CN110095383A - 一种用于模拟降雨进行坡面径流和壤中流运动分析的装置 - Google Patents

一种用于模拟降雨进行坡面径流和壤中流运动分析的装置 Download PDF

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梁超凡
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Abstract

本发明公开了一种用于模拟降雨进行坡面径流和壤中流运动分析的装置，包括降雨发生器，降雨发生器下方配设有模拟试验槽。降雨发生器包括雨滴发生平台，雨滴发生平台上设置有振荡器和雨滴生成机构，雨滴生成机构的两端分别连接有通水管形成供水回路，通水管上设置有增压泵，振荡器和增压泵电性连接至电源。模拟试验槽包括可移动承重支架，可移动承重支架上固定有径流土槽。本发明可以提供稳定强度的降雨，模拟雨滴发生平台的横向振动，提高了降雨模拟的均匀度；且装置结构稳定，操作简单，实施方便，适用于多种因素限定下的坡面模拟降雨产流试验。

Description

一种用于模拟降雨进行坡面径流和壤中流运动分析的装置
技术领域
本发明属于水土保护技术领域，涉及一种用于模拟降雨进行坡面径流和壤中流运动分析的装置。
背景技术
在自然降雨过程中，当坡面土体对降雨的容蓄能力小于降雨强度时，坡面会形成表层径流，同时在坡面土体内部也会形成壤中流随坡下方向运动，这两部分径流是坡地水土养分侵蚀、下游河流渗流补给以及农业面源污染形成过程需要考虑的重要动态过程。尤其在我国黄土高原地区，约有国内70％的坡耕地集中在此区域，水土流失问题非常严重，已经严重影响了社会建设及生产的发展，因此对于坡面产流以及壤中流开展研究，进而提出相应的改善措施是现阶段急需要解决的问题。
目前，大多通过在野外坡地修建降雨和径流试验小区来研究坡面流或壤中流，虽然该方法最接近自然降雨和径流汇集，但是由于野外坡地条件复杂多变，综合影响要素众多，尤其对于单一变量进行研究时控制其他变量难度较大，难免会对试验结果造成误差。此外，通过在室内试验场修筑模拟径流坡面进行降雨产流试验，其模拟降雨存在均匀度低、雨强控制不稳定的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于模拟降雨进行坡面径流和壤中流运动分析的装置，解决了现有技术中存在的模拟降雨均匀度不高、雨强控制不稳定的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种用于模拟降雨进行坡面径流和壤中流运动分析的装置，包括降雨发生器，降雨发生器下方配设有模拟试验槽。
降雨发生器包括雨滴发生平台，雨滴发生平台上设置有振荡器和雨滴生成机构，雨滴生成机构的两端分别连接有通水管形成供水回路，通水管上设置有增压泵，振荡器和增压泵电性连接至电源。
模拟试验槽包括可移动承重支架，可移动承重支架上固定有径流土槽，径流土槽配设于雨滴发生平台的下方。
本发明的特点还在于：
雨滴生成机构为若干依次相连的消能块构成，消能块内部设置有迂回的通道，通道的末端开设有多个雨滴形成出口，首尾的消能块均连接通水管。
径流土槽包括底板，底板与可移承重支架通过转动轴承连接，底板上连接首尾连接有观察固定挡板、取样固定挡板、隔挡挡板、活动挡板。
可移动承重支架为梯形支架，梯形支架中间设置有土槽角度调节丝杆，梯形支架通过转动轴承与径流土槽连接，土槽角度调节丝杆通过丝杆轴承与径流土槽连接，土槽角度调节丝杆的一端设置有丝杆把手。
活动挡板与底板铰接，活动挡板运动范围内的观察固定挡板和取样固定挡板上均开设有若干固定通孔。
