自動(dòng)雙環(huán)入滲儀設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

孫 權(quán)，張建豐，張 杰，曾 輝，胡克林，劉 剛

·研究速報(bào)·

自動(dòng)雙環(huán)入滲儀設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

孫 權(quán)1,2，張建豐3，張 杰1，曾 輝1，胡克林1，劉 剛1※

（1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)土地科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100193；2. 南寧市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，南寧 530000；3. 西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，西安 710048）

為克服傳統(tǒng)雙環(huán)入滲儀的供水不穩(wěn)定、讀取和記錄數(shù)據(jù)工作量大的問題，該文基于定水頭法測量導(dǎo)水率的原理，設(shè)計(jì)了一種高效的自動(dòng)雙環(huán)入滲儀。該入滲儀采用非接觸式電容感應(yīng)液位傳感器來監(jiān)測內(nèi)環(huán)和外環(huán)內(nèi)的水位（精度<1.5 mm）；將激光測距傳感器（精度<1 mm）安裝在圓柱形蓄水器的頂部，以連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測供水量；高精度液位控制系統(tǒng)與電磁閥組合以保持恒定水頭。通過理論分析，增大蓄水器中的液面與雙環(huán)中的液面之間的壓力差，可使自動(dòng)雙環(huán)入滲儀的初始供水速率遠(yuǎn)高于馬氏瓶的初始供水速率。自動(dòng)雙環(huán)入滲儀的精度和可靠性試驗(yàn)于2019年7月至2019年10月在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)綠苑試驗(yàn)場進(jìn)行，并進(jìn)行了該自動(dòng)雙環(huán)入滲儀和傳統(tǒng)雙環(huán)入滲儀之間的比較。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在選定土壤的穩(wěn)定入滲階段，用馬氏瓶測量的穩(wěn)定入滲速率為0.068 5 cm/min，該自動(dòng)雙環(huán)入滲儀的穩(wěn)定入滲速率為0.068 7 cm/min，自動(dòng)雙環(huán)入滲儀實(shí)測數(shù)據(jù)與Philip的理論入滲模型計(jì)算結(jié)果吻合（2>0.99）。結(jié)果表明，該自動(dòng)雙環(huán)入滲儀的自動(dòng)化測量結(jié)果可靠，對今后土壤水分入滲過程研究提供了更加高效的手段。

土壤；水分；雙環(huán)入滲儀；激光傳感器模塊；非接觸式液位傳感器；電磁閥

0 引 言

土壤導(dǎo)水率是控制水分入滲和地表徑流及污染物向地下水遷移的土壤基本物理性質(zhì)之一[1]，其大小有時(shí)在空間上差別很大[2-3]。確定田間尺度上的土壤導(dǎo)水率，需要大量的試驗(yàn)測量[4]。雙環(huán)入滲儀是田間原位測量土壤入滲情況的常用試驗(yàn)裝置。該裝置使用定水頭法測量土壤入滲，在測量期間要保持恒定水頭且必須記錄入滲水量隨時(shí)間的變化。獲得一次可靠的飽和導(dǎo)水率測量可能需要幾天的時(shí)間[5]，特別是同時(shí)監(jiān)測多個(gè)原位測試點(diǎn)，測量過程繁瑣且耗時(shí)。為了減小測量過程中的勞動(dòng)強(qiáng)度，研究雙環(huán)入滲儀測量過程的自動(dòng)化非常有價(jià)值。

