一种土壤溶质运移参数测量装置及测量方法与流程

1.本发明涉及环境工程技术领域，特别是涉及一种土壤溶质运移参数测量装置及测量方法。


背景技术：

2.近年来，如何开展土壤和地下水的污染防治工作成为环境工程领域的研究热点，准确预测及评估土壤和地下水中溶质污染物的迁移过程和迁移溶质的浓度是地下水污染防治的重要工作。
3.水动力弥散系数作为表征地下水中溶质迁移和分布的重要参数，分为机械弥散和分扩散，它代表着溶质在多孔介质弥散现象中的强弱，其中，能否准确测量水动力弥散系数中的扩散系数对于判断迁移预测模型的精确性相当重要。
4.对于土壤溶质污染物的扩散系数，可根据溶质迁移扩散曲线推导得出，目前，常用于测量溶质迁移扩散曲线的方法为出水口取样法和传统电导率法，然而，出水口取样法使用出水口的溶质浓度扩散曲线来代表整个测量土样，往往会产生较大误差，精准度较低；而传统电导率法的测量装置所需测量土样的体积较大，且测定低含水率土样中的溶质迁移曲线耗时太长。


技术实现要素：

5.针对上述技术问题，本发明提供一种土壤溶质运移参数测量装置及测量方法，能够保留土样的原有状态，且测量周期短，测量结果的准确性高。
6.第一方面，本发明提供一种土壤溶质运移参数测量装置，包括：供液装置、土柱、液体收集器和数据采集器；
7.所述供液装置包括蠕动泵、第一连接件、若干供液瓶以及与若干所述供液瓶分别连接的若干第二连接件；所述第二连接件连接所述第一连接件，所述第一连接件连接所述蠕动泵，所述蠕动泵通过管路连接所述土柱；
8.所述土柱竖直放置，其内部填充有测量土样，所述土柱的侧壁设置有至少一个传感器探针，所述传感器探针插置于所述测量土样中；所述土柱的上部和下部分别设置有连通所述液体收集器的顶盖和连通所述蠕动泵的底盖，所述顶盖和所述底盖均由密封层和过滤层叠合组成，所述过滤层用于均匀分散液体；
9.所述数据采集器通过连接线与所述传感器探针连接。
10.可选的，当所述传感器探针的数量为n个，n为整数且n≥2时，n个所述传感器探针均匀设置于所述土柱的侧壁上。
11.可选的，所述过滤层包括：内置挖槽的盖子、快速滤纸以及多孔筛板；其中，所述挖槽的直径与所述土柱的内径相同，以便提供缓冲保护装置。
12.第二方面，本发明提供一种土壤溶质运移参数测量方法，应用于第一方面所述的土壤溶质运移参数测量装置，所述方法包括：
13.通过所述供液装置向所述土柱通入第一液体，同时，利用所述传感器探针周期性采集所述土柱中所述测量土样的测量数据；
14.当所采集的测量数据变化率低于预设阈值时，利用所述供液装置向所述土柱通入第二液体，记录当前通入所述第二液体的时间点；
15.当所述第二液体的通入时间到达第一预设时间时，利用所述供液装置向所述土柱通入第一液体，记录当前通入所述第一液体的时间点；
16.当所述第一液体的通入时间到达第二预设时间时，关闭所述供液装置，以停止向所述土柱供液；
17.通过所述传感器探针获取所记录的时间点对应的测量数据，并根据所获取的测量数据计算所述测量土样的运移参数。
18.可选的，利用所述蠕动泵控制所述供液装置的供液速度。
19.可选的，所述测量数据包括：所述测量土样的温度、孔隙率和电导率。
20.可选的，利用所述电导率计算所述第二液体的溶液浓度。
21.可选的，所述根据所获取的测量数据计算所述测量土样的运移参数，具体为：
22.利用对流弥散模型对所述测量数据进行拟合，得到所述测量土样的溶质运移扩散曲线，根据所述溶质运移扩散曲线得到所述测量土样的运移参数。
23.第三方面，本发明提供一种数据处理设备，包括处理器，所述处理器和存储器耦合，所述存储器存储有程序，所述程序由所述处理器执行，使得所述数据处理设备执行第二方面所述的土壤溶质运移参数测量方法。
24.第四方面，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如上述第二方面所述的土壤溶质运移参数测量方法。
25.相比现有技术，本发明的有益效果在于：