观察固定挡板上设置有与底板垂直的观测尺。
隔挡挡板为包含若干百叶片的百叶窗挡板，隔挡挡板外侧设置有收集槽，收集槽下方配设有径流回收桶。
取样固定挡板上开设有若干取样通孔，取样通孔均匀排列。
底板上开设有若干渗流孔。
雨滴发生平台的底部通过若干支撑杆支撑，支撑杆均匀分布且支撑杆位于雨滴发生平台的边缘处，且其中位于雨滴发生平台同侧的支撑杆为伸缩调节支杆。
本发明的有益效果是提供稳定强度的降雨，模拟雨滴发生平台的横向振动，提高了降雨模拟的均匀度。装置结构稳定，操作简单，实施方便，适用于多种因素限定下的坡面模拟降雨产流试验。
附图说明
图1是本发明一种用于模拟降雨进行坡面径流和壤中流运动分析的装置的结构示意图；
图2是本发明一种用于模拟降雨进行坡面径流和壤中流运动分析的装置的降雨发生器部分的结构示意图；
图3是本发明一种用于模拟降雨进行坡面径流和壤中流运动分析的装置的模拟试验槽部分的结构示意图；
图4是本发明一种用于模拟降雨进行坡面径流和壤中流运动分析的装置的消能块的结构示意图。
图中，1.降雨发生器，1-1.雨滴发生平台，1-2.振荡器，1-3.雨滴生成机构，1-4.通水管，1-5.增压泵，1-6.消能块，，1-6-1.雨滴形成出口1-7.水箱，2.模拟试验槽，2-1.可移动承重支架，2-1-1.土槽角度调节丝杆，2-1-2.转动轴承，2-1-3.丝杆轴承，2-1-4.丝杆把手，2-2.径流土槽，2-2-1.底板，2-2-2.观察固定挡板，2-2-3.取样固定挡板，2-2-4.隔挡挡板，2-2-5.活动挡板，2-2-6.观测尺，2-2-7.收集槽，2-2-8.取样通孔，2-2-9.渗流孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明所采用的技术方案是一种用于模拟降雨进行坡面径流和壤中流运动分析的装置，如图1所示，包括降雨发生器1，降雨发生器1下方配设有模拟试验槽2。如图2所示，降雨发生器1包括雨滴发生平台1-1，雨滴发生平台1-1上设置有振荡器1-2和雨滴生成机构1-3，雨滴生成机构1-3的两端分别连接有通水管1-4形成供水回路，通水管1-4上设置有增压泵1-5，振荡1-2器和增压泵1-5电性连接至电源。如图3所示，模拟试验槽2包括可移动承重支架2-1，可移动承重支架2-1上固定有径流土槽2-2。
雨滴生成机构1-3为若干依次相连的消能块1-6构成，如图4所示，消能块1-6内部设置有迂回的通道，通道的末端开设有两个雨滴形成出口1-6-1，首尾的消能块均连接通水管1-4。
如图3所示，径流土槽2-2包括底板2-2-1，底板2-2-1上连接有观察固定挡板2-2-2、取样固定挡板2-2-3、隔挡挡板2-2-4、活动挡板2-2-5，观察固定挡板2-2-2、隔挡挡板2-2-4、取样固定挡板2-2-3、活动挡板2-2-5依次连接成长方体。
可移动承重支架2-1为梯形支架，中间设置有土槽角度调节丝杆2-1-1，可移动承重支架2-1通过转动轴承2-1-2与径流土槽2-2连接，土槽角度调节丝杆2-1-1通过丝杆轴承2-1-3与径流土槽2-2连接，土槽角度调节丝杆2-1-1的一侧设置有丝杆把手2-1-4。
活动挡板2-2-5与底板2-2-1铰接，活动挡板2-2-5运动范围内的观察固定挡板2-2-2和取样固定挡板2-2-3上均开设有5个固定通孔。
观察固定挡板2-2-2上设置有与底板2-2-5垂直的观测尺2-2-6。
隔挡挡板2-2-4为包含多个百叶片的百叶窗挡板，隔挡挡板2-2-4外侧设置有收集槽2-2-7，收集槽下方配设有径流回收桶。
取样固定挡板2-2-3上开设有若干取样通孔2-2-8，取样通孔2-2-8呈4*4矩阵均匀排列。
