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一维垂直非饱和土壤水分运动实验系统操作说明西安理工大学水资源研究所西安碧水环境新技术有限公司1 试验原理做一个直径为10cm 的垂直土柱，长度为100cm 左右，使密度均一，且有均匀的初始含水率。
在土柱进水端维持一个接近饱和的稳定边界含水率，并使水分在土柱中作垂直吸渗运动，作为一维垂直流动其微分方程和定解条件为()()()()()()i 0K =D t z z zt 0 z 0000i t z tz θθθθθθθθθθ∂∂∂∂⎡⎤-⎢⎥∂∂∂∂⎣⎦==≥===→∞ １ ２ ３ ４基本方程（1）可改写为以(),z t θ为未知函数的方程()()()()(),,5z t dK z t D t d θθθθθθθ∂∂⎡⎤∂-=-⎢⎥∂∂∂⎣⎦ 式中，Z 坐标向下为正。
垂直入渗的解(),z t θ取为级数形式，即(),z t θ=()()()()12342222234t t t t ηθηθηθηθ++++１=()21ii i t ηθ∞=∑ （6）根据边界条件（3）可知，()00i ηθ= i=1，2，3， （7） 由初始条件（2）可以得到()1i ηθ=∞ （8）当式（5）中的各项系数()i ηθ确定后，则可求得任一时刻T 不同含水率θ在土壤剖面上的位置Z ，亦即得到垂直入渗的解。
()i ηθ可由待定系数法求得，为此，可以将方程（5）的右端按分式求导展开，整理得，22220z dK z z z dD z D d t d θθθθθθ∂∂∂∂∂⎛⎫⎛⎫+--= ⎪ ⎪∂∂∂∂∂⎝⎭⎝⎭ （9） 式中，D ，K 及z 分别为D （θ），K （θ）及(),z t θ的简写。
对式（6）取222z z z z t θθθ∂∂∂∂⎛⎫ ⎪∂∂∂∂⎝⎭ ，分别如下：()()12342222123411234222222123421111122223412322211213223222222i i i i i i i i zi t t t t tzt t t t tz i tt t t t t z t t ηηηηηθηηηηηθηηηηηηηηηηηθ∞=∞=∞--=∂'''''=++++=∂∂''''''''''=++++=∂∂⎛⎫⎛⎫=++++= ⎪ ⎪∂⎝⎭⎝⎭∂⎛⎫⎡''''''=+++ ⎪⎣∂⎝⎭∑∑∑()52214232t t ηηηη⎤''''+++⎦式中ηηηη１２３４ 分别为()()()()ηθηθηθηθ１２３４ 的简写，将上式代入（9）中，并按t 的次方合并同类项，则式（9）可表示为1123422222123410i i Y tY t Y t Y t Y t ∞==++++=∑ （10）式中前四项的系数为()()()()()()()()211111222211112222331231212113123222441321412313222123122222232Y D D Y D K D Y D K D Y D K ηηηηηηηηηηηηηηηηηηηηηηηηηηηηηηηηηηηηηηη⎛⎫'''''=-- ⎪⎝⎭''''''''=+---⎛⎫⎛⎫'''''''''''''=+----- ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭'''⎡⎤'''''''''=++----⎣⎦ 1412314D ηηηηηηη''''''--- 式（10）右端恒为零，而t 可以取任意数，因此，各项系数必然均为0，即Y i =0（i=1,2,）,由此条件可求得各项系数()i ηθ。
