模擬0)2在±壤中均勻擴散的試驗裝 置進行實驗驗證。
[0039](一）實驗目的 通過室內(nèi)試驗，驗證〇)2在±壤中均勻擴散裝置的可行性。
[0040] (二）實驗儀器及裝置 ±壤〇)2均勻擴散裝置；本發(fā)明所述的實驗組裝置和傳統(tǒng)的對照組裝置各兩個，氣體輸 送裝置，C〇2氣體檢測儀，氣體采樣器，卷尺等。
[oow巨）實驗步驟 步驟1) ±壤C02均勻擴散裝置的制作： 步驟1. 1)將外徑15畑1、內(nèi)徑14cm的透明有機玻璃管切割成長為50cm的四段管道作為 箱體1的主體部分，分別用于制作兩個實驗組、兩個對照組裝置； 步驟1. 2)分別在距有機玻璃管一端5cm處，用電鉆鉆一個直徑為1cm的通氣管安裝孔， 并將此端作為裝置的底端； 步驟1. 3)分別將1cm粗的PVC通氣管通過通氣管安裝孔與有機玻璃管連接，并使其出 氣口位于有機玻璃管的中屯、，W便C02從裝置底部中屯、泄露； 步驟1. 4)在兩個實驗組有機玻璃管距裝置底端20cm處用玻璃膠粘結固定直徑為 14cm，孔徑為1mm的多孔陶瓷板3,并在陶瓷板3上部安置一層半透膜2 ; 步驟1. 5)將實驗組兩個玻璃管底部20cm高的空間內(nèi)分別填充上10cm的粗砂堿 (uf=3. 1-3. 7)，10cm細砂堿（uf=l. 6-2. 2)，保證有機玻璃管正放時，粗砂堿層5在下，細砂 堿層4在上；對照組則不設置砂堿層，多孔陶瓷板3和半透膜2 ; 步驟1. 6)用外徑為20cm的有機玻璃板依次封閉四個玻璃管的底端； 步驟1. 7)將統(tǒng)一來源、相同壓實度的±壤12分別裝入四個有機玻璃管中，在實驗組的 有機玻璃管中裝入30cm高的±壤12,在對照組的有機玻璃管中裝入50cm高的±壤12,使 得實驗組和對照組的±壤12頂面高度相同； 步驟2) ±壤中C02本底值測定；用氣體采樣器和C0 2氣體檢測儀分別測定未通入氣體 的實驗組±壤和對照組±壤深度10cm和20cm處的C02本底值，它們的C02濃度均在0. 1% 左右； 步驟3) ±壤C02均一化程度測定： 步驟3. 1)將實驗組和對照組同時通入相同通量的0)2,本次驗證實驗通入的C02速率V為lOml/min，根據(jù)C02注入通量F和注入速率F之間的換算公式F=vXp/s，求出對應的 注入通量F為1284. 284g/(m2Xd)，其中P為常壓下C02密度，P約為1.977g/L;s為 有機玻璃管橫截面面積； 步驟3. 2)經(jīng)過1. 5min后，氣體在實驗裝置中分布穩(wěn)定，此時C02通量為50ml/min，用 氣體采樣器和C02氣體檢測儀分別測定實驗組和對照組±壤深度20cm處的C02含量，具體 測定方法為： 步驟3. 21)分別將每個有機玻璃管周向劃分為八個區(qū)域，每個區(qū)域內(nèi)沿徑向設置=個 測定點，S個測定點分別離圓屯、3畑1，5cm和7畑1，加上圓屯、共計25個監(jiān)測點； 步驟3. 22)實驗組和對照組的每個監(jiān)測點分別進行=次重復監(jiān)測，求出每點對應的0)2 濃度均值，W有機玻璃管的中屯、點為中屯、，建立坐標系，算出25個監(jiān)測點的對應坐標，形成 每個監(jiān)測點坐標和C02濃度對應的數(shù)據(jù)表； 步驟3. 3)運用SU計er軟件，算出C02濃度相應指標的最大值、最小值和均值等，并畫 出其對應的等值線圖。
[0042](四）實驗結果及分析 驗證實驗于2015年3月28日-3月29日進行，在得出實驗組與對照組C〇2濃度變化 對比表(表1)及對應的等值線圖（圖4,圖5)。