底板2-2-1开设有多个渗流孔2-2-9。
雨滴发生平台1-1的一侧设置有4根支撑杆，其中靠近雨滴发生平台一端的2根支撑杆为伸缩调节支杆。
通水管1-4在雨滴发生平台1-1上的平铺面积决定了模拟降雨面积，雨滴生成机构1-3的布设数量决定了模拟降雨均匀度。雨滴生成机构1-3主要由迷宫式消能装置构成，通过对通水管1-4中的水流进行分流效能，最终形成雨滴状流出，其滴头流量Q由：Q＝kPm确定，通过改变通水管1-4中的循环水压，进行调节降雨强度。
通过调节循环增压泵1-5的输出功率，可调节通水管1-4中的循环水压。
雨滴发生平台1-1侧面设置有多功率振荡器1-2，可以为雨滴发生平台1-1增加一个横向摆动的震动幅度，目的是增加雨滴落到坡面的随机性，提高降雨均匀度。
雨滴发生平台1-1通过伸缩调节支杆和固定支杆支撑，为模拟降雨提供可靠的降雨高度。伸缩调节支杆可控制雨滴发生平台1-1一侧的高度，目的是和坡面角度保持统一，保证坡面的降雨高度一致。
通过螺栓可将活动挡板2-2-5与观察固定挡板2-2-2、取样固定挡板2-2-3相固定，目的是保证径流土槽坡角变动时，活动挡板2-2-5一直处于垂直方向，不影响降雨面积。
观察固定挡板2-2-2中部设置有的观测尺2-2-6，其由有机玻璃材料制成，可观测垂向湿润峰运动过程；取样固定挡板2-2-3均匀分布四列剖面取样孔2-2-8。模拟降雨过程中，用橡胶塞堵住剖面取样孔2-2-8，模拟降雨结束后，可使用小型土钻通过剖面取样孔2-2-8获取剖面土样。观察固定挡板2-2-2、取样固定挡板2-2-3的底部留有转动轴承和丝杆轴承连接孔位，尾部均设置有剖面径流收集槽卡口，以固定剖面径流收集槽2-2-7；
活动挡板2-2-5，设置为百叶状挡板，百叶片呈45°向上拐起，目的是在前期填装土时起隔挡作用，再者让土体剖面壤中流沿其百叶片分层流出，百叶挡板外侧连接有剖面径流收集槽2-2-7，垂直方向每隔10cm设置一层，用以汇集剖面分层壤中流，再用径流桶分别回收径流液即可；
底板2-2-1起支撑土体的作用，底板2-2-1上密集设置有渗流孔2-2-9，目的是给土体底部透气，降雨入渗时保持常压，另一方面是收集底部渗流液，底板以下设置有底部渗流收集盘，用以回收底部渗流液；
可移动承重支架2-1呈单侧梯形状，中间设置有土槽角度调节丝杆2-1-1，用以调节径流土槽2-2的坡度，可移动承重支架2-1通过转动轴承2-1-2与径流土槽2-2连接，土槽角度调节丝杆2-1-1通过丝杆轴承2-1-3与径流土槽2-2连接，土槽角度调节丝杆2-1-1一侧设置有丝杆把手2-1-4，方便径流土槽2-2坡度调节。
降雨发生器1和模拟试验槽2的底部均设置有移动滑轮，方便装置横向移动。
通水管1-4通过两端降雨供水循环接口与调节循环增压泵1-5和水箱1-7连接，形成供水回路。可有效减少水资源浪费，并稳定降雨强度。
试验时，可以根据径流土槽2-2中渗流孔2-2-9和隔挡挡板2-2-4的配合作用，再结合降雨总量，得出土体的降雨容蓄能力
本发明的降雨发生器1和模拟试验槽2相互独立设置，方便移动。降雨发生器通过供水回路与迷宫式消能装置的配合，提供稳定强度的降雨，雨滴发生平台1-1的横向振动，可提高降雨均匀度；径流土槽2-2通过活动挡板2-2-5的调节设计，保证了径流土槽2-2受雨面积不会因坡度变化而改变，渗流孔2-2-9与活动挡板2-2-5的配合应用，保证了降雨在坡面土体中运动分布数据获取的完整性。径流土槽2-2底部的土槽角度调节丝杆2-1-1的设置，为模拟实验系统提供了多种坡度的应用场景。装置结构稳定，操作简单，实施方便，试验条件可靠，试验数据获取全整，可适用于多种因素限定下的坡面模拟降雨产流试验。

