CN102262149A - 一种水质水量三维模拟控制的植物滞留元实验装置 - Google Patents

Abstract

一种水质水量三维模拟控制的植物滞留元实验装置，包括储雨水箱、水泵、导水管、支架、喷头、多孔布水板、降雨孔、微孔陶土管、弯头、含水量监测探头、实验土槽、出水孔管、采样瓶、桌子、封堵、径流管、吸水管、储径流槽、含水量监测仪、自动显示屏、调节阀和含水量感应线；储雨水箱的下出口与水泵进水口相连，水泵的出水口通过导水管把人工雨水送至另一端相连的喷头，人工雨水经多孔布水板均匀喷洒在实验土槽中，多个微孔陶土管位于实验土槽的中部并通过吸水管与采样瓶相连，出水孔管位于实验土槽的底部，设置在含水量监测仪上的调节阀可选择链接不同的含水量监测探头同时在自动显示屏中显示该点含水量的数据。本发明结构简单、经济实用。

Description

一种水质水量三维模拟控制的植物滞留元实验装置

(一)技术领域

本发明涉及一种水质水量三维模拟控制的植物滞留元实验装置，它主要用于人工降雨与人工径流同时作用条件下，设计的植物滞留元不仅模拟三维水质水量运移过程而且能够实现三维空间水质水量影响的动力学研究，属于环境工程和生态工程领域。

(二)背景技术

植物滞留元是一种有效的雨水自然净化与处置设施。通过滞蓄削减洪峰流量、减少雨水外排，保护下游管道、构筑物和水体；利用植物截流、土壤渗滤净化雨水、减少污染；充分利用径流雨量，涵养地下水，也可对处理后的雨水加以收集利用，缓解水资源的短缺；经过合理的设计以及妥善的维护能改善小区的环境，为鸟类等动物提供食物和栖息地，达到良好的景观效果。目前，降雨径流所携带的污染物在植物滞留元中的迁移转化机理还不太清楚，尤其三维水质水量的实验研究还在初步研究阶段。国内外研究者虽然进行了一些水质水量的室内和现场实验，但将人工降雨和人工径流装置与三维植物滞留元实验主体设施即实验土槽进行有机结合，构建人工降雨和人工径流条件下三维植物滞留元水质水量模拟研究的实验装置也未见报道。在评价植物滞留元对城市降雨和径流水文过程与水质影响的研究中，迫切需要室内三维模拟实验来获取相关技术参数。三维植物滞留元实验装置能反映植物滞留元在不同气候条件、不同雨强、植物类型、介质成分及深度、不同空间和时间等对三维水质与水量的动态变化的影响，因而能满足实际工程应用的各种要求。研究降雨径流所携带的污染物在植物滞留元中的三维空间和长时间迁移转化机理即水质水量的动态变化过程急需通过模拟实验来完成。针对实验需求本发明对人工降雨和人工径流同时作用条件下植物滞留元三维水质水量模拟实验装置进行设计。为此，本实验装置提供三维的、能够实现自动采样功能的植物滞留元实验装置对模拟三维水质水量提供有效、可行、可靠的实验装置。

(三)发明内容

1、目的：

针对上述存在的问题，本发明的目的在于提供一种水质水量三维模拟控制的植物滞留元实验装置。该装置结构简单、操作方便、经济实用，适用于室内模拟城市降雨径流实验的一种人工降雨和人工径流同时作用条件下植物滞留元水质水量的三维自动模拟研究。

2、技术方案：

见图1，本发明一种水质水量三维模拟控制的植物滞留元实验装置，它包括储雨水箱、水泵、导水管、支架、喷头、多孔布水板、降雨孔、微孔陶土管、弯头、含水量监测探头、实验土槽、出水孔管、采样瓶、桌子、封堵、径流管、吸水管、储径流槽、含水量监测仪、自动显示屏、调节阀和含水量感应线。它们之间的位置连接关系是：

储雨水箱的下部出口与水泵进水口相连，水泵的出水口通过导水管把人工雨水送至与导水管另一端相连的喷头，导水管放置在支架上，其弯曲部分用弯头相接；人工雨水经多孔布水板均匀喷洒在实验土槽中，设置有许多降雨孔的多孔布水板放置在喷头之下、实验土槽之上方，多个微孔陶土管位于实验土槽的中部位置，并通过吸水管与采样瓶相连，采样瓶的另一个出气孔抽真空后被封堵堵住，采样瓶均匀排列放置在桌子上，出水孔管位于实验土槽的底部位置。微孔陶士管的旁边还设有含水量监测探头，通过含水量感应线连接到含水量监测仪上，设置在含水量监测仪上的调节阀可选择链接不同的含水量监测探头同时在自动显示屏中显示该点含水量的数据。主体设备即实验土槽另一端的储径流槽的底部出口与水泵进水口相连，水泵的出口通过导水管与放置在支架上的径流管相连，径流管另一端放置在铺有扇形石头的表面，使模拟过程更接近实际情况。

