一種適用于喀斯特地區(qū)的土壤侵蝕與養(yǎng)分遷移模擬裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種喀斯特地區(qū)的土壤侵蝕與養(yǎng)分遷移模擬裝置，由收納池、水泥板和承重基槽三部分構成。其中預制鋼擋板分別與收納池、水泥板相連，水泥板與收納池的底部相連，第一排水管與第一不銹鋼鋼槽相連，第二排水管與第二不銹鋼鋼槽相連，第三排水管與第三不銹鋼鋼槽相連，承重基槽與水泥板下端相連，三個不銹鋼鋼槽位于承重基槽的槽洞中，第一不銹鋼鋼槽、第二不銹鋼鋼槽和第三不銹鋼鋼槽外側(cè)底端和外側(cè)中部分別預留不銹鋼排水管和拉手。該裝置結構簡單，操作方便，模擬不同巖土裂隙環(huán)境下土壤溶質(zhì)的運移情況，解決了喀斯特地區(qū)水土過程和水化學模擬研究中存在的復雜困難、難以調(diào)控等問題。
【專利說明】ー種適用于喀斯特地區(qū)的土壤侵蝕與養(yǎng)分遷移模擬裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及試驗裝置領域，更具體涉及ー種喀斯特地區(qū)的土壌侵蝕與養(yǎng)分遷移模擬裝置，它適合于科研、教學和環(huán)保部門進行生態(tài)脆弱區(qū)土壌水分、營養(yǎng)元素和有機、無機污染物在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化模擬研究。
【背景技術】
[0002]土壌溶質(zhì)運移研究的是溶質(zhì)在土壌中的遷移過程、規(guī)律和機理。土壤溶質(zhì)指溶解于土壤水溶液中的化學物質(zhì)，包括養(yǎng)分元素(N、P、K等)、鹽分(Cr、CO廣、SO廣、Ca2+、Mg2+、Na+等)和有機無機污染物。目前，土壌溶質(zhì)運移的研究已成為土壌學、生態(tài)學、水資源學以及資源與環(huán)境科學等相關學科的基礎和前沿研究領域，尤其是近年來，隨著化肥、農(nóng)藥、污水灌溉引起的地下水和土壤污染等問題日益嚴重，土壌溶質(zhì)運移研究也越來越受到重視(Kutilek and Nielsen, 1994 ；Selim and Sparks, 2001 ;李保國等，2005)。
[0003]國際上利用土壌剖面元素變化、滲漏計、接水盤、陶瓷管、排水采集器等多種方法對土壤溶質(zhì)淋失機理和過程開展了大量研究。大多數(shù)研究方法如剖面元素含量變化及陶土管(suction cup)等間接方法無法直接測定淋溶水量，難以獲得準確的溶質(zhì)淋失量，目前已較少應用(朱波等，2013)。而排水采集器(Iysimeter)和滲漏計等方法因能夠同時測定水通量和溶質(zhì)濃度，大多數(shù)田間試驗通常采用此方法。但排水采集器和滲漏計的應用也有局限。排水采集器和滲漏計覆蓋面積較小lm2)，而且建設通常破壞土壤原來結構，很難考慮土壤中大孔隙產(chǎn)生的優(yōu)勢流對土壤溶質(zhì)遷移的影響，因此利用排水采集器實測多孔裂隙土壤環(huán)境溶質(zhì)淋失的報道并不多。優(yōu)勢流是土壤中普遍存在的現(xiàn)象，它的存在降低了水和養(yǎng)分的可利用性，同吋，由于它同土壤基質(zhì)接觸的面積小，使得許多污染物來不及降解就開始向下運移，増加了地下水污染。
