CN102955024A

CN102955024A - 一种便携式人工模拟降雨装置

Info

Publication number: CN102955024A
Application number: CN2012104171433A
Authority: CN
Inventors: 杨胜天; 宋文龙
Original assignee: Beijing Normal University
Current assignee: Beijing Normal University
Priority date: 2012-10-26
Filing date: 2012-10-26
Publication date: 2013-03-06

Abstract

一种便携式人工模拟降雨装置，它是由供水动力装置、降雨喷头、支架、样方装置和土壤水监测装置组成；降雨喷头固定在支架顶端并置于样方装置正上方，它通过供水动力装置的输水管与该装置中的压力表、流量计、人工压力泵和水桶连接，样方装置中的样方框嵌入土壤样方，三面封闭，开放一面与该装置中的集流槽无缝结合，遮雨罩完全遮蔽集流槽，量杯置于集流槽出水端下方；土壤水监测装置中的土壤水传感器通过网口式插口连接该装置中的HOBO采集器，并通过HOBO数据线将HOBO采集器与笔记本电脑相连；该便携式人工模拟降雨装置构思科学，结构简单，增强了仪器的野外适应性，从而为开展野外大批量试验和获取实验数据提供了技术保证。

Description

一种便携式人工模拟降雨装置

技术领域

本发明是地理学研究中使用的一种便携式人工模拟降雨装置（简称为CSRS），它用于野外开展人工模拟降雨实验，属于自然地理系统技术领域。

背景技术

人工模拟降雨方法，是利用机械装置模拟天然降雨，开展相关科学研究并迅速获取科研数据的科学方法，已成为室内和野外试验的重要技术手段。

20世纪30年代美国就广泛采用人工模拟降雨方法研究土壤入渗、坡面产流和土壤侵蚀等科学问题，我国也从20世纪60年代开始人工模拟降雨机的研制，并根据降雨形成的方式将其分为喷咀式和针管式两种类型，为尽量真实地模拟天然降雨，人工模拟降雨装置应符合如下具体要求：（1）满足一定合理范围的可变雨强；（2）降雨的均匀性，通常均匀系数在0.8以上；（3）雨谱与天然降雨接近；（4）雨滴终点速度与天然降雨接近；(5)降雨动能与同雨强的天然降雨吻合；（6）降雨的稳定性和可重复性；（7）环境适应性强。对于降雨-径流模拟实验，人工模拟降雨装置产生的模拟降雨只要具备与天然降雨相似的降雨均匀性和降雨强度，即能满足实验要求；对于降雨-土壤侵蚀模拟实验，人工模拟降雨只要具备与天然降雨相似的降雨均匀性、雨滴中数直径、终点速度和雨滴谱特性，即可满足实验要求。国内外具有代表性的人工模拟降雨装置主要有：振动式模拟降雨装置，转盘式模拟降雨装置，槽式人工模拟降雨机，SR型人工模拟降雨装置等。

北京师范大学地理学与遥感科学学院一直致力于人工模拟降雨装置的研制与改进。刘宝元等在美国槽式降雨机的基础上，进行了二次开发和改进，对促进我国人工模拟降雨机的研制方面做了大量的工作，但由于受材质、动力及水源的限制，现有人工模拟降雨装置搬运及运作相对费力，资金投入大。本仪器在人工模拟降雨机的便携性方面有所创新，替换了供水动力装置，采用人工压力泵作为供水动力装置，重新构建了便携式人工模拟降雨装置，为野外大批量人工模拟降雨实验开展和数据获取提供了技术支持。

发明内容

本发明的目的是提供一种便携式人工模拟降雨装置，它克服了现有装置成本高、携带不便、且对动力要求较高等限制，从而使仪器装置更易操作、更便携、对野外作业环境适应性更强，为多种控制条件下大批量人工模拟降雨试验的开展和相关数据的获取提供了可能。

本发明在借鉴人工模拟降雨装置原理和要求的基础上，充分考虑传统供水动力装置对交流电源需求或蓄电池搬运不便等限制因素，更换人工供水动力装置，重新构建了便携式人工模拟降雨装置，既实现了便携又降低了成本。

本发明的技术方案是：一种便携式人工模拟降雨装置，它是由供水动力装置、降雨喷头、支架、样方装置和土壤水监测装置等组件组成（图1）。它们之间的位置连接关系是：降雨喷头固定在支架顶端并置于样方装置正上方，它通过供水动力装置的输水管与该装置中的压力表、流量计、人工压力泵和水桶连接，样方装置中的样方框嵌入土壤样方，三面封闭，开放一面与该装置中的集流槽无缝结合，遮雨罩完全遮蔽集流槽，量杯置于集流槽出水端下方；土壤水监测装置中的土壤水传感器通过网口式插口连接该装置中的HOBO采集器，并通过HOBO数据线将HOBO采集器与笔记本电脑相连。

