專利名稱：測定土壤水分運(yùn)動與土壤結(jié)構(gòu)的裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量技術(shù)，具體說，涉及一種測定土壤水分運(yùn)動與土壤結(jié)構(gòu)的裝置及其方法。
背景技術(shù)：
土壤作為一個非均質(zhì)的復(fù)雜系統(tǒng)，由固相、液相和氣相組成。其中，固相構(gòu)成土壤的骨架，其結(jié)構(gòu)通常是用固體顆粒的大小、形狀以及其空間排列來表示的。由于構(gòu)成土壤的顆粒和孔隙大小不同，形狀各異，并且它們是以多種方式連接在一起。研究成果表明，土壤是具有自相似特征的復(fù)雜系統(tǒng)，即土壤具有明顯的分形特征。定量描述土壤結(jié)構(gòu)性狀異常的復(fù)雜以及土壤水分運(yùn)動和土壤結(jié)構(gòu)的關(guān)系是極其重要的，因?yàn)橥寥乐兴诌\(yùn)動在很大程度上決定于土壤結(jié)構(gòu)中土壤顆粒和土壤孔隙的排列方式及其連通狀況。不同土壤結(jié)構(gòu)對土壤中的水分和溶質(zhì)遷移有很大影響，由于土壤結(jié)構(gòu)可用不同的分形維數(shù)(參數(shù)包括顆粒分形維數(shù)、孔隙通道維數(shù)和譜維數(shù)等)表征，研究發(fā)現(xiàn)土壤水分?jǐn)U散和大孔隙有很大關(guān)系，并且形成優(yōu)勢流，滲透到深層土壤中，含顏料的水分?jǐn)U散在土壤各層分布也和分形維數(shù)有關(guān)?，F(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)技術(shù)中，都是對實(shí)驗(yàn)后的土壤進(jìn)行圖像采集，來分析土壤結(jié)構(gòu)的狀況，進(jìn)而分析整個實(shí)驗(yàn)過程中土壤水分入滲量、入滲時間和土壤結(jié)構(gòu)的關(guān)系。 這種方法無法實(shí)現(xiàn)對整個過程的實(shí)施監(jiān)測，將整個實(shí)驗(yàn)過程化也使得測量的精確性受到限制?，F(xiàn)有測定土壤水分運(yùn)動與土壤結(jié)構(gòu)的裝置在測定土壤結(jié)構(gòu)時，都是在試驗(yàn)結(jié)束后采用的數(shù)碼相機(jī)照相技術(shù)對土壤樣本進(jìn)行拍照，既破壞了土壤原始結(jié)構(gòu)，又受到了拍攝精度和拍攝人員主觀性的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所解決的技術(shù)問題是提供一種測定土壤水分運(yùn)動與土壤結(jié)構(gòu)的裝置，可以廣泛應(yīng)用與土壤水分和溶質(zhì)遷移過程與土壤結(jié)構(gòu)的關(guān)系的試驗(yàn)裝置中。技術(shù)方案如下—種測定土壤水分運(yùn)動與土壤結(jié)構(gòu)的裝置，包括供水部件、實(shí)驗(yàn)土柱和數(shù)據(jù)采集分析部件；其中，所述供水部件包括供水槽、塞子、閥門和馬氏瓶，所述水槽和馬氏瓶之間通過管道相連通，所述馬氏瓶的頂部開有第一通孔，所述塞子設(shè)置在所述第一通孔處，所述閥門設(shè)置在所述馬氏瓶的下部；所述實(shí)驗(yàn)土柱包括上蓋和本體，所述上蓋和本體螺接在一起， 所述上蓋頂部開有第二通孔，在所述第二通孔和所述閥門之間連接有管道，在所述本體內(nèi)部設(shè)置有玻璃篩，在所述玻璃篩下部設(shè)置有濾紙，在所述本體的下部設(shè)置有出水口，在所述本體的側(cè)壁開有第三通孔，所述第三通孔處設(shè)置有土壤水分傳感器，所述土壤水分傳感器通過導(dǎo)線連接到所述采集器；所述數(shù)據(jù)采集分析部件包括采集器、X光機(jī)和計算機(jī)，所述采集器和X光機(jī)的輸出端連接到所述計算機(jī)的輸入端口。進(jìn)一步所述供水部件還包括升降器，所述升降器設(shè)置有升降旋鈕，所述供水槽和馬氏瓶放置在所述升降器上部。