CN107121533A - 一种模拟地表水位变化及干湿交替的试验装置及其使用方法 - Google Patents

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韩广轩
管博
孙宝玉
陈亮
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Abstract

本发明涉及生态环境工程技术领域，具体地说是一种模拟地表水位变化及干湿交替的试验装置及其使用方法。试验装置供水系统、至少一个的植被生长池和水深控制系统组成；所述供水系统的集水箱出水管与植被生长池内的进水管的进水口相连，水深控制系统设置于植被生长池的池壁上，控制水位；其中，池壁上设有水位控制出水口和排水管。本发明能够在不改变原生群落植被及土壤特征的基础上有效的模拟不同的地表水位梯度及干湿交替对植物群落生长的影响。本发明装置能够自动精确的控制地表水位梯度及干湿交替变化情况，能够地表水位控制准确，大大提高了试验的精确性。本发明可以全自动控制地表水水位梯度，操作简便，工作量低。

Description

一种模拟地表水位变化及干湿交替的试验装置及其使用方法
技术领域
本发明涉及生态环境工程技术领域，具体地说是一种模拟地表水位变化及干湿交替的试验装置及其使用方法。
背景技术
水文过程控制着湿地的形成、维持与演化，是塑造湿地生态系统结构与功能以及湿地景观格局动态特征的重要驱动力。因此，认知湿地水文过程如淹水深度、淹没时间及干湿交替等是探知湿地演变规律、生态系统结构、生态过程和生态服务功能的前提和基础，可为湿地生态系统的保护、利用以及恢复与重建提供支撑和保障。现有技术中，在有关模拟地表水位变化及干湿交替对生物生长影响的室内、室外模拟研究中，主要是依靠人工灌水和排水的方式。首先，多数模拟方法改变了土壤原来的属性，并不能准确计量不同地表水淹深度条件下原生植物群落的生长状况，也容易造成结果的随意性和不精确性。其次，整个灌水和放水过程都依赖于人工操作，工作量大，操作也极为不便。进而继续一种能够自动精确的控制地表水位梯度及干湿交替变化情况的装置。
发明内容
本发明的目的在于在不改变原生群落植被及土壤特征的基础上提供一种模拟地表水位变化及干湿交替处理的试验装置及其使用方法。
为实现上述目的，本发明采用技术方案为：
一种模拟地表水位变化及干湿交替的试验装置,试验装置供水系统、至少一个的植被生长池和水深控制系统组成；所述供水系统的集水箱出水管6与植被生长池内的进水管7的进水口相连，水深控制系统设置于植被生长池的池壁9上，控制水位；其中，池壁9上设有水位控制出水口10和排水管11。
所述供水系统包括集水箱3和水位感应探头4；集水箱3的进水口通过管路与水泵1相连，出水口连接有出水管6，水泵与集水箱的进水口之间设有水位控制开关2，集水箱的进水口上设有水位感应探头4。
所述集水箱的进水口设有监测水位高低的两个水位感应探头4；所述集水箱3的出水管6上设有控制管路启停及调整流量的控制阀。
当所述集水箱3中的水位达到处于高位的水位感应探头4时，所述水位控制开关2关闭，水泵1停止供水，当所述集水箱3内水位下降到处于低位的水位感应探头4时，所述水位控制开关2打开，水泵1重新供水。
所述植被生长池设有侧壁9、池内底部的土壤层13和进水管7；植被生长池侧壁9底部设置有与集水箱出水管6相连的进水管7，进水管7的出水口连有铜浮球阀8，植被生长池的侧壁9上设有控制阀和排水管道。
所述铜浮球阀8能够控制进水管7的开启和关闭，所述铜浮球阀8能够根据植被生长池内水位高低变化来自动开启补水或关闭补水。
所述排水管道为水位控制出水管10和出水管11，其中水位控制出水管10位于设定植被生长池水位高度，所述排水管11位于植被生长池土壤表层，所述水位控制出水管10和排水管11在植被生长池壁9外部的一端设有控制阀。
所述横向设置的多个植被生长池中的进水管7高度呈地表水位梯度设置。进水管7高度的设置与待测定植物相关，相邻两个植被生长池的进水管7的高度差为5-10cm。
所述植被生长的池壁9底部的土壤层13埋有隔水层土工布12。