Casey等[6]首次使用差動(dòng)傳感器自動(dòng)測量馬氏瓶液位，單個(gè)差動(dòng)傳感器安裝在滲透儀儲(chǔ)液器的底部，另一端通過管道連接到馬氏瓶的頂部空間。使用馬氏瓶測量，存在2個(gè)缺陷：1）因田間地面不平，難以精確調(diào)整馬氏瓶發(fā)泡口高度與環(huán)內(nèi)所需恒定水頭到同一水平面，同時(shí)也難以精確統(tǒng)一內(nèi)環(huán)與外環(huán)之間的液面高度；2）馬氏瓶維持恒定水頭的原理是馬氏瓶發(fā)泡口與環(huán)內(nèi)液位構(gòu)成的連通器（連通器原理），供水速率由環(huán)內(nèi)液面下降與馬氏瓶發(fā)泡口之間的微小液位差決定，往往在土壤入滲的初始階段，馬氏瓶的供水速率會(huì)低于土壤的入滲速率，因此，不能保證環(huán)內(nèi)的恒定水頭。最早的改進(jìn)工作之一由Constantz等[7]完成，他們將壓力傳感器連接到馬氏瓶的頂部，通過氣體壓強(qiáng)的變化來測量流量，但該方法需要在內(nèi)環(huán)和外環(huán)中手動(dòng)控制液位，無法達(dá)到自動(dòng)化。為了提高供水流量的測量精度，Ankeny等[8]對該裝置改進(jìn)，通過2個(gè)壓力傳感器之間的壓力差來計(jì)算馬氏瓶中液位隨時(shí)間的變化，一個(gè)壓力傳感器位于馬氏瓶頂部，另一個(gè)位于馬氏瓶底部，但同樣存在上述問題。Matula等[9]開發(fā)了一種用于恒定水頭測試的半自動(dòng)化測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)需要2個(gè)水容器，分別用于內(nèi)環(huán)和外環(huán)供水，內(nèi)環(huán)中的液位通過浮子和光敏晶體管來控制，但需要手動(dòng)記錄時(shí)間，也未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。Prieksat等[10]基于前人的工作[7,9]，使用壓力傳感器來確定馬氏瓶的供水流量，采用數(shù)據(jù)記錄儀記錄數(shù)據(jù)，通過調(diào)節(jié)馬氏瓶發(fā)泡口高度可將恒定水頭精確到±1 mm，但仍存在上述的2個(gè)缺陷。Maheshwari[11]開發(fā)了一種自動(dòng)雙環(huán)入滲儀，該設(shè)計(jì)采用2個(gè)電極接觸式液位傳感器（用于保持內(nèi)環(huán)和外環(huán)恒定水頭）、電容式水位傳感器（用于計(jì)量蓄水罐對雙環(huán)的供水量）、電磁閥和12 V電池（用于為電磁閥供電），電腦控制閥門并從傳感器收集數(shù)據(jù)。但該裝置需要液位變化5 mm以上才會(huì)觸發(fā)該電極接觸式液位傳感器開關(guān)，精度較低。Milla等[12]使用紅外液位測量傳感器系統(tǒng)（安裝在外環(huán)或馬氏瓶上）測量液位隨時(shí)間的變化，但未擺脫使用馬氏瓶。Lazarovitch等[13]開發(fā)的半自動(dòng)恒定水頭單環(huán)入滲儀，通過使用懸掛的S型稱重傳感器連續(xù)稱重蓄水池來測量流量，但單環(huán)不能保證水分垂直一維入滲。Arriaga等[14]利用連接到數(shù)據(jù)記錄器的小型壓力傳感器來自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，但該系統(tǒng)需操作員集中精力維持內(nèi)環(huán)和外環(huán)的液位一致，并根據(jù)需要重新補(bǔ)水。Ong等[15]通過使用壓力傳感器、微控制器、開源電子設(shè)備組合的自動(dòng)化設(shè)備和安裝在馬氏瓶上的壓力傳感器測量測試期間的水量，同樣使用了馬氏瓶。Fatehnia等[16]利用霍爾效用傳感器、蠕動(dòng)泵、液位傳感器和恒定水平浮閥開發(fā)的自動(dòng)雙環(huán)入滲儀，在入滲速率較大的土壤中需要另加蠕動(dòng)泵，同時(shí)采用的液位傳感器電阻易受溫度的影響。除此之外，諸如BEST之類的簡化方法的優(yōu)點(diǎn)是它們的簡單性和廉價(jià)性[17-18]，但測量結(jié)果不可靠。

雙環(huán)自動(dòng)化發(fā)展過程經(jīng)歷了使用接觸式、壓力式、電阻式和電容式液位傳感器的過程。由于水接觸式電容或電阻深度計(jì)對水質(zhì)敏感并易受腐蝕，導(dǎo)致過度維護(hù)和校準(zhǔn)，從而導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確。Casey等[6-8,10,12,15]開發(fā)的自動(dòng)入滲儀都使用馬氏瓶作為供水源，在田間使用馬氏瓶測量土壤入滲速率具有一定的局限性。基于上述問題，本研究設(shè)計(jì)的自動(dòng)雙環(huán)入滲儀采用液位控制系統(tǒng)和雙環(huán)一體化組合結(jié)構(gòu)，從根本上解決傳統(tǒng)馬氏瓶供水速率低、馬氏瓶與雙環(huán)入滲儀配合使用時(shí)難以精確確定雙環(huán)所需的恒定水頭以及難以統(tǒng)一內(nèi)外環(huán)液位高度等問題，采用激光測距傳感器解決入滲水量的自動(dòng)記錄。該設(shè)計(jì)可為今后土壤水分入滲的過程研究提供更加高效的手段，非接觸式傳感器的使用為自動(dòng)雙環(huán)入滲儀的設(shè)計(jì)提供了新的思路。

