1.本发明属于土壤参数测量技术领域，涉及一种土壤水汽含量监测及极端温度水汽含量预测的方法和装置。
背景技术：2.在土壤水、热、盐运移研究中，水汽运移往往被忽略，然而在非饱冻结土壤中，水汽运移有着重要的作用。在冻土环境工程相关研究中，水汽运移对结构稳定、力学特征影响显著。在现有的水汽量估算中，往往采用模型进行计算，但是无法对模型结果进行直接验证，目前，由于水汽分子难以标定和与液体水分子难以区分等因素，尚未有直接检测土壤中水汽含量及其通量的检测装置。
技术实现要素：3.针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种土壤水汽含量监测及极端温度水汽含量预测的方法和装置。
4.为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
5.一种土壤水汽含量监测及极端温度水汽含量预测的方法，包括如下步骤：
6.s1、将质量为m1自然风干并粉碎处理后的待测土样2放入样品柱管中；样品柱管的注水口3采用橡胶塞密封；样品柱管的顶部放置足量干燥剂包，用薄膜密封扣盖1密封一定时间t后迅速取出干燥剂包，并再次用薄膜密封扣盖1密封。
7.s2、将步骤s1干燥密封后的样品柱管和两组空载注水针组放置在高精度重力秤上进行称重，获得干燥总质量m0。
8.s3、取下空载针组，吸取质量为m
水
的水并依次从不同注水排等量地向样品柱管的待测土样2中注入，使水分充分扩散；注射完成后将两组注射针组对称地插入两个注水排中；将插有两组注射针组的样品柱管放置在温度为t的恒温箱中养护，取相同时间间隔进行整体称重，获得注水总质量mi，i为测量次数。
9.s4、通过公式1计算第i次水汽含量di，获得恒温条件下养护时长与水汽含量di的曲线关系；当di不随测量次数发生明显改变，既di稳定后，此时通过公式2计算恒温条件下土壤质量含水率θ。
10.di＝m0+m
水-miꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式1
11.θ＝(m
水-di)/m1*100％
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式2
12.式中，di为第i次水汽含量，单位为g；m0为干燥总质量，单位为g；m
水
为水的质量，单位为g；mi为注水总质量，单位为g；θ为土壤质量含水率；m1为待测土样2的质量，单位为g。
13.s5、重复多次步骤s1～s4，其中，每次重复时改变步骤s3中的养护温度；取每次重复时稳定后的水汽含量值，建立温度与水汽含量的曲线关系；进而根据温度与水汽含量的曲线关系预测极端温度下土壤水汽含量。
14.其中，所述样品柱管用于盛装待测土样2，样品柱管为一圆柱体管，底端通过基座
密封，顶端设有薄膜密封扣盖1，薄膜密封扣盖1的薄膜为塑料薄膜，保证样品柱管内待测土样2内部气压为大气压，并阻隔外界水汽；所述样品柱管的管体上设有至少一对的注水排，两个注水排位于同一过样品柱管直径的平面上，每个注水排包括多个沿样品柱管轴向等间距分布的注水口3。
15.所述注水针组包括针筒连接杆5、活塞芯杆连接杆6和多个与注水排的注水口3一一对应的注射器4，所述针筒连接杆5依次与各注射器4的针筒固接，所述活塞芯杆连接杆6依次与各注射器4的活塞芯杆的末端固接。
16.所述干燥剂包为硅胶干燥剂。
17.所述t为24小时。
18.一种应用于所述的方法的土壤水汽含量监测及极端温度水汽含量预测的装置，包括样品柱管和注水针组；
19.所述样品柱管用于盛装待测土样2，样品柱管为一圆柱体管，底端通过基座密封，顶端设有薄膜密封扣盖1，薄膜密封扣盖1的薄膜为塑料薄膜，保证样品柱管内待测土样2内部气压为大气压，并阻隔外界水汽；所述样品柱管的管体上设有至少一对的注水排，两个注水排位于同一过样品柱管直径的平面上，每个注水排包括多个沿样品柱管轴向等间距分布的注水口3；所述注水口3用橡胶塞密封。
20.所述注水针组包括针筒连接杆5、活塞芯杆连接杆6和多个与注水排的注水口3一一对应的注射器4，所述针筒连接杆5依次与各注射器4的针筒固接，所述活塞芯杆连接杆6依次与各注射器4的活塞芯杆的末端固接。
21.同一注水排中的相邻的两个注水口3之间的间距为3～5cm。
22.所述样品柱管的材质为铝合金或钛合金。
23.所述针筒连接杆5和活塞芯杆连接杆6的材质为碳纤维。
24.所述注射器4选取透明材料。
25.所述注射器4的针头的针尖密闭，针体四周均匀开有出水孔7；所述注射器4的针头的长度等于样品柱管的半径。
26.所述装置进一步包括水槽8，所述水槽8的底部为两个向下倾斜的斜坡，纵截面为三角形；所述水槽8的材料选用透明材料。
27.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
28.本发明的测量方法能准确获得恒温条件下养护时长与水汽含量的曲线关系和恒温条件下土壤质量含水率；并能够根据温度与水汽含量的曲线关系预测极端温度下土壤水汽含量。本发明的测量装置结构简单、操作方便、测量准确。
