本发明公开了一种研究薄膜水运移规律的实验方法，包括以下步骤：在土柱筒分层装入实验土样，在水补给装置中加入一定浓度的离子水，并注入少量植物油对水体进行油封。每隔一段时间向水补给装置添加一定量的水，确保其水位高于土柱筒的缓冲层。实验过程中通过无线数据发射终端，将温度湿度传感器测得数据发送至数据接收与处理系统进行分析处理。并对试验进行一段时间后的土体进行取样，测试不同深度土体的含水率和离子浓度。通过该实验方法可以精确的研究不同土体环境下的薄膜水迁移速率。为干旱区土壤水运移研究提供可靠的实验基础。本发明还公开了一种用于前述研究薄膜水运移实验方法的实验装置。
1.一种基于研究薄膜水运移规律实验装置的实验方法，该实验装置包括土柱筒、水补给装置、温度湿度传感器、无线数据发射终端、数据接收及处理系统和取土器，其中，所述土柱筒包括实验土样层和缓冲层；所述水补给装置通过导管与土柱筒相连通，装置侧壁上刻有上下两条定水位刻度线，下定水位刻度线与土柱筒的缓冲层等高，上下刻度线之间的距离为5cm；所述温度湿度传感器为多个，所述多个温度湿度传感器沿土柱筒轴向均布在土柱筒内壁上，通过数据总线连接至无线数据发射终端；无线数据发射终端包括模数转换模块和无线数据发射模块；在实验过程中温度湿度传感器分别感应各土层的温度和湿度信息，通过导线将模拟信号传送至无线数据发射终端的模数转换模块，再通过无线数据发射模块将数据信息发送至处理系统；所述取土器包括通过内置螺栓连接的短管和金属取样槽；
（A）步骤：在土柱筒的底部缓冲层中装入粒径为6-8mm的粗砾石；并用直径与土柱筒内径相同、透水性较好的土工布平放在缓冲层的颗粒上，随后按一定孔隙率分层装入一定颗粒级配的土样，每层10cm，装至指定高度；
（B）步骤：将水补给装置通过导管和土柱筒连通，在水补给装置中加入一定浓度离子水至上定水位刻度线，然后再注入少量植物油对水体进行油封，防止水分蒸发；每当水补给装置水位下降至接近下定水位刻度线时，用注射器向水补给装置的油封层下注水到上定水位刻度线，并记录下每次注水的时刻和注入的水量；
（C）步骤：实验过程中通过土柱筒内壁上的温度湿度传感器每隔一天记录不同深度土体的温度和湿度数据；
（D）步骤：用多个相同的装置做对比实验，只需改变离子水浓度即可，其他操作相同；
（E）步骤：实验持续一个月后，用取土器分别对每个装置进行取样，每10cm取样一次，分别测定每个样本的含水率和离子浓度，通过注水量数据以及温度湿度随时间的变化规律和土样离子浓度随土层的分布规律分析薄膜水的运移规律；
首先, 根据注水量数据，可以得出水进入土体的速度 ， ，其中， 是进入土体的水量,以ml计，为该水量进入土体消耗的时间， 为土柱筒内土体底面积；
其次, 通过获取的重量含水率数据，可以得到薄膜水上升的高度以及各高程的含水率分布，薄膜水上升高度H以重量含水率为1%的土层高度为准;通过不同时间的重量含水率分层数据对比分析，可以得到不同含水率梯度下的薄膜水运移速率 ，其中，为土柱筒内Z高度以上土体的含水量， 为土柱筒内单位高度的土体干重度， 土柱筒内高度为z的土体体积含水率；
最后, 通过不同环境温度条件下土柱筒内薄膜水运移速率对比，得出温度对薄膜水运移的影响；通过添加不同离子浓度水的土柱筒内薄膜水运移速率对比，得出离子浓度对薄膜水运移速率的影响。
2.根据权利要求1所述基于研究薄膜水运移规律实验装置的实验方法，其特征在于于土柱筒采用抗拉强度较大的塑胶管材制作，接口处采用密封性能和抗时间老化性能较好的密封胶密封。
3.根据权利要求2所述基于研究薄膜水运移规律实验装置的实验方法，其特征在于取土器的整体长短通过增减短管来进行调节。
4.根据权利要求3所述基于研究薄膜水运移规律实验装置的实验方法，其特征在于土柱筒的缓冲层的管径大于土样测试层的管径。
5.根据权利要求4所述基于研究薄膜水运移规律实验装置的实验方法，其特征在于所述多个温度湿度传感器按每10cm一个均布在土柱筒内壁上。
一种研究薄膜水运移规律的实验装置及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及土壤水环境实验测试领域，具体说是一种研究薄膜水运移规律的实验装置及方法。
