一种模拟水位波动的装置

1.本技术属于地下水环境技术领域，具体涉及一种模拟水位波动的装置。


背景技术：

2.地下水位波动带，是包气带和饱和带的界面或过渡地带，在流域尺度上对碳、养分以及污染物的迁移起着重要的调节作用。在毛细带边缘及其邻近的不饱和与饱和带具有较陡的物理化学梯度，生物地球化学活动非常活跃。由于地下水位波动可能会导致当地的氧化还原条件、土壤基质及土壤介质环境发生变化，氧化还原条件的改变会影响到地下水环境的生物地球化学过程和微生物动力学过程，而土壤基质势的变化可能进一步影响有机基质的迁移以及养分和气体的扩散，所以地下水位波动可能会给其土壤区间带来独特的地球化学和矿物学特征。因此，研究地下水位波动带的变化，及其引起的生物地球化学过程变化具有重要意义。
3.砂柱实验装置是目前模拟地下水位波动的一种主要装置，如中国专利cn201810333560.7公开了一种地下水位波动带的模拟装置，包括：装置基座、水箱升降装置、脱氧水箱及地下水位波动柱；该专利提供的地下水位波动带的模拟装置，由脱氧水箱向地下水位波动柱中提供脱氧水；通过水箱升降装置的升降来控制脱氧水箱的高度，并根据连通器原理，通过脱氧水箱的高度可以控制地下水位波动柱中脱氧水的水位高度；因此可用来调控水位波动带的水位波动。该专利通过在水箱下连接水箱升降装置来调节水箱的高度，进而调整水位波动柱中的水位波动，这种装置结构较复杂，且在调节水位的过程中，需要向水箱中手动加水或倒出水来调整水量的多少，调节过程较繁琐，且无法精确调整单位时间内的进水量或出水量，不能够对水位波动下土壤中发生的一些参数变化做出精确计算；此外，这种脱氧水箱和地下水位波动柱直接连通的装置，往往需要在连通管上设置蠕动泵，在反复调整水位波动的情况下，在蠕动泵的抽吸作用下，水流将会对水位波动柱内的填充土壤产生较大的冲击力，会对土壤微环境产生干扰和影响，如较大冲击力可能会改变土壤中微生物菌群的原生长位置，进而造成实验误差。


技术实现要素：

4.本技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种模拟水位波动的装置，以解决现有模拟水位波动的装置结构较复杂、调节过程繁琐、无法精确定量以及会对土壤微环境产生不利影响的技术问题。
5.为了实现上述申请目的，本技术提供了一种模拟水位波动的装置，包括：
6.蓄水柱，其内盛装有水；
7.水位柱，其内设有水位计；所述水位柱由透明材质制成或所述水位柱上设有透视窗；
8.第一连通管线，其上设有蠕动泵；所述蓄水柱和所述水位柱通过所述第一连通管线相连通；
9.反应柱，其内装填有土壤层，所述反应柱侧壁上安装有传感器，所述传感器用于检测所述反应柱内土壤或水的物性参数；以及
10.第二连通管线，所述水位柱和所述反应柱通过所述第二连通管线相连通。
11.进一步地，所述反应柱内还装填有滤水层，所述滤水层位于所述土壤层下侧。
12.进一步地，所述传感器包括5te传感器。
13.进一步地，所述传感器包括溶解氧传感器，所述溶解氧传感器设置在所述土壤层。
14.进一步地，所述传感器还包括第一压力传感器，所述第一压力传感器设置在所述滤水层。
15.进一步地，所述反应柱侧壁上还安装有取样器，所述取样器设置在所述土壤层。
16.进一步地，所述反应柱内还安装有气温计、气压计中的至少一种。
17.进一步地，所述水位柱侧壁上安装有第二压力传感器。
18.进一步地，所述滤水层为过滤网层。
19.进一步地，所述蓄水柱、所述水位柱上端均设有密封端盖，所述蓄水柱和所述水位柱上部均封装有同种类填充气体，所述反应柱上端连接有气体采样器；所述填充气体为惰性气体。
20.与现有技术相比，本技术具有以下的技术效果：
21.本技术的一种模拟水位波动的装置利用连通器原理将水位柱和反应柱相连通，水位柱中的水位波动即为反应柱中的水位波动，通过水位柱中的水位即可直观观察并调整水位；此外，本技术通过蓄水柱为水位柱供水，进而间接为反应柱供水，通过调节蓄水柱中的水位来达到间接调节反应柱中水位的目的，避免了将蠕动泵直接连接在水位柱和反应柱相连通的第二连通管线上，进而可避免在进行多次连续实验改变水位时对反应柱中土壤溶液产生的干扰和影响，减小实验误差；另一方面，本技术通过蠕动泵来调节水量的改变，可以准确控制进水速率或减水速率，能够对水位波动下土壤中发生的一些参数变化做出精确定量计算。