1 自動(dòng)雙環(huán)入滲儀整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

本文根據(jù)定水頭法測量土壤導(dǎo)水率的原理，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)記錄、自動(dòng)保持液位平衡、初始供水速率大的自動(dòng)雙環(huán)入滲儀。該自動(dòng)雙環(huán)入滲儀主要由非接觸式液體感應(yīng)電容液位傳感器、圓柱形水容器、帶串口調(diào)試軟件的激光測距傳感器模塊、電磁閥、12 V電源、筆記本電腦等組成。圓柱形水容器作為供水源；激光測距傳感器與筆記本電腦配套使用，能代替人工讀數(shù)完成數(shù)據(jù)采集；液位傳感器、液位控制器和電磁閥配套使用能保持雙環(huán)液位恒定。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

1.2 工作原理

傳統(tǒng)雙環(huán)入滲儀采用馬氏瓶保持恒定水頭測量飽和導(dǎo)水率，馬氏瓶利用連通器原理維持恒定水頭，如圖2a。隨著環(huán)內(nèi)水分的入滲，環(huán)內(nèi)液面與馬氏瓶發(fā)泡口產(chǎn)生微小液位差，導(dǎo)致馬氏瓶發(fā)泡口與環(huán)內(nèi)液面形成壓強(qiáng)差。該壓強(qiáng)差提供馬氏瓶的供水動(dòng)力。根據(jù)液體壓強(qiáng)公式有：

?1=(12)（1）

式中?1是馬氏瓶發(fā)泡口與環(huán)內(nèi)液面形成的壓強(qiáng)差，Pa；是水的密度，g/cm3；是重力加速度，m/s2；1是發(fā)泡口離地表參考平面的距離，m；2是傳統(tǒng)雙環(huán)入滲儀的環(huán)內(nèi)液面離地表參考平面的高度，m；2圍繞恒定水頭動(dòng)態(tài)波動(dòng)[10]。

1.激光測距傳感器 2.泡沫塑料浮 3.電磁閥 4.液位控制器 5.液位傳感器 6.電源 7.圓柱形水容器 8.內(nèi)環(huán) 9.外環(huán)1.Laser range sensor 2.Foam plastic float 3.Solenoid valve 4.Liquid level controller 5.Liquid level sensor 6.Power 7.Cylindrical water container 8.Inner ring 9.Outer ring

表1 自動(dòng)雙環(huán)入滲儀的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

本自動(dòng)雙環(huán)入滲儀采用非接觸式感應(yīng)電容液位控制器與電磁閥維持恒定水頭，利用圓柱形水容器蓄水，從而增大供水動(dòng)力，即增大圓柱形水容器的蓄水液面與環(huán)內(nèi)液面形成的壓強(qiáng)差，如圖2b。根據(jù)液體壓強(qiáng)公式有：

?2=(3) （2）

式中?2是圓柱形水容器的蓄水液面與環(huán)內(nèi)液面形成的壓強(qiáng)差，Pa；是圓柱形水容器的液面相對于地表參考平面的高度，m；3是自動(dòng)雙環(huán)入滲儀的環(huán)內(nèi)液面離地表參考平面的高度，m；3圍繞恒定水頭動(dòng)態(tài)波動(dòng)。在利用傳統(tǒng)馬氏瓶與本自動(dòng)雙環(huán)入滲儀維持同一恒定水頭時(shí)，因?yàn)?、3均圍繞恒定水頭動(dòng)態(tài)變化，即2=3，又（1-2）很微小，則1-3>>1-2，即?2>>?1。因此，該自動(dòng)雙環(huán)入滲儀的供水速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)馬氏瓶的供水速率。