進(jìn)一步所述出水口通過管道連接到燒杯。進(jìn)一步所述本體的側(cè)壁開有至少三個第三通孔，在每個第三通孔處設(shè)置有土壤水分傳感器，每個土壤水分傳感器通過導(dǎo)線連接到所述采集器。進(jìn)一步所述第三通孔排列在垂直方向的不同高度上。進(jìn)一步所述便攜式X光機(jī)設(shè)置有高度調(diào)節(jié)裝置。本發(fā)明所解決的另一個技術(shù)問題是提供一種測定土壤水分運(yùn)動與土壤結(jié)構(gòu)的方法，可以廣泛應(yīng)用與土壤水分和溶質(zhì)遷移過程與土壤結(jié)構(gòu)的關(guān)系的試驗(yàn)裝置中。一種測定土壤水分運(yùn)動與土壤結(jié)構(gòu)的方法，包括連接管道和線路，打開實(shí)驗(yàn)土柱的上蓋，向本體中放入測試土壤，在測試土壤上方依次放入濾紙和玻璃篩，然后將所述上蓋和本體擰緊，關(guān)閉閥門，打開塞子；打開計算機(jī)和采集器，設(shè)置采集器的采樣時間間隔，使數(shù)據(jù)采集分析部件處于工作狀態(tài)；通過供水部件向供水槽中注入水，在供水槽水滿時自動向馬氏瓶中供水，待馬氏瓶中水面高度和供水槽中的水面高度相同時，打開閥門給所述實(shí)驗(yàn)土柱供水；啟動采集器和X光機(jī)，在所述采集器設(shè)定的采樣時間間隔下采集測試土壤的含水量和土壤圖像數(shù)據(jù)；計算機(jī)記錄測試土壤的含水量變化和土壤數(shù)字圖像情況，將土壤數(shù)字圖像輸入 Image J圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行圖像處理，并得到分形維數(shù)。優(yōu)選的向所述供水槽中注入含有染色示蹤劑的水。優(yōu)選的所述供水部件設(shè)置有升降器，所述升降器設(shè)置有升降旋鈕，調(diào)節(jié)升降旋鈕將供水槽和馬氏瓶調(diào)整到合適高度。優(yōu)選的所述本體的側(cè)壁開有至少三個第三通孔，在每個第三通孔處設(shè)置有土壤水分傳感器，每個土壤水分傳感器通過導(dǎo)線連接到所述采集器。本發(fā)明技術(shù)方案具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)本發(fā)明提供了一種能夠測定土壤水分運(yùn)動和土壤結(jié)構(gòu)關(guān)系的試驗(yàn)裝置及其方法，對于土壤水分運(yùn)動的理論研究具有一定的指導(dǎo)意義，可以廣泛應(yīng)用與土壤水分和溶質(zhì)遷移過程與土壤結(jié)構(gòu)的關(guān)系的試驗(yàn)裝置中。(2)本發(fā)明土體上方采用以多孔網(wǎng)狀有機(jī)樹脂材質(zhì)的有機(jī)玻璃篩，保證了土壤水分的均勻入滲。(3)本發(fā)明通過土壤水分傳感器自動采集土壤水分運(yùn)動過程中的剖面土壤含水量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)的實(shí)時自動化監(jiān)測。(4)本發(fā)明采用便攜式X光機(jī)對試驗(yàn)過程中的土壤剖面進(jìn)行圖像的采集，提高了土壤圖像的采集精度。(5)本發(fā)明的土壤水分采集和土壤圖像的采集均連接計算機(jī)，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖像的實(shí)施傳輸。