所述储雨水箱是盒式结构的箱体；

所述水泵是基本型蠕动泵，其功能为将储雨水箱中的水通过导水管自动抽压至喷头中；

所述导水管是具有导水作用的塑料管，塑料管型号为16^#；

所述支架是普通金属结构支架；

所述喷头是莲蓬型的铝合金防锈材料制成，具有在多孔布水板表面喷洒雨水的作用；

所述降雨孔是布水板上用电钻钻出的均匀分布的圆孔，雨水从圆孔滴入到实验土槽中；

所述多孔布水板是用木板制作，表面有均匀降雨孔，四周以5mm的木条围成，表面涂有双层防水涂料，具有暂时储存和均匀分布雨水的作用；

所述弯头是按需要选购的塑料弯头；

所述实验土槽是盒式结构木质箱体，板厚20mm，表面涂有双层防水涂料，接缝口处用玻璃胶缝合，具有防水、防腐作用。用于长时间盛装实验所用的各种类型的潮湿土壤及碎石等；

所述微孔陶土管，是直径为3mm、长为5mm的圆柱形陶质管，通过真空作用下吸取土壤中的水分。此管垂直放置，用于自动采集土壤中的水。

所述吸水管，是直径为2mm，长为2000～3000mm的塑料细管，把微孔陶土管吸取的水分送至采样瓶中。

所述采样瓶，是圆形玻璃瓶，用来收集土壤中的水样。

所述桌子，是有四个支腿的木质平面桌。

所述出水孔管是PVC管，此管水平放置，用于采集碎石层处的水样；

所述的径流管是具有导水的作用塑料管，塑料管型号为16#；

所述的储径流箱是盒式结构的箱体；

所述的含水量监测探头是直径200mm、长为300mm的圆柱体并带有三根长为300mm探针的铁质探头；

所述的含水量监测仪是自动显示当前探头位置土壤含水量的仪器；

所述的自动显示屏是设置在含水量监测仪上的背景为蓝色的数字显示屏幕；

所述的含水量感应线是连接含水量监测探头和含水量监测仪的套有聚乙烯绝缘带的铜芯线；

所述的调节阀是可选择链接不同的含水量监测探头的可调聚乙烯调节阀。

所述封堵是按要求加工或市购的铝合金堵头。

所述出水孔管是厚度为2.5mm、外径为50mm的PVC管。

其中，该储雨水箱的材质为有机玻璃；外形尺寸长宽高各为800mm。

其中，该水泵的型号为BT100-2J、泵头为YZ1515X；

其中，该喷头的型号为400PL；

其中，该降雨孔的直径为2-4mm；

其中，该多孔布水板是长宽分别为1200mm、1200mm，厚度为20mm的木板制作；

其中，该实验土槽的长宽高尺寸分别为1200mm、1200mm、1200mm；

其中，该出水孔管的厚度为2.5mm、外径为50mm、长度为1350mm。

其中，该支架的高度分别为850mm和1210mm；

其中，该储径流箱的外形尺寸长宽高各为800mm；

其中，该含水量感应线的型号规格是直径为2mm，长为2000～3000mm；

其中，该调节阀的型号规格是直径为20mm，高为50mm的圆柱体阀门；

其中，该出水孔管的管表面正上方每间隔80mm处打上直径为10mm的小孔，每二个正上方小孔中间的正前后两侧表面再打上直径为10mm的小孔，即侧孔与最近的正上方小孔所在管直径圆面的距离为40mm，管总长度为1350mm。

本发明工作流程如下：

所述的多孔布水板置于实验土槽的顶部，人工雨水用泵抽到与导水管另一端相连的喷头，人工雨水由喷头均匀喷洒在多孔布水板中，多孔布水板是由高为50mm的木条围住的木板，并以电钻钻出直径为3mm的降雨孔。实验主体装置是实验土槽，包括表面雨水滞留层，种植土壤覆盖层，植被及种植层，粗沙层、砂滤层、碎石层和水量排出管。为了节约费用，多孔布水板和实验土槽主要以木材作为实验材料，其各表面涂有双层防水涂料，以期达到防水、防腐的目的。实验主体装置另一端的水泵把模拟好的人工径流从储径流槽的底部抽到径流管中，并把径流输送到种植土壤覆盖层顶部的扇形石头上，通过调解水泵流量计来完成控制径流流速。