一种模拟地表水位变化及干湿交替的试验装置的使用方法,在进行模拟地表水位变化试验时，首先将水泵1开启，开启水位控制开关2，使得集水箱3中的水位达到预定高度，调整铜浮球阀8的控制水位高度，开启集水箱3出水管6的控制阀，集水箱3中的水会通过出水管6流到进水管7中并开始向植被生长池中供水，铜浮球随着水位升高而漂起，当植被生长池中水位到达设定水位时，铜浮球阀8将进水管堵死，阀门关闭，停止供水；当由于蒸发或地下水下渗导致植被生长池水位降低时，铜浮球随之下沉，铜浮球阀8自动重新开启，集水箱3中的水会通过出水管6流到进水管7中并重新向植被生长池中供水，铜浮球随着水位升高而漂起，直到重新到达设定水位，铜浮球阀8关闭，当由于降雨作用使植被生长池中水位上升时，多余的水会从水位控制出水管10中排出，使生长池内水位保持不变。
当进行干湿交替实验时，在淹水处理阶段，首先将水泵1开启，开启水位控制开关2，使得集水箱3中的水位达到预定高度，并调整铜浮球阀8水位高度，然后供水系统开始供水，直到植被生长池中水位到达设定水位时，铜浮球阀8关闭，停止供水；在进行干旱处理阶段，关闭集水箱3出水口6的控制阀，并开启排水系统的排水管11将植被生长池内的水排出即可。
本发明的工作原理为：
本发明根据试验的要求设置合适的地表水位梯度及干湿交替处理，根据试验要求，首先根据不同植被生长池水位要求固定进水管7的高度，再通过调节铜浮球阀8控制开关的角度精确(该角度是指铜浮球随着水位升高漂起时铜浮球阀8与水平线产生的最小角度，达到该角度时阀门自动关闭)设定植被生长池内的试验水位。即当生长池内水位低于设定水位时，铜浮球阀8自动开启进行进水，水位上升同时铜浮球也同时上升，到达设定水位时，铜浮球阀8将水管堵死，阀门关闭。当降雨使得生长池水位上升时，多余水可以从水位控制出水管10自动排出。
当进行地表水淹实验时，首先将水泵1放入集雨池中或连接自来水管，调整铜浮球阀8的角度来精确设置地表水位高度，开启水位控制开关2，使得集水箱3中的水位达到预定高度，开启集水箱3出水管6的控制阀，当植被生长池内没水时，铜浮球呈下沉状态，阀门开启，集水箱3中的水会通过出水管6流到进水管7中并开始向植被生长池中供水，供水过程中集水箱3中的水位会下降，当水位下降到水位感应探头4的最低水位探头时水位控制开关2打开，自动启动水泵1抽水，直到水位达到最高水位探头时水位控制开关2关闭，自动停止抽水。当植被生长池中水位到达设定水位时，铜浮球阀8将关闭，停止供水。当由于蒸发或地下水下渗导致植被生长池水位降低时，铜浮球随之下沉，阀门重新开启，集水箱3中的水继续向植被生长池中供水直至重新到达设定水位。当由于降雨作用使植被生长池中水位上升时，多余的水会从水位控制出水管10中排出，当试验完成后,开启排水系统的排水管11即将水排出。
当进行干湿交替模拟试验时，在进行淹水处理阶段，首先将水泵1放入集雨池中或连接自来水管，开启水位控制开关2，使得集水箱3中的水位达到预定高度，并调整铜浮球阀8来精确设置地表水位高度，然后供水系统开启供水，直到植被生长池中水位到达设定水位时，铜浮球阀8将水管堵死，阀门关闭，停止供水；在进行干旱处理阶段，关闭集水箱3出水口6的控制阀，并开启排水系统的排水管11将植被生长池内的水排出即可。
本发明的优点与积极效果为：
1.本发明能够在不改变原生群落植被及土壤特征的基础上有效的模拟不同的地表水位梯度及干湿交替对植物群落生长的影响。
2.本发明装置能够自动精确的控制地表水位梯度及干湿交替变化情况，能够地表水位控制准确，大大提高了试验的精确性。
3.本发明可以全自动控制地表水水位梯度，操作简便，工作量低。
附图说明
图1为本发明实施例提的集水箱和进水系统侧视图。
图2为本发明实施例提的单个生长池地表水位控制系统侧视图；
其中1为水泵，2为水位控制开关，3为集水箱，4为水位感应探头，5为水泥平台，6为出水管，7为进水管，8为水位控制铜浮球阀，9为水泥池壁，10为水位控制出水管，11为排水管，12为地下隔水层土工布，13为土壤层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详述。
本发明装置包括集水箱、植被生长池、铜浮球阀、进水管和水位控制出水管。进行模拟地表水位试验时，开启水泵将集水箱装水,并通过调整铜浮球阀角度精确设定植被生长池内的水位，其中集水箱中的水量由水位控制开关自动控制，当植被生长池内水位达到设定的试验水位时，铜浮球阀自动关闭，停止供水，若植被生长池中水位下降，铜浮球下沉导致铜浮球阀开启重新供水；进行干湿交替模拟试验时，淹水期集水箱中的水自动流入植被生长池中直至铜浮球漂起达到预定水位高度，铜浮球阀自动关闭，停止进水，干旱期只需关闭水泵并打开植被生长池排水管，排干池内水即可。本发明装置设置多个不同植被生长池，不同的植被生长池设定不同的地表水位高度(该水位高度设定之后不可改变)，但每个植被生长池既可以模拟地表水位控制实验，又可以进行干湿交替实验，是通过控制进水管7和排水管11的开启或关闭来实现功能的转换。本发明能够自动精确的控制地表水位深度并高效的进行干湿交替实验。
