【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于非饱和土
，特别涉及一种融雪入渗模拟系统及非饱和渗透系数测定方法。
技术介绍
降水主要是指降雨和降雪，水分以各种形式从大气到达地面，其它形式的降水还包括露、霜、雹等。降水是水文循环的重要环节，也是人类用水的基本来源。降水资料是分析合理洪枯水情、流域旱情的基础，也是水资源的开发利用如防洪、发电、灌溉等的规划设计与管理运用的基础。降水入渗补给地下水的过程是大气水到土壤水到地下水“三水”相互转换关系中最基本的环节之一，降水入渗对地下水的补给量即为降水补给量，它是地下水的主要补给方式，同时，也是区域水均衡计算中的一个重要均衡要素。土柱实验被广泛应用于农业、林业、地质、土木和环境等研究领域。应用土柱实验可以在实验室内模拟土壤水分和污染物迁移规律。土柱通常分为原状土柱和扰动土柱两种。原状土柱能够用来测试土体本身的结构及其物理性质；当前土柱实验一般采用扰动土柱，扰动土柱是经过筛分形成，或者按照一定比例混合填装所形成的，其不能用来测试土体本身的结构特性。不管采用哪种土柱进行试验，都存在以下问题：①土柱实验装土构件单节长度大，便捷性差，以至于土柱安装困难，对仪器的清洗造成不便；②监测设备安装繁琐，需要对土柱进行钻孔，破坏其结构性；③监测设备一般为人工观测，使得实验精度低、人为性强。非饱和渗透系数与含水量或基质势的关系是描述非饱和土壤中水分运移和溶质输送的重要函数关系之一，是分析降水条件下土坡稳定性、固体废物填埋场、地下污水的迁移和填土工程等问题的重要参数。由于在非饱和土中有基质吸力的存在，不能用常规的饱和渗透实验方法确定其渗透系数，使得非饱和土渗透系数...
【技术保护点】
融雪入渗模拟系统，其特征在于，包括底部构件(1)、连接在底部构件(1)上的一个或多个串联的土柱实验标准构件(4)以及土柱实验标准构件(4)顶部的融雪入渗模拟装置(8)；所述的底部构件(1)包括位于最下方的底座(1‑1)，底座(1‑1)上的集水点通过塑料软管(2)接入出渗量量杯(3)，塑料软管(2)上设置有第三流量传感器(3‑1)，第三流量传感器(3‑1)接入计算机(7)；底座(1‑1)的上方设置有承力柱(1‑2)，承力柱(1‑2)的上部设置有高进气值陶土板(1‑3)，高进气值陶土板(1‑3)的四周边沿均与底部构件(1)管件(1‑7)的内壁水平紧贴，高进气值陶土板(1‑3)的顶部设置有滤纸(1‑4)，滤纸(1‑4)的上表面与原状土样(12)接触；管件(1‑7)的顶端设置有外螺纹连接段(1‑6)，外螺纹连接段(1‑6)通过法兰(6)与土柱实验标准构件(4)连接；所述土柱实验标准构件(4)由两个相同的半圆柱体经卡箍(4‑30)通过土柱实验标准构件(4)管壁(4‑1)的卡箍凹槽(4‑3)处连接成一个圆柱体，土柱实验标准构件(4)的管壁(4‑1)上设置有圆形小孔(4‑4)，圆形小孔(4‑4)与橡...
