CN102721800A - 人工降雨径流土壤水运动模拟实验系统 - Google Patents

Abstract

人工降雨径流土壤水运动模拟实验系统，包括人工降雨装置、径流及土壤水形成装置、排水装置和产流量测算装置，所述人工降雨装置包括供水装置和雨滴形成装置；所述供水装置采用调节阀门和流速仪调节出水强度；所述雨滴形成装置为一组带孔管道组；所述径流及土壤水形成装置为一个设置有土壤层的直立容器；所述带孔管道组在直立容器顶部并可升降调节；所述容器包括内层的可透水钢丝网组成的容器内壁和外层的透明材料制成的容器外壁，两层间采用不透水的分层钢板相连，所述排水装置安装在土壤层下方，所述容器外安装有连接产流量测算装置的引水管，产流量测算装置采用计算机进行数据处理和运算。本发明结构简单，而且便于携带，实验效率高，运算准确快捷，适应性强。

Description

人工降雨径流土壤水运动模拟实验系统

技术领域

本发明涉及水文、土壤相关专业实验器材领域，具体的说，是涉及到降雨形成及其产流和土壤水的运动情况的模拟实验系统，特别是一种人工降雨径流土壤水运动模拟实验系统。

背景技术

水循环是联系地球系统“地圈～生物圈～大气圈”的纽带。由于全球气候变化对降水、径流和区域水循环系统的影响的复杂性和不确定性，以及在高强度人类活动影响和流域下垫面变化导致水循环系统结构和模型参数的不确定性，使得变化环境下区域分布式水循环模拟的不确定性量化研究，成为地球系统科学中的重大的科学问题，也是区域水资源安全评价、水资源可持续利用和风险管理重大需求的应用基础问题。2010年我国泥石流等地质灾害频繁发生，造成了巨大的损失，其中关键的原因就是暴雨导致了土壤湿度过大，过饱和土壤不稳定导致了泥石流，为了减小损失需要更多的人认识到降水径流水循环的过程。

人工降水径流模拟从20世纪中期开始一直是研究水循环中降水、截留、下渗及土壤水运动重要方式之一，有效的弥补了观测天然降水径流资料的不足。如M.J 柯比主编的《山坡水文学》(英)一书大部分内容均来自于全球水文学家与研究者所做的人工降水径流实验。我国著名的刘昌明院士在20世纪60年代开始在黄土高原上做了大量人工降水径流实验。现在随着人类活动的影响，植被、土壤都再不断的发生变化，水文学研究仍在做着人工降水径流实验。

传统人工降水径流模拟大部分都是在野外完成，选取的场地都很大，比如中国科学院地理科学与资源研究所在河北易县设置的人工降水径流实验场，在野外最大的好处是能够更接近于真实的天然情况，模拟精度高，问题是实验成本高，运行维护不方便。为了运行维护的方便，很多高校和研究所将人工降水径流仪器搬到了室内，如中科院地理所与河海大学均建立了人工降水大厅，大厅面积超过50平米，相对于野外实验运行与维护要方便很多，但成本仍然很高。

对人工降水仪器设备的研究重点是要解决如下几个难点问题：首先是雨滴形成和雨强控制，需要选择不同的喷头或者降水设备，之前有众多学者对此进行过设计和筛选实验，有的研制出单喷头变雨强模拟降雨装置，也有人设计了一个活塞式喷水装置，有效的控制了雨强与雨滴，中国科学院水利部水土保持研究所研制了模拟降雨机，在陕西杨凌水保站安装使用，但上述几类装置存在着设备体积大，不够灵活和精确度不高的问题；其次是便携问题，现有的降水径流设备几乎都不便携，体积过大，设备过多过重，深圳有的需要到现场采购安装；第三是坡度变化，室内的人工降水大厅均采用了可移动的下垫面设计，即装土壤的槽子是可升降的，但是到室外后只能选择不同的坡度的场地做实验；第四是产流观测，有的采用电磁流量计测取管道流量，中科院地理所采用HUB计数测流量。

由上述可知，现有的人工降雨模拟仪器主要存在以下几点不足：不便携，无法随时实地实验；成本高，很难当作课堂教学使用；不够灵活，适应性差，不同学科研究目的不同，设计差别大，如水保的注重水滴设计，土壤的注重土壤水运动设计。

因此需要设计一种新型的人工降雨径流土壤水运动模拟实验系统，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种人工降雨径流土壤水运动模拟实验系统，解决了现有人工降雨模拟实验仪器携带不便，成本高，以及适应性差的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种人工降雨径流土壤水运动模拟实验系统，包括人工降雨装置、径流及土壤水形成装置、排水装置、产流量测算装置，所述人工降雨装置包括供水装置和雨滴形成装置；所述供水装置采用水泵，所述水泵的输出水管连接到雨滴形成装置，所述水泵的输出水管上依次安装有调节阀门和流速仪；

