专利名称：土壤冻融过程中污染物迁移转化的模拟装置及方法
技术领域：
本发明涉及土壤冻融模拟装置，尤其涉及中高纬地区农田土壤污染物迁移时，土
壤水冻结和融化过程中污染物在土壤内部的迁移和转化的模拟实验装置和方法。属于环境 工程和农业工程领域。
背景技术：
随着我国的经济发展，环境问题日益突出，尤其是水环境污染日趋严重。伴随着农 业的大规模发展，农业非点源污染已经成为流域水环境问题的主要原因之一。 一方面，农 业生产过程中化肥、农药的大量施用，以及不合理的耕作，使得大量营养物质流失，影响了 农业生产；另一方面，灌溉、降雨，尤其是冻融过程对于中高纬地区农业生产尤为重要，这些 过程中水体携带的农田营养物质通过地表径流流入受纳水体，或通过土壤水运动进入地下 水，最终汇入河流，造成流域水环境污染。基于非点源污染物的双重含义，可以通过对冻融 过程中污染物的迁移进行模拟，从而指导春播施肥及灌溉，也可为流域水环境问题防控提 供依据，是建设生态农业，维持具有良好生态功能水环境的理论基础。因此，冻融过程也是 国内外环境领域的研究热点之一。地球上中高纬地区的大部分土壤都会发生季节性冻结， 因为水分迁移引起的冻融现象，造成道路工程、房屋建筑、水利工程、地下输油管道工程等 不同程度的破坏。因此对于冻胀机理较为关注，目前关于冻融模拟装置多数是用于混凝土 试件检测，缺少成熟的实验设备和实验方法模拟污染物在土壤冻融过程中的迁移转化。

发明内容
本发明的目的在于提供一种土壤冻融过程中污染物迁移转化的模拟装置及方法， 以针对当前农业大开发季节性冻融对农业生产及水环境的影响，提供一种合理的模拟装置 和方法，为提出更为科学的农业生产和水环境管理理论奠定基础。 本发明是土壤冻融过程中污染物迁移转化的模拟装置及方法，主要是通过室内土 柱土壤冻结和融化过程中水分和污染物的迁移及含量的动态变化，实现对冻土中污染物的 行为模拟。该装置利用不锈钢、隔热抗冻玻璃和透明隔热抗冻塑料制作，实验跟踪观测土 壤冻结和融化过程中土体温度和冻结深度的变化，解决中高纬地区农田季节性冻融期土壤 中水分和非点源污染物的迁移转化的科学问题；该方法对土壤冻结的模拟由土体表面自上 而下的方式实现，对土壤融化过程的模拟通过自上而下和从最大冻结深度向上两种方式实 现。 本发明的具体技术方案为 土壤冻融过程中污染物迁移转化的模拟装置，具体包括四部分冻融箱、加热装 置、制冷装置、控制器。 冻融箱由箱体、冷风板组成。箱体由不锈钢制成，其两侧面设有玻璃窗，为泡沫玻 璃构造，泡沫玻璃具有不透气性、隔热性和良好的抗冻性能，便于实时观测实验情况，箱体 为夹层构造，填充发泡聚氨酯塑料隔热，箱体顶部留有一定空间，安装冷风板，冷风板上均
3匀设有通气孔，使冷风在箱体内形成环流，确保箱体内温度均匀，箱体两对角线上等距布设 温度传感器，监测箱体内部温度。箱体内均匀放置10 20个土柱桶，土柱桶由透明抗冻 聚丙烯塑料(Borpact SG930MO)制成，塑料中填充有多孔玻璃微珠，可增强塑料制品的隔热
性。在其中每个土柱桶内按照上、中、下层垂直安装热敏电阻温度计，精确度±o. rc，并与 控制器连接，通过显示屏和计算机显示输出温度变化情况。冻融箱内控制温度在士rc，减
少侧向扩散。土柱桶上方的顶板安装位移传感器，用于测定垂直方向上土体的变形。 加热装置设置于冻融箱底部，按实验需要通过控制器操作即可进行融化过程，控 制好温度，确保土柱自上而下和自最大冻结深度向上双向融化，加热器可迅速升温至30°C ，
