一種用于連續監測的多功能土柱模擬集成裝置的制作方法

本發明涉及一種用于連續監測的多功能土柱模擬集成裝置，屬于環境工程技術領域。

背景技術：

非飽和帶土壤水與大氣降水、地下水緊密聯系，其研究對于農水問題、環境問題以及水資源開發利用等方面有著重要意義。在研究降雨入滲過程中的非飽和帶水鹽（污染物）運移與同位素變化規律時，設計室內試驗進行模擬是一種有效手段。國內外已有的室內降雨入滲監測試驗裝置，能夠對野外環境進行一定的還原模擬，但仍存在以下缺陷：1.裝置整體性較差，當設置多個土柱時，需分別模擬降雨，操作繁瑣，且有時間差。2.裝置系統性、連續性較差。在長期連續取樣監測中，單個土柱由于擾動而難以實現，多個土柱不能保證試驗過程一致性，則數據無法對接使用。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是，提供一種整體性較強，可同時對多個試驗土柱連續監測與取樣，能無間斷地模擬有效降雨入滲條件下，水鹽（污染物）運移在時間上的變化過程，操作集中簡便，避免時間差的用于連續監測的多功能土柱模擬集成裝置；進一步地，本發明提供一種各土柱間留有填充空隙，填充與土柱內完全相同土樣，實現土柱周圍環境一致性，盡量接近野外實際，具有很強的仿真性的用于連續監測的多功能土柱模擬集成裝置。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為：

一種用于連續監測的多功能土柱模擬集成裝置，包括保護箱，所述保護箱內設置有若干上下向貫通的保護箱管道，所述保護箱管道內設置有土柱，所述保護箱的上方設置有降雨器，所述降雨器的進水口與第一導水管的出水口相連，所述第一導水管的進水口與第一馬氏瓶的出水口相連；所述保護箱的下面設有與所述土柱底端相連的箱體，所述箱體通過第二導水管與第二馬氏瓶相連通，若干探頭裝置依次插入所述保護箱、保護箱管道和土柱上的探頭口，所述探頭裝置還與數據自動采集裝置相連；若干土柱取樣孔依次穿過所述保護箱、保護箱管道和土柱；全部所述探頭口和土柱取樣孔均呈縱向排列。

所述保護箱內壁和保護箱管道外壁之間為預留填充空間。

所述預留填充空間和土柱中的填料相同。

所述土柱的個數為至少6個并分兩排均布。

所述降雨器包括針頭式降雨器。

所述土柱底部鋪設有反濾層，所述反濾層下方的所述土柱側壁上開有土柱地下水接口；所述箱體內設置有若干用于容納所述土柱底端的凹槽，所述凹槽由第一地下水連接開關和第二地下水連接開關拼接而成，所述第二地下水連接開關與所述保護箱底面中部固定連接，所述第一地下水連接開關作為所述箱體的側面封板并與所述第二地下水連接開關活動式對接；所述第一地下水連接開關上設置有用于穿過所述第二導水管的通孔，所述第二導水管穿過所述通孔后與所述土柱地下水接口相連。

所述活動式對接包括插接，即所述第一地下水連接開關插入所述箱體側面開口內。

所述反濾層以礫石和粗砂作為濾料。

所述土柱取樣孔上設置有活塞。

所述土柱的材質包括亞克力。

本發明主要由供水降雨單元、土柱集成單元、水鹽溫監測單元和地下水模擬單元組成。

1、供水降雨單元：主要由與第一馬氏瓶與針頭式降雨器組成。第一馬氏瓶與針頭式降雨器通過第一導水管相連，通過調節第一馬氏瓶水頭來控制不同的恒定壓力，用以提供不同強度的均勻降雨。

2、土柱集成單元：主要由保護箱和土柱組成。保護箱整體為四棱柱模型，設有土柱預留管道，沙土填充空間，水鹽溫探頭口以及地下水連接開關，其中土柱自身設有水鹽溫探頭口、取樣口、地下水連接口以及反濾層。

3、地下水模擬單元：主要由第二馬氏瓶與土柱地下水接口通過第二導水管連通，良好的封閉性能夠防止蒸發，通過調節第二馬氏瓶水頭來控制不同的恒定壓力，用以提供不同水位的穩定地下水。

4、水鹽溫監測單元：主要為土壤水分-鹽分-溫度測量儀，由多功能探頭裝置與數據自動采集裝置組成，完成實時連續監測。

本發明提供的一種用于連續監測的多功能土柱模擬集成裝置，用于研究降雨入滲過程中的非飽和帶水鹽（污染物）運移與同位素變化規律，能夠同時進行多組土柱試驗，可達到取樣分析與連續監測的研究效果。本發明的集成裝置的優點在于：