在使用傳統(tǒng)馬氏瓶保持雙環(huán)入滲儀恒定水頭時(shí)，需要調(diào)節(jié)馬氏瓶發(fā)泡口與環(huán)內(nèi)液面到同一水平面（圖2a）。由于田間地面不平、馬氏瓶與雙環(huán)入滲儀的位置獨(dú)立，很難調(diào)節(jié)馬氏瓶發(fā)泡口與雙環(huán)入滲儀環(huán)內(nèi)液面到同一水平面，即很難精確調(diào)節(jié)環(huán)內(nèi)液面至所需恒定水頭。本雙環(huán)與非接觸式液位傳感器的一體化設(shè)計(jì)，液位控制器結(jié)合電磁閥保持恒定水頭，可上下調(diào)節(jié)液位傳感器至所需恒定水頭（圖2b）。

1.馬氏瓶 2.馬氏瓶發(fā)泡口 3.環(huán)內(nèi)液面 4.圓柱形水容器 5.泡沫塑料浮 6.激光測距傳感器 7.參考平面 8.內(nèi)環(huán) 9.外環(huán)1.Mariotte reservoir 2.Foam end of Mariotte reservoir 3.Liquid level of inner ring 4.Cylindrical water container 5.Foam plastic float 6.Laser range sensor 7.Reference plane 8.Inner ring 9.Outer ring

注：為圓柱形水容器的液面相對于地表參考平面的高度，m；0為激光傳感器到圓柱形水容器的液面距離，m;1為發(fā)泡口離地表參考平面的距離，m；2為傳統(tǒng)雙環(huán)入滲儀的環(huán)內(nèi)液面離地表參考平面的高度，m;3為自動(dòng)雙環(huán)入滲儀的環(huán)內(nèi)液面離地表參考平面的高度，m。

Note:is the height of the liquid surface of the cylindrical water reservoir relative to the ground reference plane, m;0is the distance from the laser sensor to the liquid surface of the cylindrical water reservoir, m;1is the distance of the foaming port from the surface reference plane, m ;2is the height of the liquid level in the ring of the traditional double-ring infiltrometer from the ground reference plane, m;3is the height of the liquid level in the ring of the traditional double-ring infiltrometer from the ground reference plane, m.

圖2 雙環(huán)入滲儀工作原理示意圖

Fig.2 Schematic diagram of working principle of double-ring infiltrometer

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 圓柱形雙環(huán)

2.1.1 雙環(huán)尺寸選擇依據(jù)

ASTM(American Standard Test Method）雙環(huán)入滲儀裝置包括開放的內(nèi)外同心金屬環(huán)[19]。研究表明，內(nèi)外環(huán)的尺寸對飽和導(dǎo)水率測量有影響，尺寸較小的入滲儀通常會(huì)高估入滲速率，并且提出了幾個(gè)雙環(huán)的參考尺寸。Swartzendruber等[20]在沙土的研究發(fā)現(xiàn)，外環(huán)和內(nèi)環(huán)半徑分別為60和50 cm的入滲測量結(jié)果最令人滿意。Ahuja等[21]研究表明外環(huán)直徑為90 cm、內(nèi)環(huán)直徑為30 cm時(shí)能夠消除側(cè)向流的影響，促進(jìn)水分向下垂直一維入滲。Bouwer等[22]建議，應(yīng)使用至少100 cm的直徑才能精確測量土壤的飽和導(dǎo)水率。Youngs[23]得出結(jié)論，當(dāng)內(nèi)環(huán)尺寸至少為15 cm時(shí)，不同位置的測量結(jié)果差異性較小。Lai等[24]研究表明，內(nèi)環(huán)直徑大于80 cm才能獲得可靠原位測量的飽和導(dǎo)水率結(jié)果。Fatehnia等[25]還考慮了積水頭、雙環(huán)插入土壤深度、土壤初始含水量和土壤類型對穩(wěn)定入滲速率的影響。Milla[12]的研究表明，使用15～30 cm內(nèi)環(huán)直徑測量的結(jié)果較好且方法相對簡單，可以反映土壤入滲變化等有價(jià)值的信息。因此，為簡化操作，本研究參考Milla[12]的結(jié)論，采用內(nèi)環(huán)和外環(huán)直徑分別為17.6和30 cm（外環(huán)為直徑30 cm的圓桶，內(nèi)環(huán)由直徑17.6 cm的化工罐切割而成）。

2.1.2 一體式雙環(huán)設(shè)計(jì)