控制在±0. 5t:，确保实验模拟精度。 制冷装置为压縮机，压縮机与一冷室相连，通过冷风管将冷室与冻融箱相连接，冷 风管设有阀门，关闭阀门，可阻断冻融箱与冷室的热交换，避免加热融化过程中热气的流 失。所选压縮机冷却效率高，可快速降温，提高实验效率。 控制器设于冻融箱外部，分别与冻融箱、加热装置、制冷装置、热敏电阻温度计和 温度传感器相连，控制器上设有接口 ，可与计算机相连，显示并记录冻融实验设备的工作参 数和冻融过程中土体不同深度的温度变化，并将信息输出记录。 本发明一种土壤冻融过程中污染物迁移转化的模拟方法，具体包括如下步骤
步骤一、实验前的准备工作 把自然状态的土壤样品缓慢装入土壤冻融过程中污染物迁移转化模拟装置的透
明抗冻土柱桶内，在采集的土样中添加适量蒸馏水。冻融实验开始前，选取装好土壤的其中
一个土柱桶，分别取土壤样品各层测定含水率、电导率、氮磷含量。 步骤二、模拟冻结和融化两个过程中土壤水分和污染物的迁移情况。
(1)冻结 启动压縮机，使冻融箱内温度降低至-2(TC，待温度恒定后，继续冻结。冻结时，在 土柱冷冻4h、8h、12h、16h、24h、48h后，分别取一个土柱桶(每次取不同的土柱桶)，分层采 集土样，测定各层含水率、电导率、氮磷含量。冻结过程中每10min观测记录上、中、下层土
壤温度。
(2)融化 关闭制冷装置中冷风管阀门，防止加热融化过程中热气通过冷风板散失，同时启
动加热装置，升温至25t:，控制温度恒定并持续供热24h，在土柱融化2h、4h、8h、12h、16h、
20h、24h后，分别取一个土柱桶(每次取不同的土柱桶)，分层采集土样，测定各层含水率、
电导率、氮磷含量。同时观测各土层温度和冻土厚度变化。 步骤三、模拟冻结和融化反复循环过程中水分和污染物的迁移情况 通过控制器，启动或关闭制冷装置/加热装置，控制冻融箱对角线最上方处温度
传感器测定温度在_151:和15°C间循环变化，循环周期为每隔3小时变化一次温度，在实验
进行3h、6h、9h、 12h、 15h、 18h、21h、24h后，分别取一个土柱桶(每次取不同的土柱桶)，分层
采集土样，测定各层含水率、电导率、氮磷含量。同时观测各土层温度和冻土厚度变化。 本发明具有以下效果和优点 (1) 土壤自上而下形成一维温度场，能够自上而下冻结，以及自上而下和自最深冻 结处向上双向融化。
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(2) 土柱冻结和融化过程冻结深度和温度变化能够实时监测，且冻融状态可通过 隔热玻璃、透明抗冻塑料制成的土柱桶观测，可以充分掌握整个冻融过程的土柱动态变化。
(3)可为中高纬农田土壤冻融期水分和非点源物质的迁移提供研究手段及科学依 据，有广泛的应用价值。


图1为本发明土柱冻融模拟装置设计方案示意图； 图2为本发明装置剖面图。 l冻融箱 2加热装置 3制冷装置 4控制器 5压縮机 6土柱桶 7位移传感器 8冷风板 9通气孔 IO热敏电阻温度计 ll温度传感器 12玻璃窗
具体实施例方式
以下结合技术方案详细说明本发明的工作原理和实施方式。 如模拟水分和氮磷非点源污染物在土壤冻融过程中的迁移动态，使用实验装置和 采用的实验方法， 本发明的装置如附图2所示， 具体包括四部分冻融箱1、加热装置2、制冷装置3、控制器4。