26.本发明提供的土壤溶质运移参数测量装置及测量方法通过设置用于采集土壤数据的传感器探针和传感器数据采集器，并在固定传感器探针后的土柱内填充较小体积的测量土样，以确保土样填充密实的同时，尽可能地减少对土样原有状态的破坏，确保数据的准确性；同时，利用土壤溶质运移参数测量装置可在短周期内同时测量土样温度、电导率以及饱和含水率，从而准确计算土壤溶质的扩散系数，测量过程操作简便且数据准确率高。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1是本发明实施例提供的土壤溶质运移参数测量装置的结构示意图；
29.图2是本发明实施例提供的土柱的结构示意图；
30.图3是本发明实施例提供的土壤溶质运移参数测量方法的流程示意图。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.土壤溶质是指溶解于土壤水溶液中的化学物质，其随着土壤水分的运动而运移，具体地，土壤质地、结构和孔隙度均会影响溶质在土壤中的运动速率。
33.土壤溶质的污染物具体包括有农药、放射性物质以及重金属元素等，溶质污染物的扩散系数可根据溶质迁移扩散曲线推导得出，对此，本发明提出一种土壤溶质运移参数测量装置及其测量方法，可通过测量溶质的运移参数绘制溶质迁移扩散曲线，再根据溶质迁移扩散曲线推导得到扩散系数。
34.第一方面，如图1所示，本发明一个实施例提供的土壤溶质运移参数测量装置包括供液装置、土柱1、液体收集器2和数据采集器3。
35.供液装置具体包括蠕动泵4、第一连接件5、若干供液瓶6以及与若干供液瓶6分别连接的若干第二连接件7，其中，第二连接件7连接第一连接件5，第一连接件5连接蠕动泵4，蠕动泵4通过管路连接土柱1。
36.上述若干供液瓶6分别用于盛装纯净水和溶液；第一连接件5和第二连接件7均可设置为多通阀。
37.蠕动泵4则由驱动器，泵头和软管三部分组成，可通过对泵头的弹性输送软管交替进行挤压和释放来泵送液体。蠕动泵4没有阀、机械密封和填料密封等装置，能够有效减小液体泄露和设备损坏的风险，泵送的稳定性和控制精度更高，保证了本装置测量数据的准确性。
38.在本实施例中，土柱1竖直放置，其内部填充有测量土样，土柱1的侧壁设置有至少一个传感器探针8，所述传感器探针8插置于所述测量土样中。
39.土柱1是实验室内和田间用于进行水分运动、溶质运移等研究的柱状土体，本实施例设置土柱1用于放置被测的土壤样品；具体地，土柱1还可设置为水平放置等其他放置方式，本发明不做限定。
40.当本装置中的传感器探针8数量大于一个时，此时多个传感器探针8均匀分布设置于土柱1的侧壁上，例如，当传感器探针8的数量为2个时，在土柱1柱身侧壁的三分之一处和三分之二处各开一孔以安装传感器探针8。
41.在本实施例中，传感器探针8中的传感器具体包括：土壤水分传感器、电导率传感器和温度传感器。
42.土柱1的上部和下部分别设置有连通液体收集器2的顶盖和连通供液装置中的蠕动泵4的底盖，所述顶盖和所述底盖均由密封层和过滤层叠合组成，其中，过滤层用于均匀分散液体。
43.具体地，过滤层包括内置挖槽的盖子、快速滤纸以及多孔筛板；其中，所述挖槽的直径与土柱1的内径相同，以便充当缓冲保护装置。
44.在本实施例中，所述顶盖和所述底盖均可拆卸连接于所述土柱1，连接方法包括螺纹连接和卡扣连接等。
45.数据采集器3通过连接线与传感器探针8连接。
46.以下将提供一个具体实施例描述本发明提供的土壤溶质运移参数测量装置的具体组成结构。
47.在本实施例中，土壤溶质运移参数测量装置包括供液装置、土柱1、液体收集器2和数据采集器3。
48.其中，供液装置包括蠕动泵4、三通阀(第一连接件5)、两个供液瓶6以及与两个供液瓶6分别连接的两个双通阀(第二连接件7)；其中，两个双通阀分别连接三通阀，三通阀连接蠕动泵4，蠕动泵4则通过管路连接土柱1。
49.具体地，两个供液瓶6分别盛装超纯水和硫酸钾溶液，两个双通阀分别为控制水和硫酸钾溶液流出或关闭的转换开关；通过三通阀可以在超纯水和硫酸钾溶液中切换流入蠕动泵4外接软管中的液体，并经蠕动泵4供给测量土样。