所述供水动力装置由水桶、输水管、人工压力泵、压力表和流量计组成，彼此按序相互连接；采用人工压力泵，通过人力做功产生压力，将水桶中的水通过输水管压到降雨喷头，产生降雨；在输水管上安装压力表和流量计，分别标示压力泵压力和通过的水流量（图1中组件2,3,5,6,7）。该人工压力泵、压力表、水桶、输水管和流量计都是市购件。

所述降雨喷头是产生降雨的关键部件，本发明中所用降雨喷头在压力泵压力下产生锥形均匀降雨，在两米高度形成1*1m²样方可用降雨区（图1中组件1）。该降雨喷头是市购件。

所述支架为倒L形金属结构件，包括底座和可伸缩杆，用于固定并将降雨喷头升到预定高度，通常在试验中将降雨喷头升到两米高度，保证形成均匀降雨（图1中组件4）。

所述样方装置是圈出标准有效降雨区并导出有效坡面产流的系列装置，它主要包括圈出1*1m²样方可用降雨区的样方框（图1中组件14，样方三面封闭，一面开放），可将样方坡面产流导出的集流槽（图1中组件12，集流槽安放在样方框开放的一面），以及遮拦降雨以防影响产流量的遮雨罩（图1中组件15）和量杯。四者之间的关系是：样方框圈出样方，坡底方向开放，无缝结合集流槽，以便引出坡面产流，遮雨罩遮蔽集流槽，量杯置于集流槽出流一段下方，承接径流。该样方框是三面封闭一面开放的铁质方框，入土一面稍薄，以便嵌入土壤，圈出样方，并防止径流外流；该集流槽是V形铁质槽状装置，V形一边有5cm水平延伸，以便插入土体，一端封闭一端开放，将产流全部导出；该遮雨罩是通过两根钢筋固定于集流槽上的长方形铁页，与水平面呈30度倾角，以便将落在铁页上的雨水导出样方区外；该量杯的容量根据产流量和量测时间间隔确定。

所述土壤水监测装置是实时监测降雨过程土壤水体积含水量变化的装置，采用HOBO气象站系列产品，主要包括HOBO土壤水传感器、HOBO采集器、HOBO数据线和笔记本电脑等（图1中组件8,9,10,11）。他们之间的关系是：HOBO土壤水传感器用于监测土壤水体积含水量，通过网口式插头与HOBO采集器连接，将监测数据存储在HOBO采集器存储卡上，HOBO数据线将采集器与笔记本电脑上安装的HOBO专业软件连接，导出HOBO采集器上存储的土壤水体积含水量数据，达到监测目的。

其中，该遮雨罩的外形尺寸是1.0×1.2m。

其中，该量杯的容量在100ML以上。

便携式人工模拟降雨设备的主要技术指标如下：

该降雨装置的主要技术指标如下：

（1）降雨强度：通过控制人工气压泵气压可以提供6-15mm/h强度范围的降雨。

（2）降雨均匀性：降雨均匀性利用降雨均匀度Ｋ来表示,降雨均匀度Ｋ的计算公式为：

其中Ｋ为降雨均匀度，％；Ｈ_ｉ为降雨面积上的测点雨量，mm；为测点平均降雨量,mm；ｎ为测点数目。

对气压泵气压表显示为0.15、0.20和0.25时的雨强和均匀度进行标定，平均雨强分别达到9mm/h、10mm/h和11mm/h，均匀度K值分别为62%、70%和82%。

（3）降雨面积：喷头下喷形成圆锥型降雨，降雨面积随降雨高度变化。喷头高度为2m时可形成1*1m²可利用降雨区。

本发明工作原理及流程如下：人工压力泵产生不同强度的合理气压，使得喷头喷出不同强度与天然降雨相似的人工模拟降雨，在遮雨罩的防护下，雨水均匀地落到样方框框定的标准地面样方，坡面产流经由引流槽收集到量杯，测算产流量，并收集产流样品，测算含沙量和营养浓度。

本发明的优点及功效是：该便携式人工模拟降雨装置构思科学，结构简单，易操作，成本低。它较好的解决了传统降雨装置对电源的依赖和搬运不便的限制，增强了仪器的野外适应性，从而为开展野外大批量试验和获取实验数据提供了技术保证。

附图说明

图1人工模拟降雨装置总体效果示意图

图中符号说明如下：1降雨喷头，2人工压力泵，3水桶，4支架，5输水管，6压力表，7流量计，8笔记本电脑，9HOBO采集器，10HOBO数据线,11HOBO土壤水传感器，12集流槽，13量杯，14样方框，15遮雨罩。