所述雨滴形成装置为安装在径流及土壤水形成装置上端的带孔管道组；

所述径流及土壤水形成装置采用一个直立方形容器，所述容器分为内外两层，分别是可透水钢丝网组成的容器内壁和透明材料制成的容器外壁，两层间采用多层不透水的分层钢板相连，所述容器外壁一侧设置有一列多个纵向排列的侧流管，所述每层分层钢板均对应设置在每根侧流管的下方位置，所述方形容器的框架采用钢铁材料，其四角上各安装有一根可升降调节的竖直撑杆，所述的撑杆上端平放有带孔管道组；所述容器内层填充有土壤层，所述带孔管道组置于容器正上方，所述容器侧壁设置有标尺；

所述排水装置设置在土壤层底部，其组成为一个安装在容器框架上的带孔钢架和其上放置的钢丝网；

所述产流量测算装置通过与所述侧流管相连的引水管将出水收集到量杯进行测算，所述产流量测算装置采用电子测算，所述量杯底部安装有压力传感器，所述压力传感器与单片机连接，所述单片机连接到安装有用于将压力传感器测得的数据转换为水位数据的压力水位转换软件系统的计算机。

优选的，所述与侧流管相连的引水管上安装有过滤器。

优选的，所述各个侧流管之间的间距为10cm,所述连接容器内外两层的分层钢板各层之间间距为10cm。

优选的，所述土壤层上层植有假草。

优选的，所述土壤层是沙土和石子的混合。

本发明结构简单，操作方便，成本低廉，而且便于携带，雨滴形成装置可升降调节，应用灵活，适应性强；采用压力传感器收集水量信号，并采用计算机内的压力水位转换软件系统进行数据处理运算，使实验数据收集准确、快捷；水泵的供水管处安装有调节阀门和流速仪，便于进行供水调节，底部安装的带孔钢架和钢丝网使排水更通畅；容器分为内外两层，并在两层间采用不透水的分层钢板连接，各层分层钢板与侧流管搭配，达到良好的实验效果。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图；

图2是图1中容器20结构的剖视示意图；

图3是图2的左视图；

图4是图3的俯视图。

图中：

1、水泵；2、调节阀门；3、流速仪；4、水管；5、带孔管道组；6、竖直撑杆；7、侧流管；8、容器顶端；9、容器框架；10、土壤层；101、石子；11、过滤器；12、计算机；13、单片机；14、钢丝网；15、量杯；16、压力传感器；17、标尺；18、引水管；19、带孔钢架；20、容器；21、分层钢板；22、容器内壁；23、容器外壁。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

如图1—4所示，给出了本发明的一个具体实施例。

图1所示为本发明的整体结构示意图，图中该模拟实验系统包括：人工降雨装置、径流及土壤水形成装置和产流量测算装置，所述的人工降雨装置包括供水装置和雨滴形成装置，所述供水装置采用水泵1，所述水泵1的输出水管4连接到雨滴形成装置，水管4上安装有调节阀门2和流速仪3；

所述径流及土壤水形成装置为一个方形直立容器20，容器20的截面为正方形，其边长为500mm，容器20的底端至容器顶端8的高度为700mm,所述容器内填充有土壤层10，土壤层10的下端设置有固定安装在容器框架9上的带孔钢架19，其上放置一个钢丝网14，钢丝网14加带孔钢架19的结构作为排水装置，能够使排水通畅，更利于观察土壤水运动，容器20的侧壁安装有一列纵向排列的侧流管7；

所述雨滴形成装置为一组安装在径流及土壤水形成装置的容器20上端的带孔管道组5，通过水泵1给带孔管道组5供水，利用带孔管道组5上的小孔，形成模拟雨滴，带孔管道组5具有多套具有不同孔径的组合，结合供水装置的调节阀门2和流速仪3，可以模拟形成不同种类和大小的降雨；

所述容器20的框架采用钢铁材料，其四角上各安装有一根可升降调节的竖直撑杆6，所述的带孔管道组5平放在竖直撑杆6的上端，通过调节竖直撑杆6，可以变化带孔管道组5距离土壤层10的高度，已形成不同的模拟降雨，满足多种实验需求；