[0004]我國是世界上喀斯特面積最大、分布最廣的國家，主要集中在西南部區(qū)域，其特殊的地質(zhì)背景和強烈的巖溶作用，形成地表地下ニ元結構，土層淺薄，下伏基巖裂隙、管道發(fā)育，地表水滲漏強烈，其徑流及土壤養(yǎng)分流失特征與非喀斯特地區(qū)有很大差異。由于土壤持水能力差，巖石裂隙、溶洞、管道等多重介質(zhì)構成的裂隙水流、地下管道流等優(yōu)勢水流對流域產(chǎn)匯流起主導作用。部分降雨通過小的裂隙和毛孔以相對緩慢的速度入滲，另一部分則通過豎井、落水洞、漏斗、大的裂隙等迅速匯入地下，這不僅造成了土壤營養(yǎng)元素的流失，而且也增加了地下水和下游地區(qū)的污染風險(White，2002 ;Bonacci et al.，2009)。
[0005]因管道水、裂隙水以及毛孔水在運動過程中會發(fā)生相互作用(Dasgupta etal.，2006 ；Schwarz et al.，2009)，所以水文地質(zhì)結構對水分的運移路徑及過程有較大影響，因而喀斯特地區(qū)土壤溶質(zhì)的遷移過程也遠較其他地區(qū)復雜，其地表和地下水污染治理難度也更大。已有研究雖然認識到了喀斯特地區(qū)水文過程與表層巖溶帶的結構、巖層產(chǎn)狀、地表土壤和植被覆蓋情況、降雨性質(zhì)等因素有關(White，2002 ；Perrin et al.，2003 ；Williams, 2008 ；Bonacci et al.，2009 ;袁道先等，1997 ;蔣忠誠等，2001 )，但由于沒有考慮土壌-巖石構型對入滲過程的影響，目前對多石裂隙環(huán)境下土壤溶質(zhì)的遷移規(guī)律、影響因素缺乏充分認識(Gabrielli et al.，2012)，使得該地區(qū)土壤養(yǎng)分保蓄和水體污染治理等問題的解決缺乏科學支撐。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是在于提供了一種適用于土層淺薄、基巖出露、地下裂隙廣泛發(fā)育的喀斯特地表環(huán)境的土壤侵蝕與養(yǎng)分遷移模擬裝置，該土壤溶質(zhì)運移模擬裝置結構簡單，操作方便，收納池底部的多孔結構、可抽拉式鋼槽和環(huán)氧樹脂涂抹的設計，可以模擬不同巖-土裂隙環(huán)境下土壤溶質(zhì)的運移情況，解決了喀斯特地區(qū)水土過程和水化學模擬研究中存在的復雜困難、難以調(diào)控等問題，特別適合于土石結構復雜地區(qū)水土過程模擬研究。
[0007]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術措施:
[0008]一種喀斯特地區(qū)的土壤侵蝕與養(yǎng)分遷移模擬裝置，它包括收納池、預制鋼擋板、設備安置孔、水泥板、第一排水管、第二排水管、第三排水管、承重基槽、第一不銹鋼鋼槽、第二不銹鋼鋼槽、第三不銹鋼鋼槽、第一不銹鋼管、第二不銹鋼管、第三不銹鋼管、第一拉手、第二拉手、第三拉手。其連接關系是:預制鋼擋板分別與收納池、水泥板相連，用于封閉收納池的外側(cè)開口。按照實驗需要在預制鋼擋板上開孔，作為設備安置孔安放土壤水分抽提裝置和觀察壤中流，開孔位置分別在距離上端10cm、20cm、30cm、50cm、70cm、IOOcm的位置,孔徑大小為5cm。水泥板與收納池的底部相連，用于封閉收納池的底部開口。