圖1是本發(fā)明中測定土壤水分運(yùn)動與土壤結(jié)構(gòu)的裝置的結(jié)構(gòu)原理圖2是本發(fā)明中采用Image J軟件進(jìn)行測試得到的土壤數(shù)字圖像。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明不僅能夠?qū)崟r跟蹤監(jiān)測土壤水分運(yùn)動與土壤結(jié)構(gòu)變化，而且可以實(shí)現(xiàn)非破壞性的高精度監(jiān)測。本發(fā)明可用于土壤水分和溶質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化的實(shí)驗(yàn)研究，并且可為建立符合實(shí)際的土壤水分和溶質(zhì)遷移模型奠定基礎(chǔ)，為土壤溶質(zhì)運(yùn)移的理論研究提供技術(shù)支撐。下面參考附圖和優(yōu)選實(shí)施例，對本發(fā)明技術(shù)方案作詳細(xì)描述。如圖1所示，是本發(fā)明中測定土壤水分運(yùn)動與土壤結(jié)構(gòu)的裝置的結(jié)構(gòu)原理圖。本發(fā)明中，測定土壤水分運(yùn)動與土壤結(jié)構(gòu)的裝置從整體上包括供水部件、實(shí)驗(yàn)土柱和數(shù)據(jù)采集分析部件。其中，供水部件包括供水槽11、管道12、塞子13、閥門14、馬氏瓶15、升降器16 和升降旋鈕17，水槽11和馬氏瓶15之間通過管道12相連通，以保持相同水位，管道12可以選用PVC管子；馬氏瓶15的頂部開有通孔，塞子13設(shè)置在通孔處，閥門14設(shè)置在馬氏瓶 15的下部，通過閥門14控制水的流速。供水槽11和馬氏瓶15放置到升降器16上部，升降器16通過升降旋鈕17調(diào)節(jié)位置的高低。供水系統(tǒng)為一可升降裝置，其作用是為實(shí)驗(yàn)土柱供水。供水槽11采用自來水供水，升降器16通過升降旋鈕17調(diào)節(jié)升降，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)馬氏瓶 15和供水槽11的上升和下降，實(shí)現(xiàn)不同供水壓力的恒定水頭。實(shí)驗(yàn)土柱用于放置測試土壤，其結(jié)構(gòu)包括上蓋21和本體22，上蓋21和本體22螺接在一起；上蓋21頂部開有通孔，在該通孔和閥門14之間連接有管道18 ；在本體22內(nèi)部設(shè)置有玻璃篩沈，在玻璃篩沈下部設(shè)置有濾紙，濾紙可以保證水均勻入滲，測試用土壤放到濾紙下部；在本體22的下部設(shè)置有出水口 23，出水口 23通過管道M連接到燒杯25，出水口 23用來排出多余水分。在本體22的側(cè)壁上垂直開有三個通孔，每個通孔處都設(shè)置有一個土壤水分傳感器27，土壤水分傳感器27用于探測實(shí)驗(yàn)過程中測試土壤的含水量，三個土壤水分傳感器27通過導(dǎo)線連接到采集器31的輸入端上。土壤水分傳感器27中產(chǎn)生高頻電信號，測量電容特性，從而計算出土壤含水量。數(shù)據(jù)采集分析部件包括采集器31、便攜式X光機(jī)32和計算機(jī)33，采集器31和X 光機(jī)32的輸出端連接到計算機(jī)33的輸入端口。便攜式X光機(jī)32設(shè)置有高度調(diào)節(jié)裝置，通過高度調(diào)節(jié)裝置可以調(diào)節(jié)便攜式X光機(jī)32的高度，使便攜式X光機(jī)32在使用時正對試驗(yàn)土柱；便攜式X光機(jī)32可以發(fā)射與接受X射線，便攜式X光機(jī)32在試驗(yàn)過程中對試驗(yàn)土柱進(jìn)行X光掃描，獲取土壤剖面數(shù)字圖像。土壤水分傳感器27將采集到的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)和便攜式X光機(jī)32采集到的土壤剖面圖像發(fā)送給采集器31，采集器31將收集到的上述信息發(fā)送給計算機(jī)33，保證了數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸和儲存。土壤水分傳感器27、采集器31、便攜式X光機(jī)32和計算機(jī)33之間通過USB端口相連接。在本發(fā)明中，計算機(jī)33記錄土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)和土壤數(shù)字圖像，通過升降裝置改變和調(diào)整水頭差來實(shí)現(xiàn)不同壓力下的土壤水分運(yùn)動試驗(yàn)。