[发明专利]一种非连续非饱和土壤降雨入渗物理模拟系统及测定方法

说明书

本发明提出一种非连续非饱和土壤降雨入渗物理模拟系统及测定方法，包括试验土槽、补排系统和测量系统，所述测量系统包括土壤水势测量单元、土壤水分测量单元、水头测量单元、土壤温度测量单元、土壤水分扩散测量单元、数据采集仪和数据存储电脑；通过本发明系统及测定方法可以有助于研究者更好的理解包气带非饱和渗流实验的相关概念及理解非连续介质条件下包气带降雨入渗优先流，在实际应用中可以测定土壤的渗透系数、土壤基质势、土壤水分水平扩散速度等，利用测定结果推求非饱和土壤水分的扩散率、下渗曲线及运动方程，以及对研究不同塌陷时期土壤特征对包气带水分运移的影响提供了稳定的数据支撑。

技术领域

本发明涉及水文地质研究领域，尤其涉及一种非连续非饱和土壤降雨入渗物理模拟系统及测定方法。

背景技术

包气带入渗是水文循环的重要过程，影响降雨、径流、入渗、蒸散发以及对地下水补给之间的分配关系，而土壤含水量是影响这些水文过程的关键因素；采煤塌陷造成地表产生大量裂缝、裂隙，造成包气带土壤物理性质变化，裂缝、裂隙改变了降雨入渗过程，使得包气带垂直入渗及水分扩散过程发生变化，采矿塌陷造成包气带土壤结构发生变化，土壤基质势随之改变，一方面裂缝导致垂直入渗优先流，裂缝阻断水平扩散路径，另一方面，裂隙及裂缝造成包气带土壤蒸散发量的增加，影响土壤含水量及土壤基质势，从而造成包气带土壤含水量较低，影响作物生长，分析理解塌陷区土壤含水量及基质势变化塌陷条件下包气带降雨入渗显得尤为重要。

作为此类问题的主要研究方法，室内物理模拟具有很多优点，近年来，国内外涌现了一大批关于包气带入渗模拟的室内装置，例如室内土柱试验，但是该仪器只能模拟一维水分运动；例如渗流槽，但其重点研究土壤含水量变化及溶质运移，没有考虑到包气带土壤介质的不连续问题、塌陷裂缝对包气带基质势的影响，且不能做到塌陷情况下包气带土壤多种参数的同时在线监测的功能，无法全面的测定到包气带降雨入渗情况，因此，本发明提出一种非连续非饱和土壤降雨入渗物理模拟系统及测定方法，以解决现有技术中的不足之处。

发明内容

针对上述问题，通过本发明系统及测定方法可以有助于研究者更好的理解包气带非饱和渗流实验的相关概念及理解非连续介质条件下包气带降雨入渗优先流，在实际应用中可以测定土壤的渗透系数、土壤基质势、土壤水分水平扩散速度等，以及对研究不同塌陷时期土壤特征对包气带水分运移的影响提供了稳定的数据支撑，还可以用于研究不同塌陷特征下对降雨入渗优先流的影响。

本发明提出一种非连续非饱和土壤降雨入渗物理模拟系统，包括试验土槽、补排系统和测量系统，所述试验土槽上方设有横梁，所述横梁下方两端设有液压杆，所述补排系统包括补水装置、排水装置、底部补给装置和顶部补排装置，所述试验土槽两侧分别通过液压杆设有补水装置和排水装置，所述补水装置和排水装置均包括定水头装置、水槽和滤网，所述液压杆一端连接定水头装置，所述试验土槽内侧设有滤网，所述滤网与试验土槽内侧壁之间的空隙为水槽，所述水槽通过连接软管连通定水头装置，所述底部补给装置包括出水管和连通管，所述试验土槽底部设有连通管，所述连通管一端设有出水管，所述出水管两端分别设有进水阀和出水阀，所述出水管靠近进水阀的一端连通定水头装置，所述试验土槽上方设有顶部补排装置，所述顶部补排装置包括降雨模拟器和热辐射补充装置，所述测量系统包括土壤水势测量单元、土壤水分测量单元、水头测量单元、土壤温度测量单元、土壤水分扩散测量单元、数据采集仪和数据存储电脑，所述土壤水势测量单元、土壤水分测量单元、土壤温度测量单元和土壤水分扩散测量单元均通过数据采集仪连接数据存储电脑。

进一步改进在于：所述试验土槽呈为长方体状，所述试验土槽由有机玻璃制成，所述试验土槽内部下方设有渗水层，所述渗水层上方也设有滤网，所述试验土槽内的试验土壤通过滤网与渗水层接触，所述渗水层由上至下包括粗砂层、砾砂层和碎石层，所述粗砂层砂石粒径为0.05-2mm，平均粒径为1mm，所述砾砂层的砾砂粒径为2-20mm，平均粒径为10mm，所述和碎石层的碎石粒径为10-25mm，平均径为18mm。