水泥板上帶有三排直徑為IOcm的排水管，分別為第一排水管、第二排水管、第三排水管，用于導出收納池中排出的土壤淋溶水和土壤顆粒。該三排排水管為帶網(wǎng)篩的PVC管，每排排水管由10根PVC管組成，均勻排列在一條直線上，其中第一排水管與第一不銹鋼鋼槽相連，第二排水管與第二不銹鋼鋼槽相連，第三排水管與第三不銹鋼鋼槽相連。承重基槽與水泥板下端相連，用于承重。第一不銹鋼鋼槽、第二不銹鋼鋼槽和第三不銹鋼鋼槽位于承重基槽的三個槽洞中。不銹鋼鋼槽底部略向外傾斜，便于淋溶水和土壤顆粒的流出，第一不銹鋼鋼槽、第二不銹鋼鋼槽和第三不銹鋼鋼槽外側(cè)底端預留內(nèi)徑IOcm的不銹鋼排水管，用于收集鋼槽內(nèi)流出的水和土壤顆粒，其中第一不銹鋼管與第一不銹鋼鋼槽連接，第二不銹鋼管與第二不銹鋼鋼槽連接，第三不銹鋼管與第三不銹鋼鋼槽連接。第一不銹鋼鋼槽、第二不銹鋼鋼槽和第三不銹鋼鋼槽外側(cè)中部焊接第一拉手、第二拉手、第三拉手，便于拉出第一不銹鋼鋼槽、第二不銹鋼鋼槽和第三不銹鋼鋼槽清理鋼槽底部殘留的土壤顆粒，其中第一拉手與第一不銹鋼鋼槽連接，第二拉手與第二不銹鋼鋼槽連接，第三拉手與第三不銹鋼鋼槽連接。
[0009]在土壤溶質(zhì)運移模擬裝置的收納池中裝填巖石和土壤，并通過控制巖石形狀和體積，設置不同裂隙產(chǎn)狀和裂隙度。利用天然降雨或模擬降雨，配合熱脈沖TDR，研究土壤水分和溶質(zhì)在多石裂隙環(huán)境的運移規(guī)律，流失通量和影響因素。其步驟是:
[0010]A、在土壤侵蝕與養(yǎng)分遷移模擬裝置的收納池中裝填巖石和土壤，先裝填巖石，再裝填土壤。巖石和土壤的裝填方法為:①將純度較高的石灰?guī)r塊切割成長方體、平行六面體和棱臺三種形狀的巖塊，每種形狀的巖塊按照固定規(guī)格切割若干塊；②根據(jù)研究目的，將上述固定規(guī)格的巖塊按比例搭配，堆砌成不同裂隙度和不同裂隙產(chǎn)狀的巖體；③按照石灰土土壤剖面發(fā)育特點，分層填充土壤，其中C層和B層土壤適當壓實，A層原狀覆蓋。
[0011]B、在鋼擋板上不同層次的設備安置孔內(nèi)安放土壤溫度監(jiān)測探針、熱脈沖TDR和土壤溶液抽提裝置，用于動態(tài)監(jiān)測土壤剖面溫度和水分變化情況以及土壤溶質(zhì)運移特征。在鋼槽排水孔安裝水量表，用于動態(tài)監(jiān)測土壤淋溶水的變化情況。
[0012]C、利用自然降雨或結合模擬降雨，記錄單次降雨事件、季節(jié)和多年降雨條件下土壤剖面溫度、水分的動態(tài)變化，收集土壤淋溶水溶液和泥沙，測定水溶液和泥沙中不同形態(tài)元素含量，分析不同巖石裂隙度和裂隙產(chǎn)狀下土壌水分和溶質(zhì)的運移規(guī)律，流失通量和影響因素。
[0013]用于實現(xiàn)本發(fā)明的組件包括:
[0014]一個內(nèi)部長、寬、高為200cm、200cm、160cm的鋼筋混凝土結構收納池，一個寬160cm、高150cm的預制鋼檔板,六個直徑5cm的設備安置孔,一個現(xiàn)燒水泥板,三排帶網(wǎng)塞的的PVC排水管(其中每排有10個直徑為IOcm的PVC管組成)，一個鋼筋混凝土結構的承重基槽，三個可抽拉的不銹鋼鋼槽，三個不銹鋼排水管，三個拉手，以及環(huán)氧樹脂、軟管、橡膠墊等組成。
[0015]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有以下優(yōu)點和效果:
