本实用新型涉及的是一种可旋转串联式土柱试验装置，属于农业水土工程和农业面源污染控制技术领域。
背景技术：
上个世纪60年代以来，我国水体富营养化严重，面源污染是导致水体富营养化的主要原因，占比达到80-90％，其中农业面源污染占60-70％。农业活动产生的面源污染物流失，一部分是通过降雨产生径流，污染物随着地表径流过程进入水环境中；另一部分污染物累积在土壤中，通过土壤垂向迁移，进入地下水。目前我国核算农业活动产生污染物流失主要集中在地表径流，对淋溶进入地下水的污染物核算存在一定缺失。因此，深入研究土壤中水文情况以及氮磷淋失特征十分重要，土柱试验则是开展土壤溶质运移研究和采集土壤中土壤溶液的一个重要方法。
早期土柱实验主要用于水文地质研究，即地下水的研究，包括地下水的分布和形成规律、饱水带及包气带中水分和溶质的运动、地下水的物理性质和化学成分等。20世纪初至四十年代，土柱实验开始用于土壤中物质与物质的化学过程研究及溶质运移研究，包括分析多孔介质中流体的油动力学特性和渗透性等。从20世纪50年代开始，学者们依靠土壤柱实验，在水文地质、农业和土壤科学方面开展了大量研究工作。至今，土柱实验是研究土壤和地下水中污染物迁移转化规律的重要手段，它广泛应用于水利、农业、土壤科学等研究领域，其主要目的是模拟研究溶质迁移过程，进而用于研究相同水文地质条件下的土壤及地下水污染问题。
目前虽然利用土柱试验开展土壤水分、溶质运移研究的较多，但也能发现现有的土柱试验存在着不少缺陷。例如，公开号为cn207423761u公开了一种用于模拟滴灌入渗的室内土柱试验装置，该装置基于大直径土柱包括支架、试验土柱装置和供水装置。土柱装置是将两个半圆土柱筒扣合在一起，内部设有透水隔板。该装置结构简单、后期清洗方便，但是存在土壤装填困难、各层土壤紧实度难保障等问题。cn107748078a公开了一种均匀淋滤且可分层取样的土柱装置，该装置包括供液瓶、积液瓶、支撑杆、第一土柱体和第二土柱体。第一土柱与第二土柱之间通过一定长度的导管相连接，虽然可以拆卸但破坏了供试土壤各层固有的连续性，且存在各层滤液流速不均一等问题，并不能真正反映污染物的垂向迁移特征，试验效果差。公开号为cn107063761a公开了一种高效土柱试验装置研究土壤溶质运移，该装置包括工作台，设置在工作台上的支架、若干收纳柱、以及收集瓶与真空抽取装置。该装置可实现多组土柱的底部土壤溶液的采集，但是并未设置土柱中间体的土壤取样口，导致不能很好地模拟溶质的迁移过程变化。因此，有必要提供一种可分层采样、分层填样的土柱试验装置来解决上述问题。
技术实现要素：
1.要解决的问题
为了解决实际过程中出现的分层试验不方便的问题，本实用新型提供一种新型串联式土柱装置进行室内试验。本实用新型由进水单元、支撑单元和土柱单元组成，进水单元滑动安装于支撑单元上，土柱单元转动安装在支撑单元上，土柱单元各筒体侧部设置有取样口，不仅可以实现土样分层采集以及填样，还可以实现渗滤液分层采样，大大提高了试验便利性。
2.技术方案
本实用新型采用以下技术方案：
本实用新型提供一种可旋转串联式土柱试验装置，包括进水单元、支撑单元和土柱单元，所述支撑单元包括支撑杆、上支撑部件和底座，支撑杆竖直地设置于底座上，所述的上支撑部件一端滑动安装于支撑杆上；所述的土柱单元设置于上支撑部件的下部，该土柱单元包括顶层筒体、底层筒体和顶盖，所述顶层筒体的底部设置有漏水板，所述顶盖设置于顶层筒体的顶部，且顶盖上设置有进水口，所述底层筒体设置于顶层筒体的下部，该底层筒体的底部设置有底板，底层筒体的下部设置有出水口；所述顶层筒体、底层筒体和顶盖转动安装于支撑杆上；进水单元包括马氏瓶和进水导管，所述马氏瓶设置于上支撑部件的上表面，进水导管的一端设置于马氏瓶的下部，进水导管的一端与土柱单元的进水口相连。
优选地，还包括渗滤液承接容器，底层筒体的出水口通过出水导管与渗滤液承接容器相连。
优选地，顶层筒体和底层筒体的一侧对应设置有定位安装孔，定位安装孔内配合安装有定位杆。
优选地，顶层筒体和底层筒体之间设置有至少1个中间筒体，该中间筒体的底部设置有漏水板，中间筒体的一侧安装于支撑杆上。
优选地，定位安装孔内设置有内螺纹，且定位杆上设置有与上述内螺纹相配合的外螺纹。
优选地，顶层筒体、中间筒体和底层筒体为等径的筒体，且筒体之间的连接处外侧设置有密封圈。