如图1、2所示，本发明包括供水系统、植被生长池、水深控制系统组成。其中供水系统包括水泵1、水位控制开关2和集水箱3主要组成部分，所述集水箱3放置在水泥平台5上方，所述集水箱3设有进水管、水位感应探头4和集水箱出水管6，所述集水箱出水管6与植被生长池进水管7进水口相通，在所述集水箱3进水管处有全自动水位控制开关2，且在所述集水箱3内部的水位感应探头4有上下两个探头，当水位下降到最低水位探头时水位控制开关2打开，自动启动水泵1抽水，当水位上升到最高水位探头时水位控制开关2关闭，自动停止抽水。所述控制阀为本领域公知技术。
如图2所示，所述植被生长池池壁9为水泥防水池壁，在生长池壁9的底部土壤层13内埋有隔水土工布12，所述植被生长池内土壤和植被均为原状土和原生群落，所述植被生长池进水管7的进水口与集水箱3上的出水管6出水口相连通，所述植被生长池进水管7出水口(插入植被生长池内的进水管7顶端)端设有一水位控制铜浮球阀8，所述铜浮球阀8能够随着生长池内水位的上升、下降而控制出水管管路的关闭和开启，即当生长池内水位上升到设定高度，铜浮球漂起，铜浮球阀8将自动关闭，当生长池内水位下降，铜浮球随之下降，铜浮球阀8重新打开，继续进水。
水深控制系统设在植被生长池池壁9，池壁9上部和下部分别设有水位控制出水管10和排水管11，所述排水管11紧贴土壤层13表面设置，所述水位控制出水管10用于控制水位。
实施例1、研究芦苇群落对不同地表水深的响应
试验装置供水系统、至少一个的植被生长池和水深控制系统组成；所述供水系统的集水箱出水管6与植被生长池内的进水管7的进水口相连，水深控制系统设置于植被生长池的池壁9上，控制水位；其中，池壁9上“设定”水位控制出水口10和排水管11。
所述供水系统包括集水箱3和水位感应探头4；集水箱3的进水口通过管路与水泵1相连，出水口连接有出水管6，水泵与集水箱的进水口之间设有水位控制开关2，集水箱的进水口上设有水位感应探头4。
所述集水箱的进水口设有监测水位高低的两个水位感应探头4；所述集水箱3的出水管6上设有控制管路启停及调整流量的控制阀。
所述植被生长池设有侧壁9、池内底部的土壤层13和进水管7；植被生长池侧壁9底部设置有与集水箱出水管6相连的进水管7，进水管7的出水口连有铜浮球阀8，植被生长池的侧壁9上设有控制阀和排水管道。
所述排水管道为水位控制出水管10和出水管11，其中水位控制出水管10位于设定植被生长池水位高度，所述排水管11位于植被生长池土壤表层，所述水位控制出水管10和排水管11在植被生长池壁9外部的一端设有控制阀。所述植被生长的池壁9底部的土壤层13埋有隔水层土工布12。
所述横向设置的多个植被生长池中的进水管7高度呈地表水位梯度。
上述集水箱3为容积1m3的圆柱形桶，平放到高1m的水泥平台上，集水箱3的进水管与集水箱出水管6均为外径2.5cm，内径2.0cm的PPR管。选择原生芦苇群落区为固定样地建造植被生长池，植被生长池的外形尺寸为长×宽×高＝2m×2m×0.6m，其中植被生长池壁9的厚度为0.24m，埋入地下隔水层土工布12的深度为0.5m。
本实施例总共建36个植被生长池，其中每六个连成一排且每两排相连共三大排，相连两排生长池之间分别接入不同高度的进水管7，进水管7的高度分别为0cm、5cm、10cm、20cm、30cm、40cm地表水位梯度，对面设置相应高度的出水管，每两大排之间间隔1.5m，为植被观测走廊和排水沟。
选定4排24个植被生长池，分别包括预设定的6个地表水位梯度(0cm、5cm、10cm、20cm、30cm、40cm)和4个实验重复。实验初期，调整铜浮球阀8开关的控制角度来精确设置各生长池地表水位高度，然后开启供水系统，直到植被生长池中水位到达设定水位时，铜浮球阀8将自动关闭，停止供水。实验过程中，如因降雨或蒸发等因素产生水位差，多余的水将会从水位控制出水管10自动排出，缺少的水则会因铜浮球阀8的开启而继续供水，直到水位重新达到预定高度。该装置适合研究持续性不同水淹深度对芦苇群落的影响。
