CN108195441A - 径流小区土壤水分及出流监测系统及方法 - Google Patents

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CN108195441A
CN108195441A CN201810001622.4A CN201810001622A CN108195441A CN 108195441 A CN108195441 A CN 108195441A CN 201810001622 A CN201810001622 A CN 201810001622A CN 108195441 A CN108195441 A CN 108195441A
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张广英
杨丽虎
王胜宝
周幸
米秋菊
田卫堂
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Hebei Water And Soil Conservation Work General Station
Baoding Water And Soil Conservation Testing Station
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Hebei Water And Soil Conservation Work General Station
Baoding Water And Soil Conservation Testing Station
Institute of Geographic Sciences and Natural Resources of CAS
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F22/00Methods or apparatus for measuring volume of fluids or fluent solid material, not otherwise provided for
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume, or surface-area of porous materials
    • G01N15/08Investigating permeability, pore-volume, or surface area of porous materials

Abstract

本发明提供一种径流小区土壤水分及出流监测系统及方法,该系统包括:径流小区,包括基岩层、设置在所述基岩层上方的土壤层;出流收集槽,设置在所述径流小区的下游端,导流管,与所述出流收集槽相连;三角量水堰,通过第一出流导管与所述出流收集槽相连;液位传感器,设置在所述三角量水堰内;集水桶,通过第二出流导管与所述三角量水堰相连。本发明提供了一种径流小区土壤水分及出流监测系统及方法,本发明能够实时监测径流小区的土壤水入渗地表、地下出流过程,精度高。