附图说明
29.图1为本发明的样品柱管的结构示意图；
30.图2为本发明的注水针组的结构示意图；
31.图3为本发明的注射器4的针头的结构示意图；
32.图4为本发明的水槽的结构示意图；
33.图5为本发明的测量装置称重状态图；
34.图6为温度为t的恒温条件下养护时长与水汽含量的曲线图；
35.图7为温度与水汽含量的曲线图；
36.图8为本发明的土壤水汽含量监测及极端温度水汽含量预测的方法流程图。
37.其中的附图标记为：
38.1、薄膜密封扣盖
39.2、待测土样
40.3、注水口
41.4、注射器
42.5、针筒连接杆
43.6、活塞芯杆连接杆
44.7、出水孔
45.8、水槽
46.9、三角底面
具体实施方式
47.下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。
48.本发明的土壤水汽含量监测及极端温度水汽含量预测的装置包括样品柱管和注水针组。
49.如图1所示，所述样品柱管用于盛装待测土样2，样品柱管为一圆柱体管，底端通过基座密封，顶端设有薄膜密封扣盖1，薄膜密封扣盖1的薄膜为塑料薄膜，保证样品柱管内待测土样2内部气压为大气压，并阻隔外界水汽。所述样品柱管的管体上设有两对注水排，四个注水排沿样品柱管的周向均匀分布；每个注水排包括多个沿样品柱管轴向等间距分布的注水口3；所述注水口3用橡胶塞密封。
50.同一注水排中的相邻的两个注水口3之间的间距为3～5cm；优选为4cm。
51.所述样品柱管的材质为导热效果好且质量较轻的金属合金(例如铝合金，钛合金等)，样品柱管的尺寸根据测量精度和所需土深设定。
52.如图2所示，所述注水针组包括针筒连接杆5、活塞芯杆连接杆6和多个与注水排的注水口3一一对应的注射器4，所述针筒连接杆5依次与各注射器4的针筒固接，所述活塞芯杆连接杆6依次与各注射器4的活塞芯杆的末端固接。
53.所述针筒连接杆5和活塞芯杆连接杆6的材质为碳纤维。
54.所述注射器4选取透明材料方便观察注射情况，(例如，透明塑料)。
55.如图3所示，所述注射器4的针头的针尖密闭，针体四周均匀开有出水孔7。所述注射器4的针头的长度等于样品柱管的半径，
56.如图4所示，所述水槽8的底部为两个向下倾斜的斜坡，纵截面为三角形，即水槽8的底面为三角底面9，有利于液体集中，方便注水针组充分吸取液体。所述水槽8的材料选用玻璃等透明材料，方便观察液体是否完全吸取。水槽8的尺寸根据注射针组尺寸而定。
57.在注入液体过程中，注水针组依次从不同注水排等量地向样品柱管的待测土样2中注入水。如图5所示，注射完成后，将两组注射针组对称地插入两个注水排中，防止注射器残留液体导致误差，并保证称重时高精度重力秤受力均匀。
58.如图8所示，本发明的土壤水汽含量监测及极端温度水汽含量预测的方法，包括如
下步骤：
59.s1、将质量为m1自然风干并粉碎处理后的待测土样2放入样品柱管中；样品柱管的注水口3采用橡胶塞密封；样品柱管的顶部放置足量干燥剂包，用薄膜密封扣盖1密封一定时间t后迅速取出干燥剂包，并再次用薄膜密封扣盖1密封；
60.优选地，所述干燥剂包为硅胶干燥剂。
61.优选地，所述t为24小时。
62.s2、将步骤s1干燥密封后的样品柱管和两组空载注水针组放置在高精度重力秤上进行称重，获得干燥总质量m0；
63.s3、取下空载针组，在水槽8内吸取质量为m
水
的水并依次从不同注水排等量地向样品柱管的待测土样2中注入，使水分充分扩散；注射完成后将两组注射针组对称地插入两个注水排中；将插有两组注射针组的样品柱管放置在温度为t的恒温箱中养护，取相同时间间隔进行整体称重，获得注水总质量mi，i为测量次数；
64.s4、通过公式1计算第i次水汽含量di，获得恒温条件下养护时长与水汽含量di的曲线关系，如图6所示；当di不随测量次数发生明显改变，既di稳定后，此时通过公式2计算恒温条件下土壤质量含水率θ；
65.di＝m0+m
水-miꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式1
66.θ＝(m
水-di)/m1*100％
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式2
67.式中，di为第i次水汽含量，单位为g；m0为干燥总质量，单位为g；m
水
为水的质量，单位为g；mi为注水总质量，单位为g；θ为土壤质量含水率；m1为待测土样2的质量，单位为g；
68.s5、重复多次步骤s1～s4，其中，每次重复时改变步骤s3中的养护温度；取每次重复时稳定后的水汽含量值，建立温度与水汽含量的曲线关系，如图7所示；进而根据温度与水汽含量的曲线关系预测极端温度下土壤水汽含量。
技术特征：1.一种土壤水汽含量监测及极端温度水汽含量预测的方法，其特征在于，包括如下步骤：s1、将质量为m1自然风干并粉碎处理后的待测土样(2)放入样品柱管中；样品柱管的注水口(3)采用橡胶塞密封；样品柱管的顶部放置足量干燥剂包，用薄膜密封扣盖(1)密封一定时间t后迅速取出干燥剂包，并再次用薄膜密封扣盖(1)密封；s2、将步骤s1干燥密封后的样品柱管和两组空载注水针组放置在高精度重力秤上进行称重，获得干燥总质量m0；s3、取下空载针组，吸取质量为m
