CN111337404A - 一种水均衡综合实验教学观测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水均衡综合实验教学观测装置，包括工作台、水均衡试验箱、模拟降雨系统、坡面流系统和汇流系统，坡面流系统包括坡面槽、坡面槽填充层、坡面覆被材料以及驱动装置，坡面槽的前段底部设有出流口；驱动装置用以调节坡面槽的倾斜角度；汇流系统包括地下水集水槽、坡面流集水槽以及总集水槽。本发明的水均衡综合实验教学观测装置通过降雨模拟系统、可变角度的坡面流系统、可控流量的汇流系统等的协同，实现“降雨‑入渗‑地表径流‑地下径流”的全过程模拟，使学习者能够自己动手改变不同降雨、下垫面和土壤条件，模拟降雨‑产汇流过程，通过实测每个过程的水量，分析各个过程的均衡项，从而达到教学目的。
Description
技术领域
本发明涉及实验教学观测装置技术领域，特别地，涉及一种水均衡综合实验教学观测装置。
背景技术
水量平衡是物质不灭定律在水文学中的具体应用，是定量研究水文现象的基本工具。应用水量平衡原理可对水文循环建立定量概念，从而了解各循环要素如江水、蒸发、径流、下渗之间的定量关系。降雨后，一部分水渗入土壤，一部分水沿地面流走。下渗水量的多少直接影响着径流量的大小，同时也决定着地表径流量和地下径流量的比例。下渗主要受降雨强度、下渗能力、地形坡度等有关，而下渗能力又与初始土壤含水率、土壤质地、结构有关。如何让学生深刻理解降雨-入渗-产流全过程，同时能够运用水均衡理论去对该过程进行计算分析，这是《水文学原理》的教学难点。目前，很多有条件的高校建立了野外水文试验场，但是对于大部分高校来说还不具备这种条件。
发明专利申请201711268706.6公开了一种坡面降雨深层入渗特征的模拟观测装置及方法，模拟观测装置包括：可以设置不同坡度和土壤质地的坡面土体观测单元、可以收集特定深度坡面的土壤水深层渗漏的深层土壤集水单元、可以模拟不同降雨量和雨强的降雨模拟单元。方法为：建立坡面土体观测单元，单元内安装深层土壤集水单元，并利用降雨模拟单元设置不同特征的降雨事件，通过测定集水单元内的水量发生特征，包括水量和发生时间，明确不同降雨条件下，不同土壤质地、不同坡面角度、坡面特定深度的土壤水分深层渗漏数量特征，为坡面环境土壤水分平衡分析提供试验依据。但是该专利申请的模拟观测装置仅是对坡面降雨深层入渗特征的模拟，未达到“水均衡实验”教学的目的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水均衡综合实验教学观测装置，以解决背景技术中提出的问题，本装置能够实现对整个水文循环的模拟与水量监测。
为实现上述目的，本发明提供了一种水均衡综合实验教学观测装置，包括水均衡试验箱、模拟降雨系统、坡面流系统和汇流系统，所述水均衡试验箱为顶部开口的中空结构，所述坡面流系统包括倾斜设置在所述水均衡试验箱内的坡面槽、设置在所述坡面槽内的坡面槽填充层、覆盖在所述坡面槽填充层上的坡面覆被材料以及用于调节所述坡面槽倾斜角度的驱动装置，所述坡面槽的后端通过铰接轴铰接在所述水均衡试验箱的内侧壁上，所述坡面槽的前端向下倾斜，所述坡面槽的前端底部设有出流口；所述驱动装置设置在所述坡面槽的前端下方，用以对所述坡面槽的倾斜角度进行调节；所述模拟降雨系统包括设置于所述水均衡试验箱顶部开口上方的多个降雨喷头，多个所述降雨喷头的喷水范围能够完全覆盖所述坡面槽在水平方向上的投影；所述汇流系统包括与所述出流口相对应的用于收集先后流经坡面覆被材料和坡面槽填充层的水流的地下水集水槽、用于收集流经坡面覆被材料而不向下流动至坡面槽填充层内的水流的坡面流集水槽以及用于汇总地下水集水槽和坡面流集水槽中水流的总集水槽，所述地下水集水槽和坡面流集水槽的出水口通过出水管道连接后再与所述总集水槽的进水口相连通，所述地下水集水槽和坡面流集水槽的出水管道上以及所述总集水槽的出水管道和进水管道上这四个位置共设有至少两个流量计。
