6.3.1　土壤垂直渗吸实验的设备和仪器

实验设备如图6.2所示。由图中可以看出，实验设备由实验台、背板、马氏瓶、垂直土柱4部分组成。实验台由底座支撑。实验台上设有背板，背板用支撑固定在实验台上。马氏瓶由固定螺丝固定在背板上，马氏瓶长5cm、宽3cm、高25cm，马氏瓶上设有灌水漏斗、进水通气管、马氏瓶进气口、放气阀、测尺和进水阀。垂直土柱放在实验台上，土柱直径为5cm、高为19cm，土柱上有测尺，土柱下方设透水隔板和排水孔。马氏瓶和土柱之间由软管连接。

图6.2　土壤垂直渗吸实验设备示意图

实验仪器为秒表、量筒、烧杯、带手把的滤纸、止水夹、洗耳球、直尺、橡皮捣实锤、毛刷等。(https://www.daowen.com)

当马氏瓶通过软管给土柱供水时，马氏瓶内水面以上的空气压强为pi，水深为Hi，马氏瓶进气口的压强为该水平面的大气压强pa，土柱土壤表层的水面与马氏瓶进气口同高，压强也为pa，土柱土壤表面以上积水深度为H，如图6.2所示，以土柱的土壤表面为基准面，由能量方程可得

式中：Hi为马氏瓶进气口以上的水深；γ为水的重度；H为土柱表面以上积水深度。

当土壤吸渗水分，使得土柱表层的水面下降，H减小，这时式（6.26）左面的压强小于式（6.26）右面的压强。为了保持平衡，马氏瓶中的水流将流向土柱，瓶内进气口以上的水深Hi减小，瓶内该平面的压强低于进气口处同平面的大气压强，马氏瓶进气口外的大气压将气体压入瓶内，表象上可以观察到自进气口有气泡进入瓶内，以增大马氏瓶内水面以上空气的压强pi，同时土柱土壤表面的水深增加至原水深H，马氏瓶中的水流停止流动，以达到新的平衡。以上过程不断反复，使得马氏瓶中的水流自动供给土柱土壤，以保持水深Hi基本维持稳定。由此可见，利用马氏瓶提供稳定水头的供水系统，土面以上工作水头实际上是不稳定的，土面以上水位一直处于微小的波动状态，根据相关测试数据分析，马氏瓶各部分设计比较理想时，所提供的水位可以稳定在1mm之内，如果设计不合理，水位的波动幅度可以达到5mm之多，严重的水位波动会造成测量数据的波动，引起较大的实验误差。因此，在使用马氏瓶作为恒定水头供水装置时，一定要认真分析使用条件，从而设计出各部分的合理结构。马氏瓶作为恒定水位供水装置在许多实验中得到广泛使用，以上介绍的马氏瓶装置是在马里奥特原创原理上进行适当改进后的结构形式，近些年来，根据实验需要，张建丰基于马里奥特基本原理对马氏瓶进行了系列研究和创新，分别介绍如下。