采用上述技术方案，用一种基于水质水量同步自动模拟控制的三维植物滞留元实验装置，能反映植物滞留元在不同气候条件、不同雨强、植物类型和介质成分及深度、不同空间和时间等对三维水质与水量的动态变化的影响，因而能满足实际工程应用的各种要求。

3、优点及功效：本发明一种水质水量三维模拟控制的植物滞留元实验装置，具有结构简单、造价低和经济实用等特点。该实验装置能反映植物滞留元在不同气候条件、不同雨强、植物类型和介质成分及深度、不同空间和时间等对三维水质与水量的动态变化的影响，通过三维模拟实验来获取相关技术参数。为此，本实验装置提供三维的、能够实现自动采样功能的植物滞留元实验装置数据信息量大、准确并同时实现同时间不同点的多点自动采集样品的目的。

(四)附图说明

图1植物滞留元实验装置结构示意图

图2植物滞留元的主体设备即实验土槽的俯瞰示意图

图3植物滞留元的主体设备即实验土槽的结构示意图

图4出水孔管的结构示意图

图中符号说明如下：

1储雨水箱；2水泵；3导水管；4支架；5喷头；6多孔布水板；7降雨孔；8微孔陶土管；9弯头；10含水量监测探头；11实验土槽；12出水孔管；13采样瓶；14桌子；15封堵；16径流管；17吸水管；18储径流槽；19含水量监测仪；20自动显示屏；21调节阀；22含水量感应线；23扇形石头；24表面雨水滞留层；25土壤覆盖层；26植被及种植土壤层；27粗沙层；28砂滤层；29碎石层。

(五)具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步详细描述：见附图

见图1，本发明一种水质水量三维模拟控制的植物滞留元实验装置，它包括储雨水箱1、水泵2、导水管3、支架4、喷头5、多孔布水板6、降雨孔7、微孔陶土管8、弯头9、含水量监测探头10、实验土槽11、出水孔管12、采样瓶13、桌子14、封堵15、径流管16、吸水管17、储径流槽18、含水量监测仪19、自动显示屏20、调节阀21和含水量感应线22。

它们之间的位置连接关系是：

储雨水箱1的下部出口与水泵2进水口相连，水泵2的出水口通过导水管3把人工雨水送至与导水管3另一端相连的喷头5，导水管3放置在支架4上，弯曲部分用弯头9相接，人工雨水经多孔布水板6均匀喷洒在实验土槽11中，设置有许多降雨孔7的多孔布水板6放置在喷头5之下、实验土槽11之上方，多个微孔陶土管8位于实验土槽11的中部位置，并通过吸水管17与采样瓶13相连，采样瓶13的另一个出气孔抽真空后被封堵15堵住，采样瓶13均匀排列放置在桌子14上，出水孔管12位于实验土槽11的底部位置。微孔陶士管8的旁边还设有含水量监测探头10，用含水量感应线22连接到含水量监测仪19上，调节阀21可选择链接不同的含水量监测探头10的一种可调聚乙烯调节阀，同时在自动显示屏20中显示该点含水量的数据。主体设备实验土槽另一端的储径流槽18的底部出口与水泵2进水口相连，水泵2的出口通过导水管3与放置在支架4上的径流管16相连，径流管16另一端放置在铺有扇形石头23的表面，使模拟过程更接近实际情况。

所述储雨水箱1是盒式结构的箱体，材质为有机玻璃；

所述水泵2是基本型蠕动泵、型号为BT100-2J、泵头YZ1515X、功能为将储雨水箱中的水通过导水管把人工雨水送至与导水管另一端相连的喷头；

所述导水管3是16^#塑料管、具有导水的作用；

所述支架4是普通金属结构支架；

所述喷头5是莲蓬型的铝合金防锈材料制成，型号：400PL，具有在布水板表面喷洒雨水的作用；

所述多孔布水板6是长宽分别为1200mm、1200mm，厚度为20mm的木板，表面有均匀降雨孔，四周以50mm的木条围成，表面涂有双层防水涂料，具有暂时储存和均匀分布雨水的作用；

