CN103691594A - 一种适宜高异质性喀斯特坡地的可升降便携式模拟降雨器 - Google Patents

一种适宜高异质性喀斯特坡地的可升降便携式模拟降雨器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适宜高异质性喀斯特坡地的可升降便携式模拟降雨器。它包括四喷嘴组合式降雨发生器、供水系统和升降式模拟降雨器支架。四喷嘴组合式降雨发生器和供水系统通过活接与第二直角弯头拧合在一起；向DN32套管中插入DN25输水钢管，然后往第三级固定螺母中拧入螺栓，将供水系统和升降式模拟降雨器支架连接在一起；第一级三通主管两端均通过直通与第二级三通支管相连，第二级三通主管两端均连接球阀，球阀和喷嘴之间通过直角弯头连接。本发明采用组合式喷嘴、高度可调、方便携带、制作简单，解决了在类似喀斯特等异质性极强的地区开展坡面入渗、侵蚀研究的瓶颈。

Description

一种适宜高异质性喀斯特坡地的可升降便携式模拟降雨器
技术领域
本发明属于人工模拟降雨技术领域，更具体涉及一种适宜高异质性喀斯特坡地的可升降便携式模拟降雨器，适合于教学、科研和环保部门开展多种植被和土地利用类型下的侵蚀、水文和养分输移等方面的研究。 
背景技术
中国西南喀斯特地区浅薄土层蓄水能力弱，加之丰富的岩溶孔隙和裂隙，地表水大量渗漏，地下水污染日趋严重，旱涝灾害频繁，水是解决喀斯特地区生态问题，实现社会经济可持续发展的关键。因此，为了加深对喀斯特地区水文循环的认识，促进有限水资源的合理利用，围绕水的问题在喀斯特地区开展坡面入渗、产流等方面的研究显得尤为重要。 
喀斯特地区土层浅薄，土被不连续，地表多砾石和裸岩覆盖，地表通常可分为土面、石面、石牙、石缝、土洞等多种小生境类型。由于喀斯特地区特有的坡面土壤不连续性和极强异质性，传统开展坡面土壤水文研究的方法在适用条件和研究尺度上都很难在该地区沿用。如针对双环、单环等传统入渗方法，一方面在多砾石和裸岩覆盖的地表操作难度大且不能整合植被等地被物对入渗过程的影响，另一方面测定尺度太小测定结果不能代表某一特定小生境的入渗情况；再如针对传统坡面径流小区的方法，其过大的研究尺度将不可避免地造成坡面异质性水文过程的均一化，因而无法识别和区分喀斯特地区特殊异质性小生境所具备的土壤水文过程，再加之天然降雨过程往往存在时间上的不确定性以及数量和强度上的不可控性，通过坡面径流小区观测天然降雨条件下的坡面产流产沙过程，显得十分低效。 
利用人工模拟降雨装置进行模拟降雨，人为制造一定数量和强度的降雨，能够大大提高了实验数据获取的效率，达到快速高效完成研究计划的目的。然而，现有模拟降雨装置在构造和性能上尚不能适应喀斯特坡地水文方面的研究。首先，现有模拟降雨装置不能根据地被物高度灵活调节洒水高度，无法适应喀斯特地区多样的植被及土地利用类型；其次，现有模拟降雨器大多结构复杂，拆装费时且要求架设场地宽阔，不易搬运到达类似喀斯特地区的复杂山坡上操作；第三，现有模拟降雨器大多制作成本高，大批量自行制作基本不可能，本发明制作简单，通过对常用管材的简单加工便可快速实现，制作成本低廉。 
鉴于以上在喀斯特地区开展坡面水文研究所遇到的方法上的问题，本发明提出一种适宜高异质性喀斯特坡地的可升降便携式模拟降雨器，以期为类似喀斯特地区这种高异质性区域上，在开展坡面水文、土壤侵蚀和养分流失等研究工作中提供合适的研究手段。 
发明内容
本发明的目的是在于提供了一种适宜高异质性喀斯特坡地的可升降便携式模拟降雨器，该降雨器结构紧凑、制作简单、轻便易组装，便于在山坡上操作，能根据地被物高度灵活调节洒水高度，解决了传统研究方法在类似喀斯特等异质性极强的地区开展坡面入渗、侵蚀研究的瓶颈，能够为该类地区开展坡面水文、土壤侵蚀和养分流失等研究提供合适的研究手段和平台。 
为了实现上述目的，本发明采用以下技术措施： 