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)实用新型专利(10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201920618031.1(22)申请日 2019.04.30(73)专利权人 山西农业大学地址 030801 山西省晋中市太谷县山西农业大学(72)发明人 栗丽 李廷亮 张晋丰 谢钧宇 李丽娜 黄晓磊 (74)专利代理机构 太原华弈知识产权代理事务所 14108代理人 梁丽丽(51)Int.Cl.G01N 33/24(2006.01)G01N 15/08(2006.01)(54)实用新型名称一种综合应用的室内模拟土柱实验装置(57)摘要本实用新型涉及一种综合应用的室内模拟土柱实验装置，由供水装置、填土装置和滤液收集装置组成；所述供水装置由供水箱、蠕动泵和降雨筛组成，所述蠕动泵连接在供水箱的出水口，所述降雨筛通过管道与蠕动泵连接，所述填土装置由若干段螺纹连接的中空填土管构成，所述填土装置的外侧壁上间隔设有若干采样口，填土装置的两端和两段中空填土管的连接处均设有渗漏板，所述滤液收集装置为一中空的漏斗体，其喇叭口朝上，下端开口方便收集滤液，上端口与填土装置的下端口螺纹连接，上端口设有一可拆卸的挡板。
本实用新型的综合应用的室内模拟土柱实验装置，不仅可以根据污染物不同而选择土柱长度，还可以根据实验要求选择所需土柱的入水方式。
权利要求书1页 说明书3页 附图2页CN 209878758 U 2019.12.31C N 209878758U权 利 要 求 书1/1页CN 209878758 U1.一种综合应用的室内模拟土柱实验装置，其特征在于由供水装置、填土装置和滤液收集装置组成；所述供水装置由供水箱、蠕动泵和降雨筛组成，所述蠕动泵连接在供水箱的出水口，所述降雨筛通过管道与蠕动泵连接；所述填土装置由若干段螺纹连接的中空填土管构成，所述填土装置的外侧壁上间隔设有若干采样口，所述采样口与填土装置内部连通，填土装置的两端和两段中空填土管的连接处均设有渗漏板，所述渗漏板上均匀设有小孔，填土装置近上端口的外侧壁上设有与填土装置连通的径流口，所述径流口上设有径流口塞，填土装置近下端口的外侧壁上设有与填土装置连通的注水口，所述注水口上设有注水口塞，所述填土装置的上端口设置在降雨筛的下方，填土装置的直径与降雨筛的直径相同；所述滤液收集装置为一中空的漏斗体，其喇叭口朝上，下端开口方便收集滤液，上端口与填土装置的下端口螺纹连接，上端口设有一可拆卸的挡板。
土柱淋盐试验操作流程1.实验前准备a.提取土壤样品，根据需要选择深度和位置，并将其放在干燥的容器中。
b.准备所需的设备和材料，包括容器、量杯、搅拌杆、滤纸、滤漏器、pH计、电导仪等。
c.清洗和消毒所需的设备和材料，以避免交叉污染。
2.土壤样品处理a.将土壤样品均匀分成几个小样品，以保证实验的可重复性。
b.将每个土壤样品通过筛网过滤，去除其中的碎石和有机物质。
c.将筛选后的土壤样品放入干燥的容器中，以备后续的试验使用。
3.淋盐试验过程a.根据实验需求和所选离子的种类，制备相应浓度的盐溶液。
b.将土壤样品放入容器中，并加入足够的盐溶液，使土壤完全浸润。
c.搅拌土壤样品和盐溶液，以确保离子的均匀分布和与土壤颗粒的充分接触。
d.启动水流，以一定的流量将盐溶液从土壤样品中冲洗出来。
e.定期采集滤液样品，测量pH值和电导率，以监测离子的释放和溶液的变化。
f.持续淋洗土壤样品，直到滤液的pH值和电导率趋于稳定。
4.结果处理a.对采集到的滤液样品进行化学分析，测量各种离子的浓度和比例。
b.统计分析数据，计算土壤中不同离子的含量和比例。
c.根据实验的目的和所需的结果，对数据进行解读和分析。
5.清洁和消毒a.实验结束后，及时清洗和消毒使用的设备和材料，以避免污染和交叉污染。
b.将土壤样品处理残余物品进行妥善处理，以保护环境和实验室的卫生安全。
以上仅为土柱淋盐试验的一般操作流程，实际操作中可能因为实验的目的和需求有所不同。
因此，在进行实验前，需要明确实验的目的、设计实验方案，并参考相关的实验标准和规范进行操作，以确保实验结果的可靠性和准确性。
土木工程中的渗透系数测定方法土木工程中的渗透系数测定方法是评估土壤和岩石渗透性的重要手段。
它对于土木工程项目的设计和施工具有重要意义。
准确测定渗透系数可以帮助工程师评估土壤或岩石的渗透性能，以选择合适的建筑材料和采取适当的工程措施，确保工程的稳定和安全性。
一、定负压渗透试验法定负压渗透试验法是一种常用的渗透系数测定方法。
它通过建立负压梯度，测量土壤或岩石中的水渗透速率。
在实验中，首先需要将试验材料制成柱状或土壤墙样品，并保持边界的密封。