优选地，顶层筒体和中间筒体的下侧部设置有出水口。
优选地，漏水板的上部设置有过滤层。
优选地，支撑杆的外表面设置有刻度标记，该刻度标记沿着支撑杆的长度方向设置，且刻度标记的零刻度与底座上表面平齐。
优选地，进水导管上设置有阀门；或者进水导管上设置有蠕动泵。
3.有益效果
与现有技术相比，本实用新型具有以下积极有益的效果：
(1)本实用新型提供一种可旋转串联式土柱试验装置，包括进水单元、支撑单元和土柱单元，进水单元滑动安装于支撑单元上，土柱单元转动安装于支撑单元上，进水单元通过导管与土柱单元相连接；土柱单元由顶层筒体和底层筒体对应串联设置，可分层旋转的设计，可实现土壤的分层装填与压实，研究的时候能够对不同层次的土壤样品进行采集，研究完还能放回土柱并且固定，使得土壤装填方便，可以保证土壤紧实度，并使滤液流速均匀。
(2)本实用新型提供一种可旋转串联式土柱试验装置，还设置有渗滤液承接容器，底层筒体的出水口通过出水导管与渗滤液承接容器相连；极大地方便了渗滤液样品的收集，实用性强，试验效果好，可广泛应用于模拟土壤水分运移、溶质迁移等方面的研究。
(3)本实用新型提供一种可旋转串联式土柱试验装置，土柱单元各筒体之间的连接处外侧设置有密封圈，密封圈拆卸方便、结构简单、灵活性强，在不破坏装置结构的条件下，最大程度保证了装置的密封性；不仅可以维持装置的气密性，还可以防止渗滤液从各筒体之间的连接处溢出。
附图说明
图1为一种可旋转串联式土柱试验装置立体结构示意图；
图2为顶层筒体底部结构示意图；
图3为底层筒体底部结构示意图；
图4为顶层筒体设置有过滤层的底部结构示意图；
图5为一种可旋转串联式土柱试验装置支撑架结构示意图；
图6为密封圈结构示意图；
图7为设置有阀门时的装置结构示意图；
图8为设置有蠕动泵时的装置结构示意图；
图9为一种可旋转串联式土柱试验装置旋转使用时的结构示意图。
图中：100、进水单元；110、马氏瓶；111、玻璃通气管；120、进水导管；121、阀门；122、蠕动泵；
200、支撑单元；210、支撑杆；220、底座；230、支撑板；240、支撑铁圈；
300、土柱单元；310、顶层筒体；311、取样口；312、漏水板；313、过滤层；314、木塞；320、中间筒体；330、底层筒体；331、出水口；332、底板；333、出水导管；340、顶盖；341、进水口；350、定位安装孔；360、定位杆；370、转动安装孔；380、密封圈；381、环形箍带；382、锁紧螺栓；383、第一连接臂；384、连接孔ⅰ；385、第二连接臂；386、连接孔ⅱ；
400、渗滤液承接容器。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式进一步地描述。
实施例1
如图1所示，本实用新型的一种可旋转串联式土柱试验装置，包括进水单元100、支撑单元200和土柱单元300。如图5所示，支撑单元200包括支撑杆210、上支撑部件和底座220，支撑杆210竖直地设置于底座220上，支撑杆210可以通过焊接的方式与底座220相连接，也可以通过螺纹连接的方式与底座220相连接，且支撑杆210与底座220基本垂直。值得一提的是，为了方便使用者调节上支撑部件的位置，支撑杆210的外表面设置有刻度标记，该刻度标记沿着支撑杆210的长度方向设置，且刻度标记的零刻度与底座220上表面平齐，从而可以准确的将支撑单元200移动至指定高度，进而通过马氏瓶110的相对高度，调节进水的速度。上支撑部件包括支撑板230与支撑铁圈240，支撑铁圈240的一端滑动安装于支撑杆210上，支撑铁圈240可拆卸的安装在支撑杆210上，并且支撑铁圈240可以沿着支撑杆210的竖直上下移动，且支撑铁圈240所在的平面与底座220所在的平面平齐，支撑板230可拆卸地设置于支撑铁圈240的上表面。
