节水的流速；量筒23用来量测漫灌时的溢出量。
[0033] 测量系统包括土壤溶质测量单元、土壤水分测量单元、土壤水势测量单元38和地下水位测量单元30。所述的土壤溶质测量单元包括溶质成分测量装置和溶液浓度测量装置，溶质成分测量装置主要由土壤溶液取样器25和化学分析仪器组成；土壤溶液取样器25的结构如图6所示，由吸杯26、采样瓶27、缓冲瓶28和真空泵29组成，四者通过硅胶管依次连接；所述的吸杯26由陶瓷头和聚酯管组成，陶瓷头位于试验土壤的内部，聚酯管穿过试验土槽1的侧壁与硅胶管连通，为了防止水分沿取样器周围渗出，聚酯管与试验土槽1的接触部位采用橡胶圈密封；本实施例中，聚酯管共安装有30根。采样时由真空泵29对系统施加一定的
负压(通常≤50kPa)，当吸杯26内的毛管压力小于土壤毛管压力时，试验土壤中的溶液就被吸入吸杯26，直到两者相等为止。把采样瓶27中获得的土壤溶液取出，由化学分析仪器测定其成分。
[0034] 溶液浓度测量装置由位于试验土壤内部的盐分传感器以及通过导线与盐分传感器连接的电导率仪31组成。采用在试验土壤内预埋接触式盐分传感器，根据不同浓度土壤溶液的
导电性能不同，测定其电导值，再经过标定方程的转换后，即可给出土壤溶液浓度结果。在本实施例中，盐分传感器随试验土壤的分层填入而埋入，共计埋设60个。在测量时，把导线连接到电导率仪31上，从电导率仪31上读取数值，经标定公式转换即可获得该盐分传感器所处
位置处试验土壤的溶液浓度。
[0035] 土壤水分测量单元由电阻法测量装置32和中子散射法测量装置33组成，其中电阻法测量装置32由石膏块34和水分测定仪35组成，石膏块34均匀分布于试验土壤中，共设有48块，水分测定仪35通过导线与石膏块34连接；在使用前水分测定仪35须校准。测量时，把要测量的石膏块34与水分测定仪35连接，经过计算转化，即可获得石膏块34所处位置的土壤
含水量。
[0036] 中子散射法测量装置33包括土壤水分中子仪36和测管37组成，测管37设有三根，测管37在填试验土壤前进行
定位，三根测管37排成一排，均匀分布于试验土槽1内，测管37的长度为4m。测量前，进行现场标定。测量时，打开土壤水分中子仪36，使用土壤水分中子仪36获得测量结果。
[0037] 土壤水势测量单元38的功能主要是监测土槽内土壤在试验进行时的孔隙水压力变化。土壤水势测量单元38包括张力计管39、电子张力计40、压力传感器41以及数据采集仪42，张力计管39共设有60根，张力计管39的首段穿过试验土槽1的侧壁埋填于试验土壤中，且张力计管39的首端为多孔的陶瓷头，张力计管39的尾端设有两个连接口，其中一个连接口与压力传感器41连接，压力传感器41与数据采集仪42连接；另一连接口上设有橡胶塞，电子张力计40上的探针能够穿过橡胶塞进入张力计管39内直接测量张力。本发明中土壤水势测量单元38的工作与
植物根系从土壤中吸收水分相似的原理，当土壤中的水分减少、水势降低时，埋置在土壤中的张力计管39中的水分会从多孔的陶瓷头渗出，此时张力计管39中形成一定的真空度，通过测量张力计管39中的真空度，就可以反映出试验土壤中水势的变化。测量试验土壤水势时，电子张力计40的探针插入橡胶塞进入张力计中量取被测值。另外，把压力传感器41连接到数据采集仪42上，该数据采集仪42能够按照设定的时间间隔自动记录土壤中各位置的水势。如果再把数据采集仪42连接到计算机上，即可在计算机上实时监测土槽内不同位置的土壤水势。
[0038] 地下水位测量单元30用来确定试验土槽1内的
水头分布状况，地下水位测量单元30包括5根测压管24，测压管24均匀的安装于试验土槽的底部且测压管24的一端位于试验土槽1的内部。本发明中，还可以通过观察侧向补排单元中水箱5的水位观察到试验土槽1内的水头分布状况。