22.本技术的一种模拟水位波动的装置结构简单、设计巧妙、易拆卸组装、实用性强、成本低，能实现对土壤中水化学指标的原位检测，克服了异位检测的缺点，能很好的模拟水位波动影响土壤环境生物地球化学过程。
附图说明
23.为了更清楚地说明本技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本技术的一些实施方式，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。
24.图1为本技术实施例1提供的一种模拟水位波动的装置的结构示意图；
25.图2为图1中蓄水柱和水位柱的密封端盖的结构示意图。
26.其中，图中各附图标记：
27.1、蓄水柱，2、水位柱，3、水位计，4、第一连通管线，5、蠕动泵，6、反应柱，7、土壤层，8、滤水层，9、第二连通管线，10、5te传感器，11、溶解氧传感器，12、第一压力传感器，13、取样器，14、气温计，15、气压计，16、第二压力传感器，17、密封端盖，18、通孔，19、填充气体，
20、气体采样器，21、最高水位波动线，22、最低水位波动线。
具体实施方式
28.为了使本技术要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
29.本技术中，术语“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b的情况。其中a，b可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
30.本技术中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，“a，b，或c中的至少一项(个)”，或，“a，b，和c中的至少一项(个)”，均可以表示：a，b，c，a-b(即a和b)，a-c，b-c，或a-b-c，其中a，b，c分别可以是单个，也可以是多个。
31.应理解，在本技术的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，部分或全部步骤可以并行执行或先后执行，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本技术实施例的实施过程构成任何限定。
32.在本技术实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本技术。在本技术实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
33.本技术实施例说明书中所提到的相关成分的重量不仅仅可以指代各组分的具体含量，也可以表示各组分间重量的比例关系，因此，只要是按照本技术实施例说明书相关组分的含量按比例放大或缩小均在本技术实施例说明书公开的范围之内。具体地，本技术实施例说明书中所述的质量可以是μg、mg、g、kg等化工领域公知的质量单位。
34.术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，用来将目的如物质彼此区分开，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。例如，在不脱离本技术实施例范围的情况下，第一xx也可以被称为第二xx，类似地，第二xx也可以被称为第一xx。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
35.本技术实施例提供了一种操作简单、组装方便、准确高效的模拟水位波动的装置，结构如图1、图2所示。一种模拟水位波动的装置，包括蓄水柱1、水位柱2、第一连通管线4、反应柱6和第二连通管线9。蓄水柱1内盛装有水，蓄水柱1用于为水位柱2供水或蓄水，蓄水柱1在水位柱2水位上升时供水，在水位柱2水位下降时蓄水。水位柱2内设有水位计3，水位计3用以监测并记录水位柱2内的水位变化。水位计3可以采用solinst水位计，solinst水位计具有防水性、免维护性、数据实时查看和导出的功能。水位柱2由透明材质制成或水位柱2上设有透视窗，以便实时观察水位柱2内的水位。本技术实施例的水位柱2采用有机玻璃制成，其材质为亚克力材质，有机玻璃可塑性强、易于进行打孔等操作。水位柱2的高度为100cm，直径为20cm。蓄水柱1也采用有机玻璃制成，蓄水柱1的高度为100cm，直径为20cm，其内盛装水的高度为80cm。