接着，在样品上施加一定的负压，测量水渗透过程中的流量并记录时间。
通过对流量和时间的关系进行分析，可以计算出渗透系数。
定负压渗透试验法的优点是操作简单、可控性强，适用于不同类型的土壤和岩石。
二、土柱法土柱法是另一种常用的渗透系数测定方法。
它通过制备土柱样品，浸水并测量土壤中的水渗透速率。
在实验过程中，首先需要选择一定的土壤样品，并保持其湿润，以避免水分蒸发。
接着，在柱状样品的底部设置渗流出口，并将其放置在一个恒定水位的水槽中。
然后观察进水与出水之间的水位差，测量出水的流量和时间。
通过对流量、时间和水位差的关系进行分析，可以计算出土壤的渗透系数。
土柱法适用于渗透系数较小的细颗粒土壤。
三、试井法试井法是一种间接测定渗透系数的方法。
它通过在井孔中进行渗流试验，测量水位变化来推断土壤或岩石的渗透系数。
在试井法中，首先需要选择一个合适的井孔，并在井孔内设置流量计和水位计等仪器。
接着，注入一定数量的水，并观察水位的变化。
通过对水位和时间的变化进行分析，可以间接计算出渗透系数。
试井法适用于渗透系数较大的岩石和土壤。
四、强夯法强夯法是一种特殊的渗透系数测定方法。
它通过制造冲击波，使水分浸透到土壤中，从而估算出土壤的渗透系数。
在强夯法中，首先需要使用特殊的设备进行夯击，使土壤中的颗粒重新排列。
接着，注入一定数量的水分，并观察水分在土壤中的渗透情况。
通过对夯击和渗透过程的观察和分析，可以估算出土壤的渗透系数。
土工击实试验检验原始记录实验目的：本实验旨在通过土工击实试验来研究土壤的击实性能，并通过检验原始记录进行进一步分析和验证。
实验原理：土工击实试验是一种常见的土壤力学试验方法，用于研究土壤的击实性能。
在试验过程中，通过利用落锤的冲击力作用于土层，从而提高土壤的密实度，进一步改善土壤的工程性质。
实验中采用击实规范指导实施试验，以确保数据的准确性和可靠性。
实验设备：实验中所需的设备有落锤、击实针、土柱、刻度尺、天平、室内水桶等。
实验步骤：1.准备土柱：将土壤样品装入环形模具中，保证土柱的高度和直径满足规范要求。
2.落锤冲击：将落锤从一定高度自由下落，冲击击实针，使其插入土柱中。
3.记录击实次数：记录击实针插入土柱的深度，以及每次冲击后击实针的回弹高度。
4.重复冲击：依次重复上述步骤，直到击实针插入土柱的深度不再发生明显变化。
实验数据记录：冲击次数，深度1 (mm) ，深度2 (mm) ，深度3 (mm) ，深度4 (mm) ，深度5 (mm)--------，------------，------------，------------，------------，------------1，10，12，8，11，92，19，21，17，20，183，25，26，24，27，254，30，33，29，32，315，34，36，33，35，34数据分析和讨论：根据实验数据的记录，可以观察到每次冲击后击实针插入土壤的深度逐渐增加，并在一定次数后趋于稳定。
由此可以得出结论，土壤在经过一定次数的冲击后，已经较为密实，难以继续增加密实度。
进一步通过计算平均深度和回弹高度，可以得到更加具体的数据：平均深度，平均回弹高度------------，-----------------27mm ， 7mm通过分析平均深度和回弹高度，可以评估和比较不同试验条件下的击实性能差异。
深度的增加代表了冲击的力度和击实效果，而回弹高度则反映了土壤的弹性恢复情况。
土壤容重的测定方法
测定土壤容重的常用方法包括：
1. 土柱法：将土壤样品取自野外或实验田，并按照一定的湿度条件将其填充到圆柱形容器中，利用对比体积测定容器内土壤的重量，然后根据土壤体积和重量的比例计算土壤容重。
2. 刨凿法：将土壤样品取自野外或实验田，并根据一定的湿度条件将土壤分层，然后利用凿子或刨子等工具将土壤样品刨出，称重并计算体积，最终计算容重。
3. 地铁及模具法：在野外或实验田中，以一定的孔径和深度开挖一个洞坑，然后将洞坑中的土壤样品装入模具中，利用模具的体积和重量计算土壤容重。
4. 铛击法：利用铛击仪器将直径和长度固定的圆柱形钢模垂直地插入土壤中，然后测量土壤柱体的长度和重量，最终计算容重。