【技术特征摘要】
1.融雪入渗模拟系统，其特征在于，包括底部构件(1)、连接在底部构件(1)上的一个或多个串联的土柱实验标准构件(4)以及土柱实验标准构件(4)顶部的融雪入渗模拟装置(8)；所述的底部构件(1)包括位于最下方的底座(1-1)，底座(1-1)上的集水点通过塑料软管(2)接入出渗量量杯(3)，塑料软管(2)上设置有第三流量传感器(3-1)，第三流量传感器(3-1)接入计算机(7)；底座(1-1)的上方设置有承力柱(1-2)，承力柱(1-2)的上部设置有高进气值陶土板(1-3)，高进气值陶土板(1-3)的四周边沿均与底部构件(1)管件(1-7)的内壁水平紧贴，高进气值陶土板(1-3)的顶部设置有滤纸(1-4)，滤纸(1-4)的上表面与原状土样(12)接触；管件(1-7)的顶端设置有外螺纹连接段(1-6)，外螺纹连接段(1-6)通过法兰(6)与土柱实验标准构件(4)连接；所述土柱实验标准构件(4)由两个相同的半圆柱体经卡箍(4-30)通过土柱实验标准构件(4)管壁(4-1)的卡箍凹槽(4-3)处连接成一个圆柱体，土柱实验标准构件(4)的管壁(4-1)上设置有圆形小孔(4-4)，圆形小孔(4-4)与橡胶塞(5-7)配合使用；多个土柱实验标准构件(4)通过法兰(6)将上下端的螺纹连接段(4-2)进行连接；插入件(5)通过橡胶塞(5-7)插入原状土样(12)内，插入件(5)内传感器所采集的数据都实时传输给计算机(7)，土壤热传导吸力探头(4-7)经圆形小孔(4-4)插入原状土样(12)内；土壤热传导吸力探头(4-7)内传感器所采集的数据都实时传输给计算机(7)，土柱实验标准构件(4)上固定有多个测压管(4-9)，多个
\t测压管(4-9)的每个入水口经圆形小孔(4-4)插入原状土样(12)内；所述的插入件(5)在土柱上按照同一列布置，土壤热传导吸力探头(4-7)在土柱上按照同一列布置，测压管(4-9)在土柱上按照同一列布置；所述的融雪入渗模拟装置(8)包括设置在土柱外侧的温度控制器(8-1)以及通过导线(9)与其所连接的调温元件(8-3)，所述调温元件(8-3)位于顶盖(8-2)下方，顶盖(8-2)的顶部设置有超声波测距传感器(8-4)，顶盖(8-2)位于土柱实验标准构件(4)上部的圆柱构件(10)的上方且紧密接触，圆柱构件(10)内的原状土样(12)上表面外侧开有出水口(10-1)，所述出水口(10-1)通过塑料软管(2)接入径流量量杯(13)，塑料软管(2)上设置有第二流量传感器(13-1)，所述第二流量传感器(13-1)通过导线(9)接入计算机(7)，原状土样(12)上设置有待融雪源(11)。2.根据权利要求1所述的融雪入渗模拟系统，其特征在于，所述的承力柱(1-2)包括承力柱支座(1-22)以及固定在其上的承力柱主体(1-21)，所述承力柱支座(1-22)与底座(1-1)为一体成型，承力柱支座(1-22)在土柱竖向投影按照“一个圆心+以底座(1-1)半径1/2为半径的圆周向五等份”方式布置；承力柱主体(1-21)长度不同使得底座(1-1)呈现坡度。3.根据权利要求1所述的融雪入渗模拟系统，其特征在于，所述的土柱底部构件(1)、土柱实验标准构件(4)及圆柱构件(10)均由耐高温玻璃钢制成。4.根据权利要求1所述的融雪入渗模拟系统，其特征在于，所述的插入件(5)的最前端设置有插入针头(5-6)，插入件(5)内部管道的转角处设置有橡胶垫片(5-1)，内部管道中设置有弹出件
\t(5-2)，弹出件(5-2)包括温湿度传感器探头(4-5)或冷热一体金属元件(4-6)，弹出件(5-2)后端与导线(9)进行连接，弹出件(5-2)的尾部套设有轻质弹簧(5-4)，轻质弹簧(5-4)的末端设置有探针控制器(5-5)，插入件(5)的外侧中段设置有挡板(5-3)。5.根据权利要求1所述的融雪入渗模拟系统，其特征在于，所述圆形小孔(4-4)形状大小与橡胶塞(5-7)相一致且结合紧密，排布方式为：纵向上相隔排列且遵循上密下疏原则，横向上绕土柱实验标准构件(4)外圆周长8等分排布。6.