[发明专利]一种原位测定降雨入渗参数的装置及测定方法

摘要

本发明公开了一种原位测定降雨入渗参数的装置及测定方法，包括供水系统和入渗区，供水瓶包括水槽和设置在水槽上方的密闭水箱，密闭水箱的底部设置有进气管和出水管，进气管和出水管均伸入水槽中，所述雨滴模拟装置包括铁丝网和安装在铁丝网上的若干滴水口，水槽底部通过连接水管与滴水口连通；构成了可以模拟不同降雨强度的供水系统，与现有降雨模拟器相比十分经济实惠且便于操作；有效入渗区采用灌浆帷幕的方法将试验区土体与周围土体隔离开来，避免了水在入渗过程中的侧流，也避免了蒸发蒸腾等外界环境的干扰，同时也可得到在天然条件下研究区内湿润土壤排干水份需要的时间。

主权项

1.一种原位测定降雨入渗参数的装置，其特征在于，包括供水系统(Ⅰ)和入渗区(Ⅱ)，其中，供水系统(Ⅰ)包括放置在脚手架(11)上的供水瓶和位于入渗区(Ⅱ)上方的雨滴模拟装置，供水瓶包括水槽(4)和设置在水槽(4)上方的密闭水箱，密闭水箱的底部设置有进气管(2)和出水管(3)，进气管(2)和出水管(3)均伸入水槽(4)中，所述雨滴模拟装置包括铁丝网(9)和安装在铁丝网(9)上的若干滴水口(8)，水槽(4)底部通过连接水管(7)与滴水口(8)连通；所述入渗区(Ⅱ)包括设置于地面下的灌浆帷幕(15)以及设置在地面上的底端与灌浆帷幕(15)开口完全重合集雨器(13)，灌浆帷幕(15)圈起的土壤构成有效入渗区(14)，集雨器(13)的上下均开口且集雨器(13)顶部设置有可开闭的盖子。

2.根据权利要求1所述的一种原位测定降雨入渗参数的装置，其特征在于，还包括观测区(Ⅲ)，观测区(Ⅲ)包括顺灌浆帷幕(15)外壁开挖的探坑(21)和插接在灌浆帷幕(15)侧壁上的若干组水份计(17)和水势计(18)，包括在集雨器(13)侧壁紧贴地面处通过开孔连通导水管(16)一端，导水管(16)另一端联通的量筒(19)，还包括紧贴集雨器(13)外壁插接在地面的蒸发测定装置。

3.根据权利要求1所述的一种原位测定降雨入渗参数的装置，其特征在于，密闭水箱的顶部设置有通过密封盖(1)密封的注水口，进气管(2)顶部开口高于密闭水箱中的液面，且进气管(2)的底部开口高于出水管(3)的底部开口或者进气管(2)的底部开口与出水管(3)的底部开口平齐；水槽(4)底部高于滴水口(8)，水槽(4)底部的连接水管(7)为橡胶管，连接水管(7)上装有控制水流速度的控制阀门(10)；滴水口(8)为输液器针头，滴水口(8)的针头端固定于铁丝网(8)的网格内。

4.根据权利要求1所述的一种原位测定降雨入渗参数的装置，其特征在于，所述蒸发测定装置包括竖直插入地面的水份计(17)和罩住水份计(17)透明玻璃罩(20)。

5.根据权利要求2所述的一种原位测定降雨入渗参数的装置，其特征在于，集雨器(13)高25cm且插入地面5cm；灌浆帷幕15的高为3m，内径1m；探坑(21)的截面为梯形，深3m，坑底宽0.5m，探坑(21)的斜坡上设置有连接地面的第二梯子(22)；相邻两组水份计(17)和水势计(18)之间的间隔为20cm；进气管(2)的底部开口与水槽(4)的底面之间的距离为50cm。

6.一种原位测定降雨入渗参数的测定方法，其特征在于，包括以下步骤，：

步骤1：在模拟降雨前测出入渗区(Ⅱ)内土体的初始含水率；

步骤2：关闭控制阀门(10)，在供水瓶中装水，水槽(4)中保持50cm的恒定水头；关闭集雨器(13)顶部盖子，封闭入渗区；打开控制阀门(10)，启动供水系统，通过控制阀门(10)调节降雨强度，记录密闭水箱中水位下降的速度，当流速达到设计雨强时，打开集雨器(13)顶部盖子；

步骤3：按照设计的时间间隔，测量量筒(19)内余水量并读取水份计(17)和水势计(18)的读数；整个测量过程直至量筒(19)内的余水量变化达到稳定时结束；根据所观测的数据生成t‑f曲线，其中f为SWMM—Horton模型中的入渗能力，用Horton方程拟合后可得出入渗区内土体的最小入渗速率、最大入渗速及衰减常数；

步骤4：降雨模拟结束后，移除雨滴模拟装置，使入渗区内土体在自然环境中进行自我恢复，在此过程中，读取水份计(17)和水势计(18)的读数直至读数恢复到步骤1所得初始含水率，这段恢复时间即为排干时间；

步骤5：实验室内利用土壤最大吸湿水量确定枯萎点，在分析天平上称出干燥而洁净的铝盒重量W₁；称取入渗区内的土体过1mm筛孔的风干土样放入铝盒中，盖上盒盖；将盒盖盖紧后称重，后打开盒盖放入保湿器中吸水并称重，重复吸水称重直至相邻两次吸水后的土样重量差不超过0.005g完成土样吸水，取吸水后所有称量值中的最大值作为W₂；然后，将盒盖打开放入烘箱中烘干后取出，盖上盒盖冷却至室温后称重，重复上述烘干称重直至相邻两次烘干称重的重量差不超过0.003g，选取所有烘干称重值中的最小值作为W₃，则：

土壤最大吸湿水含量(％)＝(W₂‑W₃)/(W₃‑W₁)×100％

凋萎含水量(％)＝2×土壤最大吸湿水含量(％)。

7.根据权利要求6所述的一种原位测定降雨入渗参数的测定方法，其特征在于，所述步骤1中的含水率测试方法如下，利用洛阳铲提出3m厚的原状土，测出每一段土体的含水率或者直接从水份计和水势计上读取初始值。

8.根据权利要求6所述的一种原位测定降雨入渗参数的测定方法，其特征在于，所述步骤3中，水份计(17)和水势计(18)测读时间间隔为5～10分钟，余水量10～30分钟测量一次。

9.根据权利要求6所述的一种原位测定降雨入渗参数的测定方法，其特征在于，所述步骤4的排干时间在自然风干场地的过程中读取水份计和水势计的读数来确定，当水份计和水势计的读数达到步骤1中得到的初始值即完成排干。

10.根据权利要求6所述的一种原位测定降雨入渗参数的测定方法，其特征在于，在步骤1前，取有效入渗区(14)内原状样在相同的降雨模拟条件下做室内的模拟试验，根据室内原状土的入渗情况，估算出不同降雨强度下，现场试验一次模拟所需水量及入渗总时长和测量的时间间隔；以便定做合适的供水装置、设定适宜的降雨强度及观测间隔，室内试验完成后，便可估算出对于现场100cm×300cm的圆柱状入渗区在同样降雨条件下所需要的补给量，由此定做合适大小的供水装置；现场试验设计图见附图，上部为供水系统，中间平面为地面，下部柱状区域为本次试验的有效入渗区(14)。