CN107610577B - 水文循环模拟实验系统及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水文循环模拟实验系统，包括相互连接的四部分，模拟降雨系统，流域地形模型及产汇流模拟装置，供水管道系统和控制系统，模拟降雨系统位于流域地形模型及产汇流模拟装置的上方，供水管道系统分别与模拟降雨系统和流域地形模型及产汇流模拟装置连接，控制系统与模拟降雨系统和流域地形模型及产汇流模拟装置连接，直观地、系统地、完整地表现了水文循环所涉及的各个部分，解决了现有技术中的实验装置无法综合完整的进行整个水文循环系统进行模拟的问题。本发明还公开了利用该系统进行试验的方法。

Description

水文循环模拟实验系统及实验方法

技术领域

本发明专利属于水文学实验设备技术领域，涉及一种水文循环模拟实验系统，本发明还涉及利用该模拟实验系统的实验方法。

背景技术

水文循环是发生于大气水、地表水和地壳岩石空隙中的地下水之间的水循环，是水文学领域的核心概念。在教学方面，学生仅仅从文字方面很难深刻全面理解水文循环的原理，需要一套完整演示与实验的系统，让学生可以亲自观看水文循环的过程，并能动手测量水文循环中的一些基本要素，如降雨量，入渗量，产流及汇流等，使学生更好的掌握水文循环的原理。目前，我国尚没有一套完整模拟演示水文循环的系统，只有单一的降雨、入渗或产汇流的装置，对科研和教学都造成了诸多不便。

发明内容

本发明的目的是提供一种水文循环模拟实验系统，直观地、系统地、完整地表现了水文循环所涉及的各个部分，解决了现有技术中的实验装置无法综合完整的进行整个水文循环系统进行模拟的问题。

本发明所采用的技术方案是，水文循环模拟实验系统，包括相互连接的四部分，分别是：模拟降雨系统，流域地形模型及产汇流模拟装置，供水管道系统和控制系统，模拟降雨系统位于流域地形模型及产汇流模拟装置的上方，供水管道系统分别与模拟降雨系统和流域地形模型及产汇流模拟装置连接，控制系统与模拟降雨系统和流域地形模型及产汇流模拟装置连接。

本发明的特点还在于，

模拟降雨系统，包括降雨器和雨水收集槽，降雨器包括降雨支架和降雨喷头，降雨支架的上方设置有挡雨板，在降雨支架上布置有若干降雨喷头，挡雨板位于降雨支架上方的周围，挡雨板下方的降雨支架上设置有雨水收集槽，雨水收集槽通过雨水收集回水管与回水箱连接。

流域地形模型及产汇流模拟装置装置包括模拟自然界水路的部分、模拟地层部分和用于检测水文数据的检测装置三个部分，其中，自然界水路的部分包括分布在整个装置各处的潜水完整井、承压完整井、河道供水管、河道排水管、泉水出口、泉水入口、湖水供水口，湖水排水口。

流域地形模型及产汇流模拟装置包括模拟不同地层的结构的模拟地层部分，从下到上依次为不透水层、承压水层、第二不透水层、潜水层；潜水层中设置有潜水层测压管，承压水层中设置有承压层测压管，泉水入口位于承压含水层，潜水完整井埋设于潜水层，承压完整井埋设于承压水层。

检测水文数据的检测装置包括潜水层测压管、潜水层测压管液位传感器、潜水层地下水位采集器、雨量筒、承压层测压管、附带承压层测压管液位传感器、承压层地下水位采集器、流量计、河道流量采集器和液位传感器，潜水层测压管液位传感器设置在潜水层测压管下面，承压层测压管液位传感器设置在承压层测压管下面。

供水管道系统包括作为水源的蓄水箱、回水箱、稳压水箱以及连接他们的一系列管路，蓄水箱上连接有外界补水管，回水管道和降雨供水管，外界补水管与外部连接，回水管道与回水水泵连接，降雨供水管通过加压泵和稳压水箱后与降雨装置中的降雨喷头连接。

