CN108801589B - 二维坡面土壤、地表、地下水运动模拟实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二维坡面土壤、地表、地下水运动模拟实验系统，二维坡面土壤装置的箱体中从下到上依次分层埋有各种不同成分的土壤，用以模拟河床土壤成分，侧壁设置有传感器监测点，传感器监测点中埋有传感器的探针，供排水装置向二维坡面土壤箱装置的箱底供水及排水，样本采集装置对传感器内部的水样本进行采集；数据采集装置采用工业控制器及其测量模块，实现对TDR含水率、温度、土壤基质势的采集和测量，所采集的数据传送给计算机处理。本发明二维坡面土壤、地表、地下水运动模拟实验系统可以对水平和垂直方向二维度的土壤水运动状态进行实时检测，实现对地表‑坡面土壤水运动入渠过程的模拟和模型分析。

Description

二维坡面土壤、地表、地下水运动模拟实验系统

技术领域

本发明属于水文、土壤水运动技术领域，尤其涉及一种二维坡面土壤、地表、地下水运动模拟实验系统。

背景技术

分析河床坡地土壤水运动过程的内在关系，实现水运动过程的模拟，是认识河床地下水资源评价、管理、水土保持与治理等领域的基础。而大型二维槽是一种通过在室内用一定的仪器来模拟河床环境的设备，其是用来测量自然环境或人工模拟自然环境下，河床土壤中的温度、TDR含水率、裸土蒸发量或潜在蒸发量以及深层渗透量的，可研究水运动中的下渗、地表径流和地下径流、蒸散发等过程，是研究地下水运动、开展合理利用水资源试验的必备设施。现在随着人类活动的影响，植被、土壤都在不断的发生变化，水文学研究仍在做着河床土壤-地表-地下水的模拟实验。

传统的河床土壤-地表-地下水运动的模拟大部分都是在野外完成，选取的场地都比较大，工作环境比较艰苦，在野外最大的好处是能够更接近于真实的天然情况，模拟精度高，问题是实验成本高，运行维护不方便。即使已存在室内河床模拟实验，如公开号为CN205619966U、名称为河床一维模拟实验装置，但只能测广度数据，对二维深度数据却无能为力。

由上述可知，现有的河床土壤-地表-地下水运动的模拟主要存在以下几点不足：不便携，无法长期稳定的提供相应的电源；维护成本高，难以做到实时收集与分析数据；不够灵活，适应性差，不同学科研究目的不同，所选场地差别大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种二维坡面土壤、地表、地下水运动模拟实验系统，可应用于土壤、地下水运动特性的测量，以改变传统测量方法的局限性，更高效、准确地获得河床地下水及水污染物的迁移特性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种二维坡面土壤、地表、地下水运动模拟实验系统，包括二维坡面土壤箱装置、供排水装置、人工降雨装置、样本采集装置、数据采集装置，人工降雨装置包括雨滴形成装置及其供水装置；二维坡面土壤装置的箱体中从下到上依次分层埋有各种不同成分的土壤，用以模拟河床土壤成分，侧壁设置有传感器监测点，传感器监测点中埋有传感器的探针，供排水装置向二维坡面土壤箱装置的箱底供水及排水，样本采集装置对传感器内部的水样本进行采集；数据采集装置采用工业控制器及其测量模块，实现对TDR含水率、温度、土壤基质势的采集和测量，所采集的数据(通过串行通信模块)传送给计算机处理，对地表-坡面土壤水运动入渠进行模拟和模型分析。模型分析就是利用二维槽装置和监测的给了数据，实现土壤水动态、联系的监测，并进行数学过程的演算。

按上述技术方案，二维坡面土壤箱装置采用空间立方梯形容器，所述梯形容器前侧壁的材质为钢化玻璃，后侧壁为不锈钢材料制成，在后侧壁设置有传感器监测点。二维坡面土壤箱装置箱体长为13m，高2.5m，厚1.0m。