[0016]1.模擬裝置上部收納池外側(cè)的可拆卸鋼擋板結構設計便于巖石和土壤的裝填和移出，使得模擬裝置可以重復利用，實現(xiàn)了只需建造少量模擬裝置，即可分批次進行多種巖-土裂隙環(huán)境、降雨強度、種植管理制度、人為干擾方式等條件下土壌水分和溶質(zhì)運移的模擬研究。
[0017]2.將石灰?guī)r切割成長方體、平行六面體和棱臺三種形狀的巖塊，每種形狀的巖塊按固定規(guī)格切割若干塊，可根據(jù)研究目的，將巖塊按比例搭配即可堆砌成不同裂隙度和裂隙產(chǎn)狀的巖體，便于模擬復雜多變的喀斯特巖-土裂隙環(huán)境。
[0018]3.模擬裝置上部的收納池為鋼筋混凝土結構，結實耐用，相較于鋼制結構的收納池成本低，建造過程簡単，使用方便。
[0019]4.模擬裝置所有混凝土構造的內(nèi)表面均涂抹環(huán)氧樹脂，一方面用于防水，另一方面用于消除水化學實驗時水泥表面對滲出水水化學性質(zhì)的影響。
[0020]5.鋼擋板上的設備安置孔可以安放土壌溫度監(jiān)測探針、熱脈沖TDR和土壌溶液抽提管等裝置，便于動態(tài)監(jiān)測土壌剖面溫度變化、土壌水分和土壌溶質(zhì)運移特征。
[0021]6.模擬裝置下端的鋼槽排水孔可以安裝水量表，有利于動態(tài)監(jiān)測土壤淋溶水的變化。
[0022]7.適用性廣，適合于科研、教學和環(huán)保部門進行土壌水分、營養(yǎng)元素和有機、無機污染物在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化模擬研究。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1為ー種土壤侵蝕與養(yǎng)分遷移模擬裝置結構示意圖。
[0024]圖2為ー種土壤侵蝕與養(yǎng)分遷移模擬裝置的收納池示意圖。
[0025]圖3為ー種土壤侵蝕與養(yǎng)分遷移模擬裝置的水泥底板示意圖。
[0026]圖4為ー種土壤侵蝕與養(yǎng)分遷移模擬裝置的基槽示意圖。
[0027]其中:收納池1、預制鋼擋板1-1、設備安置孔1-2、水泥板2、第一排水管2-1、第二排水管2-2、第三排水管2-3、承重基槽3、第一不銹鋼鋼槽3-1、第二不銹鋼鋼槽3-2、第三不銹鋼鋼槽3-3、第一不銹鋼管3-4、第二不銹鋼管3-5、第三不銹鋼管3-6、第一拉手3-7、第二拉手3-8、第二拉手3-9?！揪唧w實施方式】
[0028]實施例1:
[0029]下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述:
[0030]一種喀斯特地區(qū)的土壤侵蝕與養(yǎng)分遷移模擬裝置，它包括收納池1、預制鋼擋板
1-1、設備安置孔1-2、水泥板2、第一排水管2-1、第二排水管2-2、第三排水管2_3、承重基槽3、第一不銹鋼鋼槽3-1、第二不銹鋼鋼槽3-2、第三不銹鋼鋼槽3-3、第一不銹鋼管3-4、第二不銹鋼管3-5、第三不銹鋼管3-6、第一拉手3-7、第二拉手3-8、第三拉手3_9。其連接關系是:預制鋼擋板1-1分別與收納池1、水泥板2相連，用于封閉收納池I的外側(cè)開口。按照實驗需要在預制鋼擋板1-1上開孔，作為設備安置孔1-2安放土壤水分抽提裝置和觀察壤中流，開孔位置分別在距離上端10cm、20cm、30cm、50cm、70cm、IOOcm的位置,孔徑大小為5cm。