回水水泵位于回水箱内，回水箱上连接有河道排水管、湖水排水管、溢流盒回水管和降雨收集回水管，回水箱通过降雨收集回水管和雨水收集槽连接，回水箱通过溢流盒回水管和溢流盒连接，回水箱通过湖水排水管和流域地形模型及产汇流模拟装置装置连接，流域地形模型及产汇流模拟装置装置通过河道排水管和回水箱连接，且在河道排水管上设置有流量计，流域地形模型及产汇流模拟装置装置通过湖水供水管与蓄水箱连接，流域地形模型及产汇流模拟装置装置通过河道供水管和蓄水箱连接，在河道供水管上设置有溢流盒。

湖水供水管上设置有阀门B，河道供水管上设置有阀门C，在降雨供水管上设置有阀门A。

控制系统包括中控计算机，中控计算机与水泵变频控制器连接，水泵变频控制器加压泵连接，用来控制加压泵，中控计算机与降雨控制器和降雨器依次连接；中控计算机与承压层地下水位采集器、潜水层地下水位采集器和河道流量采集器分别连接，承压层地下水位采集器与承压层测压管液位传感器连接，潜水层地下水位采集器与潜水层测压管液位传感器连接，河道流量采集器与流量计连接。

本发明的另一目的是提供一种水文循环模拟实验系统的实验方法。

本发明的另一技术方案是，利用权利要求水文循环模拟实验系统进行试验的方法，具体按照以下步骤实施，

步骤1，在开始做实验前，通过外界补水管给作为水源的蓄水箱提供足够的水流量，打开供水管道系统中各处的阀门；

步骤2，检查控制系统中各连线是否已可靠连接，交流市电供电是否正常，导线有无破损等。如无异常，按动电源开关，打开中控计算机3；

步骤3，在中控计算机上查看降雨喷头和加压泵的工作状态是否正常，设置降雨时间、降雨雨型和降雨强度后，启动降雨；

步骤4，调节湖水位和河道水位，进行降雨强度测定，中控计算机自动记录潜水和承压水层测压管的水位变化过程，记录河道流量变化过程；

步骤5，实验完成后，关闭加压泵，关闭供水系统中各阀门，排空稳压水箱的积水，下载数据，关闭中控计算机。

本发明的有益效果是全面展示了水文循环的各个要素，并且组成一个有机系统，在教学上，可以向学生直观演示一个完整流域的各个部分，直观观察水文循环中的降雨、产流、汇流、河道径流、入渗及补给的过程，使得学习过程可以将水文循环的各个要素及过程串联起来，便于更好的理解与记忆。在科研上，本发明可以帮助研究者对水文循环各组成要素的参数进行试验测定，有助于精确建立流域水文循环模型。

附图说明

图1是本发明的水文循环模拟实验系统的模拟地形俯视图；

图2是本发明的水文循环模拟实验系统的模拟地形正视图；

图3本发明的水文循环模拟实验系统中的降雨喷头布置图；

图4本发明的水文循环模拟实验系统中的钢结构支架图；

图5本发明的水文循环模拟实验系统中的供水管道系统的结构示意图；

图6本发明的水文循环模拟实验系统中的供水管道系统的控制系统结构示意图。

图中，1.潜水层测压管，2.潜水完整井，3.泉水出口，4.泉水入口，5.承压层测压管，6.承压完整井，7.湖水供水管，8.湖水排水管，9.雨量筒，10.河道供水管，11.河道排水管，12.潜水层，13.不透水层，14.承压水层，15.阀门A，151.阀门B，152.阀门C，16.井的透水部分，17.降雨喷头，18.降雨支架，19.降雨供水管，20.降雨收集回水管，21.蓄水箱，22.回水管道，23.外界补水管，24.流域地形模型及产汇流模拟装置，25.回水箱，26.回水水泵，27.加压泵，28.稳压水箱，29.雨水收集槽，30.溢流盒回水管，31.溢流盒，32.流量计，33.中控计算机，34.降雨器，35.水泵变频控制器，36.降雨控制器，37.承压层地下水位采集器，38.潜水层地下水位采集器，39.承压层测压管液位传感器，40.潜水层测压管液位传感器，42.河道流量采集器，43.水位控制器，44.液位传感器，45.模拟地形钢架，46.挡雨板。