土柱单元300设置于上支撑部件的下部，该土柱单元300包括顶层筒体310、底层筒体330和顶盖340，顶层筒体310和底层筒体330是上下横截面形状相同的具有上敞口的空心柱状结构。值得说明的是，顶层筒体310和底层筒体330均设置有可以容纳土柱的空腔。如图2所示，顶层筒体310的底部设置有漏水板312，漏水板312上布设有孔径大小为1-2mm的透水小孔。如图4所示，漏水板312的上表面设置有过滤层313，过滤层313主要是防止土壤颗粒随水流运动。过滤层313可以为具有一定厚度的纱布，也可以为具有渗透过滤功能的填充材料。顶盖340设置于顶层筒体310的顶部，且顶盖340上设置有进水口341，该进水口341通过进水导管120与马氏瓶110下部相连，马氏瓶110中的溶液从进水导管120流入进水口341中，溶液从进水口341流入以后会自动维持一定高度的液面层，可保证实验过程中土柱处于饱和状态。底层筒体330设置于顶层筒体310的下部，如图2所示，该底层筒体330的底部设置有底板332，底层筒体330的下部设置有出水口331。
顶层筒体310、底层筒体330和顶盖340的一端设置有转动安装孔370，顶层筒体310、底层筒体330和顶盖340通过转动安装孔370转动安装于支撑杆210上，使得顶层筒体310、底层筒体330和顶盖340可以相对于支撑杆210进行转动。顶层筒体310、底层筒体330和顶盖340的另一端对应设置有定位安装孔350，定位安装孔350内配合安装有定位杆360。定位安装孔350内还可以设置有内螺纹，且定位杆360上设置有与上述内螺纹相配合的外螺纹，将定位杆360插入定位安装孔350后旋紧，可以将土柱单元300中的各筒体紧紧地固定在定位杆360上，而且还能将各筒体压紧在底座220上。
此外，为了更好的达到使用的效果，实现进行多层土柱实验，可以在顶层筒体310和底层筒体330之间还可以设置有至少1个中间筒体320，该中间筒体320的结构与顶层筒体310相同，且底部设置有漏水板312，漏水板312的上部设置有过滤层313。中间筒体320的一侧转动安装于支撑杆210上。顶层筒体310、中间筒体320和底层筒体330为等径的筒体，且筒体之间的连接处外侧设置有密封圈380。如图6所示，密封圈380包括环形箍带381与锁紧螺栓382，环形箍带381的一端设置有第一连接臂383，第一连接臂383上设置有连接孔ⅰ384，环形箍带381的另一端设置有第二连接臂385，第二连接臂385上设置有连接孔ⅱ386，锁紧螺栓382具有螺杆部以及端部，锁紧螺栓382依次穿过连接孔ⅰ384和连接孔ⅱ386，实现环形箍带381两端的连接，从而保证筒体连接处的密封性。顶层筒体310和中间筒体320的下侧部设置有取样口311，取样口311对应设置有木塞314。取样口311用于采取顶层筒体310和中间筒体320所填土柱中的渗滤液样品，木塞314用于防止渗滤液从取样口311溢出。此外，所述筒体可以为有机玻璃材质，有机玻璃的材质可以方便观察，当然也可以为其他材质，例如钢。
进水单元100包括马氏瓶110和进水导管120，所述马氏瓶110设置于上支撑部件的支撑板230上表面，马氏瓶110中设有玻璃通气管111用以控制马氏瓶110的恒压供水，马氏瓶110可以通过恒压供水从而实现定水头的功能。进水导管120的一端设置于马氏瓶110的下部，进水导管120另一端与土柱单元300的进水口341相连并插入顶层筒体310的土柱中。值得说明的是，如图7所示，进水导管120上可以设置阀门121，用于控制进水流速流量，如图8所示，也可以设置蠕动泵122，提高进水单元100的进水精度，从而提高实验的精度。
不仅如此，本实用新型还可以设置一个用于承接土柱单元300渗滤液的渗滤液承接容器400，底层筒体330的出水口331通过出水导管333与渗滤液承接容器400相连，渗滤液承接容器400可以接收从土柱单元300渗滤出来的渗滤液，避免渗滤液样品遗失。
以下为使用上述装置进行室内土柱淋滤模拟试验的步骤：
1、将支撑杆210固定在底座220上，安装支撑单元200；
2、根据实验需要选择合适数量的土柱体按照各层土壤容重分别装入土壤样品，安装装置，这里以仅具有顶层筒体310、底层筒体330和一个中间筒体320共三个筒体组合的可分层旋转串联式土柱试验装置为例进行说明实验过程；
3、插入定位杆360固定土柱装置，关闭阀门121，将淋滤液注入马氏瓶110中，打开阀门121开始实验；
4、实验过程中取出土壤样品：根据实验需要确定要取出的土柱层和取出土壤样品时间，关闭阀门121，拔出定位杆360，如图9所示，旋转土柱筒体，取出土柱筒体内样品后，旋转至原状，插入定位杆360固定土柱装置，打开阀门121继续实验；
5、实验过程中取出淋滤液样品：在淋滤过程中，根据实验需要确定取出淋滤液样品时间，拔出木塞314，在取样口311处接取淋滤液样品，然后安上木塞314；