冻融箱由箱体、冷风板8组成。箱体由不锈钢制成，其两侧面设有玻璃窗12，为泡 沫玻璃构造，泡沫玻璃具有不透气性、隔热性和良好的抗冻性能，便于实时观测实验情况， 箱体为夹层构造，填充发泡聚氨酯塑料隔热，箱体顶部留有一定空间，安装冷风板8，冷风板 上均匀设有通气孔9，使冷风在箱体内形成环流，确保箱体内温度均匀，箱体两对角线上等 距布设温度传感器ll，监测箱体内部温度。箱体内均匀放置10 20个土柱桶6，土柱桶6 由透明抗冻聚丙烯塑料(Borpact SG930M0)制成，塑料中填充有多孔玻璃微珠，可增强塑料 制品的隔热性。在其中每个土柱桶内按照上、中、下层垂直安装热敏电阻温度计io，精确度
在士o. rc，并与控制器连接，通过显示屏和计算机显示输出温度变化情况。冻融箱内温度 控制在士rc，减少侧向扩散。土柱桶上方的顶板安装位移传感器7，用于测定垂直方向上
土体的变形。 加热装置2设置于冻融箱1底部，按实验需要通过控制器操作即可进行融化过 程，控制好温度，确保土柱自上而下和自最大冻结深度向上双向融化，加热器可迅速升温至 3(TC，控制在±0. 5t:，确保实验模拟精度。 制冷装置3为压縮机5，压縮机5与一冷室相连，通过冷风管将冷室与冻融箱相连 接，冷风管设有阀门，关闭阀门，可阻断冻融箱与冷室的热交换，避免加热融化过程中热气 的流失。所选压縮机冷却效率高，可快速降温，提高实验效率。 控制器4设于冻融箱外部，分别与冻融箱1、加热装置2、制冷装置3、热敏电阻温度
计10和温度传感器11相连，控制器上设有接口，可与计算机相连，显示并记录冻融实验设
备的工作参数和冻融过程中土体不同深度的温度变化，并将信息输出记录。 其中，冻融箱1和位移传感器7、热敏电阻温度计10、温度传感器11通过信号线、电源线与控制器4连接。 其中，加热装置2通过信号线、电源线与控制器4连接； 其中，制冷装置3通过冷风管与冻融箱1连接，通过信号线、电源线与控制器4连 接。 本发明一种土壤冻融过程中污染物迁移转化的模拟方法，具体包括如下步骤
步骤一、实验前的准备工作 把自然状态的土壤样品缓慢装入土壤冻融过程中污染物迁移转化模拟装置的透
明抗冻土柱桶6内，在采集的土样中添加适量蒸馏水。冻融实验开始前，选取装好土壤的其
中一个土柱桶，分别取土壤样品各层测定含水率、电导率、氮磷含量。 步骤二、模拟冻结和融化两个过程中土壤水分和污染物的迁移情况 (1)冻结 启动压縮机，使冻融箱内温度降低至-20°C ，待温度恒定后，继续冻结。冻结时，在 土柱冷冻4h、8h、12h、16h、24h、48h后，分别取一个土柱桶(每次取不同的土柱桶)，分层采 集土样，测定各层含水率、电导率、氮磷含量。冻结过程中每10min观测记录上、中、下层土
壤温度。 (2)融化 关闭制冷装置中冷风管阀门，防止加热融化过程中热气通过冷风板散失，同时启
动加热装置，升温至25t:，控制温度恒定并持续供热24h，在土柱融化2h、4h、8h、12h、16h、
20h、24h后，分别取一个土柱桶(每次取不同的土柱桶)，分层采集土样，测定各层含水率、
电导率、氮磷含量。同时观测各土层温度和冻土厚度变化。 步骤三、模拟冻结和融化反复循环过程中水分和污染物的迁移情况 通过控制器，启动或关闭制冷装置/加热装置，控制冻融箱对角线最上方处温度
传感器测定温度在_151:和15°C间循环变化，循环周期为每隔3小时变化一次温度，在实验
进行3h、6h、9h、12h、15h、18h、21h、24h后，分别取一个土柱桶(每次取不同的土柱桶)，分
层采集土样(例如0 5cm、5 10cm、10 15cm各层)，测定各层含水率、电导率、氮磷含
量。同时观测各土层温度和冻土厚度变化。 整个实验过程中，通过隔热玻璃窗12可实时观测土柱冻融情况。
权利要求