本發(fā)明裝置的運(yùn)行原理是，通過供水部件對實(shí)驗(yàn)土柱供水(含有示蹤染色劑)，測量時，土壤水分傳感器27產(chǎn)生高頻電磁波，電磁波沿傳輸線進(jìn)行傳播，在末端經(jīng)過周圍有土壤介質(zhì)的探針的反射在傳輸線上形成駐波， 駐波的電壓隨著探針和周圍土壤介質(zhì)阻抗的變化而變化，通過測量傳輸線兩端的電壓差即可測出土壤的表現(xiàn)介電常數(shù)，從而測出土壤含水量，設(shè)定土壤水分傳感器的測量時間間隔；在測定土壤含水量的同時，使便攜式X光機(jī)32對土壤不同的剖面高度進(jìn)行圖像采集。根據(jù)不同時段土壤含水量的大小和土壤圖像分形維數(shù)的計算，得到土壤水分運(yùn)動和土壤結(jié)構(gòu)的關(guān)系。本發(fā)明的具體操作步驟如下1、首先，將本發(fā)明裝置中所有的管道和線路連接好，打開實(shí)驗(yàn)土柱的上蓋21，向本體22中放入測試土壤，在測試土壤上方依次放入濾紙和玻璃篩沈，然后將上蓋21和本體 22擰緊，關(guān)閉閥門14，打開塞子13 ；2、打開計算機(jī)33和采集器31，設(shè)置采樣時間間隔10分鐘，使數(shù)據(jù)采集分析部件處于工作狀態(tài)；3、向供水槽11中注入含有染色示蹤劑的水，在供水槽11水滿時自動向馬氏瓶15 中供水，調(diào)節(jié)升降旋鈕17將供水槽11和馬氏瓶15調(diào)整到合適高度，調(diào)節(jié)馬氏瓶15和供水槽的上升和下降可以實(shí)現(xiàn)不同供水壓力的恒定水頭；4、待馬氏瓶15中水面高度和供水槽11中的水面高度相同時，打開閥門14給實(shí)驗(yàn)土柱供水；5、啟動采集器31和便攜式X光機(jī)14，在設(shè)定的采樣時間間隔下，采集土壤含水量和土壤圖像數(shù)據(jù)；6、計算機(jī)33將土壤的含水量變化和土壤數(shù)字圖像情況記錄下來；7、將土壤數(shù)字圖像輸入Image J圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行圖像處理，并計算分形維數(shù)。如圖2所示，是本發(fā)明中采用Image J圖像軟件進(jìn)行測試得到的土壤數(shù)字圖像。土壤數(shù)字圖像采集后采用Image J軟件進(jìn)行土壤數(shù)字圖像的處理和土壤分形維數(shù)的計算。
權(quán)利要求
1.一種測定土壤水分運(yùn)動與土壤結(jié)構(gòu)的裝置，其特征在于包括供水部件、實(shí)驗(yàn)土柱和數(shù)據(jù)采集分析部件；其中，所述供水部件包括供水槽、塞子、閥門和馬氏瓶，所述水槽和馬氏瓶之間通過管道相連通，所述馬氏瓶的頂部開有第一通孔，所述塞子設(shè)置在所述第一通孔處，所述閥門設(shè)置在所述馬氏瓶的下部；所述實(shí)驗(yàn)土柱包括上蓋和本體，所述上蓋和本體螺接在一起，所述上蓋頂部開有第二通孔，在所述第二通孔和所述閥門之間連接有管道，在所述本體內(nèi)部設(shè)置有玻璃篩，在所述玻璃篩下部設(shè)置有濾紙，在所述本體的下部設(shè)置有出水口，在所述本體的側(cè)壁開有第三通孔，所述第三通孔處設(shè)置有土壤水分傳感器，所述土壤水分傳感器通過導(dǎo)線連接到所述采集器；所述數(shù)據(jù)采集分析部件包括采集器、X光機(jī)和計算機(jī)，所述采集器和X光機(jī)的輸出端連接到所述計算機(jī)的輸入端口。
2.如權(quán)利要求1所述的測定土壤水分運(yùn)動與土壤結(jié)構(gòu)的裝置，其特征在于所述供水部件還包括升降器，所述升降器設(shè)置有升降旋鈕，所述供水槽和馬氏瓶放置在所述升降器上部。
3.如權(quán)利要求1所述的測定土壤水分運(yùn)動與土壤結(jié)構(gòu)的裝置，其特征在于所述出水口通過管道連接到燒杯。