一种适宜高异质性喀斯特坡地的可升降便携式模拟降雨器，它包括四喷嘴组合式降雨发生器、供水系统和升降式模拟降雨器支架。其连接关系为：四喷嘴组合式降雨发生器和供水系统通过活接与第二直角弯头拧合在一起；向DN32套管中插入DN25输水钢管，然后往第三级固定螺母中拧入螺栓，将供水系统和升降式模拟降雨器支架连接在一起。其作用是：其中四喷嘴组合式降雨发生器用于产生一定动能大小和粒径分布的雨滴，供水系统向四喷嘴组合式降雨发生器提供一定压力和流速的水源，升降式模拟降雨器支架在支撑和固定整套设备的同时，能够根据地被物高度调节四喷嘴组合式降雨发生器高度，以满足不同植被和土地利用类型的需要。
所述的四喷嘴组合式降雨发生器由第一级三通(横向端为主管，垂直端为支管)、第二级三通(横向端为主管，垂直端为支管)、直通、球阀、第一直角弯头、实心锥形喷嘴、活接构成，其连接关系是：第一级三通主管两端均通过直通与第二级三通支管相连，第二级三通主管与第一级三通支管垂直，第一级三通支管连接活接，第二级三通主管两端均连接球阀，保证球阀控制开关位于第一级三通支管一侧；球阀和实心锥形喷嘴之间通过第一直角弯头连接，连接过程中保证实心锥形喷嘴与第一级三通主管垂直。 
所述供水系统由以下部分构成：DN25输水钢管、第二直角弯头、第三直角弯头、橡胶软管、闸阀、水压力表、水表。其连接关系是：在DN25输水钢管一端拧合第二直角弯头至开口垂直向上，另一端拧合第三直角弯头至开口垂直向下，橡胶软管连接到第三直角弯头另一端，在橡胶软管接近地面的一端依次接入闸阀、水压力表、水表，通过闸阀和水压力表来控制水压和水量，系统来水量通过水表实时监测。 
所述升降式模拟降雨器支架由以下部分构成：带孔底座、DN38钢管、DN32钢管、DN25钢管、DN32套管、第一六角头螺栓、第二六角头螺栓、第三六角头螺栓、可活动DN20支撑钢管、第一级固定螺母、第二级固定螺母、支撑杆、第三级固定螺母、固定用钢丝绳。其连接关系是：以带孔底座圆心为中心，将一段1.5m长的DN38钢管一端焊接到带孔底座上，然后依次向DN38钢管中套入一段2.5m长DN32钢管，向DN32钢管中套入一段3m长DN25钢管，在DN25钢管朝上的一端横向垂直焊接0.5m长DN32套管，保证焊接点中心与DN32套管重心重叠，同时DN32套管和DN25钢管之间焊接支撑杆加固；分别在DN38钢管、DN32钢管靠上端的位置打孔并焊接第一级固定螺母、第二级固定螺母，在DN32套管靠两端的位置打孔并焊接第三级固定螺母，向固定螺母中拧入螺栓可控制相应内管的滑动；在DN38钢管中点附近依次焊接第一六角头螺栓、第二六角头螺栓和第三六角头螺栓，并保证在同一平面内且相互呈120°角，将三条打孔的可活动DN20支撑钢管上端分别套入第一六角头螺栓、第二六角头螺栓和第三六角头螺栓上，下端接触地面，找到可活动DN20支撑钢管与地面的最稳固接触点后，向第一六角头螺栓、第二六角头螺栓和第三六角头螺栓中分别拧入螺母将三个方向上的DN20支撑钢管固定；同样，在DN25钢管同一圆周上焊接三根固定用钢丝绳，保证每根固定用钢丝绳间呈120°角。 
  
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
（1）本发明降雨器支架能够灵活调节高度，能适应喀斯特地区多样的植被及土地利用类型。
（2）本发明四个喷嘴全部位于同一主管上，避免了支管的使用，大大增强了设备的移动性能。现有模拟降雨器大多结构复杂，拆装费时且要求架设场地宽阔，不易搬运到达交通不便的山坡上操作。 
（2）本发明四个喷嘴分布紧凑，洒水中心基本重叠，通过球阀控制不同数目的喷嘴组合效果，能简单实现降雨强度的变化。 
（3）本发明采用喷嘴上喷式的方法生成降雨，增加了雨滴降落高度，雨滴终极速度更容易达到。 
（4）本发明能够通过实时监测水表读数，根据洒水面积和降雨时间便能方便计算某时段的降雨强度。 