36.第一连通管线4上设有蠕动泵5；蓄水柱1和水位柱2通过第一连通管线4相连通。蓄水柱1通过蠕动泵5向水位柱2输送或抽取水量，用以在实验前后对水位柱2进行水体补给，
从而保证水位波动的模拟实验的顺利进行。蠕动泵5(型号：bt100-1j)由驱动器、泵头和软管组成，密封性好，具有良好的自吸能力；可空转，可防止回流，对流体污染小，具有双向同等流量输送能力以完成对蓄水柱1和水位柱2的水体输送工作。蠕动泵5的流量范围可设为10ml
·
min-1
到120ml
·
min-1
。
37.水位柱2用以模拟水位波动，例如将水位振幅设为60cm，经计算可得到其波动速率为6.0cm/d；同样地，将水位振幅设为80cm，经计算可得到其波动速率为8.0cm/d，以此即可模拟不同水位上升或者下降速率的波动实验。
38.反应柱6内装填有土壤层7，土壤层7内采用的土壤为采集并进行土壤的基本物理和水力特性测定后的土壤，水位柱2和反应柱6通过第二连通管线9相连通。本技术实施例的反应柱6为一根长为100cm，直径为20cm的有机玻璃柱，其材质为亚克力材质。反应柱6用以模拟不同水位波动影响下土壤环境的生物地球化学变化过程。
39.进一步地，本技术实施例的反应柱6内还可以装填有滤水层8，滤水层8位于土壤层7下侧，滤水层8用于阻止反应柱6内土壤颗粒的流失，此外，滤水层8还可以减缓水流速度，保证水能从土壤底部均匀上升或下降。滤水层8可以采用过滤网制作，例如聚乙烯塑料网。反应柱6侧壁上安装有传感器，传感器用于检测反应柱6内土壤或水的物性参数。
40.本技术实施例的反应柱6内土壤层7和滤水层8的填充高度为80cm，顶空为2650cm3。
41.本技术实施例的一种模拟水位波动的装置利用连通器原理将水位柱2和反应柱6相连通，水位柱2中的水位波动即为反应柱6中的水位波动，通过水位柱2中的水位即可直观观察并调整水位；此外，本技术通过蓄水柱1为水位柱2供水，进而间接为反应柱6供水，通过调节蓄水柱1中的水位来达到间接调节反应柱6中水位的目的，避免了将蠕动泵5直接连接在水位柱2和反应柱6相连通的第二连通管线9上，进而可避免在进行多次连续实验改变水位时对反应柱6中土壤溶液产生的干扰和影响，减小实验误差；另一方面，本技术实施例通过蠕动泵5来调节水量的改变，可以准确控制进水速率或减水速率，能够对水位波动下土壤中发生的一些参数变化做出精确定量计算。
42.本技术实施例的一种模拟水位波动的装置结构简单、设计巧妙、易拆卸组装、实用性强、成本低，能实现对土壤中水化学指标的原位检测并实时收集分析数据，克服了异位检测的缺点，能很好的模拟水位波动影响土壤环境生物地球化学过程。
43.本技术实施例的传感器用于检测土壤的温度、电导率、含水量中的至少一种物性参数。本技术实施例的传感器包括5te传感器10，5te传感器10可以同时测量水位波动影响下不同深度土壤的温度、电导率以及含水量的变化。
44.本技术实施例的传感器还包括溶解氧传感器11，溶解氧传感器11设置在土壤层7，溶解氧传感器11用以对水位波动影响下不同深度土壤水中的溶解氧含量进行原位读取。
45.本技术实施例的传感器还包括第一压力传感器12，第一压力传感器12设置在滤水层8，第一压力传感器12用以测量不同水位波动条件下的反应柱6内的压力水头，第一压力传感器12的设置深度可以为5cm。
46.本技术实施例的反应柱6侧壁上还安装有取样器13，取样器13设置在土壤层7内。取样器13可以采用micro-rhizon土壤水提取器，micro-rhizon土壤水提取器的长度为5cm，直径为2.5mm，用以对水位波动影响下土壤溶液进行原位采样，从而测量土壤水的水化学指
标，其对土壤的水力性质破坏小，并且不会改变ph。原位采样无需在每一次实验结束后打开装置再进行采样工作，大大减少了实验误差，同时便于操作，提高了实验的精度和准确度。
47.本技术实施例的反应柱6内还安装有气温计14、气压计15中的至少一种。气温计14用以测量反应柱6内气温变化，气压计15用以确定反应柱6内气压，保证在建模时为标准大气压。