1.同時滿足取樣分析與連續監測。保護箱的保護層作用與降雨的同時進行保證了一根土柱長期監測，其余土柱隔天取樣檢測的實現，取樣所測數據能夠對接使用，等同于一個樣品的連續無間斷變化，使得有效降雨后的土壤水鹽、同位素含量達到長期連續監測的效果。

2.裝置整體性強，可同時對多個試驗土柱連續監測與取樣，能無間斷地模擬有效降雨入滲條件下，水鹽（污染物）運移在時間上的變化過程，操作集中簡便，避免時間差，試驗更加科學，且具多功能特性。

3.該裝置各土柱間留有填充空隙，填充與土柱內完全相同土樣，實現土柱周圍環境一致性，盡量接近野外實際，具有很強的仿真性。

4.該裝置能夠用一根土柱專門進行長期水鹽溫監測，解決了取樣后無法保持原狀并繼續監測與取樣分析的難題。該裝置的其余五根土柱除監測水鹽溫之外，每隔一天取樣進行同位素值的測定，同時加測離子濃度與監測數據對照。由于裝置系統性較強，每根土柱數據可對接使用達到連續監測效果。（根據試驗周期可另設土柱總個數與取樣間隔時間）。

5.該裝置由四個獨立的模擬單元組成，可以分別對不同單元進行拆卸，組裝簡易，操作方便，可進行多條件、多類型的試驗模擬。

綜上所述，本發明可實現簡便地對多土柱同時有效降雨，且科學地實現了對非飽和帶水鹽（污染物）運移與同位素變化的連續監測。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖；

圖2為本發明中土柱的結構示意圖；

圖3為圖1的正視剖面圖；

圖4為圖1的側視剖面圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。

實施例1

如圖1~圖4所示，一種用于連續監測的多功能土柱模擬集成裝置，包括保護箱6，所述保護箱6內設置有若干上下向貫通的保護箱管道，所述保護箱管道內設置有土柱4，所述保護箱6的上方設置有降雨器3，所述降雨器3的進水口與第一導水管2的出水口相連，所述第一導水管2的進水口與第一馬氏瓶1的出水口相連；所述保護箱6的下面設有與所述土柱4底端相連的箱體，所述箱體通過第二導水管12與第二馬氏瓶13相連通，若干探頭裝置7’依次插入所述保護箱6、保護箱管道和土柱4上的探頭口7，所述探頭裝置7’還與數據自動采集裝置14相連；若干土柱取樣孔10依次穿過所述保護箱6、保護箱管道和土柱4；全部所述探頭口7和土柱取樣孔10均呈縱向排列。

所述保護箱6內壁和保護箱管道外壁之間為預留填充空間5。

所述預留填充空間5和土柱4中的填料相同。

所述土柱4的個數為6個并分兩排均布。

所述降雨器3包括針頭式降雨器。

所述土柱4底部鋪設有反濾層11，所述反濾層11下方的所述土柱4側壁上開有土柱地下水接口9；所述箱體內設置有若干用于容納所述土柱4底端的凹槽，所述凹槽由第一地下水連接開關8和第二地下水連接開關8’拼接而成，所述第二地下水連接開關8’與所述保護箱6底面中部固定連接，所述第一地下水連接開關8作為所述箱體的側面封板并與所述第二地下水連接開關8’活動式對接；所述第一地下水連接開關8上設置有用于穿過所述第二導水管12的通孔，所述第二導水管12穿過所述通孔后與所述土柱地下水接口9相連。

所述活動式對接包括插接，即所述第一地下水連接開關8插入所述箱體側面開口內。

所述反濾層11以礫石和粗砂作為濾料。

所述土柱取樣孔10上設置有活塞。

所述土柱4的材質包括亞克力。

利用本實施例的裝置模擬單次降雨條件下（根據需要設定降雨量），非飽和帶水鹽（污染物）運移與同位素變化的連續監測。操作步驟如下：

（1）在土柱4（a-f）的底部鋪設反濾層11，反濾層11以礫石和粗砂作為濾料。

（2）封閉土柱取樣孔10。準備研究區土壤，配置為相同含水率狀態，根據設計含水率及容重來完成土柱4（a-f）的填充。同時以柱中相同狀態土壤裝填于保護箱6的預留填充空間5。然后將土柱4填放于保護箱管道中。

（3）打開保護箱6兩側的第一地下水連接開關8，將第二馬氏瓶13與土柱地下水接口9通過第二導水管12連通，再將第一地下水連接開關8與第二地下水連接開關8’對接安裝，得以提供穩定的地下水。