（5）本发明制作简单，通过对常用管材的简单加工便可快速实现，因而制作成本低廉。 
表1 本发明优点和效果
Figure 2013107039900100002DEST_PATH_IMAGE001
附图说明
图1为一种适宜高异质性喀斯特坡地的可升降便携式模拟降雨器整体结构示意图； 
图2为一种四喷嘴组合式降雨发生器示意图；
图3为一种供水系统以及升降式模拟降雨器支架示意图。
其中：四喷嘴组合式降雨发生器1，它包括第一级三通1-1(横向端为主管，垂直端为支管)、第二级三通1-2(横向端为主管，垂直端为支管)、直通1-3、球阀1-4、第一直角弯头1-5、实心锥形喷嘴1-6、活接1-7，供水系统2，它包括DN25输水钢管2-1、第二直角弯头2-2、第三直角弯头2-3、橡胶软管2-4、闸阀2-5、水压力表2-6、水表2-7，升降式模拟降雨器支架3，它包括带孔底座3-1、DN38钢管3-2、DN32钢管3-3、DN25钢管3-4、DN32套管3-5、第一六角头螺栓3-6、第二六角头螺栓3-7、第三六角头螺栓3-8、可活动DN20支撑钢管3-9、第一级固定螺母3-10、第二级固定螺母3-11、支撑杆3-12、第三级固定螺母3-13、固定用钢丝绳3-14。 
具体实施方式
实施例1：
下面结合附图对本发明作进一步详细描述： 
如图1所示，一种适宜高异质性喀斯特坡地的可升降便携式模拟降雨器，它包括四喷嘴组合式降雨发生器1、供水系统2和升降式模拟降雨器支架3。其连接关系是：四喷嘴组合式降雨发生器1和供水系统2通过活接1-7与第二直角弯头2-2拧合在一起；向DN32套管3-5中插入DN25输水钢管2-1，然后往第三级固定螺母3-13中拧入螺栓，将供水系统2和升降式模拟降雨器支架3连接在一起。其作用是：其中四喷嘴组合式降雨发生器1用于产生一定动能大小和粒径分布的雨滴，供水系统2向四喷嘴组合式降雨发生器1提供一定压力和流速的水源，升降式模拟降雨器支架2在支撑和固定整套设备的同时，能够根据地被物高度调节四喷嘴组合式降雨发生器1高度，以满足不同植被和土地利用类型的需要。
如图2所示，所述四喷嘴组合式降雨发生器1由第一级三通1-1(横向端为主管，垂直端为支管)、第二级三通1-2(横向端为主管，垂直端为支管)、直通1-3、球阀1-4、第一直角弯头1-5、实心锥形喷嘴1-6、活接1-7构成。其连接关系是：第一级三通1-1主管两端均通过直通1-3与第二级三通1-2支管连，拧合过程中调整角度使得第二级三通1-2主管与第一级三通1-1支管保持垂直，第一级三通1-1支管连接活接1-7；第二级三通1-2主管两端均连接球阀1-4，保证球阀1-4控制开关位于第一级三通1-1支管一侧；球阀1-4和实心锥形喷嘴1-6之间通过第一直角弯头1-5连接，连接过程中保证实心锥形喷嘴1-6与第一级三通1-1主管垂直。 
如图3所示，所述供水系统2由以下部分构成：DN25输水钢管2-1、第二直角弯头2-2、第三直角弯头2-3、橡胶软管2-4、闸阀2-5、水压力表2-6、水表2-7。其连接关系是：在DN25输水钢管2-1一端拧合第二直角弯头2-2至开口垂直向上，另一端拧合第三直角弯头2-3至开口垂直向下，橡胶软管2-4连接到第三直角弯头2-3另一端，在橡胶软管2-4接近地面的一端依次接入闸阀2-5、水压力表2-6、水表2-7，通过闸阀2-5和水压力表2-6来控制水压和水量，系统来水量通过水表2-7实时监测。 