雙環(huán)入滲儀在入土的過程中均會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu)，環(huán)壁和土壤之間會(huì)出現(xiàn)優(yōu)先流路徑[26]。因此，選擇由0.1 cm厚的鍍鋅鐵皮制成的內(nèi)外環(huán)，將它們插入地面時(shí)阻力小，對土壤表面不會(huì)產(chǎn)生較大的擾動(dòng)。內(nèi)環(huán)在距離底部2 cm處打一個(gè)直徑為1 cm的圓孔，外環(huán)在距離底部2 cm處打2個(gè)直徑為1 cm的圓孔。內(nèi)環(huán)的圓孔通過孔徑為1 cm的直通管與外環(huán)的一個(gè)圓孔相連，外環(huán)上的2個(gè)孔分別裝上孔徑為1.2 cm的L型直角彎頭，直角彎頭接上外徑1.2 cm、壁厚0.1 cm的有機(jī)玻璃管（本試驗(yàn)采用的液位傳感器在管道外徑1～2 cm范圍內(nèi)，能夠感應(yīng)到的最大管壁厚度的范圍是（1.5±0.5） mm[27]）。開孔處與內(nèi)外環(huán)連接管相連時(shí)，環(huán)的2面必須加裝橡膠墊，擰緊螺帽以防止漏水，如圖3所示。

1.內(nèi)環(huán) 2.外環(huán) 3.內(nèi)外環(huán)連接管

2.2 非接觸式感應(yīng)電容液位控制器

非接觸式液位控制器由XKC-Y26-V液位傳感器探頭（以下簡稱液位傳感器）[28]與C352控制器組合而成，液位傳感器可間隔非金屬容器感應(yīng)液位的變化，從而控制電磁閥的開閉，安裝簡易且不影響液面。該液位傳感器利用水的感應(yīng)電容來檢測液體的存在，當(dāng)液位達(dá)到感應(yīng)點(diǎn)時(shí)，液位控制器關(guān)閉電磁閥；當(dāng)液位離開感應(yīng)點(diǎn)時(shí)，液位控制器打開電磁閥。

2個(gè)液位傳感器（內(nèi)環(huán)和外環(huán)各一個(gè)）用于保持內(nèi)環(huán)和外環(huán)中適當(dāng)?shù)乃^。液位傳感器裝在外徑1.2 cm、壁厚0.1 cm和長8 cm的有機(jī)玻璃管上，液位傳感器高度可根據(jù)水頭需要上下調(diào)節(jié)（如圖4所示）。將2個(gè)液位傳感器設(shè)定在同一恒定水頭，當(dāng)液位低于此高度時(shí)，液位傳感器給控制器發(fā)送信號，打開電磁閥給環(huán)內(nèi)供水；當(dāng)液位高于此高度時(shí)，液位傳感器給控制器發(fā)送信號，關(guān)閉電磁閥，停止向環(huán)內(nèi)供水。由于此傳感器靈敏度較高（液位誤差<1.5 mm），可將系統(tǒng)的水頭近似為恒定水頭。

1.外環(huán) 2.液位傳感器

2.3 激光測距傳感器

入滲測量期間液位高度的下降由激光測距傳感器來測定。激光測距傳感器直接與筆記本電腦相連，在筆記本電腦上通過串口調(diào)試軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測并記錄圓柱形水容器液位隨時(shí)間的變化。該激光測距傳感器包含一個(gè)激光發(fā)射器和一個(gè)大表面積光敏探測器，支持USB通信和WINDOWS操作系統(tǒng)，采用 USB接口供電，測量范圍0.03～80 m，測量精度±1 mm。二級激光，功率小于1 mW；在10 m處的光斑直徑約為6 mm；可在-20～70 ℃的溫度范圍工作。整個(gè)傳感器體積小，質(zhì)量輕（約60 g），其安裝如圖5所示。

2.4 電磁閥

電磁閥為正泰常閉DC12 V，線圈功率14 W，接管口徑為9.5 mm。采用12 V鉛酸蓄電池供電。電磁閥根據(jù)水流方向安裝在供水端和出水端。因電磁閥需要水平安放，因此內(nèi)外環(huán)供水電磁閥安裝在同一平整木板上。

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

野外測試試驗(yàn)在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)綠苑試驗(yàn)田進(jìn)行，用100 cm3環(huán)刀在試驗(yàn)點(diǎn)垂直剖面0～30 cm深度每隔5 cm分層取土樣，采用烘干法分別測定土壤容重ρ（g/cm3）和初始體積含水率0(cm3/cm3)。用激光粒度儀（馬爾文激光粒度儀Mastersizer2000）測定土壤顆粒粒徑分布。土壤質(zhì)地為砂壤土，基本物理性質(zhì)見表2。土壤孔隙度（cm3/cm3）由ρ（g/cm3）計(jì)算，假定土壤顆粒密度為2.65 g/cm3。假設(shè)土壤飽和含水量θ（cm3/cm3）與一致[29-31]?？紤]到在田間尺度上0和ρ的空間變異性[32]，各參數(shù)值為測試結(jié)果的平均值。