具体实施方式

水文循环模拟实验系统主要包括四大部分，流域地形模型及产汇流模拟装置24，模拟降雨系统，供水管道系统和控制系统。

流域地形模型及产汇流模拟装置24主要用于对小流域地形的模拟，其地形如图1所示，该流域地形模型及产汇流模拟装置24包括模拟自然界水路的部分、模拟地层部分和用于检测水文数据的检测装置三个部分，

其中，模拟自然界水路部分包括潜水完整井2、承压完整井6、河道供水管10、河道排水管11、泉水出口3、泉水入口4、湖水供水管7，湖水排水管8。

如图2所示，该流域地形模型及产汇流模拟装置24还包括模拟不同地层的结构，从下到上依次为不透水层13、承压水层14、第二不透水层13、潜水层12；潜水层12中设置有潜水层测压管1，承压水层14中设置有承压层测压管5，泉水入口4位于承压含水层14，潜水完整井2埋设于潜水层12，承压完整井6埋设于承压水层14；

模拟降雨系统位于流域地形模型及产汇流模拟装置24的上方，供水管道系统3与模拟降雨系统及流域地形模型及产汇流模拟装置24相连接，控制系统与模拟降雨系统和流域地形模型及产汇流模拟装置24连接，用于控制水流并采集数据。

模拟降雨系统，如图3和图4所示，包括降雨器34和雨水收集槽29，降雨器34包括降雨支架18、降雨喷头17和设置在降雨支架18上方的挡雨板46，在降雨支架18上布置有若干降雨喷头17，挡雨板46位于降雨支架18上方的周围，用于防止喷头的水向装置外侧喷洒；

挡雨板46下方的降雨支架18上设置有雨水收集槽29，雨水收集槽29通过雨水收集回水管20与回水箱25连接。

检测水文数据的检测装置包括潜水层测压管1、潜水层测压管液位传感器40、潜水层地下水位采集器38、雨量筒9、承压层测压管5、附带承压层测压管液位传感器39、承压层地下水位采集器37、流量计32、河道流量采集器42和液位传感器44，潜水层测压管液位传感器40设置在潜水层测压管1下面，承压层测压管液位传感器39设置在承压层测压管5下面。

供水管道系统如图5所示，包括作为水源的蓄水箱21、回水箱25、稳压水箱28以及连接他们的一系列管路，其中，蓄水箱21上连接有外界补水管23，回水管道22和降雨供水管19，外界补水管23与外部连接，回水管道22与回水水泵26连接，降雨供水管19通过加压泵27和稳压水箱28后与降雨装置中的降雨喷头17连接，在降雨供水管19上设置有阀门A15。

26上连接有一个水位控制器43，水位控制器43还与液位传感器44连接，液位传感器44设置在回水箱25内，回水水泵26位于回水箱25内，回水箱25上连接有河道排水管11、湖水排水管8、溢流盒回水管30和降雨收集回水管20，回水箱25通过降雨收集回水管20和雨水收集槽29连接，回水箱25通过溢流盒回水管30和溢流盒31连接，回水箱25通过湖水排水管8和流域地形模型及产汇流模拟装置装置24连接，流域地形模型及产汇流模拟装置装置24通过河道排水管11和回水箱25连接，且在河道排水管11上设置有流量计32。

流域地形模型及产汇流模拟装置装置24通过湖水供水管7与蓄水箱21连接，流域地形模型及产汇流模拟装置装置24通过河道供水管10和蓄水箱21连接，在河道供水管10上设置有溢流盒31；

湖水供水管7上设置有阀门B151，河道供水管10上设置有阀门C152。

控制系统如图6所示，包括中控计算机33，中控计算机33与水泵变频控制器35连接，水泵变频控制器35加压泵27连接，用来控制加压泵27，中控计算机33与降雨控制器36和降雨器34依次连接；