6、实验结束，拆卸装置各部件并清洗。
在上文中结合具体的示例性实施例详细描述了本实用新型。但是，应当理解，可在不脱离由所附权利要求限定的本实用新型的范围的情况下进行各种修改和变型。详细的描述和附图应仅被认为是说明性的，而不是限制性的，如果存在任何这样的修改和变型，那么它们都将落入在此描述的本实用新型的范围内。此外，背景技术旨在为了说明本技术的研发现状和意义，并不旨在限制本实用新型或本申请和本实用新型的应用领域。
更具体地，尽管在此已经描述了本实用新型的示例性实施例，但是本实用新型并不局限于这些实施例，而是包括本领域技术人员根据前面的详细描述可认识到的经过修改、省略、例如各个实施例之间的组合、适应性改变和/或替换的任何和全部实施例。权利要求中的限定可根据权利要求中使用的语言而进行广泛的解释，且不限于在前述详细描述中或在实施该申请期间描述的示例，这些示例应被认为是非排他性的。在任何方法或过程权利要求中列举的任何步骤可以以任何顺序执行并且不限于权利要求中提出的顺序。因此，本实用新型的范围应当仅由所附权利要求及其合法等同物来确定，而不是由上文给出的说明和示例来确定。
1.一种可旋转串联式土柱试验装置，其特征在于：包括进水单元(100)、支撑单元(200)和土柱单元(300)，
所述支撑单元(200)包括支撑杆(210)、上支撑部件和底座(220)，支撑杆(210)竖直地设置于底座(220)上，所述上支撑部件一端滑动安装于支撑杆(210)上；
所述土柱单元(300)设置于上支撑部件的下部，该土柱单元(300)包括顶层筒体(310)、底层筒体(330)和顶盖(340)，所述顶层筒体(310)的底部设置有漏水板(312)，所述顶盖(340)设置于顶层筒体(310)的顶部，且顶盖(340)上设置有进水口(341)，所述底层筒体(330)设置于顶层筒体(310)的下部，该底层筒体(330)的底部设置有底板(332)，底层筒体(330)的下部设置有出水口(331)；所述顶层筒体(310)、底层筒体(330)和顶盖(340)转动安装于支撑杆(210)上；
所述进水单元(100)包括马氏瓶(110)和进水导管(120)，所述马氏瓶(110)设置于上支撑部件的上表面，进水导管(120)的一端设置于马氏瓶(110)的下部，进水导管(120)的一端与土柱单元(300)的进水口(341)相连。
2.根据权利要求1所述的一种可旋转串联式土柱试验装置，其特征在于：还包括渗滤液承接容器(400)，底层筒体(330)的出水口(331)通过出水导管(333)与渗滤液承接容器(400)相连。
3.根据权利要求1所述的一种可旋转串联式土柱试验装置，其特征在于：所述顶层筒体(310)和底层筒体(330)的一侧对应设置有定位安装孔(350)，定位安装孔(350)内配合安装有定位杆(360)。
4.根据权利要求1所述的一种可旋转串联式土柱试验装置，其特征在于：顶层筒体(310)和底层筒体(330)之间设置有至少1个中间筒体(320)，该中间筒体(320)的底部设置有漏水板(312)，中间筒体(320)的一侧安装于支撑杆(210)上。
5.根据权利要求3所述的一种可旋转串联式土柱试验装置，其特征在于：定位安装孔(350)内设置有内螺纹，且定位杆(360)上设置有与上述内螺纹相配合的外螺纹。
6.根据权利要求4所述的一种可旋转串联式土柱试验装置，其特征在于：顶层筒体(310)、中间筒体(320)和底层筒体(330)为等径的筒体，且筒体之间的连接处外侧设置有密封圈(380)。
7.根据权利要求4所述的一种可旋转串联式土柱试验装置，其特征在于：顶层筒体(310)和中间筒体(320)的下侧部设置有取样口(311)。
8.根据权利要求4所述的一种可旋转串联式土柱试验装置，其特征在于：所述漏水板(312)的上部设置有过滤层(313)。
9.根据权利要求1-8任意一项所述的一种可旋转串联式土柱试验装置，其特征在于：所述支撑杆(210)的外表面设置有刻度标记，该刻度标记沿着支撑杆(210)的长度方向设置，且刻度标记的零刻度与底座(220)上表面平齐。
10.根据权利要求9所述的一种可旋转串联式土柱试验装置，其特征在于：所述进水导管(120)上设置有阀门(121)；或者进水导管(120)上设置有蠕动泵(122)。
技术总结