如图3所示，所述升降式模拟降雨器支架3由以下部分构成：带孔底座3-1、DN38钢管3-2、DN32钢管3-3、DN25钢管3-4、DN32套管3-5、第一六角头螺栓3-6、第二六角头螺栓3-7、第三六角头螺栓3-8、可活动DN20支撑钢管3-9、第一级固定螺母3-10、第二级固定螺母3-11、支撑杆3-12、第三级固定螺母3-13、固定用钢丝绳3-14。其连接关系是：以带孔底座3-1圆心为中心，将一段1.5m长的DN38钢管3-2一端焊接到带孔底座3-1上，然后依次向DN38钢管3-2中套入一段2.5m长DN32钢管3-3，向DN32钢管3-3中套入一段3m长DN25钢管3-4，在DN25钢管3-4朝上的一端横向垂直焊接0.5m长DN32套管3-5，保证焊接点中心与DN32套管3-5重心重叠，同时DN32套管3-5和DN25钢管3-4之间焊接支撑杆3-12加固；分别在DN38钢管3-2、DN32钢管3-3靠上端的位置打孔并焊接第一级固定螺母3-10、第二级固定螺母3-11，在DN32套管3-5靠两端的位置打孔并焊接第三级固定螺母3-13，向固定螺母中拧入螺栓可控制相应内管的滑动；在DN38钢管3-2中点附近依次焊接第一六角头螺栓3-6、第二六角头螺栓3-7和第三六角头螺栓3-8，并保证在同一平面内且相互呈120°角，将三条打孔的可活动DN20支撑钢管3-9上端分别套入第一六角头螺栓3-6、第二六角头螺栓3-7和第三六角头螺栓3-8上，下端接触地面，找到可活动DN20支撑钢管3-9与地面的最稳固接触点后，向第一六角头螺栓3-6、第二六角头螺栓3-7和第三六角头螺栓3-8中分别拧入螺母将三个方向上的DN20支撑钢管3-9固定；同样，在DN25钢管3-4同一圆周上焊接三根固定用钢丝绳3-14，保证每根固定用钢丝绳3-14间呈120°角。 
本发明工作过程如下： 
第一步：安装升降式模拟降雨器支架3。
选定需要模拟降雨的小生境，在其中心位置竖立升降式模拟降雨器支架3，稍微修整带孔底座3-1区域土面，使带孔底座3-1处于水平，然后将钢钎穿过带孔底座3-1上的圆孔打入土中，从而初步固定升降式模拟降雨器支架3；同时，将三条打孔的可活动DN20支撑钢管3-9上端分别套入第一六角头螺栓3-6、第二六角头螺栓3-7和第三六角头螺栓3-8上，下端接触地面，找到可活动DN20支撑钢管3-9与地面的最稳固接触点后，向六角头螺栓（3-6、3-7、3-8）中拧入螺母将三个方向上的DN20支撑钢管3-9固定。 
第二步：安装供水系统2和四喷嘴组合式降雨发生器1。 
向DN32套管3-5中插入DN25输水钢管2-1，然后往第三级固定螺母3-13中拧入螺栓，将供水系统2和升降式模拟降雨器支架3连接在一起，固定过程中转动DN25输水钢管2-1，使得第二直角弯头2-2开口垂直向上；四喷嘴组合式降雨发生器1通过活接1-7与供水系统2中的第二直角弯头2-2相连，使得四喷嘴组合式降雨发生器1与供水系统2形成一个闭合体系。 
第三步：设置降雨强度、调节降雨高度。 
打开相应数目的球阀1-4使四喷嘴组合式降雨发生器1达到预期的组合模式；然后，根据地被物高度确定四喷嘴组合式降雨发生器1的高度，依次拉伸DN25钢管3-4、DN32钢管3-3，当到达合适高度时，向第一级固定螺母3-10、第二级固定螺母3-11中拧入螺栓固定相应钢管，从而满足不同植被和土地利用类型的需要；最后，通过拉紧并固定连接于DN25钢管3-4上的三根固定用钢丝绳3-14，最终将整个降雨器牢牢固定。 
第四步：开始模拟降雨试验。 
接通水泵开关，开始向供水系统2输水，同时记录水表2-7读数，缓慢调节闸阀2-5控制来水水量，最终使得水压表2-6达到事先校正所确定的压力值，从而保证喷嘴1-6在所需水压下正常工作；试验过程中随时调节闸阀2-5维持水压恒定，直至模拟降雨实验结束；模拟降雨实验结束时，记录水表2-7读数，计算水表前后差值，根据洒水面积和降雨时间便计算得到某时段的实际降雨强度。 
本发明中的喷嘴型号可以根据研究需要自行选择。本实施例中使用喷嘴型号为LECHLER 459.008.30.BK.00.0，实验数据如表2。 
表2 本发明实验数据（喷嘴型号为LECHLER 459.008.30.BK.00.0） 
Figure 446767DEST_PATH_IMAGE002
。

Claims (4)