按上述技术方案，供排水装置采用圆形储水管柱，通过排水管连接到二维坡面土壤装置的箱体底部，水管上设有相应的调节阀门，(用于手动控制给排水系统)圆形储水管柱内设有可移动的液位探针，地下水供排水自动控制电路对供排水装置的供水、排水进行控制。

按上述技术方案，人工降雨装置中供水装置包括水泵、圆柱形储水管，水泵将圆柱形储水管中的水通过输出水管连接到雨滴形成装置，输出水管上依次安装有调节阀门和流速仪，雨滴形成装置为安装在二维坡面土壤箱装置箱体上端的带孔管道组。

按上述技术方案，样本采集装置包括塑料水管、真空泵、密封陶瓷头，塑料水管的一端通过真空泵与传感器连接，另一端延伸进密封陶瓷头的内部。当真空泵进行工作将塑料水管管内空气抽出时，根据密封陶瓷头透水不透气的特性，管内形成一定的压强差，传感器内部的水样本就顺着塑料水管进入到样本采集装置当中。

按上述技术方案，还包括辅助装置，辅助装置包括水循环控制装置，水循环控制装置由河床坡面河流模拟装置和循环水存储装置组成，河床坡面河流模拟装置为梯形储水管，水泵将梯形储水管里的水输送到位于高处的圆柱形水管中，重力作用下水排入回河床坡面河流模拟装置中，形成水的循环流动模拟。

按上述技术方案，工业控制器每个测量模块可以采集8路数据，一个工业控制器最多可以安装块测量模块，实现共计64路不同类型土壤参量的测量。很好地解决了测量点多又携带方便的问题。

按上述技术方案，当二维坡面土壤装置的箱体内地下水位低于设定值时，阀门打开，开始供水，到达设定值时，阀门关闭，停止供水，同时记录供水水量；当二维坡面土壤装置的箱体内地下水水位高于设定值时，阀门自动打开排水，同时记录排水量。辅助装置中还包括补水辅助装置。

本发明产生的有益效果是：(1)二维空间数据的采集：本系统不仅能在收集地下水横向运动的数据同时，也能收集到其纵向的相关数据。(2)自动化程度高：现场工业控制器是一种可测多点的数据采集装置，简化了多样本点数据采集的复杂度，且体积小易于远距离携带，可提前进行必要的测试实验。(3)系统的可维护和可扩展性好：本系统的硬件与软件均采用模块化设计，使得系统扩展、升级均不必改变现有设备的状态。(4)对工作人员要求低且工作效率高：本系统运行时，现场仅需配置普通操作人员既可以监视和控制测试过程，精确的状态分析和更快的响应减少了浪费，保证了稳定运行。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例二维坡面土壤、地表、地下水运动模拟实验系统的机构示意图；

图2是图1中容器结构的侧面示意图；

图3是本发明实施例中数据采集装置的结构示意图；

图4是本发明实施例中控制系统的整体结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例中，提供一种二维坡面土壤、地表、地下水运动模拟实验系统，如图1所示，包括二维坡面土壤箱装置、供排水装置、人工降雨装置、样本采集装置、数据采集装置6，人工降雨装置包括雨滴形成装置4及其供水装置；二维坡面土壤装置的箱体中从下到上依次分层埋有各种不同成分的土壤，用以模拟河床土壤成分，侧壁设置有传感器监测点，传感器监测点中埋有传感器的探针5，供排水装置向二维坡面土壤箱装置的箱底供水及排水，样本采集装置对传感器内部的水样本进行采集；数据采集装置采用工业控制器及其测量模块，实现对TDR含水率、温度、土壤基质势的采集和测量，所采集的数据(通过串行通信模块)传送给计算机处理，对地表-坡面土壤水运动入渠进行模拟和模型分析。模型分析就是利用二维槽装置和监测的给了数据，实现土壤水动态、联系的监测，并进行数学过程的演算。

进一步地，二维坡面土壤箱装置1采用空间立方梯形容器，所述梯形容器前侧壁的材质为钢化玻璃，由透明玻璃钢材料制成，可供实验人员从侧面观察土壤箱内不同层土壤的干湿程度，后侧壁为不锈钢材料制成，在后侧壁设置有传感器监测点，从左到右，从上到下依次整齐有序地设置。二维坡面土壤箱装置箱体长为13m，高2.5m，厚1.0m。