水泥板2與收納池I的底部相連，用于封閉收納池的底部開口。水泥板2上帶有三排直徑為IOcm的排水管，分別為第一排水管2-1、第二排水管2-2、第三排水管2_3，用于導出收納池I中排出的土壤淋溶水和土壤顆粒。該三排排水管為帶網(wǎng)篩的PVC管，每排排水管由十根PVC管組成，均勻排列在一條直線上，其中第一排水管2-1與第一不銹鋼鋼槽3-1相連，第二排水管2-2與第二不銹鋼鋼槽3-2相連，第三排水管2-3與第三不銹鋼鋼槽3-3相連。承重基槽3與水泥板2下端相連，用于承重。第一不銹鋼鋼槽3-1、第二不銹鋼鋼槽3-2和第三不銹鋼鋼槽3-3位于承重基槽的三個槽洞中。第一不銹鋼鋼槽3-1、第二不銹鋼鋼槽3-2和第三不銹鋼鋼槽3-3底部略向外傾斜，便于淋溶水和土壤顆粒的流出，第一不銹鋼鋼槽3-1、第二不銹鋼鋼槽3-2和第三不銹鋼鋼槽3-3外側(cè)底端預留內(nèi)徑IOcm的不銹鋼排水管，用于收集鋼槽內(nèi)流出的水和土壤顆粒，其中第一不銹鋼管3-4與第一不銹鋼鋼槽3-1連接，第二不銹鋼管3-5與第二不銹鋼鋼槽3-2連接，第三不銹鋼管3-6與第三不銹鋼鋼槽3-3連接。第一不銹鋼鋼槽3-1、第二不銹鋼鋼槽3-2和第三不銹鋼鋼槽3-3外側(cè)中部焊接第一拉手3-7、第二拉手3-8、第三拉手3-9，便于拉出第一不銹鋼鋼槽3-1、第二不銹鋼鋼槽3-2和第三不銹鋼鋼槽3-3清理鋼槽底部殘留的土壤顆粒，其中第一拉手3-7與第一不銹鋼鋼槽3-1連接，第二拉手3-8與第二不銹鋼鋼槽3-2連接，第三拉手3-9與第三不銹鋼鋼槽3-3連接。
[0031]為了使模擬裝置內(nèi)的巖-土結構盡可能接近自然構造特征，同時又能實現(xiàn)巖石裂隙度和裂隙產(chǎn)狀的人為調(diào)控，首先要對裝填入收納池的巖石和土壤進行預處理。步驟為，將純度較高的石灰?guī)r塊切割成27種固定規(guī)格的巖塊，其中長方體、平行六面體和棱臺三種形狀的巖塊各9種規(guī)格，每種規(guī)格巖塊的數(shù)量根據(jù)預設裂隙度和裂隙產(chǎn)狀計算得出；根據(jù)研究目的，將上述固定規(guī)格的巖塊按比例搭配，堆砌成不同裂隙度的巖體；根據(jù)土壤發(fā)生層次，分層采集土壤，將同一層次土壤風干，混勻；按照土壤剖面發(fā)育特點，分層填充土壤，先填充C層土壤，其次為B層，最后填充A層，其中C層和B層土壤適當壓實，A層原狀覆蓋。
[0032]在土壤填充過程中，可根據(jù)研究需要分層埋設土壤水分、溫度自動監(jiān)測探針，也可在鋼擋板上不同層次的設備安置孔內(nèi)安放土壤溫度監(jiān)測探針、熱脈沖TDR和土壤溶液抽提裝置，用于動態(tài)監(jiān)測土壤剖面溫度、土壤水分變化和土壤溶質(zhì)運移特征。在鋼槽排水孔安裝水量表，用于監(jiān)測土壤淋溶水的動態(tài)變化。水量表的出口利用軟管與淋溶水收集桶連接，用于采集水分和泥沙樣品。[0033]利用自然降雨或結合模擬降雨，記錄單次降雨事件、季節(jié)和多年降雨條件下土壤剖面溫度、水分的動態(tài)變化，收集土壤淋溶水溶液和泥沙，測定水溶液和泥沙中不同形態(tài)元素含量，分析不同巖石裂隙度和裂隙產(chǎn)狀下土壤水分和溶質(zhì)的運移規(guī)律，流失通量和影響因素。