一种土壤冻融过程中污染物迁移转化的模拟装置，其特征在于该装置具体包括四部分冻融箱、加热装置、制冷装置、控制器；冻融箱由箱体、冷风板组成；箱体的两侧面设有玻璃窗，箱体顶部留有一定空间，安装冷风板，冷风板上均匀设有通气孔；箱体两对角线上等距布设温度传感器；箱体内均匀放置复数个土柱桶；在其中每个土柱桶内按照上、中、下层垂直安装热敏电阻温度计，并与控制器连接，通过显示屏和计算机显示输出温度变化情况；土柱桶上方的顶板安装位移传感器，用于测定垂直方向上土体的变形；加热装置设置于冻融箱底部；制冷装置与一冷室相连，通过冷风管将冷室与冻融箱相连接，冷风管设有阀门，控制器设于冻融箱外部，分别与冻融箱、加热装置、制冷装置、热敏电阻温度计和温度传感器相连，控制器上设有接口，与计算机相连，显示并记录冻融实验设备的工作参数和冻融过程中土体不同深度的温度变化，并将信息输出记录。
2. 根据权利要求1所述的土壤冻融过程中污染物迁移转化的模拟装置，其特征在于 所述的箱体为夹层构造，夹层内填充发泡聚氨酯塑料隔热。
3. 根据权利要求1所述的土壤冻融过程中污染物迁移转化的模拟装置，其特征在于 所述的土柱桶由透明抗冻聚丙烯塑料制成，塑料中填充有多孔玻璃微珠。
4. 一种土壤冻融过程中污染物迁移转化的模拟方法，其特征在于具体包括如下步骤步骤一、实验前的准备工作把自然状态的土壤样品缓慢装入土壤冻融过程中污染物迁移转化模拟装置的透明抗 冻土柱桶内，在采集的土样中添加蒸馏水；冻融实验开始前，选取装好土壤的其中一个土柱 桶，分别取土壤样品各层测定含水率、电导率、氮磷含量；步骤二、模拟冻结和融化两个过程中土壤水分和污染物的迁移情况(1) 冻结启动压縮机，使冻融箱内温度降低至-20°C ，待温度恒定后，继续冻结；冻结时，在土柱 冷冻4h、8h、12h、16h、24h、48h后，分别取一个土柱桶，分层采集土样，测定各层含水率、电 导率、氮磷含量；冻结过程中每10min观测记录上、中、下层土壤温度；(2) 融化关闭制冷装置中冷风管阀门，防止加热融化过程中热气通过冷风板散失，同时启动加 热装置，升温至25。C，控制温度恒定并持续供热24h，在土柱融化2h、4h、8h、12h、16h、20h、 24h后，分别取一个土柱桶，分层采集土样，测定各层含水率、电导率、氮磷含量； 步骤三、模拟冻结和融化反复循环过程中水分和污染物的迁移情况 通过控制器，启动或关闭制冷装置/加热装置，控制冻融箱对角线最上方处温度传感 器测定温度在_151:和15°C间循环变化，循环周期为每隔3小时变化一次温度，在实验进行 3h、6h、9h、12h、15h、18h、21h、24h后，分别取一个土柱桶，分层采集土样，测定各层含水率、 电导率、氮磷含量。
全文摘要
本发明涉及一种土壤冻融过程中污染物迁移转化的模拟装置，包括四部分冻融箱、加热装置、制冷装置、控制器；冻融箱由箱体、冷风板组成；箱体的两侧面设有玻璃窗，箱体顶部留有一定空间，安装冷风板，冷风板上均匀设有通气孔；箱体两对角线上等距布设温度传感器；箱体内均匀放置复数个土柱桶；在其中每个土柱桶内按照上、中、下层垂直安装热敏电阻温度计，并与控制器连接；土柱桶上方的顶板安装位移传感器，加热装置设置于冻融箱底部；制冷装置与一冷室相连；控制器设于冻融箱外部，分别与冻融箱、加热装置、制冷装置、热敏电阻温度计和温度传感器相连。
文档编号G01N33/24GK101788552SQ201010101368
公开日2010年7月28日 申请日期2010年1月27日 优先权日2010年1月27日
发明者宋凯宇, 张璇, 徐一鸣, 欧阳威, 郝芳华, 陈思杨 申请人:北京师范大学