水
的水并依次从不同注水排等量地向样品柱管的待测土样(2)中注入，使水分充分扩散；注射完成后将两组注射针组对称地插入两个注水排中；将插有两组注射针组的样品柱管放置在温度为t的恒温箱中养护，取相同时间间隔进行整体称重，获得注水总质量m
i
，i为测量次数；s4、通过公式1计算第i次水汽含量d
i
，获得恒温条件下养护时长与水汽含量d
i
的曲线关系；当d
i
不随测量次数发生明显改变，既d
i
稳定后，此时通过公式2计算恒温条件下土壤质量含水率θ；d
i
＝m0+m
水-m
i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式1θ＝(m
水-d
i
)/m1*100％
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式2式中，d
i
为第i次水汽含量，单位为g；m0为干燥总质量，单位为g；m
水
为水的质量，单位为g；m
i
为注水总质量，单位为g；θ为土壤质量含水率；m1为待测土样(2)的质量，单位为g；s5、重复多次步骤s1～s4，其中，每次重复时改变步骤s3中的养护温度；取每次重复时稳定后的水汽含量值，建立温度与水汽含量的曲线关系；进而根据温度与水汽含量的曲线关系预测极端温度下土壤水汽含量；其中，所述样品柱管用于盛装待测土样(2)，样品柱管为一圆柱体管，底端通过基座密封，顶端设有薄膜密封扣盖(1)，薄膜密封扣盖(1)的薄膜为塑料薄膜，保证样品柱管内待测土样(2)内部气压为大气压，并阻隔外界水汽；所述样品柱管的管体上设有至少一对的注水排，两个注水排位于同一过样品柱管直径的平面上，每个注水排包括多个沿样品柱管轴向等间距分布的注水口(3)；所述注水针组包括针筒连接杆(5)、活塞芯杆连接杆(6)和多个与注水排的注水口(3)一一对应的注射器(4)，所述针筒连接杆(5)依次与各注射器(4)的针筒固接，所述活塞芯杆连接杆(6)依次与各注射器(4)的活塞芯杆的末端固接。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述干燥剂包为硅胶干燥剂。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述t为24小时。4.一种用于如权利要求1所述的方法的土壤水汽含量监测及极端温度水汽含量预测的装置，其特征在于，所述装置包括样品柱管和注水针组；所述样品柱管用于盛装待测土样(2)，样品柱管为一圆柱体管，底端通过基座密封，顶端设有薄膜密封扣盖(1)，薄膜密封扣盖(1)的薄膜为塑料薄膜，保证样品柱管内待测土样(2)内部气压为大气压，并阻隔外界水汽；所述样品柱管的管体上设有至少一对的注水排，两个注水排位于同一过样品柱管直径的平面上，每个注水排包括多个沿样品柱管轴向等间距分布的注水口(3)；所述注水口(3)用橡胶塞密封；所述注水针组包括针筒连接杆(5)、活塞芯杆连接杆(6)和多个与注水排的注水口(3)
一一对应的注射器(4)，所述针筒连接杆(5)依次与各注射器(4)的针筒固接，所述活塞芯杆连接杆(6)依次与各注射器(4)的活塞芯杆的末端固接。5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，同一注水排中的相邻的两个注水口(3)之间的间距为3～5cm。6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述样品柱管的材质为铝合金或钛合金。7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述针筒连接杆5和活塞芯杆连接杆(6)的材质为碳纤维。8.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述注射器(4)选取透明材料。9.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述注射器(4)的针头的针尖密闭，针体四周均匀开有出水孔(7)；所述注射器(4)的针头的长度等于样品柱管的半径。10.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述装置进一步包括水槽(8)，所述水槽(8)的底部为两个向下倾斜的斜坡，纵截面为三角形；所述水槽(8)的材料选用透明材料。
技术总结本发明涉及一种土壤水汽含量监测及极端温度水汽含量预测的方法和装置。方法包括：S1、将自然风干并粉碎处理后的待测土样放入样品柱管中，干燥后密封；S2、将步骤S1干燥密封后的样品柱管和两组空载注水针组放置在高精度重力秤上进行称重；S3、吸取质量为m
技术研发人员：黄冠华 李云龙 黄权中 徐旭 熊云武 刘胜 王容 李越
受保护的技术使用者：中国农业大学
技术研发日：2022.03.29
技术公布日：2022/7/5