所述容器20的一侧壁处设置有标尺17；

所述排水装置设置在土壤层10的底部，其组成为一个安装在容器框架9上的带孔钢架19和其上放置的钢丝网14；

所述产流量测算装置通过与所述侧流管7相连的引水管18将出水收集到量杯15进行测算，所述引水管18上安装有过滤器11，所述产流量测算装置采用电子测算，所述量杯15底部安装有压力传感器16，所述压力传感器16与单片机13连接，所述单片机13连接到安装有用于将压力传感器16测得的数据转换为水位数据的压力水位转换软件系统的计算机12。

如图2、图3、图4所示，是径流及土壤水形成装置的容器20结构示意图，图中，所述容器20分为内外两层，分别是可透水钢丝网组成的容器内壁22和透明材料制成的容器外壁23，两层间采用多层不透水的分层钢板21相连，所述容器外壁23的一侧设置有一列多个纵向排列的侧流管7，所述每层分层钢板21均对应设置在侧流管7的下方位置，分层钢板21的总层数与侧流管7的数量相同。

所述各个侧流管7之间的间距为10cm,所述连接容器20内外两层的分层钢板21各层之间间距为10cm。

为了增加实验效果，在土壤层10上层植有假草，其中土壤层10是沙土和石子101的混合，欲达到不同的实验效果，可以通过调节沙土和石子的配比，得到不同类型的土壤，以及改变植在土壤层10上层假草的稀疏，借以模拟不同的自然环境，满足多种实验需求。

具体实验步骤如下：

(1)根据实验需要在容器20内放置好土壤层10；

(2)连接好侧流管7外的引水管18，及水泵1相应的水管4；

(3)将竖直撑杆6调节到适当高度，根据需要选择合适的孔径的带孔管道组5，并将其放置在竖直撑杆6上；

(4)调节好水管上的调节阀门2，开启水泵1开始往上抽水，观察量杯15中的水量变化，并且通过计算机12的显示屏观察曲线变化情况；

(5)整理、存储数据，实验完毕。

本发明结构简单，操作方便，成本低廉，而且便于携带，雨滴形成装置可升降调节，应用灵活，适应性强；采用压力传感器16收集水量信号，并采用计算机12内的压力水位转换软件系统进行数据处理运算，使实验数据收集准确、快捷；水泵1的水管4处安装有调节阀门2和流速仪3，便于进行供水调节，底部安装的带孔钢架19和钢丝网14使排水更通畅；容器分为内外两层，并在两层间采用不透水的分层钢板21连接，各层分层钢板21与侧流管7搭配，达到良好的实验效果。

Claims (5)

1.一种人工降雨径流土壤水运动模拟实验系统，包括人工降雨装置、径流及土壤水形成装置、排水装置、产流量测算装置，其特征在于：

所述人工降雨装置包括供水装置和雨滴形成装置；所述供水装置采用水泵，所述水泵的输出水管连接到雨滴形成装置，所述水泵的输出水管上依次安装有调节阀门和流速仪；

所述雨滴形成装置为安装在径流及土壤水形成装置上端的带孔管道组；

所述径流及土壤水形成装置采用一个直立方形容器，所述容器分为内外两层，分别是可透水钢丝网组成的容器内壁和透明材料制成的容器外壁，两层间采用多层不透水的分层钢板相连，所述容器外壁一侧设置有一列多个纵向排列的侧流管，所述每层分层钢板均对应设置在每根侧流管的下方位置，所述方形容器的框架采用钢铁材料，其四角上各安装有一根可升降调节的竖直撑杆，所述的撑杆上端平放有带孔管道组；所述容器内层填充有土壤层，所述带孔管道组置于容器正上方，所述容器侧壁设置有标尺；

所述排水装置设置在土壤层底部，其组成为一个安装在容器框架上的带孔钢架和其上放置的钢丝网；

所述产流量测算装置通过与所述侧流管相连的引水管将出水收集到量杯进行测算，所述产流量测算装置采用电子测算，所述量杯底部安装有压力传感器，所述压力传感器与单片机连接，所述单片机连接到安装有用于将压力传感器测得的数据转换为水位数据的压力水位转换软件系统的计算机。

2.根据权利要求1所述的一种人工降雨径流土壤水运动模拟实验系统，其特征在于，所述与侧流管相连的引水管上安装有过滤器。

3.根据权利要求1所述的一种人工降雨径流土壤水运动模拟实验系统，其特征在于，所述各个侧流管之间的间距为10cm,所述连接容器内外两层的分层钢板各层之间间距为10cm。

4.根据权利要求1所述的一种人工降雨径流土壤水运动模拟实验系统，其特征在于，所述土壤层上层植有假草。

5.根据权利要求1所述的一种人工降雨径流土壤水运动模拟实验系统，其特征在于，所述土壤层是沙土和石子的混合。

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