Claims (10)

1.一种用于模拟降雨进行坡面径流和壤中流运动分析的装置，其特征在于，包括降雨发生器(1)，所述降雨发生器(1)下方配设有模拟试验槽(2)；
所述降雨发生器(1)包括雨滴发生平台(1-1)，所述雨滴发生平台(1-1)上设置有振荡器(1-2)和雨滴生成机构(1-3)，所述雨滴生成机构(1-3)的两端分别连接有通水管(1-4)形成供水回路，所述通水管(1-4)上设置有增压泵(1-5)，所述振荡器(1-2)和增压泵(1-5)电性连接电源；
所述模拟试验槽(2)包括可移动承重支架(2-1)，所述可移动承重支架(2-1)上固定有径流土槽(2-2)。
2.根据权利要求1所述的一种用于模拟降雨进行坡面径流和壤中流运动分析的装置，其特征在于，所述雨滴生成机构(1-3)为若干依次相连的消能块(1-6)构成，所述消能块(1-6)内部设置有迂回的通道，所述通道的末端开设有多个雨滴形成出口(1-6-1)，所述首尾的消能块均连接通水管(1-4)。
3.根据权利要求1所述的一种用于模拟降雨进行坡面径流和壤中流运动分析的装置，其特征在于，所述雨滴发生平台(1-1)的底部通过若干支撑杆支撑，所述支撑杆均匀分布且支撑杆位于雨滴发生平台(1-1)的边缘处，且其中位于雨滴发生平台(1-1)同侧的支撑杆为伸缩调节支杆。
4.根据权利要求1所述的一种用于模拟降雨进行坡面径流和壤中流运动分析的装置，其特征在于，所述可移动承重支架(2-1)为梯形支架，所述可移动承重支架(2-1)中间设置有土槽角度调节丝杆(2-1-1)，所述可移动承重支架(2-1)通过转动轴承(2-1-2)与径流土槽(2-2)连接，所述土槽角度调节丝杆(2-1-1)通过丝杆轴承(2-1-3)与径流土槽(2-2)连接，所述土槽角度调节丝杆(2-1-1)的一端设置有丝杆把手(2-1-4)。
5.根据权利要求1所述的一种用于模拟降雨进行坡面径流和壤中流运动分析的装置，其特征在于，所述径流土槽(2-2)包括底板(2-2-1)，所述底板(2-2-1)与可移动承重支架(2-1)通过转动轴承(2-1-2)连接，所述底板(2-2-1)上依次首尾连接有观察固定挡板(2-2-2)、取样固定挡板(2-2-3)、隔挡挡板(2-2-4)、活动挡板(2-2-5)。
6.根据权利要求5所述的一种用于模拟降雨进行坡面径流和壤中流运动分析的装置，其特征在于，所述活动挡板(2-2-5)与底板(2-2-1)铰接，所述活动挡板(2-2-5)运动范围内的观察固定挡板(2-2-2)和取样固定挡板(2-2-3)上均开设有若干固定通孔。
7.根据权利要求5所述的一种用于模拟降雨进行坡面径流和壤中流运动分析的装置，其特征在于，所述观察固定挡板(2-2-2)上设置有与底板(2-2-1)垂直的观测尺(2-2-6)。
8.根据权利要求5所述的一种用于模拟降雨进行坡面径流和壤中流运动分析的装置，其特征在于，所述隔挡挡板(2-2-4)为包含若干百叶片的百叶窗挡板，所述隔挡挡板(2-2-4)外侧设置有收集槽(2-2-7)，所述收集槽(2-2-7)下方配设有径流回收桶。
9.根据权利要求5所述的一种用于模拟降雨进行坡面径流和壤中流运动分析的装置，其特征在于，所述取样固定挡板(2-2-3)上开设有若干取样通孔(2-2-8)，所述取样通孔(2-2-8)均匀排列。
10.根据权利要求5所述的一种用于模拟降雨进行坡面径流和壤中流运动分析的装置，其特征在于，所述底板(2-2-1)上开设有若干渗流孔(2-2-9)。
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