进一步地，供排水装置采用圆形储水管柱3，通过排水管连接到二维坡面土壤装置的箱体底部，水管上设有相应的调节阀门8，(用于手动控制给排水系统)圆形储水管柱内设有可移动的液位探针，地下水供排水自动控制电路对供排水装置的供水、排水进行控制。

进一步地，人工降雨装置中供水装置包括水泵、圆柱形储水管，水泵将圆柱形储水管中的水通过输出水管连接到雨滴形成装置，输出水管上依次安装有调节阀门和流速仪，雨滴形成装置为安装在二维坡面土壤箱装置箱体上端的带孔管道组。

进一步地，样本采集装置包括塑料水管、真空泵、密封陶瓷头，塑料水管的一端通过真空泵与传感器连接，另一端延伸进密封陶瓷头的内部。当真空泵进行工作将塑料水管管内空气抽出时，根据密封陶瓷头透水不透气的特性，管内形成一定的压强差，传感器内部的水样本就顺着塑料水管进入到样本采集装置当中。

进一步地，还包括辅助装置，辅助装置包括水循环控制装置，水循环控制装置由河床坡面河流模拟装置和循环水存储装置组成，河床坡面河流模拟装置为梯形储水管，水泵将梯形储水管里的水输送到位于高处的圆柱形水管中，重力作用下水排入回河床坡面河流模拟装置中，形成水的循环流动模拟。辅助装置中还包括补水辅助装置。

进一步地，工业控制器每个测量模块可以采集8路数据，一个工业控制器最多可以安装8块测量模块，实现共计64路不同类型土壤参量的测量。很好地解决了测量点多又携带方便的问题。

进一步地，当二维坡面土壤装置的箱体内地下水位低于设定值时，阀门打开，开始供水，到达设定值时，阀门关闭，停止供水，同时记录供水水量；当二维坡面土壤装置的箱体内地下水水位高于设定值时，阀门自动打开排水，同时记录排水量。

在本发明的较佳实施例中，图1所示为本发明实施例的整体结构示意图，图中该模拟实验系统包括：二维坡面土壤箱、供排水装置、人工降雨装置、样本采集装置、数据采集装置和辅助装置，辅助装置包括水循环控制装置、补水辅助装置。图4是本发明实施例中控制系统的整体结构示意图。

二维坡面土壤箱为一个梯形立方容器，其截面为梯形，如图2所示。其边长为15m，容器的底端至容器的顶端的高度为3m，所述容器按模型系统要求填埋有分层土壤，土壤深2.7m，每层都是不同沙土和石子的混合物，欲达到不同的试验效果，可以放置不同类型的土壤，借以模拟不同的自然环境，满足多种实验需求。

梯形立方容器的框架采用钢铁材料，其侧面从左到右、从上到下，依次设有相应的监测点，这样不仅不可以得到其横向数据，还能得到其纵向数据，从而实现水运动的二维模拟。其底部接有三根排水管通过阀门与流速仪连接到圆形储水管柱，模拟河床地下水运动。

雨滴形成装置为一组安装在二维坡面土壤箱上端带有小孔的管道组，通过水泵给管道供水，利用带孔管道组上的小孔，形成模拟雨滴，结合供水装置的调节阀门和流速仪，可以模拟形成不同种类和大小的降雨。

样本采集装置通过与传感器内部引水管将样本水收集到相应设备中，再通过相应方法检测其中的成份分析水中污染物的运动。

数据采集装置如图3所示，其实例是ADAM-5000E模块，它通过U型导轨固定在二维土壤箱槽壁上，其中包括ADAM-5013、ADAM-5017、ADAM-5069、ADAM-5080四种模块。它们分别收集温度数据、土壤的基质势数据、水位数据、阀门的开关、TDR含水率等。再通过RS232转RS485通信与上位机监测管理平台相连接，而远程控制系统通过互联网与上位机相同，从而实现数据管理监测的智能化。