48.本技术实施例的反应柱6内安装的5te传感器10、溶解氧传感器11和取样器13均设置有多个，具体地，在反应柱6内壁的左侧安装有5个5te传感器10，相邻5te传感器10之间间隔15cm，以底部滤水层8表面为基准面，深度分别为10cm、25cm、40cm、55cm和70cm。在反应柱6内壁的右侧安装有5个溶解氧传感器11，相邻溶解氧传感器11之间间隔15cm，5个溶解氧传感器11和5te传感器10相对设置，以底部滤水层8表面为基准面，深度分别为10cm、25cm、40cm、55cm和70cm。在反应柱6内壁的右侧还安装有5个mirco-rhizon型土壤水取样器13，相邻取样器13之间间隔15cm，以底部滤水层8表面为基准面，深度分别为2.5cm、17.5cm、32.5cm、47.5cm和62.5cm。反应柱6内5个溶解氧传感器11和5个mirco-rhizon型土壤水取样器13交替分布。本技术实施例的反应柱6的侧壁上共开设有16个侧孔(1/800npt压缩配件)，端口密封并配有聚四氟乙烯隔膜。
49.本技术实施例的水位柱2侧壁上安装有第二压力传感器16，第二压力传感器16安装在水位柱2的下侧，距离底部5cm位置，第二压力传感器16用于测量不同水位波动条件下的水位柱2内的压力水头。
50.本技术实施例的蓄水柱1、水位柱2上端均设有密封端盖17，密封端盖17上设有通孔18，蓄水柱1和水位柱2上部均封装有同种类填充气体19，反应柱6上端连接有气体采样器20；填充气体19为惰性气体，例如氩气。这样，蓄水柱1内部包括下部所蓄水体与上部气体，其中上部气体占有机玻璃柱总长为20cm，下部所蓄水体占有机玻璃柱总长为80cm。通过密封端盖17上的通孔18可以向蓄水柱1和水位柱2内充入惰性气体，以模拟厌氧环境下水位波动影响土壤环境生物地球化学过程，也可充入空气进行有氧填充，模拟有氧(正常)环境下水位波动影响土壤环境生物地球化学过程。
51.在反应柱6上端连接有气体采样器20，气体采样器20用以收集水位波动下土壤释放的气体，例如co2气体，从而测量在水位波动影响下土壤的气体释放速率，可以取前后密闭2小时气体浓度差来计算气体释放速率。在实验开始前，水位柱2上方与蓄水柱1上方充入同种类型的气体用以模拟相同的实验环境。
52.采用本技术实施例的一种模拟水位波动的装置模拟厌氧环境下水位波动对土壤环境生物地球化学过程影响的实验操作过程如下：
53.(1)将野外采集到的土样进行研磨、过筛，得到实验土样所需粒径大小；
54.(2)向蓄水柱1中注入深度为80cm的水，之后盖上密封端盖17，并拧紧；
55.(3)利用抽气装置从密封端盖17的通孔18内抽出蓄水柱1内空气，并充入惰性气体氩气，之后封紧密封端盖17上的通孔18；
56.(4)向水位柱2中注入深度达最低水位波动线22的水，并将solinst水位计3接入水位柱2内，然后盖上密封端盖17，并拧紧；
57.(5)利用抽气装置从密封端盖17的通孔18内抽出水位柱2内空气，并充入惰性气体氩气，之后封紧密封端盖17上的通孔18；
58.(6)将实验土样进行前处理，并测定试验前理化性质；
59.(7)将实验土样按5cm填充一次的速度均匀的填进反应柱6中，将micro-rhizon土壤水取样器13水平插入土壤层7中，以底部滤水层8表面为基准面，深度分别为2.5cm、17.5cm、32.5cm、47.5cm和62.5cm；
60.(8)右侧五个端口分别接入5个5te传感器10，以底部滤水层8表面为基准面，深度分别为10cm、25cm、40cm、55cm和70cm。左侧五个端口分别接入5个溶解氧传感器11，与5个5te传感器10相对，以底部滤水层8表面为基准面，深度分别为10cm、25cm、40cm、55cm和70cm；
61.(9)关闭反应柱6顶部盖子，其顶部盖子上留有一通气孔与空气相通；
62.(10)打开蠕动泵5，使蓄水柱1按10ml
·
min-1
流速向水位柱2缓慢供水以抬升水位直至最高水位波动线21，反应柱6中水位在连通器的作用下同步上升至最高水位波动线21，在此过程中通过读取solinst水位计3以调整水位及流量，此阶段即为水位上升阶段；
63.(11)反应过程中5te传感器10会连续记录并保存数据，通过读取5传感器10中数据得出土壤水分含量、电导率和温度；
64.(12)反应过程中可接入溶解氧传感器数据导出装置读取溶解氧传感器11中数据；