5. 高频振动法：利用高频振动仪器将土壤样品振动，根据振动频率和土壤体积的关系计算土壤容重。
以上方法可以根据实际需求和条件选择适合的方法进行土壤容重的测定。
土木与建筑工土柱实验装置的应用进展与展望蒙灏晟1王镱潼1*曹炙鹏1陈娟娟2（1.扬州大学江苏扬州225009；2.泰兴市水务局江苏泰兴225400）摘 要：土柱实验在监测和评估土壤情况的研究中得到了广泛应用，并发挥了重要作用，合理布置土柱实验装置，对保障实验拟真性有着积极影响。
通过对近年来土柱实验的相关研究进行梳理，本文分析了土柱实验装置布置（土柱系统、供水及蒸发称重系统、监测系统）及关键系统设备的应用情况，比较了不同应用方案的利弊，讨论了影响土柱实验结果的相关问题，并对土柱实验装置的改进和应用方向提出了展望，以期为后续土柱实验装置的布置提供参考。
关键词：土柱土柱实验装置实验装置拟真性研究进展中图分类号：X523文献标识码：A文章编号：1674-098X(2022)09(b)-0245-04Application Progress and Prospect of Soil ColumnExperimental DeviceMENG Haosheng1 WANG Yitong1* CAO Zhipeng1 CHEN Juanjuan2(1.Yangzhou University, Yangzhou, Jiangsu Province, 225009 China;2.Taixing Water Bureau, Taixing, JiangsuProvince, 225400 China)Abstract: Soil column experiment has been widely used in the study of monitoring and evaluating soil conditions, and has played an important role. Reasonable arrangement of soil column experiment equipment has a positive ef-fect on ensuring the trueness of the experiment. By sorting out the relevant research on on soil column experiment in recent years, this paper analyzes the layout of soil column experiment device (soil column system, water supply and evaporation weighing system, monitoring system) and the application of key system equipment, compares the advantages and disadvantages of different application schemes, discusses the relevant issues affecting the results of soil column experiment, and puts forward prospects for the improvement and application direction of soil column ex-periment device. It is expected to provide a reference for the layout of the soil column experimental device.Key Words: Soil column; Soil column experimental device; Experimental device simulacrity; Research progress土柱实验是研究土壤及土壤水分变化的重要手段，它被广泛应用于水利、农业等研究领域。
《土柱实验》教学指导书
一、实验目的
1、加强对黄土特性的学习，掌握土壤弥散系数的概念和方法；