所述降雨孔7是布水板上用电钻钻出的直径为3mm的均匀分布的圆孔，雨水从圆孔滴入到实验土槽中；

所述微孔陶土管8直径为3mm、长为5mm的圆柱形陶瓷管。

所述弯头9市购的塑料弯头。

所述含水量监测探头10是直径200mm、长为300mm的圆柱体带有三根长为300mm探针的铁质探头；

所述实验土槽11是长宽高分别为1200mm、1200mm、1200mm的盒式结构木质箱体，板厚20mm，表面涂有双层防水涂料，接缝口处用玻璃胶缝合，具有较强的防水、防腐作用。用于长时间盛装实验所用的各种类型的潮湿土壤及碎石等；

所述出水孔管12是厚度为2.5mm、外径为50mm的PVC管，管表面正上方每间隔80mm处打上直径为10mm的小孔，每二个正上方小孔中间的正前后两侧表面再打上直径为10mm的小孔，即侧孔与最近的正上方小孔所在管直径圆面的距离为40mm，管总长度为1350mm。出水孔管水平放置，用于采集碎石层处的水样；

所述采样瓶13是市购配套的玻璃瓶。

所述桌子14市购的木质桌子。

所述封堵15材质为铝合金的堵头。

所述径流管16为16^#塑料管、具有导水的作用

所述吸水管17直径为2mm的塑料管。

所述储径流槽18是盒式结构的箱体，材质为有机玻璃；外形尺寸为：长宽高各为800mm。

所述含水量监测仪19市购的国产含水量检测仪；型号为：TSZ-1。

所述自动显示屏20为背景为蓝色的数字显示屏幕；

所述调节阀21是可选择链接不同的含水量监测探头的一种可调聚乙烯调节阀；

所述含水量感应线22是连接含水量监测探头和含水量监测仪的一种套有聚乙烯绝缘带的铜芯线。

植物滞留元的主体设备即实验土槽的结构为图2所示，包括表面雨水滞留层24，该层深度为150mm；种植土壤覆盖层25，该层深度为50mm，主要成分为树皮(bark)；植被及种植层26，深度为200mm，主要成分表层土壤和有机物，该层中间具有一层采集水样和含水量监测的采样头放置位置；粗沙层27，深度为600mm距种植土壤覆盖层上表面250mm的位置，该层设有两层采集水样和含水量监测的采样头，位置分别为距土壤覆盖层上表面400mm和650mm处；砂滤层28，深度为50mm；碎石层29，深度为150mm；出水孔管12位于碎石层底层，目的是收集并分析整个装置出水量和水质的影响。

图3为植物滞留元的主体设备即实验土槽的俯瞰示意图，箱体主要以长宽厚分别为：1200mm、1200mm、20mm的胶合板组成，箱体四周用长宽厚分别为1300mm、100mm、50mm的长方形木材围成一圈，共三层，见图3。箱体内部八个角都用宽厚分别为100mm、50mm的长方形木材固定五个胶合板使其成为箱体。

图4为出水孔管的结构示意图，从图可见大采样孔管长度为1350mm，内径为45mm、外径为50mm、厚度为2.5mm，管表面正上方每间隔80mm处打上直径为10mm的小孔，每二个正上方小孔中间的正前后两侧表面再打上直径为10mm的小孔，即侧孔与最近的正上方小孔所在管直径圆面的距离为40mm。此管水平放置，用于采集碎石层处的水样。

Claims (11)

1.一种水质水量三维模拟控制的植物滞留元实验装置，其特征在于：它包括储雨水箱、水泵、导水管、支架、喷头、多孔布水板、降雨孔、微孔陶土管、弯头、含水量监测探头、实验土槽、出水孔管、采样瓶、桌子、封堵、径流管、吸水管、储径流槽、含水量监测仪、自动显示屏、调节阀和含水量感应线；储雨水箱的下部出口与水泵进水口相连，水泵的出水口通过导水管把人工雨水送至与导水管另一端相连的喷头，导水管放置在支架上，其弯曲部分用弯头相接；人工雨水经多孔布水板均匀喷洒在实验土槽中，设置有许多降雨孔的多孔布水板放置在喷头之下、实验土槽之上方，复数个微孔陶土管位于实验土槽的中部位置，并通过吸水管与采样瓶相连，采样瓶的另一个出气孔抽真空后被封堵堵住，采样瓶均匀排列放置在桌子上，出水孔管位于实验土槽的底部位置；微孔陶士管的旁边还设有含水量监测探头，通过含水量感应线连接到含水量监测仪上，设置在含水量监测仪上的调节阀选择链接不同的含水量监测探头同时在自动显示屏中显示该点含水量的数据，主体设备即实验土槽另一端的储径流槽的底部出口与水泵进水口相连，水泵的出口通过导水管与放置在支架上的径流管相连，径流管另一端放置在铺有扇形石头的表面，使模拟过程更接近实际情况；