表2 不同深度土壤基本物理特性參數(shù)

為檢驗(yàn)本自動(dòng)雙環(huán)入滲儀保持恒定水頭的可靠性，試驗(yàn)使用同樣大小的雙環(huán)，原位測量土壤穩(wěn)定入滲階段的累積入滲量隨時(shí)間的變化。為充分保證土壤達(dá)到穩(wěn)定入滲階段，利用自動(dòng)雙環(huán)入滲儀保持恒定水頭入滲7 h后，使用馬氏瓶供水2 h并人工記錄數(shù)據(jù)，再用自動(dòng)雙環(huán)入滲儀供水，保持同樣恒定水頭，自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)，保證2種方法原位測量條件相同。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.2.1 土壤初始入滲階段的測量結(jié)果對比

測量結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，在入滲的初始階段，自動(dòng)雙環(huán)入滲儀的供水速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于馬氏瓶的供水速率，能測量到土壤入滲初始階段較高的入滲速率。在田間使用馬氏瓶保持恒定水頭時(shí)，由于土壤初始入滲速率很高（特別在土壤吸力很大或存在大孔隙時(shí)），馬氏瓶供水速率往往會(huì)低于土壤的初始入滲速率，即會(huì)出現(xiàn)環(huán)內(nèi)液面逐漸下降的過程。環(huán)內(nèi)液面逐漸下降，與馬氏瓶發(fā)泡口的液位差逐漸增大，導(dǎo)致馬氏瓶的供水速率逐漸增大，即測得的土壤入滲速率在初始階段逐漸增大，該階段測得的土壤入滲速率不能表征土壤的實(shí)際入滲速率。隨著入滲的進(jìn)行，入滲速率逐漸變小，當(dāng)?shù)陀隈R氏瓶的供水速率時(shí)，環(huán)內(nèi)的液面逐漸上升到馬氏瓶發(fā)泡口附近，此刻開始馬氏瓶的水量變化才表征土壤的入滲情況。

圖6 初始入滲階段馬氏瓶與自動(dòng)雙環(huán)入滲儀測量結(jié)果對比

3.2.2 穩(wěn)定入滲階段的測量結(jié)果比較

在土壤穩(wěn)定入滲狀態(tài)階段，土壤入滲速率相對初始入滲速率小很多，因此馬氏瓶的供水速率能滿足土壤入滲的需要。該入滲階段土壤累積入滲量隨時(shí)間的變化關(guān)系滿足一元一次方程，即

=（3）

式中是累積入滲量，cm；是入滲歷時(shí)，min；是土壤穩(wěn)定入滲速率，cm/min。

在穩(wěn)定入滲階段，使用常規(guī)馬氏瓶維持恒定水頭（人工記錄數(shù)據(jù)）測量了125 min，然后再用自動(dòng)雙環(huán)入滲儀維持恒定水頭（自動(dòng)采集并記錄數(shù)據(jù)）測量了125 min。結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，馬氏瓶測量結(jié)果的曲線斜率為0.068 5，即穩(wěn)定入滲速率為0.068 5 cm/min，自動(dòng)雙環(huán)入滲儀的曲線斜率為0.068 7，即穩(wěn)定入滲速率為0.068 7 cm/min，二者2均在0.99以上。自動(dòng)雙環(huán)入滲儀在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測量的同時(shí)，與馬氏瓶在土壤穩(wěn)定入滲階段的測量結(jié)果一致，證明該自動(dòng)雙環(huán)入滲儀的精度可靠。

圖7 穩(wěn)定入滲階段馬氏瓶與自動(dòng)雙環(huán)入滲儀測量結(jié)果對比

3.2.3 Philip入滲模型校驗(yàn)

Philip入滲模型在田間入滲試驗(yàn)中得到了很好的驗(yàn)證[33]。因此，本文引入Philip入滲模型校驗(yàn)該自動(dòng)雙環(huán)入滲儀的測量數(shù)據(jù)質(zhì)量，Philip入滲模型可表示為[34]