Description

径流小区土壤水分及出流监测系统及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及水文水资源工程、水土保持实验的径流小区土壤水分及出流监测领 域,尤其涉及一种径流小区土壤水分及出流监测系统及方法。
背景技术
[0002] 国内外径流小区测量降雨产汇流,只关注地表径流,流量采用体积法,即采用圆柱 桶存放出流水量,人工测量桶内水位高度,然后计算总出流量;为了研究降雨产汇流的机 理,需要知道降雨入渗过程,地表产流量、地下基岩产流量,因此如何测量土壤层的土壤水 入渗情况、地表和地下出流的过程仍是该领域亟待解决的问题。
发明内容
[0003] 本发明的特征和优点在下文的描述中部分地陈述,或者可从该描述显而易见,或 者可通过实践本发明而学习。
[0004] 为克服现有技术的问题,本发明提供一种径流小区土壤水分及出流监测系统,包 括:
[0005] 径流小区,包括基岩层、设置在所述基岩层上方的土壤层;
[0006] 出流收集槽,设置在所述径流小区的下游端,
[0007] 三角量水堰,通过第一出流导管与所述出流收集槽相连;
[0008] 液位传感器,设置在所述三角量水堰内;
[0009] 集水桶,通过第二出流导管与所述三角量水堰相连。
[0010] 在一个可能的设计中,所述出流收集槽包括设置在所述土壤层的端部的地表出流 收集槽以及设置在所述基岩层的端部的基岩层出流收集槽。
[0011] 在一个可能的设计中,所述地表出流收集槽或所述基岩层出流收集槽是直径为5-15cm的半圆形或弧形凹槽。
[0012] 在一个可能的设计中,还包括雨水挡板,设置在所述出流收集槽的上方。
[0013] 在一个可能的设计中,还包括:
[0014] 土壤水分提取器,一端与所述土壤层相连,另一端连接收集瓶;
[0015] 土壤水分传感器,设置在所述土壤层中;
[0016] 多个土壤水势传感器,垂直间隔分布在所述土壤层中;
[0017] 数据采集器,与所述土壤水分传感器、土壤水势传感器相连。
[0018] 在一个可能的设计中,所述三角量水堰的堰角的角度为15-25°,距离底部为8-15cm〇
[0019] 在一个可能的设计中,所述三角量水堰中设有稳水挡板,所述稳水挡板上设有稳 水孔。
[0020] 在一个可能的设计中,所述液位传感器设置在所述稳水挡板上。
[0021] 本发明还提供一种径流小区土壤水分及出流监测方法,包括:
[0022] 降雨时,利用本发明实施例提供的所述径流小区土壤水分及出流监测系统收集雨 水;
[0023] 若雨水未从所述径流小区土壤水分及出流监测系统中的三角量水堰内流出,则流 量为:
[0024] Qt= (hf ht-i) *a*b/ Δ t
[0025] 其中,ht为t时刻所述液位传感器测量的水位高度;Qt为t时刻的流量;
[0026] 若雨水从所述三角量水堰内流出,则流量为:
[0027]
Figure CN108195441AD00041
[0028] 其中,ht为t时刻所述液位传感器测量的水位高度;Qt为t时刻的流量。
[0029] 在一个可能的设计中,降雨结束后,测量所述径流小区土壤水分及出流监测系统 中的集水桶的水位高度,得到每次降雨径流小区出流的总体积:
[0030] v = h*ji*r2
[0031] 其中,h为集水桶的水位高度;r为集水桶的半径。
[0032] 本发明提供了一种径流小区土壤水分及出流监测系统及方法,能够实时监测径流 小区的土壤水入渗地表、地下出流过程,精度高。
[0033] 通过阅读说明书,本领域普通技术人员将更好地了解这些技术方案的特征和内 容。
附图说明
[0034] 下面通过参考附图并结合实例具体地描述本发明,本发明的优点和实现方式将会 更加明显,其中附图所示内容仅用于对本发明的解释说明,而不构成对本发明的任何意义 上的限制,在附图中:
[0035] 图1为本发明实施例的径流小区土壤水分及出流监测系统的示意图。
[0036] 图2为本发明另一实施例的径流小区土壤水分及出流监测系统的示意图。
具体实施方式
[0037] 如图1所示,本发明提供一种径流小区土壤水分及出流监测系统,包括径流小区 10、出流收集槽20、三角量水堰30、液位传感器31。
[0038] 其中,径流小区10包括基岩层12、设置在基岩层12上方的土壤层11;本实施例中, 径流小区10长15米、宽5米,上层为土壤层,下层为基岩层,周围用I Ocm厚的水泥围挡,水泥 的深度直接到基岩表面以下20cm。
[0039] 出流收集槽20设置在径流小区10的下游端,包括设置在土壤层的端部的地表出流 收集槽21以及设置在基岩层的端部的基岩层出流收集槽22。本实施例中,地表出流收集槽 21或基岩层出流收集槽22是直径为5-15cm;例如是IOcm的半圆形或弧形凹槽。地表出流收 集槽21与基岩层出流收集槽22可以是在竖直方向上相邻的,此外,基岩层出流收集槽22在 土壤层与基岩层的交界面上可以用插入一定宽度,例如20cm宽的不锈钢钢板进去。
[0040] 三角量水堰30通过第一出流导管51与出流收集槽20相连;第一出流导管51把径流 小区的出流引入到三角量水堰30,本实施例中,三角量水堰长40cm,宽20cm,高30cm,堰中设 有稳水挡板,稳水挡板上有稳水孔,稳水孔为直径为是I cm的孔,目的是稳定水流,堰角的角 度为15-25°,例如是20°,距离底部8-15cm,例如为10cm。
[0041] 液位传感器30设置在三角量水堰30内;更具体地,液位传感器30位于稳水挡板靠 近堰角的一面。
[0042] 集水桶40通过第二出流导管52与三角量水堰30相连。为了验证每次降雨的总量可 以用测量集水桶的高度乘以底面积得到体积,也可以取样化验水质和同位素。
[0043] 请同时参照图2,本实施例中,还包括雨水挡板23,设置在出流收集槽20的上方,更 具体地是地表出流收集槽21的上方,以防止雨水溅入所述出流收集槽20。还包括:
[0044] 土壤水分提取器61,一端与土壤层相连,另一端连接收集瓶62;该收集瓶62可以为 500ml,多个收集瓶62可以放到一个PVC的盒子里。
[0045] 土壤水分传感器63,设置在土壤层10中;
[0046] 多个土壤水势传感器64,垂直间隔分布在土壤层中;例如,垂直分布为4层,深度分 别为 10,20,30,50cm。
[0047] 数据采集器65,与土壤水分传感器63、土壤水势传感器64相连。此外,数据采集器 65还与液位传感器31相连,用于收集液位传感器31的数据。在具体实施时,数据采集器65通 过有线方式采集土壤水分传感器和土壤水势传感器,液位传感器的数据,采集时间的间隔 可以为lmin。
[0048] 本发明还提供一种径流小区土壤水分及出流监测方法,包括步骤:
[0049] S1、降雨时,利用本发明提供的径流小区土壤水分及出流监测系统收集雨水;
[0050] 天然降雨后,当径流小区产流,进入出流收集槽,经过出流导管进入三角量水堰, 水位传感器记录三角量水堰内水位。
[0051] S2、计算流量;
[0052] 若雨水未从径流小区土壤水分及出流监测系统中的三角量水堰内流出,一般地, 此时液位传感器水位ht〈0. Im,流量为:
[0053] Qt= (hf ht-i) *a*b/ Δ t
[0054] 其中,ht为t时刻液位传感器测量的水位高度;Qt为t时刻的流量;
[0055] 若雨水从三角量水堰内流出,一般地,此时液位传感器水位ht>0. lm,则流量为:
[0056]
Figure CN108195441AD00051
[0057] 其中,ht为t时刻液位传感器测量的水位高度;Qt为t时刻的流量。
[0058] 此外,在降雨结束后,还可以包括测量径流小区土壤水分及出流监测系统中的集 水桶的水位高度,得到每次降雨径流小区出流的总体积:
[0059] V = h*3T>l<r2
[0060] 其中,h为集水桶的水位高度;r为集水桶的半径。
[0061] 本发明提供的径流小区土壤水分及出流监测系统及方法,能测测量土壤层的土壤 水入渗情况、地表和地下出流的过程,对研究降雨产汇流的机理有积极作用。
[0062] 以上参照附图说明了本发明的优选实施例,本领域技术人员不脱离本发明的范围 和实质,可以有多种变型方案实现本发明。举例而言,作为一个实施例的部分示出或描述的 特征可用于另一实施例以得到又一实施例。以上仅为本发明较佳可行的实施例而已,并非 因此局限本发明的权利范围,凡运用本发明说明书及附图内容所作的等效变化,均包含于 本发明的权利范围之内。

