人工降雨徑流土壤水運動模擬實驗系統的製作方法
2023-10-19 15:31:22 2
專利名稱：人工降雨徑流土壤水運動模擬實驗系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及水文、土壤相關專業實驗器材領域，具體的說，是涉及到降雨形成及其產流和土壤水的運動情況的模擬實驗系統，特別是一種人工降雨徑流土壤水運動模擬實驗系統。
背景技術：
水循環是聯繫地球系統「地圈 生物圈 大氣圈」的紐帶。由於全球氣候變化對降水、徑流和區域水循環系統的影響的複雜性和不確定性，以及在高強度人類活動影響和流域下墊面變化導致水循環系統結構和模型參數的不確定性，使得變化環境下區域分布式水循環模擬的不確定性量化研究，成為地球系統科學中的重大的科學問題，也是區域水資源安全評價、水資源可持續利用和風險管理重大需求的應用基礎問題。2010年我國泥石流等地質災害頻繁發生，造成了巨大的損失，其中關鍵的原因就是暴雨導致了土壤溼度過大，過飽和土壤不穩定導致了泥石流，為了減小損失需要更多的人認識到降水徑流水循環的過 程。人工降水徑流模擬從20世紀中期開始一直是研究水循環中降水、截留、下滲及土壤水運動重要方式之一，有效的彌補了觀測天然降水徑流資料的不足。如M. J柯比主編的《山坡水文學》(英)一書大部分內容均來自於全球水文學家與研究者所做的人工降水徑流實驗。我國著名的劉昌明院士在20世紀60年代開始在黃土高原上做了大量人工降水徑流實驗。現在隨著人類活動的影響，植被、土壤都再不斷的發生變化，水文學研究仍在做著人工降水徑流實驗。傳統人工降水徑流模擬大部分都是在野外完成，選取的場地都很大，比如中國科學院地理科學與資源研究所在河北易縣設置的人工降水徑流實驗場，在野外最大的好處是能夠更接近於真實的天然情況，模擬精度高，問題是實驗成本高，運行維護不方便。為了運行維護的方便，很多高校和研究所將人工降水徑流儀器搬到了室內，如中科院地理所與河海大學均建立了人工降水大廳，大廳面積超過50平米，相對於野外實驗運行與維護要方便很多，但成本仍然很高。對人工降水儀器設備的研究重點是要解決如下幾個難點問題首先是雨滴形成和雨強控制，需要選擇不同的噴頭或者降水設備，之前有眾多學者對此進行過設計和篩選實驗，有的研製出單噴頭變雨強模擬降雨裝置，也有人設計了一個活塞式噴水裝置，有效的控制了雨強與雨滴，中國科學院水利部水土保持研究所研製了模擬降雨機，在陝西楊凌水保站安裝使用，但上述幾類裝置存在著設備體積大，不夠靈活和精確度不高的問題；其次是便攜問題，現有的降水徑流設備幾乎都不便攜，體積過大，設備過多過重，深圳有的需要到現場採購安裝；第三是坡度變化，室內的人工降水大廳均採用了可移動的下墊面設計，即裝土壤的槽子是可升降的，但是到室外後只能選擇不同的坡度的場地做實驗；第四是產流觀測，有的採用電磁流量計測取管道流量，中科院地理所採用HUB計數測流量。由上述可知，現有的人工降雨模擬儀器主要存在以下幾點不足不便攜，無法隨時實地實驗；成本高，很難當作課堂教學使用；不夠靈活，適應性差，不同學科研究目的不同，設計差別大，如水保的注重水滴設計，土壤的注重土壤水運動設計。因此需要設計一種新型的人工降雨徑流土壤水運動模擬實驗系統，以解決上述問題。
發明內容
本發明的目的在於提出一種人工降雨徑流土壤水運動模擬實驗系統，解決了現有人工降雨模擬實驗儀器攜帶不便，成本高，以及適應性差的問題。為達此目的，本發明採用以下技術方案一種人工降雨徑流土壤水運動模擬實驗系統，包括人工降雨裝置、徑流及土壤水 形成裝置、排水裝置、產流量測算裝置，所述人工降雨裝置包括供水裝置和雨滴形成裝置；所述供水裝置採用水泵，所述水泵的輸出水管連接到雨滴形成裝置，所述水泵的輸出水管上依次安裝有調節閥門和流速儀；所述雨滴形成裝置為安裝在徑流及土壤水形成裝置上端的帶孔管道組；所述徑流及土壤水形成裝置採用一個直立方形容器，所述容器分為內外兩層，分別是可透水鋼絲網組成的容器內壁和透明材料製成的容器外壁，兩層間採用多層不透水的分層鋼板相連，所述容器外壁一側設置有一列多個縱向排列的側流管，所述每層分層鋼板均對應設置在每根側流管的下方位置，所述方形容器的框架採用鋼鐵材料，其四角上各安裝有一根可升降調節的豎直撐杆，所述的撐杆上端平放有帶孔管道組；所述容器內層填充有土壤層，所述帶孔管道組置於容器正上方，所述容器側壁設置有標尺；所述排水裝置設置在土壤層底部，其組成為一個安裝在容器框架上的帶孔鋼架和其上放置的鋼絲網；所述產流量測算裝置通過與所述側流管相連的引水管將出水收集到量杯進行測算，所述產流量測算裝置採用電子測算，所述量杯底部安裝有壓力傳感器，所述壓力傳感器與單片機連接，所述單片機連接到安裝有用於將壓力傳感器測得的數據轉換為水位數據的壓力水位轉換軟體系統的計算機。