2、观察污染物在土壤中的迁移情况；
3、深入了解土壤对污染物的吸附和解析模型；
4、熟悉模拟实验数据的记录和处理，是将来进行污染物运移数学模拟的基础。
二、实验内容
1、测定土壤的弥散系数
2、观察污染物在土壤中的迁移
3、建立土壤对污染物的等温吸附模型和吸附动力学模型；
4、建立土壤对污染物的等温解析模型和解析动力学模型；
三、仪器相片
活性碳夹层柱身出水口出水或入水孔
四、模拟实验土柱和装置
1、土柱的概述
实验土柱通常分为两种：非扰动的原状土柱和填装的土柱。
原状土柱较好的代表了研究对象的原土壤结构及理化性质。
填装土柱可以是经过筛
分的一种土壤,也可以是按一定比例混合的几种土壤。
填装土柱不能保持原土壤结构,但是,适用于一定目的的专门研究。
例如,通过改变各种参数(土壤粒径、比表面和矿物组分,土壤水的pH值,或土壤的不同混合比例等)，来研究土壤对特定污染物的吸附性能。
2、土柱的尺寸
土柱的尺寸没有硬性的规定，一般认为圆形土柱的长度大于其直径的2.5倍即可。
不过对于要求精确的模拟土柱，其尺寸还要考虑以下几个方面
(1) 污染物通常含有多种物质，在设计实验的过程中应当以迁移能力最强的污染物为标准来设计土柱，一般来说迁移能力上，有机污染物<阳离子污染物<阴离子污染物。
(2) 由于在土柱内建立稳定的非饱和流场的方法不同,当土柱下段含
水率偏高，不能满足实验要求时，必须要增长土柱的长度。
(3) 对于不同的实验目的，必须根据测量方法和测量数据来确定土柱长度与直径的比值。
3、入水方式
入水方式通常有从上往下渗水和从下往上饱水两种。
通常前者用于，地表污染物往土壤中的下渗，可以比较正确的反应该条件下污染物在土壤中的迁移情况，但是无法用于研究土壤对其的吸附作用。
而从下往上饱水，可以让土壤与污染物充分接触，是研究土壤对污染物吸附机理和模型的最佳方式。
一般情况下，土柱模型都采用定流量水，在要求并不是很高的实验中，通常使用双马氏瓶来固定入水水头，但是在精度很高或者对要求很大，很小或很稳定的水流量时，必须使用蠕动泵入水。
4、土柱的注意事项
(1) 砾石层不管入水方式如何，必须在入水口的土壤前铺设1-2cm厚的砾石层，防治水流对土壤层的冲刷，从上往下渗水时尤其必须注意。
而在出水口土壤后也必须铺设1-2cm的砾石层，防治土壤堵塞。
(2) 尼龙丝网任何不同材料的层位之间，都应该放置尼龙丝网，且必须根据流向和材料来选择尼龙丝网的目数，当顺流向且材料由细变粗时，尼龙网需要目数足够大以阻挡细材料往粗材料中的渗透。
(3) 反应渗透墙根据实验的目的和所研究的污染物种类，可以适当的在土柱中添加反应渗透墙。
反应渗透墙的材料组成厚度都必须经过详细的计算以选取合适的数值。
(4) 柱身出水处首先为了防止土壤对柱身处水口的堵塞，必须在出水口前布置合适的尼龙丝网；其次在不同的实验中，此出水口有不同的功能，例如水头的测量和水质电导率的测量。
(5) 土柱内侧必须粗糙，以防止水沿内测管壁的优先流。
5、附属设备
马氏瓶、蠕动泵、橡皮管、示踪剂、电导率仪及探头和收集样品用的容器。
五、实验步骤
1、设计实验
确定所用污染物溶液、土柱尺寸、填充物类型和反应渗透墙情况。
2、装填土柱
装填前，需先测定所填土壤的部分系数，如粒径大小、级配组成、矿物组成、孔隙度、干容重γ和含水量S。
装填时采用干堆法，且要利用土壤的干容重γ和含水量S进行计算。
根据不同的土柱尺寸，每次装填的高度在H须在5-10cm之间，而每次装填的重量为：
W=V·γ(1 +S)
式中：
V——每次装入土体体积(cm3);
γ——天然土体干容重(g/cm3);
S——室内土壤含水量(%);
在每次装入W(g)土壤后,利用压实器进行土壤压实,使其达到规定的土壤土柱高度H。
如此试验土柱的干容重与天然情况下土壤干容重将相等或者接近,由
此来控制土柱筒内土壤的孔隙率与天然情况下的土壤孔隙率基本相符。
3、准备外设
根据设计的入水方式，准备马氏瓶或蠕动泵且将其连通；准备容器收集出水口的样品；对于柱身的出水处，根据计划准备电导率或水压表或直接采样。
4、记录数据
根据不同的实验目的记录数据，具体内容见下章。
5、结果分析
对记录数据进行处理，分析实验结果；然后需要对数据和结果进行验证，最后得到结论及建议。