Claims (10)

1. 一种径流小区土壤水分及出流监测系统,其特征在于,包括: 径流小区,包括基岩层、设置在所述基岩层上方的土壤层; 出流收集槽,设置在所述径流小区的下游端, 三角量水堰,通过第一出流导管与所述出流收集槽相连; 液位传感器,设置在所述三角量水堰内; 集水桶,通过第二出流导管与所述三角量水堰相连。
2. 根据权利要求1所述径流小区土壤水分及出流监测系统,其特征在于,所述出流收集 槽包括设置在所述土壤层的端部的地表出流收集槽以及设置在所述基岩层的端部的基岩 层出流收集槽。
3. 根据权利要求2所述径流小区土壤水分及出流监测系统,其特征在于,所述地表出流 收集槽或所述基岩层出流收集槽是直径为5-15cm的半圆形或弧形凹槽。
4. 根据权利要求2所述径流小区土壤水分及出流监测系统,其特征在于,还包括雨水挡 板,设置在所述出流收集槽的上方。
5. 根据权利要求1所述径流小区土壤水分及出流监测系统,其特征在于,还包括: 土壤水分提取器,一端与所述土壤层相连,另一端连接收集瓶; 土壤水分传感器,设置在所述土壤层中; 多个土壤水势传感器,垂直间隔分布在所述土壤层中; 数据采集器,与所述土壤水分传感器、土壤水势传感器相连。
6. 根据权利要求1所述径流小区土壤水分及出流监测系统,其特征在于,所述三角量水 堰的堰角的角度为15-25°,距离底部为8-15cm。
7. 根据权利要求1或6所述径流小区土壤水分及出流监测系统,其特征在于,所述三角 量水堰中设有稳水挡板,所述稳水挡板上设有稳水孔。
8. 根据权利要求7所述径流小区土壤水分及出流监测系统,其特征在于,所述液位传感 器设置在所述稳水挡板上。
9. 一种径流小区土壤水分及出流监测方法,其特征在于,包括: 降雨时,利用如权利要求1-8任一所述径流小区土壤水分及出流监测系统收集雨水; 若雨水未从所述径流小区土壤水分及出流监测系统中的三角量水堰内流出,则流量 为:
Figure CN108195441AC00021
其中,ht为t时刻所述液位传感器测量的水位高度;Qt为t时刻的流量; 若雨水从所述三角量水堰内流出,则流量为:
Figure CN108195441AC00022
其中,ht为t时刻所述液位传感器测量的水位高度;Qt为t时刻的流量。
10. 如权利要求9所述径流小区土壤水分及出流监测方法,其特征在于,降雨结束后,测 量所述径流小区土壤水分及出流监测系统中的集水桶的水位高度,得到每次降雨径流小区 出流的总体积: V = h氺:π氺;T2 其中,h为集水桶的水位高度;r为集水桶的半径。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109297770A (zh) * 2018-11-27 2019-02-01 辽宁工程技术大学 一种旱田地表径流收集装置
CN112197821A (zh) * 2020-10-10 2021-01-08 清华大学 一种分层监测山坡地表径流和壤中流的多精度观测系统
CN113075753A (zh) * 2021-03-23 2021-07-06 中国水利水电科学研究院 基于梯田拦截地表径流的山洪防护方法及监测系统

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