中控计算机33与承压层地下水位采集器37、潜水层地下水位采集器38和河道流量采集器42分别连接，承压层地下水位采集器37与承压层测压管液位传感器39连接，潜水层地下水位采集器38与潜水层测压管液位传感器40连接，河道流量采集器42与流量计32连接。

本水文循环模拟实验系统的工作过程是，当实验开始后，位于较高位置的蓄水箱21作为水源，由外界补水管23加足够的水；然后打开加压泵27后，水依次通过降雨供水管19，稳压水箱28和降雨支架18上的降雨喷头17进行降雨，稳压水箱28起到稳定水压的作用，保证在降雨过程中降雨强度始终保持一致，并且可以通过调节供水压力进而调节降雨强度。由于模拟降雨量不足以快速形成河流和湖泊，因此，打开阀门B151和阀门C152，水可以由蓄水箱23通过自身的势能转化为动能自流通过河道供水管10、溢流盒31和湖供水管7进入流域地形模型及产汇流模拟装置，分别模拟形成河流和湖泊，溢流盒31用来调控流域地形模型及产汇流模拟装置中河道的水位，过多的水通过与溢流盒连接的溢流盒回水管30流入回水箱25；河道中的水流经过河道排水管11进入回水箱25，并在河道排水管上装有流量计，实时测定河道的流量；在模拟降雨过程中，喷头具有一定的喷射角，部分降雨会落在流域地形模型及产汇流模拟装置24之外的地方，这些降雨由降雨钢结构支架18的四周的挡雨板46和雨水收集槽29进行收集，并通过降雨收集回水管20进入回水箱25；在回水箱中装有液位传感器44，当水位达到一定高度后，水位控制器43会打开回水水泵26，水通过回水管道22进入水源(蓄水箱)，这样完成了水的循环利用。

本发明水文循环系统实现自动化控制，控制系统的中控计算机30与承压层地下水位采集器37连接，采集承压层测压管5所装的承压层测压管液位传感器39的数据，自动记录承压层地下水水位的变化；与潜层地下水位采集器38连接，采集潜水层测压管1所装的潜水层测压管液位传感器40的数据，自动记录潜水层地下水水位的变化；与河道流量采集器42连接，通过流量计32采集河道流量；与水泵变频控制器35连接，控制降雨加压泵27的开、关及降雨时的供水压力；与降雨控制器36连接，控制降雨器34开和关。

通过钢结构支架18，降雨喷头17和降雨供水管19模拟降雨过程，实施时，由钢结构支架18上的降雨喷头17根据预设的降雨强度进行降雨，降雨强度由供水加力泵27控制，实现通过实验确定供水压力与降雨强度的关系，这个关系直接编入中控计算机33控制软件程序中，操作人员只需要设置降雨强度，中控计算机33即可控制加压泵27按指定压力供水，由预先设置在下方的雨量筒9测量降雨量。

通过潜水层测压管1和承压层测压管5模拟自然条件下降雨过程对地下水的影响。通过潜水层测压管1观测潜水层12中在不同位置潜层地下水水位的变化情况；通过承压层测压管5观测承压水层在不同位置地下水的压力变化，这两者可以直观理解降雨对潜层地下水和承压地下水的补给过程，并且可以通过测压管的压力变化测量潜水层和承压水层的渗透系数；

通过泉水入口4和泉水出口3模拟自然条件下泉的形成过程。地下水通过泉水入口4入渗进入管道，由于4处于承压含水层，具有一定水压，入渗的水会通过管道由于压力的作用由泉水出口3排出，形成泉的现象。在试验结束后，可以通过阀门15，排放完泉中的残余水量。

通过潜水完整井2和承压完整井6模拟井水的形成过程。在降雨后潜层地下水和承压层地下水形成，埋设于潜水层12的潜水完整井2和埋设于承压水层14的承压完整井6通过井的透水部分16渗入水，形成井水，在此过程中，可以直接观察井水位的上涨降落过程，结合测压管可以进行井的抽水实验，在试验结束后，可以通过阀门15，排放完井中的残余水量。