()0.5（4）

式中為土壤吸滲率，cm/min0.5。圖8為雙環(huán)入滲儀田間測試的結(jié)果。Philip入滲模型擬合結(jié)果表明：該自動(dòng)雙環(huán)入滲儀測得的土壤累積入滲量隨時(shí)間的變化能很好地滿足Philip入滲模型，20.99。因此，該自動(dòng)雙環(huán)入滲儀測得的數(shù)據(jù)是可靠的，對傳統(tǒng)雙環(huán)入滲儀有改進(jìn)價(jià)值。

圖8 累積入滲量

4 討 論

馬氏瓶保持恒定水頭是相對的。使用馬氏瓶供水時(shí)，環(huán)內(nèi)液面隨著入滲的進(jìn)行與發(fā)泡口有一定液位差時(shí)，才會(huì)激發(fā)馬氏瓶供水，供水達(dá)到平衡時(shí)，馬氏瓶停止供水一段時(shí)間，當(dāng)環(huán)內(nèi)液面與發(fā)泡口再存在一定液位差時(shí)，又激發(fā)馬氏瓶供水，即馬氏瓶保持恒定水頭是相對的。Prieksat等[10]在使用馬氏瓶時(shí)發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)馬氏瓶發(fā)泡口高度可將恒定水頭精確到±1 mm。Maheshwari[11]采用電極傳感器控制電磁閥是否供水來保持恒定水頭，該傳感器上下電極之間的距離是5 mm。本文自動(dòng)雙環(huán)入滲儀的液位傳感器利用水的感應(yīng)電容來檢測液體的存在，反應(yīng)靈敏，液位誤差在1.5 mm以內(nèi)，可近似一個(gè)恒定水頭，相對Maheshwari采用的電極傳感器誤差更小。

在田間使用馬氏瓶保持恒定水頭時(shí)，由于土壤初始入滲速率很高，馬氏瓶供水速率往往會(huì)低于土壤的初始入滲速率。該自動(dòng)雙環(huán)入滲儀利用液位控制器結(jié)合電磁閥保持液位恒定，充分利用水的重力勢能，提高了圓柱形水容器的蓄水液位與環(huán)內(nèi)液位之間的液位差。在初始入滲階段，圓柱形水容器的液位高，可提供足夠的供水速率來保持環(huán)內(nèi)的恒定水頭，滿足測量的需要。

該自動(dòng)雙環(huán)入滲儀采用液位傳感器以及測量水量變化的激光測距傳感器，不必與液體直接接觸，不會(huì)受到腐蝕性液體的腐蝕，不受水垢等雜物影響，不受磁場、壓力等特殊環(huán)境影響，不需要接觸液體，不污染水源，穩(wěn)定性高，靈敏度高（液位傳感器誤差<1.5 mm，激光測距傳感器誤差<1 mm），抗干擾能力強(qiáng)，使用壽命長，因此無需反復(fù)校準(zhǔn)傳感器。液位傳感器與雙環(huán)的一體化設(shè)計(jì)，可方便快捷地調(diào)節(jié)至所需恒定水頭，避免了因田間地面不平恒定水頭難以精確調(diào)節(jié)的問題。通過原位測量土壤穩(wěn)定入滲階段的累積入滲量表明該自動(dòng)雙環(huán)儀與馬氏瓶的測量效果一致，測量精度高。

5 結(jié) 論

1）本研究利用高精度液位傳感器控制系統(tǒng)與電磁閥結(jié)合來保持水頭恒定，利用激光測距傳感器測量水量變化，該自動(dòng)雙環(huán)入滲儀實(shí)現(xiàn)了從土壤入滲初始階段到穩(wěn)定階段的連續(xù)自動(dòng)測量，率先將非接觸式感應(yīng)電容液位傳感器應(yīng)用于自動(dòng)雙環(huán)入滲儀。

2）內(nèi)外環(huán)與非接觸式液體感應(yīng)電容液位傳感器（精度<1.5 mm）的一體式設(shè)計(jì)解決了難以精確確定恒定水頭的問題，解決了在入滲初始階段馬氏瓶供水速率低于土壤入滲速率的問題。

3）該自動(dòng)雙環(huán)入滲儀測量的穩(wěn)定入滲速率與馬氏瓶的測量結(jié)果一致；測量的數(shù)據(jù)質(zhì)量能夠很好地滿足Philip入滲模型，R均大于0.99。