4.如權(quán)利要求1所述的測定土壤水分運(yùn)動與土壤結(jié)構(gòu)的裝置，其特征在于所述本體的側(cè)壁開有至少三個第三通孔，在每個第三通孔處設(shè)置有土壤水分傳感器，每個土壤水分傳感器通過導(dǎo)線連接到所述采集器。
5.如權(quán)利要求4所述的測定土壤水分運(yùn)動與土壤結(jié)構(gòu)的裝置，其特征在于所述第三通孔排列在垂直方向的不同高度上。
6.如權(quán)利要求1所述的測定土壤水分運(yùn)動與土壤結(jié)構(gòu)的裝置，其特征在于所述便攜式X光機(jī)設(shè)置有高度調(diào)節(jié)裝置。
7.一種測定土壤水分運(yùn)動與土壤結(jié)構(gòu)的方法，包括連接管道和線路，打開實(shí)驗(yàn)土柱的上蓋，向本體中放入測試土壤，在測試土壤上方依次放入濾紙和玻璃篩，然后將所述上蓋和本體擰緊，關(guān)閉閥門，打開塞子；打開計算機(jī)和采集器，設(shè)置采集器的采樣時間間隔，使數(shù)據(jù)采集分析部件處于工作狀態(tài)；通過供水部件向供水槽中注入水，在供水槽水滿時自動向馬氏瓶中供水，待馬氏瓶中水面高度和供水槽中的水面高度相同時，打開閥門給所述實(shí)驗(yàn)土柱供水；啟動采集器和X光機(jī)，在所述采集器設(shè)定的采樣時間間隔下采集測試土壤的含水量和土壤圖像數(shù)據(jù)；計算機(jī)記錄測試土壤的含水量變化和土壤數(shù)字圖像情況，將土壤數(shù)字圖像輸入Image J圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行圖像處理，并得到分形維數(shù)。
8.如權(quán)利要求6所述的測定土壤水分運(yùn)動與土壤結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于向所述供水槽中注入含有染色示蹤劑的水。
9.如權(quán)利要求6所述的測定土壤水分運(yùn)動與土壤結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于所述供水部件設(shè)置有升降器，所述升降器設(shè)置有升降旋鈕，調(diào)節(jié)升降旋鈕將供水槽和馬氏瓶調(diào)整到合適高度。
10.如權(quán)利要求6所述的測定土壤水分運(yùn)動與土壤結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于所述本體的側(cè)壁開有至少三個第三通孔，在每個第三通孔處設(shè)置有土壤水分傳感器，每個土壤水分傳感器通過導(dǎo)線連接到所述采集器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種測定土壤水分運(yùn)動與土壤結(jié)構(gòu)的裝置，供水部件包括供水槽、塞子、閥門和馬氏瓶，水槽和馬氏瓶之間通過管道相連通，馬氏瓶的頂部開有第一通孔，塞子設(shè)置在所述第一通孔處，閥門設(shè)置在馬氏瓶的下部；實(shí)驗(yàn)土柱包括上蓋和本體，所述上蓋頂部開有第二通孔，在第二通孔和閥門之間連接有管道，在本體內(nèi)部設(shè)置有玻璃篩，在玻璃篩下部設(shè)置有濾紙，在本體的下部設(shè)置有出水口，在本體的側(cè)壁開有第三通孔，第三通孔處設(shè)置有土壤水分傳感器，土壤水分傳感器通過導(dǎo)線連接到所述采集器；數(shù)據(jù)采集分析部件包括采集器、X光機(jī)和計算機(jī)，采集器和X光機(jī)的輸出端連接到計算機(jī)的輸入端口。本發(fā)明還公開了一種測定土壤水分運(yùn)動與土壤結(jié)構(gòu)的方法。
文檔編號G01N15/08GK102323197SQ20111014321
公開日2012年1月18日 申請日期2011年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月30日
發(fā)明者呂燁, 王少麗, 管孝艷, 高黎輝 申請人:中國水利水電科學(xué)研究院