背景技术
[0002] 在大气降水、地表水、土壤水和地下水这四种水的研究中，土壤水的研究相对较少，而薄膜水是土壤水的组成部分，其运动机制尚不清楚，所以，干旱区土壤水来源问题仍然存在很大争议。已有的研究表明，干旱区降水很难入渗到土壤中一定深度，土壤水主要靠地下水补给。地下水通过毛细水补给只能到达一定高度就上不去了；再往上走，薄膜水运移起主要作用。在此前提下设计实验装置及实验方法探究薄膜水在含水率梯度、离子浓度梯度以及温度的变化下的运移规律具有很高的科研价值和应用前景。
发明内容
[0003] 本发明所要解决的技术问题，是针对前述背景技术中的缺陷和不足，提供一种研究薄膜水运移规律的实验装置及方法，其可以通过室内实验研究目前学术界尚存在争议的干旱区土壤水来源问题，比较直观的给出不同土壤环境下的薄膜水运移规律。
[0004] 本发明为解决以上技术问题，所采用的技术方案是：
[0005] 一种研究薄膜水运移的实验装置，包括土柱筒、水补给装置、温度湿度传感器、无线数据发射终端、数据接收及处理系统和取土器，所述土柱筒包括实验土样层和缓冲层；所述水补给装置通过导管与土柱筒相连通，装置侧壁上刻有上下两条定水位刻度线，下定水位刻度线与土柱筒的缓冲层等高，上下刻度线之间的距离为5cm；所述温度湿度传感器为多个，所述多个温度湿度传感器沿土柱筒轴向均布在土柱筒内壁上，通过数据总线连接至无线数据发射终端；无线数据发射终端包括模数转换模块和无线数据发射模块；在实验过程中温度湿度传感器分别感应各土层的温度和湿度信息，通过导线将模拟信号传送至无线数据发射终端的模数转换模块，再通过无线数据发射模块将数据信息发送至处理系统；所述取土器包括通过内置螺栓连接的短管和金属取样槽。
[0006] 作为优选，上述的土柱筒采用抗拉强度较大的塑胶管材制作，接口处采用密封性能和抗时间老化性能较好的密封胶密封。
[0007] 上述取土器的整体长短可以通过增减短管来进行调节，且易分层取土样，相对于普通的洛阳铲减少了对土层的扰动，取样深度更加精确。
[0008] 上述土柱筒的缓冲层的管径大于土样测试层的管径。
[0009] 作为优选，所述多个温度湿度传感器按每10cm一个均布在土柱筒内壁上。
[0010] 一种研究薄膜水运移规律的实验方法，包括以下步骤：
[0011] （A）步骤：在土柱筒的底部缓冲层中装入粒径为6-8mm的粗砾石；并用直径与土柱筒内径相同、透水性较好的土工布平放在缓冲层的颗粒上，随后按一定孔隙率分层装入一定颗粒级配的土样，每层10cm，装至指定高度；
[0012] （B）步骤：将水补给装置通过导管和土柱筒连通，在水补给装置中加入一定浓度离子水至上定水位刻度线，然后再注入少量植物油对水体进行油封，防止水分蒸发；每当水补给装置水位下降至接近下定水位刻度线时，用注射器向水补给装置的油封层下注水到上定水位刻度线，并记录下每次注水的时刻和注入的水量；
[0013] （C）步骤：实验过程中通过土柱筒内壁上的温度湿度传感器每隔一天记录不同深度土体的温度和湿度数据；
[0014] （D）步骤：用多个相同的装置做对比实验，只需改变离子水浓度即可，其他操作相同；
[0015] （E）步骤：实验持续一个月后，用取土器分别对每个装置进行取样，每10cm取样一次，分别测定每个样本的含水率和离子浓度，通过注水量数据以及温度湿度随时间的变化规律和土样离子浓度随土层的分布规律分析薄膜水的运移规律；
[0016] 具体分析方法如下：
[0017] 首先, 根据注水量数据，可以得出水进入土体的速度 ， ，其中， 是进入土体的水量,以ml计，为该水量进入土体消耗的时间， 为土柱筒内土体底面积；
[0018] 其次, 通过获取的重量含水率数据，可以得到薄膜水上升的高度以及各高程的含水率分布，薄膜水上升高度H以重量含水率为1%的土层高度为准;通过不同时间的重量含水率分层数据对比分析，可以得到不同含水率梯度下的薄膜水运移速率 ，其中，为土柱筒内Z高度以上土体的含水量， 为土柱筒内单位高度的土体干重度， 土柱筒内高度为z的土体体积含水率；