在今后開發(fā)自動(dòng)雙環(huán)入滲儀時(shí)，可考慮使用其他非接觸式的傳感器。圍繞供水系統(tǒng)、恒定水頭控制系統(tǒng)和自動(dòng)記錄系統(tǒng)3個(gè)方面開展研究，供水系統(tǒng)主要解決供水量與供水速率2方面問題，恒定水頭控制系統(tǒng)和自動(dòng)記錄系統(tǒng)可在提高精度方面做進(jìn)一步優(yōu)化，同時(shí)可探索在極低水頭時(shí)飽和導(dǎo)水率的測定。

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Design and experiment of automatic double-ring infiltrometer

Sun Quan1,2, Zhang Jianfeng3, Zhang Jie1, Zeng Hui1, Hu Kelin1, Liu Gang1※

(1.,,100193,; 2.,530000,; 3.,,710048,)

Double-ring infiltrometer is widely used to combine with the Mariotte reservoir for measuring soil hydraulic conductivity. However, there are various kinds of measurement error and shortcomings using the traditional double-ring infiltrometer, particularly on unstable water supply, high labor intense when reading and recording of data. In this study, a new automatic double-ring infiltrometer was designed to improve the measurement precision, while reduce various sorts of errors. A fixed water level method was develop a low-cost and efficient automatic double-ring infiltrometer according to the measuring theory of hydraulic conductivity. The new-developed double-ring infiltrometer was mainly composed of inner (diameter of 17.6 cm) and outer rings(diameter of 30 cm), non-contact liquid induction capacitor level sensor (accuracy <1.5 mm), cylindrical water container, laser range sensor module (accuracy <1 mm), solenoid valve and other components. A non-contact capacitor induction liquid level sensor was selected for monitoring the water level, in order to keep the water level constant inside the both inner and outer ring. A cylindrical water reservoir was served as water source for the container of infiltrometer, and a sensor module with laser range was installed on the top cover of the reservoir. A laptop was connected the laser range sensor module to automatically monitor the volume of water supplied continuously. The combination of the high-precision liquid level control system with the non-contact inductive capacitive liquid level sensor and solenoid valves can be used to maintain a fixed water level in the water reservoir. Therefore, it is possible to increase the pressure difference of liquid level between the water reservoir and the double-ring, and thereby to make the initial rate of water supply in the double-ring infiltrometer much higher than that in the Mariotte reservoir. The new infiltrometer can match the initial rate of water supply, thereby to improve the measuring accuracy of hydraulic conductivity. The accuracy and reliability of the automatic double-ring infiltrometer were verified from July 2019 to October 2019, in the Lüyuan experiment field of China Agricultural University. The experiment was also performed on comparison between the new infiltrometer and the traditional infiltrometer with fixed water level method (double-ring combined with the Mariotte reservoir, collecting data manually). The field experiment results demonstrated that the stable hydraulic conductivity measured by the Mariotte reservoir was 0.068 5 cm/min, and the stable hydraulic conductivity measured by our new automatic double-ring infiltrometer was 0.068 7 cm/min. The data measured by new designed double-ring infiltrometer agreed with the theoretical infiltration model of Philip, where the corresponding2was greater than 0.99. In addition, the new double-ring infiltrometer can continuously and automatically measure the infiltration process, which significantly reduced error caused by traditional double-ring infiltrometer. The new infiltration measurement system can be expected to extend for automatic data sampling with high precision, and low cost, efficient, and easy to use in the field.

soil; moisture; double-ring infiltrometer; laser range sensor module; non-contact liquid level sensor; solenoid valve

孫權(quán)，張建豐，張杰，等. 自動(dòng)雙環(huán)入滲儀設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(10)：318-324.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.038 http://www.tcsae.org

Sun Quan, Zhang Jianfeng, Zhang Jie, et al. Design and experiment of automatic double-ring infiltrometer[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(10): 318-324. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.038 http://www.tcsae.org

2019-07-03

2020-04-20

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41771257）

孫權(quán)，主要研究方向?yàn)橥寥廊霛B與優(yōu)先流測量方法。Email：1724573073@qq.com

劉剛，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事多孔介質(zhì)中的能量與質(zhì)量傳遞輸運(yùn)過程、溶質(zhì)和水分的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、熱脈沖探針方法的改進(jìn)研究。Email：liug@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.038

S152.7+2；S126

A

1002-6819(2020)-10-0318-07