软件系统通过微软NET开发软件开发，包括程序界面和软件功能模块，程序界面实现绘图和图形化界面的显示功能：当程序运行时，ADAM-5000E将收集到的数据暂时存储起来，再通过通过RS232转RS485通信与上位机监测管理平台相连接将数据发送到数据库，便于界面系统的调用与显示。

具体实验步骤如下：

(1)根据实验需要在容器内放置好相应的土壤层；

(2)控制圆形储水管进行供水，模拟河床土壤地下水；

(3)开启水循环装置的水泵，使位于河坡处的水位于运动的状态；

(4)开启数据采集与展示系统，对箱体内，不同层、同层的不同深度处的相关数据进行收集，并对相应点处的水样本进行收集与检测；

(5)整理、存储数据，并将相应数据进行分析，得出相应结论。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种二维坡面土壤、地表、地下水运动模拟实验系统，其特征在于，包括二维坡面土壤箱装置、供排水装置、人工降雨装置、样本采集装置、数据采集装置，人工降雨装置包括雨滴形成装置及其供水装置；二维坡面土壤装置的箱体中从下到上依次分层埋有各种不同成分的土壤，用以模拟河床土壤成分，侧壁设置有传感器监测点，传感器监测点中埋有传感器的探针，供排水装置向二维坡面土壤箱装置的箱底供水及排水，样本采集装置对传感器内部的水样本进行采集；数据采集装置采用工业控制器及其测量模块，实现对TDR含水率、温度、土壤基质势的采集和测量，所采集的数据传送给计算机处理，对地表-坡面土壤水运动入渠进行模拟和模型分析，还包括辅助装置，辅助装置包括水循环控制装置，水循环控制装置由河床坡面河流模拟装置和循环水存储装置组成，河床坡面河流模拟装置为梯形储水管，水泵将梯形储水管里的水输送到位于高处的圆柱形水管中，重力作用下水排入回河床坡面河流模拟装置中，形成水的循环流动模拟。

2.根据权利要求1所述的二维坡面土壤、地表、地下水运动模拟实验系统，其特征在于，二维坡面土壤箱装置采用空间立方梯形容器，所述梯形容器前侧壁的材质为钢化玻璃，后侧壁为不锈钢材料制成，在后侧壁设置有传感器监测点。

3.根据权利要求1或2所述的二维坡面土壤、地表、地下水运动模拟实验系统，其特征在于，供排水装置采用圆形储水管柱，通过排水管连接到二维坡面土壤装置的箱体底部，水管上设有相应的调节阀门，圆形储水管柱内设有可移动的液位探针，地下水供排水自动控制电路对供排水装置的供水、排水进行控制。

4.根据权利要求1或2所述的二维坡面土壤、地表、地下水运动模拟实验系统，其特征在于，人工降雨装置中供水装置包括水泵、圆柱形储水管，水泵将圆柱形储水管中的水通过输出水管连接到雨滴形成装置，输出水管上依次安装有调节阀门和流速仪，雨滴形成装置为安装在二维坡面土壤箱装置箱体上端的带孔管道组。

5.根据权利要求1或2所述的二维坡面土壤、地表、地下水运动模拟实验系统，其特征在于，样本采集装置包括塑料水管、真空泵、密封陶瓷头，塑料水管的一端通过真空泵与传感器连接，另一端延伸进密封陶瓷头的内部。

6.根据权利要求1或2所述的二维坡面土壤、地表、地下水运动模拟实验系统，其特征在于，工业控制器每个测量模块可以采集8路数据，一个工业控制器最多可以安装8块测量模块，实现共计64路不同类型土壤参量的测量。

7.根据权利要求3所述的二维坡面土壤、地表、地下水运动模拟实验系统，其特征在于，当二维坡面土壤装置的箱体内地下水位低于设定值时，阀门打开，开始供水，到达设定值时，阀门关闭，停止供水，同时记录供水水量；当二维坡面土壤装置的箱体内地下水水位高于设定值时，阀门自动打开排水，同时记录排水量。

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