1.一种适宜高异质性喀斯特坡地的可升降便携式模拟降雨器，它包括四喷嘴组合式降雨发生器（1）、供水系统（2）和升降式模拟降雨器支架（3），其特征在于：四喷嘴组合式降雨发生器（1）和供水系统（2）通过活接（1-7）与第二直角弯头（2-2）拧合在一起，向DN32套管（3-5）中插入DN25输水钢管（2-1），然后往第三级固定螺母（3-13）中拧入螺栓，将供水系统（2）和升降式模拟降雨器支架（3）连接在一起。
2.根据权利要求1所述的一种适宜高异质性喀斯特坡地的可升降便携式模拟降雨器，其特征在于：所述的四喷嘴组合式降雨发生器（1）由第一级三通（1-1）、第二级三通（1-2）、直通（1-3）、球阀（1-4）、第一直角弯头（1-5）、实心锥形喷嘴（1-6）、活接（1-7）构成，第一级三通（1-1）主管两端均通过直通（1-3）与第二级三通（1-2）支管相连，第二级三通（1-2）主管与第一级三通（1-1）支管垂直，第一级三通（1-1）支管接活接（1-7），第二级三通（1-2）主管两端均连接球阀（1-4），球阀（1-4）控制开关位于第一级三通（1-1）支管一侧，球阀（1-4）和实心锥形喷嘴（1-6）之间通过第一直角弯头（1-5）连接，实心锥形喷嘴（1-6）与第一级三通（1-1）主管垂直。
3.根据权利要求1所述的一种适宜高异质性喀斯特坡地的可升降便携式模拟降雨器，其特征在于：所述的供水系统（2）由以下部分构成：DN25输水钢管（2-1）、第二直角弯头（2-2）、第三直角弯头（2-3）、橡胶软管（2-4）、闸阀（2-5）、水压力表（2-6）、水表（2-7），在DN25输水钢管（2-1）一端拧合第二直角弯头（2-2）至开口垂直向上，另一端拧合第三直角弯头（2-3）至开口垂直向下，橡胶软管（2-4）连接到第三直角弯头（2-3）另一端，在橡胶软管（2-4）的一端依次接入闸阀（2-5）、水压力表（2-6）、水表（2-7）。
4.根据权利要求1所述的一种适宜高异质性喀斯特坡地的可升降便携式模拟降雨器，其特征在于：所述的升降式模拟降雨器支架（3）由以下部分构成：带孔底座（3-1）、DN38钢管（3-2）、DN32钢管（3-3）、DN25钢管（3-4）、DN32套管（3-5）、第一六角头螺栓（3-6）、第二六角头螺栓（3-7）、第三六角头螺栓（3-8）、可活动DN20支撑钢管（3-9）、第一级固定螺母（3-10）、第二级固定螺母（3-11）、支撑杆（3-12）、第三级固定螺母（3-13）、固定用钢丝绳（3-14），以带孔底座（3-1）圆心为中心，将DN38钢管（3-2）一端焊接到带孔底座（3-1上），然后依次向DN38钢管（3-2）中套入DN32钢管（3-3），向DN32钢管（3-3）中套入DN25钢管（3-4），在DN25钢管（3-4）朝上的一端横向垂直焊接DN32套管（3-5），焊接点中心与DN32套管（3-5）重心重叠，DN32套管（3-5）和DN25钢管（3-4）之间焊接支撑杆（3-12），分别在DN38钢管（3-2）、DN32钢管（3-3）上端的位置打孔并焊接第一级固定螺母（3-10）、第二级固定螺母（3-11），在DN32套管（3-5）两端的位置打孔并焊接第三级固定螺母（3-13），在DN38钢管（3-2）依次焊接第一六角头螺栓（3-6）、第二六角头螺栓（3-7）和第三六角头螺栓（3-8），在同一平面内相互呈120°角，将三条打孔的可活动DN20支撑钢管（3-9）上端分别套入第一六角头螺栓（3-6）、第二六角头螺栓（3-7）和第三六角头螺栓（3-8）上，第一六角头螺栓（3-6）、第二六角头螺栓（3-7）和第三六角头螺栓（3-8）中分别拧入螺母将三个方向上的DN20支撑钢管（3-9）固定，在DN25钢管（3-4）同一圆周上焊接三根固定用钢丝绳（3-14），每根固定用钢丝绳（3-14）间呈120°角。
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