優選的，所述與側流管相連的引水管上安裝有過濾器。優選的，所述各個側流管之間的間距為10cm，所述連接容器內外兩層的分層鋼板各層之間間距為10cm。優選的，所述土壤層上層植有假草。優選的，所述土壤層是沙土和石子的混合。本發明結構簡單，操作方便，成本低廉，而且便於攜帶，雨滴形成裝置可升降調節，應用靈活，適應性強；採用壓力傳感器收集水量信號，並採用計算機內的壓力水位轉換軟體系統進行數據處理運算，使實驗數據收集準確、快捷；水泵的供水管處安裝有調節閥門和流速儀，便於進行供水調節，底部安裝的帶孔鋼架和鋼絲網使排水更通暢；容器分為內外兩層，並在兩層間採用不透水的分層鋼板連接，各層分層鋼板與側流管搭配，達到良好的實驗效果。
圖I是本發明整體結構示意圖；圖2是圖I中容器20結構的剖視示意圖；圖3是圖2的左視圖；圖4是圖3的俯視圖。圖中 I、水泵；2、調節閥門；3、流速儀；4、水管；5、帶孔管道組；6、豎直撐杆；7、側流管；
8、容器頂端；9、容器框架；10、土壤層；101、石子；11、過濾器；12、計算機；13、單片機；14、鋼絲網；15、量杯；16、壓力傳感器；17、標尺；18、引水管；19、帶孔鋼架；20、容器；21、分層
鋼板；22、容器內壁；23、容器外壁。
具體實施例方式下面結合附圖並通過具體實施方式
來進一步說明本發明的技術方案。如圖I一4所示，給出了本發明的一個具體實施例。圖I所示為本發明的整體結構示意圖，圖中該模擬實驗系統包括人工降雨裝置、徑流及土壤水形成裝置和產流量測算裝置，所述的人工降雨裝置包括供水裝置和雨滴形成裝置，所述供水裝置採用水泵I，所述水泵I的輸出水管4連接到雨滴形成裝置，水管4上安裝有調節閥門2和流速儀3 ;所述徑流及土壤水形成裝置為一個方形直立容器20，容器20的截面為正方形，其邊長為500mm，容器20的底端至容器頂端8的高度為700mm，所述容器內填充有土壤層10，土壤層10的下端設置有固定安裝在容器框架9上的帶孔鋼架19，其上放置一個鋼絲網14，鋼絲網14加帶孔鋼架19的結構作為排水裝置，能夠使排水通暢，更利於觀察土壤水運動，容器20的側壁安裝有一列縱向排列的側流管7 ；所述雨滴形成裝置為一組安裝在徑流及土壤水形成裝置的容器20上端的帶孔管道組5，通過水泵I給帶孔管道組5供水，利用帶孔管道組5上的小孔，形成模擬雨滴，帶孔管道組5具有多套具有不同孔徑的組合，結合供水裝置的調節閥門2和流速儀3，可以模擬形成不同種類和大小的降雨；所述容器20的框架採用鋼鐵材料，其四角上各安裝有一根可升降調節的豎直撐杆6，所述的帶孔管道組5平放在豎直撐杆6的上端，通過調節豎直撐杆6，可以變化帶孔管道組5距離土壤層10的高度，已形成不同的模擬降雨，滿足多種實驗需求；所述容器20的一側壁處設置有標尺17 ；所述排水裝置設置在土壤層10的底部，其組成為一個安裝在容器框架9上的帶孔鋼架19和其上放置的鋼絲網14 ；所述產流量測算裝置通過與所述側流管7相連的引水管18將出水收集到量杯15進行測算，所述引水管18上安裝有過濾器11，所述產流量測算裝置採用電子測算，所述量杯15底部安裝有壓力傳感器16，所述壓力傳感器16與單片機13連接，所述單片機13連接到安裝有用於將壓力傳感器16測得的數據轉換為水位數據的壓力水位轉換軟體系統的計算機12。如圖2、圖3、圖4所示，是徑流及土壤水形成裝置的容器20結構示意圖，圖中，所述容器20分為內外兩層，分別是可透水鋼絲網組成的容器內壁22和透明材料製成的容器外壁23，兩層間採用多層不透水的分層鋼板21相連，所述容器外壁23的一側設置有一列多個縱向排列的側流管7，所述每層分層鋼板21均對應設置在側流管7的下方位置，分層鋼板21的總層數與側流管7的數量相同。所述各個側流管7之間的間距為10cm，所述連接容器20內外兩層的分層鋼板21各層之間間距為10cm。為了增加實驗效果，在土壤層10上層植有假草，其中土壤層10是沙土和石子101的混合，欲達到不同的實驗效果，可以通過調節沙土和石子的配比，得到不同類型的土壤，以及改變植在土壤層10上層假草的稀疏，藉以模擬不同的自然環境，滿足多種實驗需求。