[0043] 表1實驗組與對照組C〇2含量變化對比(單位；％)
經(jīng)測定，經(jīng)過1. 5min后，氣體在實驗裝置中分布穩(wěn)定，此時C〇2通量為50ml/min，實驗 組±壤(砂堿層+ ±壤）和對照組±壤的體積為3. 141592X7cmX7cmX50cm=7696. 9ml，可 推算出C02在±壤中均勻分布的情況下，±壤中C0 2的含量為 75/7696.9X100%=0.9744% 從表1可W看出，對照組C〇2濃度的變化隨距CO2泄漏中屯、距離的變化差異巨大，但實 驗組C〇2濃度的變化隨距C0 2泄漏中屯、距離的變化差異不明顯。對照組與實驗組的濃度均 值相近，也與估算出的C〇2含量相近。但實驗組和對照組C〇2濃度最大值、最小值、衰變的速 率有著巨大的差別。對照組在距離C〇2泄漏中屯、3cm處的衰減率達到了 40. 9%，而實驗組在 相同的距離處的衰減率卻只有0. 943%，兩者相差將近40% ;對照組在距離C〇2泄漏中屯、5cm 處的衰減率達到了 63. 6%，而實驗組在相同的距離處的衰減率卻只有14. 15%，對照組比實 驗組多了將近50%。
[0044] 另外，對比圖3和圖4可W看出，對照組兩條等值線之間的濃度差為0. 1%，而實驗 組兩條等值線之間的濃度差為0. 01%，同樣的距離，對照組含量變化是實驗組的10倍。由此 可見，本發(fā)明的裝置對〇)2在±壤中均勻擴散具有良好的效果。
[0045]運用此裝置W后，植被采樣面積大大增加，例如，進行上壤中C〇2含量為1%的植被 采樣時，在對照組中，采集面積只有一個內(nèi)徑為2cm，外徑為4cm的圓環(huán)，而在實驗組中，卻 可W采集直徑為5cm的圓形區(qū)域。因此滿足了大田試驗需要采集大量樣品的要求，且解決 了采樣量太小，可重復性差，代表性不明確等問題。并且在對實驗精度不是極其苛刻的情況 下，此裝置可W近似地看做上壤中所有C〇2濃度是均一的，從而模擬C02泄漏對農(nóng)作物、± 壤、地下水和生態(tài)等的影響。實際應用中，裝置的大小可W隨試驗的需求進行一定的調(diào)整。
[0046]在W上實驗中，沒有給進氣裝置6增加環(huán)形套管10,僅是用了一個單一的點源輸 送，如果增加環(huán)形套管10將會對氣體均勻輸送有一定的前期處理，〇)2在±壤中的均勻化擴 散效果將會更明顯。
【主權項】
1. 一種模擬CO 2在土壤中均勻擴散的試驗裝置，包括箱體、進氣裝置和輸氣系統(tǒng)，進氣 裝置與輸氣系統(tǒng)連接；其特征是，還包括由下至上設于箱體內(nèi)的粗砂礫層、細砂礫層、多孔 陶瓷板和半透膜，試驗土壤放置在半透膜上；所述多孔陶瓷板與箱體固連，半透膜貼合固定 在多孔陶瓷板頂面；所述進氣裝置的出氣口設在粗砂礫層中，且位于箱體的中心。2. 根據(jù)權利要求1所述的一種模擬CO2在土壤中均勻擴散的試驗裝置，其特征是，所述 進氣裝置由連接管與輸氣系統(tǒng)連接，連接管上設置氣動轉換接頭。3. 根據(jù)權利要求1所述的一種模擬CO2在土壤中均勻擴散的試驗裝置，其特征是，所述 箱體的底面為圓形或正多邊形，由有機透明玻璃組成，頂部為開口設計。4. 根據(jù)權利要求1所述的一種模擬CO2在土壤中均勻擴散的試驗裝置，其特征是，所述 粗砂爍層和細砂爍層厚度相等；粗砂爍的細度模數(shù)為3. 7~3. 1，平均粒徑為0. 5mm以上，細 砂礫的細度模數(shù)為2. 2~1. 6,平均粒徑為0. 35~0. 