65.(13)反应过程中可通过micro-rhizon土壤水取样器13对不同深度土壤水进行采集并通过实验测得阴阳离子变化；
66.(14)反应过程中可接入气体采样器20来收集不同水位条件下产生的气体以推测土壤可能发生的环境生物地球化学过程；
67.(15)反应过程中通过观察气温计14和气压计15示数进行环境调整，来确保温度和压力的条件的稳定和适宜；
68.(16)当水位到达最高水位波动线21后可打开蠕动泵5反向供水开关，将水位柱2中的水供向蓄水柱1直至最低水位波动线22，此时反应柱6中水位在连通器的作用下同步下降至最低水位波动线22，在此过程中通过读取solinst水位计3以调整水位及流量，此阶段即为水位下降阶段；
69.(17)上述过程即为厌氧条件下水位波动对土壤环境生物地球化学过程，如要模拟有氧条件下水位波动对土壤环境生物地球化学过程，仅需将密封端盖17打开，使装置与大气相通即可。
70.实验结束时，将反应柱6完全排水并拆卸。用千斤顶将土从反应柱6顶部挤出，每隔2厘米切片一次。对土壤切片进行均质化处理后测定有机碳浓度变化。
71.本技术实施例的一种模拟水位波动的装置通过反复进行该实验操作，可模拟不同水位波动速率、不同土壤渗透系数、有氧或厌氧条件下水位波动对土壤环境生物地球化学过程影响。通过反复进行该实验操作，可模拟水位波动对土壤氮循环、磷循环、碳循环、电导率、含水量等环境生物地球化学过程影响。
72.以上实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本技术专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：
1.一种模拟水位波动的装置，其特征在于，包括：蓄水柱，其内盛装有水；水位柱，其内设有水位计；所述水位柱由透明材质制成或所述水位柱上设有透视窗；第一连通管线，其上设有蠕动泵；所述蓄水柱和所述水位柱通过所述第一连通管线相连通；反应柱，其内装填有土壤层，所述反应柱侧壁上安装有传感器，所述传感器用于检测所述反应柱内土壤或水的物性参数；以及第二连通管线，所述水位柱和所述反应柱通过所述第二连通管线相连通；所述反应柱内还装填有滤水层，所述滤水层位于所述土壤层下侧；所述蓄水柱、所述水位柱上端均设有密封端盖，所述蓄水柱和所述水位柱上部均封装有同种类填充气体，所述反应柱上端连接有气体采样器。2.如权利要求1所述的一种模拟水位波动的装置，其特征在于，所述传感器包括5te传感器。3.如权利要求1所述的一种模拟水位波动的装置，其特征在于，所述传感器包括溶解氧传感器，所述溶解氧传感器设置在所述土壤层。4.如权利要求1所述的一种模拟水位波动的装置，其特征在于，所述传感器还包括第一压力传感器，所述第一压力传感器设置在所述滤水层。5.如权利要求1所述的一种模拟水位波动的装置，其特征在于，所述反应柱侧壁上还安装有取样器，所述取样器设置在所述土壤层。6.如权利要求1所述的一种模拟水位波动的装置，其特征在于，所述反应柱内还安装有气温计、气压计中的至少一种。7.如权利要求1所述的一种模拟水位波动的装置，其特征在于，所述水位柱侧壁上安装有第二压力传感器。8.如权利要求1所述的一种模拟水位波动的装置，其特征在于，所述滤水层为过滤网层。9.如权利要求1-8任一项所述的一种模拟水位波动的装置，其特征在于，所述填充气体为惰性气体。

技术总结
本申请公开了一种模拟水位波动的装置，包括：蓄水柱，其内盛装有水；水位柱，其内设有水位计；水位柱由透明材质制成或水位柱上设有透视窗；第一连通管线，其上设有蠕动泵；蓄水柱和水位柱通过第一连通管线相连通；反应柱，其内装填有土壤层，反应柱侧壁上安装有传感器，传感器用于检测反应柱内土壤或水的物性参数；以及第二连通管线，水位柱和反应柱通过第二连通管线相连通。本申请的装置可避免在进行多次连续实验改变水位时对反应柱中土壤溶液产生的干扰和影响，减小实验误差；且可以准确控制进水速率或减水速率，能够对水位波动下土壤中发生的一些参数变化做出精确定量计算。生的一些参数变化做出精确定量计算。生的一些参数变化做出精确定量计算。


技术研发人员：胡颖康 张林 曹馨予 金玉洁 黄鑫 张志鑫 靳孟贵 梁杏
受保护的技术使用者：中国地质大学（武汉）
技术研发日：2022.10.27
技术公布日：2023/7/23