具體實驗步驟如下(I)根據實驗需要在容器20內放置好土壤層10 ；(2)連接好側流管7外的引水管18，及水泵I相應的水管4 ；(3)將豎直撐杆6調節到適當高度，根據需要選擇合適的孔徑的帶孔管道組5，並將其放置在豎直撐杆6上；(4)調節好水管上的調節閥門2，開啟水泵I開始往上抽水，觀察量杯15中的水量變化，並且通過計算機12的顯示屏觀察曲線變化情況；(5)整理、存儲數據，實驗完畢。本發明結構簡單，操作方便，成本低廉，而且便於攜帶，雨滴形成裝置可升降調節，應用靈活，適應性強；採用壓力傳感器16收集水量信號，並採用計算機12內的壓力水位轉換軟體系統進行數據處理運算，使實驗數據收集準確、快捷；水泵I的水管4處安裝有調節閥門2和流速儀3，便於進行供水調節，底部安裝的帶孔鋼架19和鋼絲網14使排水更通暢；容器分為內外兩層，並在兩層間採用不透水的分層鋼板21連接，各層分層鋼板21與側流管7搭配，達到良好的實驗效果。
權利要求
1.一種人工降雨徑流土壤水運動模擬實驗系統，包括人工降雨裝置、徑流及土壤水形成裝置、排水裝置、產流量測算裝置，其特徵在於 所述人工降雨裝置包括供水裝置和雨滴形成裝置；所述供水裝置採用水泵，所述水泵的輸出水管連接到雨滴形成裝置，所述水泵的輸出水管上依次安裝有調節閥門和流速儀； 所述雨滴形成裝置為安裝在徑流及土壤水形成裝置上端的帶孔管道組； 所述徑流及土壤水形成裝置採用一個直立方形容器，所述容器分為內外兩層，分別是可透水鋼絲網組成的容器內壁和透明材料製成的容器外壁，兩層間採用多層不透水的分層鋼板相連，所述容器外壁一側設置有一列多個縱向排列的側流管，所述每層分層鋼板均對應設置在每根側流管的下方位置，所述方形容器的框架採用鋼鐵材料，其四角上各安裝有一根可升降調節的豎直撐杆，所述的撐杆上端平放有帶孔管道組；所述容器內層填充有土壤層，所述帶孔管道組置於容器正上方，所述容器側壁設置有標尺； 所述排水裝置設置在土壤層底部，其組成為一個安裝在容器框架上的帶孔鋼架和其上放置的鋼絲網； 所述產流量測算裝置通過與所述側流管相連的引水管將出水收集到量杯進行測算，所述產流量測算裝置採用電子測算，所述量杯底部安裝有壓力傳感器，所述壓力傳感器與單片機連接，所述單片機連接到安裝有用於將壓力傳感器測得的數據轉換為水位數據的壓力水位轉換軟體系統的計算機。
2.根據權利要求I所述的一種人工降雨徑流土壤水運動模擬實驗系統，其特徵在於，所述與側流管相連的引水管上安裝有過濾器。
3.根據權利要求I所述的一種人工降雨徑流土壤水運動模擬實驗系統，其特徵在於，所述各個側流管之間的間距為10cm，所述連接容器內外兩層的分層鋼板各層之間間距為IOcm0
4.根據權利要求I所述的一種人工降雨徑流土壤水運動模擬實驗系統，其特徵在於，所述土壤層上層植有假草。
5.根據權利要求I所述的一種人工降雨徑流土壤水運動模擬實驗系統，其特徵在於，所述土壤層是沙土和石子的混合。
全文摘要
人工降雨徑流土壤水運動模擬實驗系統，包括人工降雨裝置、徑流及土壤水形成裝置、排水裝置和產流量測算裝置，所述人工降雨裝置包括供水裝置和雨滴形成裝置；所述供水裝置採用調節閥門和流速儀調節出水強度；所述雨滴形成裝置為一組帶孔管道組；所述徑流及土壤水形成裝置為一個設置有土壤層的直立容器；所述帶孔管道組在直立容器頂部並可升降調節；所述容器包括內層的可透水鋼絲網組成的容器內壁和外層的透明材料製成的容器外壁，兩層間採用不透水的分層鋼板相連，所述排水裝置安裝在土壤層下方，所述容器外安裝有連接產流量測算裝置的引水管，產流量測算裝置採用計算機進行數據處理和運算。本發明結構簡單，而且便於攜帶，實驗效率高，運算準確快捷，適應性強。
文檔編號G01N33/24GK102721800SQ20121021732
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月27日 優先權日2012年6月27日
發明者葉愛中, 漆建波, 潘紅梅 申請人:北京師範大學