通过湖水供水口7和湖水排水口8模拟湖水的形成和补给过程。由于降雨不能快速形成湖，系统设置了湖水供水口7，通过水泵给湖提供部分水量，在降雨时快速模拟湖的形成，并且湖所在的位置与承压含水层相连，可以模拟降雨过程中湖水对承压含水层的补给过程。在降雨结束或试验结束后，可以通过湖水排水口8排泄完湖中水。

通过河道供水管10，河道排水管11，溢流盒31和流量计32模拟降雨条件下产汇流及河道径流过程。开始降雨后，由于降雨不能及时形成河川径流过程，通过河道供水管10给河道加水，模拟河道径流状态，通过溢流盒31控制河道水位，通过河道排水管11上所装的流量计32测量河道流量。

本发明利用上述水文循环模拟实验系统进行试验的方法，具体按照以下步骤实施，

步骤1，在开始做实验前，通过外界补水管给作为水源的蓄水箱提供足够的水量，并保证承压含水层充满水，打开供水管道系统中各处的阀门；

步骤2，检查控制系统中各连线是否已可靠连接，交流市电供电是否正常，导线有无破损等。如无异常，按动电源开关，打开中控计算机3；

步骤3，在中控计算机上查看降雨喷头和加压泵的工作状态是否正常，设置降雨时间、降雨雨型和降雨强度后，启动降雨；

步骤4，调节湖水位和河道水位，进行降雨强度测定，中控计算机自动记录潜水和承压水层测压管的水位变化过程，记录河道流量变化过程；

步骤5，实验完成后，关闭加压泵，关闭供水系统中各阀门，排空稳压水箱的积水，下载数据，关闭中控计算机。

本发明的模拟实验系统和实验方法，能够模拟进行实验的情形有：

(1)展现小流域的地形及流域的三维地质结构，包括山地、平原、湖泊，河道，井及泉等水文循环所涉及的各种地形形式；

(2)通过模拟降雨系统，模拟不同雨强的降雨；

(3)降雨后在流域不同地形条件下的产流过程；

(4)汇流过程，降雨产流汇于河道形成径流的过程；

(5)入渗补给过程，包括入渗形成潜水和承压水的过程；

(6)排泄过程，模拟在流域较低地势处，地下水形成井和泉的过程；

(7)蒸散发过程，降雨后，流域表面和地下水由于蒸发缓慢变干及地下水水位下降过程。

Claims (4)

1.水文循环模拟实验系统，其特征在于，包括相互连接的四部分，分别是：模拟降雨系统、流域地形模型及产汇流模拟装置(24)、供水管道系统和控制系统，所述的模拟降雨系统位于流域地形模型及产汇流模拟装置(24)的上方，所述的供水管道系统(3)分别与模拟降雨系统和流域地形模型及产汇流模拟装置(24)连接，所述的控制系统与模拟降雨系统和流域地形模型及产汇流模拟装置(24)连接；

所述的流域地形模型及产汇流模拟装置(24)包括模拟不同地层的结构的模拟地层部分，从下到上依次为不透水层(13)、承压水层(14)、第二不透水层(13-1)、潜水层(12)；所述的潜水层(12)中设置有潜水层测压管(1)，所述的承压水层(14)中设置有承压层测压管(5)，泉水入口(4)位于承压含水层(14)，潜水完整井(2)埋设于潜水层(12)，承压完整井(6)埋设于承压水层(14)；

所述的流域地形模型及产汇流模拟装置(24)包括模拟自然界水路的部分、模拟地层部分和用于检测水文数据的检测装置三个部分，其中，所述的自然界水路的部分包括分布在整个装置各处的潜水完整井(2)、承压完整井(6)、河道供水管(10)、河道排水管(11)、泉水出口(3)、泉水入口(4)、湖水供水口(7)，湖水排水口(8)；

所述的检测水文数据的检测装置包括潜水层测压管(1)、潜水层测压管液位传感器(40)、潜水层地下水位采集器(38)、雨量筒(9)、承压层测压管(5)、附带承压层测压管液位传感器(39)、承压层地下水位采集器(37)、流量计(32)、河道流量采集器(42)和液位传感器(44)，所述的潜水层测压管液位传感器(40)设置在潜水层测压管(1)下面，承压层测压管液位传感器(39)设置在承压层测压管(5)下面；