[0019] 最后, 通过不同环境温度条件下土柱筒内薄膜水运移速率对比，得出温度对薄膜水运移的影响；通过添加不同离子浓度水的土柱筒内薄膜水运移速率对比，得出离子浓度对薄膜水运移速率的影响。
[0020] 有益效果：本发明具有以下优点：结构设计科学合理，能够实时获取薄膜水运移实验过程中的温度和湿度数据，大大提高了科研效率。通过该发明专利中所述的实验装置和实验方法可以比较精确的研究薄膜水的运移规律，具有很高的科研价值和应用前景,为干旱区土壤水运移规律研究提供实验基础。
附图说明
[0021] 图1为本发明的实验装置结构示意图；
[0022] 其中，1、土柱筒；2、水补给装置；3、温度湿度传感器；4、无线数据发射终端；5、数据接收及处理系统；6、取土器。
具体实施方式
[0023] 以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
[0024] 如图1所示，本发明提供一种研究薄膜水运移规律的实验装置，包括土柱筒1、水补给装置2、温度湿度传感器3、无线数据发射终端4、数据接收及处理系统5和取土器6，所述土柱筒1包括上部实验土样层和下部缓冲层，缓冲层内径大于实验土样层内径；所述水补给装置2通过导管与土柱筒1的下部缓冲层相连通，装置侧壁上刻有上下两条定水位刻度线，下定水位刻度线与土柱筒的缓冲层等高，上下刻度线之间的距离为5cm；所述温度湿度传感器3按每10cm一个均布在土柱筒内壁上，通过数据总线连接至无线数据发射终端4；无线数据发射终端4包括模数转换模块和无线数据发射模块；在实验过程中温度湿度传感器3分别感应土柱筒1内各土层的温度和湿度信息，通过导线将模拟信号传送至无线数据发射终端1的模数转换模块，再通过无线数据发射模块将数据信息发送至数据接收及处理系统5；所述取土器6包括可通过内置螺栓连接的短管和金属取样槽。
[0025] 本发明还提供一种研究薄膜水运移规律的实验方法，包括以下步骤：
[0026] （A）步骤、在土柱筒1的底部缓冲层中装入粒径为6-8mm的粗砾石；并用直径与土柱筒1内径相同、透水性较好的土工布平放在缓冲层的颗粒上，随后按一定孔隙率分层装入一定颗粒级配的土样，每层10cm，装至指定高度；（此处“”孔隙率“”颗粒级配“”指定高度“可根据实验要求以及实验模拟的工况进行自行设定）。
[0027] （B）步骤、将水补给装置2通过导管和土柱筒1的下部缓冲层连通，在水补给装置2中加入离子水至上定水位刻度线，然后在注入少量植物油对水体进行油封，防止水分蒸发；每当水补给装置水位下降至接近下定水位刻度线时，用注射器向水补给装置的油封层下注水到上定水位刻度线，并记录下每次注水的时刻和注入的水量；
[0028] （C）步骤、实验过程中通过土柱筒1内壁上的温度湿度传感器3每隔一天记录不同深度土体的温度和湿度数据；
[0029] （D）步骤、用多个相同的装置做对比实验，只需改变离子水浓度即可，其他操作相同；
[0030] （E）步骤、实验持续约一个月后，用取土器6分别对每个装置进行取样，每10cm取样一次，分别测定每个样本的含水率和离子浓度，通过注水量数据以及温度湿度随时间的变化规律和土样离子浓度随土层的分布规律分析薄膜水的运移规律；
[0031] 具体分析方法如下：
[0032] 首先,根据注水量数据，可以得出水进入土体的速度 ， ，其中， 是进入土体的水量,以ml计，为该水量进入土体消耗的时间， 为土柱筒内土体底面积；
[0033] 其次, 通过获取的重量含水率数据，可以得到薄膜水上升的高度以及各高程的含水率分布，薄膜水上升高度H以重量含水率为1%的土层高度为准;通过不同时间的重量含水率分层数据对比分析，可以得到不同含水率梯度下的薄膜水运移速率 ，其中，为土柱筒内Z高度以上土体的含水量， 为土柱筒内单位高度的土体干重度， 土柱筒内高度为z的土体体积含水率；
[0034] 最后, 通过不同环境温度条件下土柱筒内薄膜水运移速率对比，得出温度对薄膜水运移的影响；通过添加不同离子浓度水的土柱筒内薄膜水运移速率对比，得出离子浓度对薄膜水运移速率的影响。
[0035] 通过这种方法，可以比较科学合理的研究薄膜水的运移规律，同时可以比较精确的测定出在不同含水率梯度、离子浓度以及环境温度的影响下，薄膜水在土体中的运移速率。