根据权利要求1所述的融雪入渗模拟系统，其特征在于，所述的卡箍(4-30)由两半圆环钢圈(4-34)组成并通过一端的铆钉(4-35)铆接，卡箍(4-30)的另一端接头(4-33)通过螺丝杆(4-31)和螺母(4-32)来调节卡箍(4-30)的松紧程度，使标准圆柱构件紧密结合。7.根据权利要求1所述的融雪入渗模拟系统，其特征在于，所述的法兰(6)内侧设有法兰螺纹(6-1)，法兰(6)的两端设置有转动把手(6-2)。8.根据权利要求1所述的融雪入渗模拟系统，其特征在于，所述的计算机(7)的信号端与微控制器(7-0)的信号端相连，微控制器(7-0)设置有温度探测输入端(7-1)、温湿度探测输出端(7-2)和基质吸力探测输出端(7-3)；温度探测输入端(7-1)经导线(9)连接冷热一体金属元件(4-6)，温湿度探测输出端(7-2)经导线(9)连接温湿度传感器探头(4-5)，基质吸力探测输出端(7-3)经导线(9)连接土壤热传导吸力探头(4-7)。9.根据权利要求1所述的融雪入渗模拟系统，其特征在于，所述的待融雪源(11)包括四种形态，整冰块型待融雪源、粒径为
\t0.5cm-5cm的小冰块型待融雪源、粒径为小于0.5cm的冰粉型待融雪源、以及由不同粒径组合而成的混合型待融雪源；在圆柱构件(10)与待融雪源(11)上表面所处的水平面相交的圆柱构件(10)外壁上周向六等分设置有六个红外对射报警找平装置(J)；融雪入渗模拟装置(8)的一侧设置有搅碎机(H)，搅碎机(H)的出口连通伸缩式传送装置(Q)，伸缩式传送装置(Q)的输送段连通至圆柱构件(10)内，在圆柱构件(10)内且伸缩式传送装置(Q)下方设置有振动筛(R),振动筛(R)的下方通过风扇固定结构B安装有由软质塑料制成的三叶风扇(C)，振动筛(R)为可活动的百叶窗形式。10.基于上述任一权利要求所述的融雪入渗模拟系统的非饱和渗透系数测定方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、组装土柱实验标准构件分别对土柱实验标准构件(4)的两块半圆柱体管壁(4-1)进行拼接，对土柱实验标准构件(4)的接缝进行密封及防水处理，然后把卡箍(4-30)套在卡箍凹槽(4-3)上，并通过扳手上紧套在螺丝杆件(4-31)上的螺母(4-32)，使卡箍(4-30)牢固地套在卡箍凹槽(4-3)上，然后将多个土柱实验标准构件(4)通过法兰(6)串联实现纵向拼接；步骤二、安装原状土样选取预先准备好的原状土样(12)，将原状土样(12)竖立在地面上，将已经连接好的多个土柱实验标准构件(4)套住原状土样(12)，将原状土样(12)与土柱实验标准构件(4)之间的缝隙采用密封及防水处理保证后续实验时水不从缝隙直接流下；步骤三、组装土柱实验仪器设备先将底座(1-1)放置于水平地面上，然后将承力柱主体(1-21)套放在对应的承力柱支座(1-22)上，将高进气值陶土板(1-3)水平放置于承力柱主体(1-21)上方，所述高进气值陶土板(1-3)上表面铺设有滤纸(1-4)，所述承力柱主体(1-21)、高进气值陶土板(1-3)、滤纸(1-4)均位于管件(1-7)内部；在集水处最低位置设置一个出水孔外接塑料软管(2)，将所述塑料软管(2)的另一端接入出渗量量杯(3)，其中所述塑料软管(2)上安装第三流量传感器(3-1)，所述第三流量传感器(3-1)通过导线(9)接入计算机(7)；然后将法兰(6)的法兰螺纹(6-1)对准外螺纹连接段(1-6)，通过转动把手(6-2)将法兰(6)紧密地安装在底部构件(1)上方，然后将拼接组装而成的土柱实验标准构件(4)连同其套住的原状土样(12)通过土柱实验标准构件(4)的底部螺纹连接段(4-2)与所述底部构件(1)上端的法兰(6)的法兰螺纹(6-1)进行组装，使拼接组装而成的土柱实验标准构件(4)连同其套住的原状土样(12)位于底部构件(1)滤纸(1-4)的正上方，最后通过法兰(6)将圆柱构件(10)进行连接；步骤四、测定原状土样的初始状态原状土样(12)的初始含水率：多个温湿度传感器探头(4-5)分别对原状土样(12)的湿度进行一次监测，并将监测到的信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号通过串口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状土样(12)的湿度信号，并将各个测试点处原状土样(12)的湿度信号记录为各个测试点处原状土样(12)的初始含水率θc；原状土样(12)的初始温度：多个温湿度传感器探头(4-5)分别对原状土样(12)的温度进行一次监测，并将监测到的信号传给微