50.具体地，液体供给流速通过蠕动泵4进行动态调节。
51.在本实施例中，土柱1的装置示意图请参照图2，所述土柱1竖直放置，柱身为圆柱体，圆柱体的内径为8cm，外径为10cm，壁厚为1cm，柱身长度为40cm，柱身侧壁上每隔8cm开一个孔，共四个孔，每个孔分别放置有传感器探针8，土柱1内部填充有测量土样，利用插置在测量土样中的传感器探针8进行土样温度、饱和度及电导率的测量。
52.土柱1的上部和下部分别设置有连通液体收集器2的顶盖和连通供液装置中的蠕动泵4的底盖，如图2所示，顶盖和底盖均为相同的层叠式结构，以顶盖为例：顶盖的最上层为厚度1.5cm的正方体盖子，所述盖子的中间设置有直径8cm的圆柱状挖槽(虚线部分)，所述挖槽内放置有若干个圆球；盖子的下方依次通过快速滤纸、密封橡胶垫、多孔筛板以及又一层密封橡胶垫叠合在一起，形成顶盖。
53.具体地，通过在盖子与密封橡胶垫间设置一层快速滤纸，可确保装置密实不漏水漏气。
54.进一步地，盖子的挖槽中所放置的若干个圆球均由亲水性材质制成(例如玻璃)，球体直径均大于5mm；在顶盖中设置若干个圆球和多孔筛板可起缓冲作用，使流通的超纯水或硫酸钾溶液分布更均匀。
55.需要说明的是，底盖的结构和内部设置与上述顶盖一致，此处不再赘述。
56.具体地，顶盖和底盖各开有8个螺丝孔，可通过螺丝分别连接土柱1的柱顶和柱底；且顶盖和底盖分别通过导管与液体收集器2、蠕动泵4进行连通，实现从下往上向土柱1内通入供液装置所提供的液体。
57.本实施例还设置有数据采集器3，数据采集器3一侧通过连接线与土柱1中插置的传感器探针8连接，用于采集传感器探针8传输的数据，另一侧可外接计算机，以对所采集的数据进行存储和计算。
58.第二方面，如图3所示，本发明一个实施例基于第一方面实施例所提供的装置提供一种土壤溶质运移参数测量方法，具体包括下述步骤。
59.s1：通过所述供液装置向所述土柱1通入第一液体，同时，利用所述传感器探针8周期性采集所述土柱1中所述测量土样的测量数据。
60.具体地，在通过供液装置对土柱1进行供液的过程中，利用蠕动泵4控制供液装置的供液速度。
61.在本实施例中，测量土样的测量数据具体包括：测量土样的温度(℃)、孔隙率(％)和电导率(无量纲)。
62.s2：当所采集的测量数据变化率低于预设阈值时，水流达到稳态，土壤已饱和，利
用所述供液装置向所述土柱1通入第二液体，记录当前通入所述第二液体的时间点。
63.具体地，当传感器探针8采集测量数据的读数稳定在预设的范围内波动时，切换供液装置，以向土柱1通入第二液体。
64.s3：当所述第二液体的通入时间到达第一预设时间时，利用所述供液装置向所述土柱1通入第一液体，记录当前通入所述第一液体的时间点。
65.s4：当所述第一液体的通入时间到达第二预设时间时，关闭所述供液装置，以停止向所述土柱1供液。
66.具体地，第一预设时间和第二预设时间的设定范围为：分别将第一液体和第二液体通入到土柱中后，传感器电导率数值达到稳态，变化极小即可。
67.s5：通过所述传感器探针8获取所记录的时间点对应的测量数据，并根据所获取的测量数据计算所述测量土样的运移参数。
68.利用所采集的电导率数据可计算得到第二液体的溶液浓度，进一步地，可利用对流弥散模型(ade模型)对所述测量数据进行拟合，得到所述测量土样的溶质运移扩散曲线，根据所述溶质运移扩散曲线得到所述测量土样的运移参数。
69.本发明一个实施例将以中沙为测量土样，描述本发明提供的土壤溶质运移参数测量方法的测量过程。
70.中沙是一种粒径大小在0.075
‑
0.25mm之间的土样，在对中沙进行溶质运移参数测量之前，准备足量的纯净水，并配置不同浓度梯度的硫酸钾溶液，将纯净水和硫酸钾溶液分别盛装于供液装置的两个供液瓶6中待用。
71.示例性的，硫酸钾溶液的浓度梯度可配置为：0.4g/l、0.6g/l、0.8g/l、1.0g/l和1.2g/l。