具体内容见下章。
六、实验结果处理
（一）测定试验土柱的弥散系数
1、示踪剂的选择
一般条件下，试验中采用氯化钠作为示踪物质,以氯离子作为测定土的示踪剂。
虽然氯离子对于土壤胶体来讲属于惰性离子,但由于阳离子的其仍具有一定吸附作用，为了合理地确定出土柱体的动力弥散系数，须首先进行氯离子的静态平衡吸附试验，以确定土壤对它的最大吸附量及平衡液浓度。
2、土壤对氯离子的吸附试验
称量20g风干的土壤盛入三角瓶内,再加入200ml氯离子浓度分别为200ppm，400ppm，600ppm，800ppm，1000ppm，1200mp的溶液(水土比为10：1)，在水浴振荡器上振荡5个小时，静置20小时，用离心机离心澄清，取上清液分析其平衡液浓度，用差减法求得土壤胶体对氯离子(CI-)的吸附量。
绘制土壤对氯离子吸附平衡曲线。
该实验可以得到，土壤对氯离子的最大吸附浓度X。
在下面进行的土柱实验中，先用X浓度的氯离子溶液使土柱中突然达到饱和，然后用2/3X浓度的氯离子溶液进行弥散系数的测定。
3、流体动力弥散系数的测定
在土柱入口连续恒定地注入氯离子浓度为1500mg/l，出口取样测定氯离子的浓度。
以出口处氯离子浓度C为Y轴，相应时间为X轴绘制穿透曲线。
根据穿透曲线查找以下数值：即当C/C0=0.16，0.5，0.84时的时刻：t0.16；t0.5；t0.84，将时间t0.5的数据代入下列公式
v=L/t0.5
V——流速；
L——土柱长度；
得到速度V，然后带入
DL=v3(t0.84-t0.16)2/8L
DL——弥散系数
这样就能得到土壤的弥散系数。
（二）建立土壤对污染物的等温吸附(解析)模型和吸附(解析)动力学模型
1、实验过程
吸附过程土柱先用蒸馏水饱和后，开始加入初始含污染物溶液，调节该溶液流速为Y进行淋滤试验，按一定间隔时间采取淋出液若干毫升进行污染物含量测定.并记录淋入、淋出液的体积。
当淋出液污染物浓度接近或达到初始溶液污染物浓度时，可以近似认为污染物的吸附过程达到饱和状态，停止淋滤。
解吸过程将上述污染物吸附达到饱和状态的试验土柱搁置36 h之后，加入与初始溶液pH值相当的蒸馏水进行污染物的淋溶(流速与上面实验需要一致)解吸试验过程。
同样间隔时间取淋出液样分析污染物含量，并记录当时淋入、淋出液体积。
当淋入液的体积与上述吸附过程停止淋滤时所加初始溶液的体积相同时，即可停止污染物的解吸淋溶试验。
2、建立等温吸附(解析)模型
数据处理的基本思路在于，分析数据之间的对应关系，然后应用适当的方程进行拟合。
对于等温吸附(解析)模型，现在有三种理论可以用来解释，分别是：
Henry曲线：G=K d C
式中：G —— 吸附量；
C —— 平衡时液相离子浓度（mg/L ）；
K d ——吸附平衡常数（L/g ）。
Frendlich 曲线 ：G=KC n
式中：G —— 吸附量；
K —— 常数；
n —— 表示该等温吸附线线性度的常数，介于0与1之间；当液相中被吸附组分浓度很低，或在砂土（CEC 值小）中产生吸附时，n →1；
C —— 平衡时液相离子浓度（mg/L ）；
Langmiur 曲线： KC
1KC S S m ++= 式中：S m —— 某组分的最大吸附浓度（mg/kg ）；
K —— 与键能有关的常数；
实验完成后，将淋出液中溶质的平均浓度C 为X 轴，溶质在土壤中的单位吸附量(单位残留量)G 为Y 轴，绘制等温吸附(解析)曲线，对该曲线分别进行上述三种模型的模拟，最后根据模拟的结果进行分析。
3、建立吸附(解析)动力学模型
吸附(解析)动力学模型，通常有下面四种，分别是：
Elovich 方程：c=a+b ·lnt
双常数速率方程：lnc=a+b ·lnt
抛物线扩散方程：c=a+bt 1/2
一级反应动力学方程：lnc=a+bt
其中：
c 为溶质在单位土体上的吸附量(mg/kg)；
t 为反应时间(h)；
a 为与初始浓度有关的试验常数；
b 为与吸附活化能有关的吸附速率常数。
实验完成后，将淋出液时间t 为X 轴，溶质在土壤中的单位吸附量(单位残留量)c 为Y 轴，绘制吸附(解析)动力学曲线，对该曲线分别进行上述四种模型的模拟，最后根据模拟的结果进行分析。