（4）安裝土壤水分-鹽分-溫度測量儀，將多功能探頭裝置7’分別水平插入保護箱6兩側的探頭口7，并與數據自動采集裝置14連接。

（5）配置相應濃度鹽溶液，存于第一馬氏瓶1，將其與降雨器3通過第一導水管2相連，安裝于保護箱6上方，以提供壓力恒定的供水水頭，模擬一次均勻降雨。

（6）通過土壤水分-鹽分-溫度測量儀實時監測六根土柱4水鹽溫變化，再打開土柱取樣孔10進行取樣，測定同位素值和離子含量。其中，a柱于降雨一天后取出，b柱于兩天后取出，c柱于三天后取出，d柱于四天后取出，e柱于五天后取出，f柱于六天后取出。

實施例2

利用實施例1的裝置模擬兩次降雨條件下（每次皆根據需要設定降雨量），非飽和帶水鹽（污染物）運移與同位素變化的連續監測。操作步驟如下：

（1）在土柱4（a-f）的底部鋪設反濾層11，以礫石和粗砂作為濾料。

（2）封閉土柱取樣孔10。準備研究區土壤，配置為相同含水率狀態，根據設計含水率及容重來完成土柱4（a-f）的填充。同時以柱中相同狀態土壤裝填于保護箱6的預留填充空間5。然后將土柱填放于保護箱管道中。

（3）打開保護箱6兩側的第一地下水連接開關8，將第二馬氏瓶13與土柱地下水接口9通過第二導水管12連通，再將第一地下水連接開關8與第二地下水連接開關8’對接安裝，得以提供穩定的地下水。

（4）安裝土壤水分-鹽分-溫度測量儀，將多功能探頭裝置7’分別水平插入保護箱6兩側的探頭口7，并與數據自動采集裝置14連接。

（5）配置相應濃度鹽溶液，存于第一馬氏瓶1，將其與降雨器3通過第一導水管2相連，安裝于保護箱6上方，以提供壓力恒定的供水水頭。

（6）在第一天模擬第一次降雨，通過土壤水分-鹽分-溫度測量儀實時監測六根土柱水鹽溫變化，三天后打開土柱取樣孔10對土柱a、b、c進行取樣，測定同位素值和離子含量。

（7）a、b、c柱取出后，隨即進行第二次降雨，通過土壤水分-鹽分-溫度測量儀實時監測d、e、f這三根土柱水鹽溫變化，三天后打開土柱取樣孔10對土柱d、e、f進行取樣，測定同位素值和離子含量。

實施例3

利用實施例1的裝置模擬多次降雨條件下（每次皆根據需要設定降雨量），非飽和帶水鹽（污染物）運移與同位素變化的連續監測。操作步驟如下：

（1）在土柱4（a-f）的底部鋪設反濾層11，以礫石和粗砂作為濾料。

（2）封閉土柱取樣孔10。準備研究區土壤，配置為相同含水率狀態，根據設計含水率及容重來完成土柱4（a-f）的填充。同時以柱中相同狀態土壤裝填于保護箱6的預留填充空間5。然后將土柱填放于保護箱管道中。

（3）打開保護箱6兩側的第一地下水連接開關8，將第二馬氏瓶13與土柱地下水接口9通過第二導水管12連通，再將第一地下水連接開關8與第二地下水連接開關8’對接安裝，得以提供穩定的地下水。

（4）安裝土壤水分-鹽分-溫度測量儀，將多功能探頭裝置7’分別水平插入保護箱6兩側的探頭口7，并與數據自動采集裝置14連接。

（5）配置相應濃度鹽溶液，存于第一馬氏瓶1，將其與降雨器3通過第一導水管2相連，安裝于保護箱6上方，以提供壓力恒定的供水水頭。

（6）在第一天模擬一次降雨，通過土壤水分-鹽分-溫度測量儀實時監測六根土柱水鹽溫變化，a柱于第一次降雨一天后取出并測定同位素值和離子含量；a柱取出后，隨即進行第二次降雨，一天后取出b柱并測定同位素值和離子含量；b柱取出后，隨即進行第三次降雨，一天后取出c柱并測定同位素值和離子含量；c柱取出后，隨即進行第四次降雨，一天后取出d柱并測定同位素值和離子含量；d柱取出后，隨即進行第五次降雨，一天后取出e柱并測定同位素值和離子含量；e柱取出后，隨即進行第六次降雨，一天后取出f柱并測定同位素值和離子含量。

此外，還可以通過地下水模擬單元，設置不同的地下水位進行多組試驗；也可設置多組不同雨強進行試驗；還可設置不同土壤初始含水率進行試驗。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。