所述的供水管道系统包括作为水源的蓄水箱(21)、回水箱(25)、稳压水箱(28)以及连接他们的一系列管路，所述的蓄水箱(21)上连接有外界补水管(23)，回水管道(22)和降雨供水管(19)，所述的外界补水管(23)与外部连接，所述的回水管道(22)与回水水泵(26)连接，所述的降雨供水管(19)通过加压泵(27)和稳压水箱(28)后与降雨装置中的降雨喷头(17)连接；

所述的回水水泵(26)位于回水箱(25)内，所述的回水箱(25)上连接有河道排水管(11)、湖水排水管(8)、溢流盒回水管(30)和降雨收集回水管(20)，所述的回水箱(25)通过降雨收集回水管(20)和雨水收集槽(29)连接，所述的回水箱(25)通过溢流盒回水管(30)和溢流盒(31)连接，所述的回水箱(25)通过湖水排水管(8)和流域地形模型及产汇流模拟装置(24)连接，所述的流域地形模型及产汇流模拟装置(24)通过河道排水管(11)和回水箱(25)连接，且在河道排水管(11)上设置有流量计(32)，所述的流域地形模型及产汇流模拟装置(24)通过湖水供水管(7)与蓄水箱(21)连接，所述的流域地形模型及产汇流模拟装置(24)通过河道供水管(10)和蓄水箱(21)连接，在河道供水管(10)上设置有溢流盒(31)；

所述的湖水供水管(7)上设置有阀门B(151)，所述的河道供水管(10)上设置有阀门C(152)，在所述的降雨供水管(19)上设置有阀门A(15)。

2.根据权利要求1所述的水文循环模拟实验系统，其特征在于，所述的模拟降雨系统，包括降雨器(34)和雨水收集槽(29)，所述的降雨器(34)包括降雨支架(18)和降雨喷头(17)，所述的降雨支架(18)的上方设置有挡雨板(46)，在降雨支架(18)上布置有若干降雨喷头(17)，所述的挡雨板(46)位于降雨支架(18)上方的周围，所述的挡雨板(46)下方的降雨支架(18)上设置有雨水收集槽(29)，所述的雨水收集槽(29)通过雨水收集回水管(20)与回水箱(25)连接。

3.根据权利要求1所述的水文循环模拟实验系统，其特征在于，所述的控制系统包括中控计算机(33)，所述的中控计算机(33)与水泵变频控制器(35)连接，所述的水泵变频控制器(35)加压泵(27)连接，用来控制加压泵(27)，所述的中控计算机(33)与降雨控制器(36)和降雨器(34)依次连接；所述的中控计算机(33)与承压层地下水位采集器(37)、潜水层地下水位采集器(38)和河道流量采集器(42)分别连接，所述的承压层地下水位采集器(37)与承压层测压管液位传感器(39)连接，所述的潜水层地下水位采集器(38)与潜水层测压管液位传感器(40)连接，所述的河道流量采集器(42)与流量计(32)连接。

4.利用权利要求1所述的水文循环模拟实验系统进行试验的方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施，

步骤1，在开始做实验前，通过外界补水管(23)给作为水源的蓄水箱(21)提供足够的水流量，并保证承压含水层(14)充满水，打开供水管道系统中各处的阀门；

步骤2，检查控制系统中各连线是否已可靠连接，交流市电供电是否正常，导线有无破损；如无异常，按动电源开关，打开中控计算机(33)；

步骤3，在中控计算机上查看降雨喷头(17)和加压泵(27)的工作状态是否正常，设置降雨时间、降雨雨型和降雨强度后，启动降雨；

步骤4，调节湖水位和河道水位，进行降雨强度测定，中控计算机(33) 自动记录潜水和承压水层测压管的水位变化过程，记录河道流量变化过程；

步骤5，实验完成后，关闭加压泵，关闭供水系统中各阀门，排空稳压水箱的积水，下载数据，关闭中控计算机(33)。

Images