72.将中沙装进土柱1中，打开供液装置中的三通阀和蠕动泵4，将蠕动泵4调节至目标转速，从下往上向土柱1内通入纯净水，使中沙饱和。
73.期间，利用数据采集器3每隔10秒采集一次传感器探针8的数据，以探测中沙温度(℃)、中沙孔隙率(％)以及电导率。
74.当传感器的读数稳定在预设范围内波动时，转动三通阀，将土柱1与盛装硫酸钾溶液的供液瓶6连通，向土柱1通入一定浓度的硫酸钾溶液，并记录当前通入硫酸钾溶液的时间点。
75.当通入硫酸钾溶液的时间达到预先设定的时间点时，转动三通阀，将土柱1与盛装纯净水的供液瓶6连通，向土柱1通入纯净水，并记录当前通入纯净水的时间点。
76.当通入纯净水的时间达到预先设定的时间点时，依次关闭供液装置中的蠕动泵4和各处阀门。
77.需要说明的是，本实施例各次通入15分钟纯净水或硫酸钾溶液后，土柱中的溶质浓度达到稳态饱和，故上述预先设定的时间点设置为15分钟。
78.根据所记录的时间点，从数据采集器3中读取对应数据；其中，数据采集器3所保存的数据中，电导率为土柱1内饱和中沙以某一数值为基准的相对电导率，具体地，相对电导率可以以1为基准。
79.通过数据采集器3中所采集的电导率可以得到硫酸钾溶液中的迁移离子浓度，具体地，电导率与迁移离子浓度可用下式表达：
80.c(z,t)＝aec
a
(z,t) b
81.式中，ec
a
(z,t)为电导率读数；c(z,t)为硫酸钾溶液中的迁移离子浓度；a、b均为常数。
82.由上式可知，电导率与溶液总浓度的关系为线性关系。
83.进一步地，可通过所采集的电导率推导硫酸钾溶液的相对浓度：获取数据采集器3中电导率读数的最大值(max)和最小值(min)，通过下式将转化为溶液的相对浓度：
[0084][0085]
相对浓度是一个无量纲的浓度，其变化范围在0～1之间；在原始的采集数据中，若某个时刻的传感器的电导率读数波动非常大，将会导致测量实验的max值或mix值取值发生变化，因此需要去除波动大的无效数据，保证数据可靠性。
[0086]
得到硫酸钾溶液的迁移离子浓度和相对浓度后，本实施例基于对流弥散模型(ade)，利用stanmod软件对所获取的测量数据及计算数据进行中沙的溶质运移扩散曲线拟合分析。
[0087]
具体地，ade模型的公式表示如下：
[0088][0089]
其中，c为硫酸钾溶液中的迁移离子浓度,v为蠕动泵4的转速,x为硫酸钾溶液的液位到测量的传感器探针8的距离，d为扩散系数。
[0090]
通过ade模型拟合得到的中沙运移扩散曲线可得到目标扩散系数。
[0091]
本发明上述实施例提供的土壤溶质运移参数测量装置通过设置用于采集土壤数据的传感器探针8和数据采集器3，并在固定传感器探针8后的土柱1内填充较小体积的测量土样，确保土样填充密实的同时，尽量保留测量土样的原有状态，以保证采集数据的准确性。
[0092]
利用本装置进行土壤溶质运移参数的测量可实现在短周期内同时采集土样温度、电导率以及饱和含水率，并进一步根据采集的数据准确计算土壤溶质的扩散系数，不仅操作简便，且数据的准确率高。
[0093]
第三方面，本发明提供一种数据处理设备，包括处理器，所述处理器和存储器耦合，所述存储器存储有程序，所述程序由所述处理器执行，使得所述数据处理设备执行第二方面所述的土壤溶质运移参数测量方法。
[0094]
第四方面，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如上述第二方面所述的土壤溶质运移参数测量方法。
[0095]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可监听存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read
‑
only memory，rom)或随机存储记忆体(random access memory，ram)等。
[0096]
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为
本发明的保护范围。