[0034]本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬【技術領域】的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權利要求書所定義的范圍。
【權利要求】
1.一種喀斯特地區(qū)的土壤侵蝕與養(yǎng)分遷移模擬裝置，它包括收納池(I)、預制鋼擋板(1-1)、設備安置孔(1-2)、水泥板(2)、第一排水管(2-1)、承重基槽(3)、第一不銹鋼鋼槽(3-1)、第一不銹鋼管(3-4)、第一拉手(3-7)，其特征在于:預制鋼擋板(1-1)分別與收納池(I)、水泥板(2)相連，水泥板(2)與收納池(I)底部相連，第一排水管(2-1)與第一不銹鋼鋼槽(3-1)相連，第二排水管(2-2)與第二不銹鋼鋼槽(3-2)相連，第三排水管(2-3)與第三不銹鋼鋼槽(3-3)相連，承重基槽(3)與水泥板(2)相連，第一不銹鋼鋼槽(3-1)、第二不銹鋼鋼槽(3-2)和第三不銹鋼鋼槽(3-3)位于承重基槽的三個槽洞中，第一不銹鋼鋼槽(3-1)、第二不銹鋼鋼槽(3-2)和第三不銹鋼鋼槽(3-3)外側(cè)底端預留內(nèi)徑10 cm的不銹鋼排水管，第一不銹鋼管(3-4)與第一不銹鋼鋼槽(3-1)連接，第二不銹鋼管(3-5)與第二不銹鋼鋼槽(3-2)連接，第三不銹鋼管(3-6)與第三不銹鋼鋼槽(3-3)連接，第一不銹鋼鋼槽(3-1)、第二不銹鋼鋼槽(3-2)和第三不銹鋼鋼槽(3-3)外側(cè)中部焊接第一拉手(3-7)、第二拉手(3-8)、第二拉手(3-9)。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種喀斯特地區(qū)的土壤侵蝕與養(yǎng)分遷移模擬裝置，其特征在于:所述的預制鋼擋板(1-1)上開孔，設備安置孔(1-2)安放土壤水分抽提裝置和觀察壤中流，開孔位置分別在距離上端10 cm、20 cm、30 cm、50 cm、70 cm、100 cm的位置,孔徑大小為 5 cm。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種喀斯特地區(qū)的土壤侵蝕與養(yǎng)分遷移模擬裝置，其特征在于:所述的第一拉手(3-7)與第一不銹鋼鋼槽(3-1)連接，第二拉手(3-8)與第二不銹鋼鋼槽(3-2 )連接，第三拉手(3-9 )與第三不銹鋼鋼槽(3-3 )連接。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種喀斯特地區(qū)的土壤侵蝕與養(yǎng)分遷移模擬裝置，其特征在于:所述的水泥板(2)上帶有三排直徑為10 cm的排水管，分別為第一排水管(2-1)、第二排水管(2-2)、第三排水管(2-3)，三排排水管為帶網(wǎng)篩的PVC管，每排排水管由十根PVC管組成，均勻排列在一條直線上。
【文檔編號】G01N33/24GK103454403SQ201310424689
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年9月17日 優(yōu)先權日:2013年9月17日
【發(fā)明者】張偉, 陳洪松, 蘇以榮, 王克林, 付智勇 申請人:中國科學院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所