具体实施方式

见图1，本发明是一种便携式人工模拟降雨装置，它是由供水动力装置、降雨喷头1、支架4、样方装置和土壤水监测装置等组件组成。它们之间的位置连接关系是：降雨喷头1通过输水管5与压力表6、流量计7、人工压力泵2和水桶3连接，降雨喷头1固定在支架4顶端，置于样方装置上方；样方框14嵌入土壤样方，三面封闭，开放一面与集流槽12无缝结合，遮雨罩15完全遮蔽集流槽12，量杯13置于集流槽12出水端下方；HOBO土壤水传感器11通过网口式插口连接HOBO采集器9，并通过HOBO数据线10将HOBO采集器9与笔记本电脑8相连。若在野外作业，还包括挡风棚等附属装置。

野外作业时，首先架起挡风棚（竖起四根支杆，用塑料布圈起来），圈定较大的空间，减少风对人工降雨的影响；先用样方框14框定1×1m²的坡面样方，用橡胶锤将样方框14打入土壤5cm深，样方框14开放端处在下坡方向，并沿着样方框14开放边界开挖土壤切面，依次安置集流槽12（贴合土壤表层安置）、遮雨罩15、HOBO土壤水传感器11（水平插入不同深度的土壤），完成样方装置和HOBO土壤水传感器11的安装；HOBO土壤水传感器11通过网口式插口连接HOBO采集器9，并通过HOBO数据线10将HOBO采集器9与笔记本电脑8相连，打开HOBO专业软件，启动HOBO采集器9，实时采集土壤含水量数据；调整支架4的高度（通常2-3米即可），固定降雨喷头1，通过输水管5连接降雨喷头1、压力表6、流量计7、人工压力泵2和水桶3，匀速操作人工压力泵2，维持合适的压力，产生所需强度的降雨；待有坡面产流时，用量杯13测量集流槽12导出的径流量，即可测定一段时间内的产流量。应用该便携式人工模拟降雨装置（简称CSRS）可在野外大批量开展人工模拟降雨实验，研究各种设定条件下的降雨-径流、土壤侵蚀、营养迁移、土壤水运动等科学问题，提高了设备的便携性和适用性，大大提高了野外实验数据获取能力。

Claims

1.一种便携式人工模拟降雨装置，其特征在于：它是由供水动力装置、降雨喷头、支架、样方装置和土壤水监测装置组成；降雨喷头固定在支架顶端并置于样方装置正上方，它通过供水动力装置的输水管与该装置中的压力表、流量计、人工压力泵和水桶连接，样方装置中的样方框嵌入土壤样方，三面封闭，开放一面与该装置中的集流槽无缝结合，遮雨罩完全遮蔽集流槽，量杯置于集流槽出水端下方；土壤水监测装置中的土壤水传感器通过网口式插口连接该装置中的HOBO采集器，并通过HOBO数据线将HOBO采集器与笔记本电脑相连；

所述供水动力装置由水桶、输水管、人工压力泵、压力表和流量计组成，彼此按序相互连接；采用人工压力泵，通过人力做功产生压力，将水桶中的水通过输水管压到降雨喷头，产生降雨；在输水管上安装压力表和流量计，分别标示压力泵压力和通过的水流量；

所述降雨喷头是产生降雨的件，降雨喷头在压力泵压力下产生锥形均匀降雨，在两米高度形成1*1m²样方可用降雨区；

所述支架为倒L形金属结构件，包括底座和可伸缩杆，用于固定并将降雨喷头升到预定高度，保证形成均匀降雨；

所述样方装置是圈出标准有效降雨区并导出有效坡面产流的系列装置，它包括圈出1*1m²样方可用降雨区的样方框、将样方坡面产流导出的集流槽、遮拦降雨以防影响产流量的遮雨罩和量杯，样方框圈出样方，坡底方向开放，无缝结合集流槽，以便引出坡面产流，遮雨罩遮蔽集流槽，量杯置于集流槽出流一段下方，承接径流；该样方框是三面封闭一面开放的铁质方框，入土一面稍薄，以便嵌入土壤，圈出样方，并防止径流外流；该集流槽是V形铁质槽状装置，V形一边有5cm水平延伸，以便插入土体，一端封闭一端开放，将产流全部导出；该遮雨罩是通过两根钢筋固定于集流槽上的的长方形铁页，与水平面呈30度倾角，以便将落在铁页上的雨水导出样方区外；该量杯的容量规格根据产流量和量测时间间隔确定；

所述土壤水监测装置是实时监测降雨过程土壤水体积含水量变化的装置，包括HOBO土壤水传感器、HOBO采集器、HOBO数据线和笔记本电脑；HOBO土壤水传感器用于监测土壤水体积含水量，通过网口式插头与HOBO采集器连接，将监测数据存储在HOBO采集器存储卡上，HOBO数据线将采集器与笔记本电脑上安装的HOBO专业软件连接，导出HOBO采集器上存储的土壤水体积含水量数据，达到监测目的。

2.根据权利要求1所述的一种便携式人工模拟降雨装置，其特征在于：该遮雨罩的外形尺寸是1.0×1.2m。

3.根据权利要求1所述的一种便携式人工模拟降雨装置，其特征在于：该量杯的容量在100ML以上。