25mm ;所述多孔陶瓷板的孔徑為1mm，用玻 璃膠與箱體固定，其中縱向抗壓強度>35Mpa，橫向抗壓強度>12Mpa ;所述半透膜用玻璃膠 固定于多孔陶瓷板上。5. 根據(jù)權利要求1所述的一種模擬CO2在土壤中均勻擴散的試驗裝置，其特征是，所述 進氣裝置設有環(huán)形套管，環(huán)形套管設于粗砂礫層中，其頂面周向均布氣孔，環(huán)形套管由連接 管與外部輸氣系統(tǒng)連接。6. 根據(jù)權利要求5所述的一種模擬CO2在土壤中均勻擴散的試驗裝置，其特征是，所述 環(huán)形套管的內(nèi)側面或外側面均布氣孔。7. 根據(jù)權利要求5所述的一種模擬CO2在土壤中均勻擴散的試驗裝置，其特征是，所述 環(huán)形套管通過支架與箱體連接。8. 根據(jù)權利要求5所述的一種模擬CO2在土壤中均勻擴散的試驗裝置，其特征是，所述 環(huán)形套管的半徑不小于箱體底面內(nèi)徑的四分之一且不大于箱體底面內(nèi)徑的三分之一。9. 根據(jù)權利要求5所述的一種模擬CO2在土壤中均勻擴散的試驗裝置，其特征是，所述 環(huán)形套管為不銹鋼管，其中管道外徑為25mm，內(nèi)徑為20mm，所述氣孔的直徑0.5mm。10. -種模擬CO 2在土壤中均勻擴散的試驗方法，其特征在于包括如下步驟： 步驟1)安裝設備，截取一段圓形或多邊形有機玻璃管作為箱體主體，另截取一塊與有 機玻璃外徑大小相同的圓形板作為箱體底板，并在底板上鉆孔，進氣裝置的管體穿過鉆孔 與底板固定；將多孔陶瓷板用玻璃膠與箱體內(nèi)壁固定，并用玻璃膠將半透膜貼覆在多孔陶 瓷板的頂面；將箱體主體倒立，依次裝入細砂礫和粗砂礫，使進氣裝置的出氣口埋設于粗砂 礫層中，將底板與箱體主體粘結固定；將箱體正立，用連接管將進氣裝置與輸氣系統(tǒng)連接起 來；最后向箱體中裝入試驗土壤； 步驟2)打開輸氣系統(tǒng)以及氣動轉換接頭，向土壤內(nèi)通入CO2氣體，氣體通過進氣裝置 的出氣口排出； 步驟3) 0)2先經(jīng)過粗砂礫層，再經(jīng)過細砂礫層，擴散至多孔陶瓷板，由于砂礫層通水透 氣性好，有利于將氣流分散至不同的方向，近似地將氣體由點源擴散變?yōu)槊嬖磾U散，使CO2 氣體較均勻地向上溢出，而后，多孔陶瓷板進一步地將CO2氣體均化； 步驟4)氣流繼續(xù)經(jīng)過半透膜2,逸散于上方土壤中，半透膜的設置一方面有利于下方 CO2氣流向上擴散，一方面防止土壤堵塞多孔陶瓷板的小孔； 步驟5)經(jīng)過砂礫層、多孔陶瓷板以及半透膜的層層均勻化，使得0)2氣流均勻擴散于 覆于半透膜之上的土體中，改變了傳統(tǒng)的點源氣體通入的不均勻特點。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種模擬CO2在土壤中均勻擴散的試驗裝置與方法，外界通入的CO2，通過外界輸氣系統(tǒng)控制濃度，經(jīng)進氣管運輸至埋于砂礫層的進氣裝置，再經(jīng)砂礫層，多孔陶瓷板，半透膜，均勻穩(wěn)定地擴散于土體中，從而模擬CO2泄漏對農(nóng)作物、土壤、地下水和生態(tài)等的影響。其工藝簡單，成本低廉，氣體均一化程度高，實用性強。
【IPC分類】G01N13/00
【公開號】CN104949903
【申請?zhí)枴緾N201510375957
【發(fā)明人】陳浮, 譚敏, 張紹良, 馬靜, 郝邵金, 徐雅晴
【申請人】中國礦業(yè)大學
【公開日】2015年9月30日
【申請日】2015年7月1日