实施例2、研究芦苇群落对干湿交替的响应
本实施例与实施例1的不同之处在于选定两排规格为2m×2m×0.6m的12个植被生长池用于模拟干湿交替试验。干湿交替模拟实验分为干旱处理和水淹处理两个阶段，用于水淹处理过程中的预设地表水位梯度分别为10cm、20cm、30cm，每个处理有4个重复试验小区。当水淹处理时，首先将水泵1放入集雨池中或连接自来水管，开启水位控制开关2，使得集水箱3中的水位达到预定高度，并调整铜浮球阀8的角度来精确设置地表水位高度，然后使供水系统经集水箱3向植被生长池8充水，直到铜浮球漂起到达各自水位高度铜浮球阀8自动关闭停止供水；当进行干旱处理时，关闭水泵1，开启排水管11排空植被生长池内水分即可达到干旱处理效果。该装置适合进行研究芦苇群落对干湿交替的响应。

Claims (9)

1.一种模拟地表水位变化及干湿交替的试验装置,其特征在于:试验装置供水系统、至少一个的植被生长池和水深控制系统组成；所述供水系统的集水箱出水管(6)与植被生长池内的进水管(7)的进水口相连，水深控制系统设置于植被生长池的池壁(9)上；其中，池壁(9)上设有水位控制出水口(10)和排水管(11)。
2.按权利要求1所述的模拟地表水位变化及干湿交替的试验装置,其特征在于:所述供水系统包括集水箱(3)和水位感应探头(4)；集水箱(3)的进水口通过管路与水泵(1)相连，出水口连接有出水管(6)，水泵与集水箱的进水口之间设有水位控制开关(2)，集水箱的进水口上设有水位感应探头(4)。
3.按权利要求2所述的模拟地表水位变化及干湿交替的试验装置,其特征在于:所述集水箱的进水口设有监测水位高低的两个水位感应探头(4)；所述集水箱(3)的出水管(6)上设有控制管路启停及调整流量的控制阀。
4.按权利要求1所述的模拟地表水位变化及干湿交替的试验装置,其特征在于:所述植被生长池设有侧壁(9)、池内底部的土壤层(13)和进水管(7)；植被生长池侧壁(9)底部设置有与集水箱出水管(6)相连的进水管(7)，进水管(7)的出水口连有铜浮球阀(8)，植被生长池的侧壁(9)上设有控制阀和排水管道。
5.按权利要求4所述的模拟地表水位变化及干湿交替的试验装置,其特征在于:所述排水管道为水位控制出水管(10)和出水管(11)，其中水位控制出水管(10)位于设定植被生长池水位高度，所述排水管(11)位于植被生长池土壤表层，所述水位控制出水管(10)和排水管(11)在植被生长池壁(9)外部的一端设有控制阀。
6.按权利要求1或4所述的模拟地表水位变化及干湿交替的试验装置,其特征在于:所述横向设置的多个植被生长池中的进水管(7)高度呈地表水位梯度设置。
7.按权利要求4所述的模拟地表水位变化及干湿交替的试验装置,其特征在于:所述植被生长的池壁(9)底部的土壤层(13)埋有隔水层土工布(12)。
8.一种按权利要求1所述的模拟地表水位变化及干湿交替的试验装置的使用方法,其特征在于:在进行模拟地表水位变化试验时，首先将水泵1开启，开启水位控制开关2，使得集水箱3中的水位达到预定高度，调整铜浮球阀8的控制水位高度，开启集水箱3出水管6的控制阀，集水箱3中的水会通过出水管6流到进水管7中并经过铜浮球阀8开始向植被生长池中供水，铜浮球随着水位升高而漂起，当植被生长池中水位到达设定水位时，铜浮球阀8将进水管堵死，阀门关闭，停止供水；当由于蒸发或地下水下渗导致植被生长池水位降低时，铜浮球随之下沉，铜浮球阀8自动重新开启，集水箱3中的水会通过出水管6流到进水管7中并重新向植被生长池中供水，铜浮球随着水位升高而漂起，直到重新到达设定水位，铜浮球阀8关闭，当由于降雨作用使植被生长池中水位上升时，多余的水会从水位控制出水管10中排出，使生长池内水位保持不变。
9.按权利要求8所述的模拟地表水位变化及干湿交替的试验装置的使用方法,其特征在于:当进行干湿交替实验时，在淹水处理阶段，首先将水泵1开启，开启水位控制开关2，使得集水箱3中的水位达到预定高度，然后供水系统开始供水，直到植被生长池中水位到达设定水位时，铜浮球阀8关闭，停止供水；在进行干旱处理阶段，关闭集水箱3出水口6的控制阀，并开启排水系统的排水管11将植被生长池内的水排出即可。
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