所述储雨水箱是盒式结构的箱体；

所述水泵是基本型蠕动泵，其功能为将储雨水箱中的水通过导水管自动抽压至喷头中；

所述导水管是具有导水作用的塑料管；

所述支架是普通金属结构支架；

所述喷头是莲蓬型的铝合金防锈材料制成，具有在多孔布水板表面喷洒雨水的作用；

所述降雨孔是布水板上用电钻钻出的均匀分布的圆孔，雨水从圆孔滴入到实验土槽中；

所述多孔布水板是用木板制作，表面有均匀降雨孔，四周以木条围成，表面涂有双层防水涂料，具有暂时储存和均匀分布雨水的作用；

所述弯头是按需要选购的塑料弯头；

所述实验土槽是盒式结构木质箱体，表面涂有双层防水涂料，接缝口处用玻璃胶缝合，具有防水、防腐作用，用于长时间盛装实验所用的各种类型的潮湿土壤及碎石等；

所述微孔陶土管，是圆柱形陶质管，通过真空作用下吸取土壤中的水分，此管垂直放置，用于自动采集土壤中的水；

所述吸水管，是塑料细管，把微孔陶土管吸取的水分送至采样瓶中；

所述采样瓶，是圆形玻璃瓶，用来收集土壤中的水样；

所述桌子，是有四个支腿的木质平面桌；

所述出水孔管是PVC管，此管水平放置，用于采集碎石层处的水样；

所述的径流管是具有导水作用的塑料管；

所述的储径流箱是盒式结构的箱体；

所述的含水量监测探头是圆柱体并带有三根探针的铁质探头；

所述的含水量监测仪是自动显示当前探头位置土壤含水量的仪器；

所述的自动显示屏是设置在含水量监测仪上的背景为蓝色的数字显示屏幕；

所述的含水量感应线是连接含水量监测探头和含水量监测仪的并套有聚乙烯绝缘带的铜芯线；

所述的调节阀是选择链接不同的含水量监测探头的可调聚乙烯调节阀；

所述封堵是按要求加工或市购的铝合金堵头；

所述出水孔管是PVC管。

2.根据权利要求1所述的一种水质水量三维模拟控制的植物滞留元实验装置，其特征在于：该储雨水箱的材质为有机玻璃，外形尺寸长宽高各为800mm。

3.根据权利要求1所述的一种水质水量三维模拟控制的植物滞留元实验装置，其特征在于：该喷头的型号为400PL。

4.根据权利要求1所述的一种水质水量三维模拟控制的植物滞留元实验装置，其特征在于：该水泵的型号为BT100-2J、泵头为YZ1515X。

5.根据权利要求1所述的一种水质水量三维模拟控制的植物滞留元实验装置，其特征在于：该降雨孔的直径为2-4mm。

6.根据权利要求1所述的一种水质水量三维模拟控制的植物滞留元实验装置，其特征在于：该多孔布水板是长宽分别为1200mm、1200mm，厚度为20mm的木板制作。

7.根据权利要求1所述的一种水质水量三维模拟控制的植物滞留元实验装置，其特征在于：该实验土槽的长宽高尺寸分别为1200mm、1200mm、1200mm。

8.根据权利要求1所述的一种水质水量三维模拟控制的植物滞留元实验装置，其特征在于：该出水孔管的厚度为2.5mm、外径为50mm、长度为1350mm。

9.根据权利要求1所述的一种水质水量三维模拟控制的植物滞留元实验装置，其特征在于：该支架的高度分别为850mm和1210mm。

10.根据权利要求1所述的一种水质水量三维模拟控制的植物滞留元实验装置，其特征在于：该储径流箱的外形尺寸长宽高各为800mm。

11.根据权利要求1所述的一种水质水量三维模拟控制的植物滞留元实验装置，其特征在于：该出水孔管管表面正上方每间隔80mm处打上直径为10mm的小孔，每二个正上方小孔中间的正前后两侧表面再打上直径为10mm的小孔，即侧孔与最近的正上方小孔所在管直径圆面的距离为40mm，管总长度为1350mm。

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