\t控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号通过串口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状土样(12)的温度信号，并将各个测试点处原状土样(12)的温度信号记录为各个测试点处原状土样(12)的初始温度Tc；原状土样(12)的基质吸力：多个土壤热传导吸力探头(4-7)分别对原状土样(12)的基质吸力进行一次监测，并将监测到的信号传给微控制器(7-0)，微控制器(7-0)将监测信号通过串口通信电路实时传输给计算机(7)，计算机(7)接收并记录多个测试点处原状土样(12)的基质吸力信号，并将各个测试点处原状土样(12)的基质吸力信号记录为各个测试点处原状土样(12)的初始基质吸力Fac；原状土样(12)的水头高度：多个测压管(4-9)分别对原状土样(12)的水头高度进行监测得到各个测试点初始阶段对应的水头高度hc；原状土样(12)的饱和含水率：将原状土样(12)的取样地点带回的其它土样进行饱和含水率测定，作为原状土样(12)的饱和含水率；取土样放入称量盒内，为其注水直至水面浸没土样，浸没10分钟之后将多余的水清除，称质量为m，之后将土样和称量盒放入烘箱内，进行烘干，之后将其置于天平上进行称重得质量为ms，之后利用公式计算求得原状土样(12)的饱和含水率θsat；步骤五、模拟融雪入渗边界条件(1)、当需要模拟整冰块型待融雪源的消融入渗模拟过程时，只需要将整冰块型待融雪源(11)放在原状土样(12)上；当需要模拟粒径为0.5cm-5cm的小冰块型待融雪源、粒径为小于0.5cm的冰粉型
\t待融雪源以及由不同粒径组合而成的混合型待融雪源的消融入渗模拟过程时，启动搅碎机(H)，待融雪源(11)在搅碎机(H)中搅碎后通过伸缩式传送装置(Q)输送到振动筛(R)上，伸缩式传送装置(Q)在圆柱构件(10)内来回伸缩运动，伴随着振动筛自转，从而实现将搅碎的待融雪源(11)均匀地洒落在振动筛(R)的上表面，保证搅碎后的待融雪源(11)不成堆聚集在振动筛(R)；振动筛(R)设置为可活动的百叶窗形式，能够随着待融雪源(11)的粒径大小进行自动调节，当进行融雪时，百叶窗的开口设置为最大，以便调温元件(8-3)更好地进行融雪加热；三叶风扇(C)扇叶转速较慢，从而使降下的待融雪源(11)平整；六个红外对射报警找平装置(J)两两成对构成一组实现对射找平，可全面扫描监测原状土样(12)上的待融雪源(11)上表面是否水平；(2)、计算机(7)发出信号接通温度控制器(8-1)的供电回路，从而控制调温元件(8-3)加热到预设实验温度T1，温度控制器(8-1)对调温元件(8-3)进行实时监测并将监测到的信号实时传输给计算机(7)，计算机(7)将其接收到的监测值与调温元件(8-3)预设实验温度T1相比对，当监测值达到调温元件(8-3)预设实验温度T1时，计算机(7)向温度控制器(8-1)发出信号断开调温元件(8-3)的供电回路，调温元件(8-3)停止加热，当监测值低于调温元件(8-3)预设实验温度T1时，计算机(7)经微控制器(7-0)向温度控制器(8-1)发出信号接通调温元件(8-3)的供电回路，调温元件(8-3)开始加热，从而使调温元件(8-3)保持为预设实验温度T1；预设实验温度
\tT1的范围为0℃～80℃；(3)、计算机...
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