优选的，所述坡面槽填充层由壤土、砂土以及粘土中的一种或多种压制而成，以模拟不同含水层介质。
优选的，所述坡面覆被材料为由动物皮革或有孔透水泡沫压成的含有沟渠系统的三维地貌模型。
优选的，所述坡面槽与水平方向之间的倾角为15°～30°；所述坡面槽为长60～150cm、宽40～100cm、高25～40cm的有机玻璃槽。
优选的，所述水均衡综合实验教学观测装置还包括工作台，所述水均衡试验箱设置在所述工作台上；所述驱动装置为安装在所述工作台上的电动推杆，所述电动推杆的活塞杆端伸入所述水均衡试验箱内，并活动连接在所述坡面槽的底部。
优选的，所述模拟降雨系统包括设置在所述工作台底部的调节水箱和回水泵，以及设置在所述水均衡试验箱上方的降雨喷管，所述调节水箱与所述回水泵连接，所述回水泵与所述降雨喷管连接，所述降雨喷管的底部设有多个所述降雨喷头。该结构设置中，模拟降雨系统主要通过回水泵控制流速，从而实现坡面流系统上方不同强度的降雨；另外，模拟降雨系统还包括设置于管路上的用于测量降雨量的第四流量计。
优选的，所述总集水槽的出水管道与所述调节水箱相连通；该结构可以使汇总后的水回到调节水箱，实现水的循环使用。
优选的，所述地下水集水槽和坡面流集水槽的出水管道上分别设有第一流量计和第二流量计，所述总集水槽的出水管道上设有第三流量计。
相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明的水均衡综合实验教学观测装置，通过降雨模拟系统、可变角度的坡面流系统、可控流量的汇流系统等整个装置系统的协同，实现“降雨-入渗-地表径流-地下径流”的整个水文循环全过程模拟，使学习者能够自己动手改变不同降雨、下垫面和土壤条件，模拟降雨-产汇流过程；并通过流量计装置实测每个过程的水量，分析各个过程的均衡项，从而达到“水均衡实验”教学目的。本发明结构简单、操作方便，教学效果明了，建造和维护成本低廉。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明一种水均衡综合实验教学观测装置的整体结构示意图；
图2是图1中的水均衡综合实验教学观测装置的俯视结构示意图；
图3是图2中的水均衡综合实验教学观测装置的A-A截面结构示意图；
图4是图2中的水均衡综合实验教学观测装置的B-B截面结构示意图；
其中，1、工作台，2、水均衡试验箱，3、模拟降雨系统，3.1、降雨喷头，3.2、调节水箱，3.3、回水泵，3.4、降雨喷管，4、坡面流系统，4.1、坡面槽，4.1a、出流口，4.2、坡面槽填充层，4.3、坡面覆被材料，4.4、驱动装置，5、汇流系统，5.1、地下水集水槽，5.2、坡面流集水槽，5.3、总集水槽，5.4、第一流量计，5.5、第二流量计，5.6、第三流量计。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
参见图1至图4，一种水均衡综合实验教学观测装置，包括工作台1、水均衡试验箱2、模拟降雨系统3、坡面流系统4和汇流系统5，具体结构如下：水均衡试验箱2为顶部开口的中空结构，其固定设置在工作台上的支撑面上；工作台1的底部可以设置行走轮。
在本实施例中，模拟降雨系统3可根据实验室条件设定，如果实验室原具有降雨模拟大厅等条件，本实施例的模拟降雨系统则只需要确保有若干个降雨喷头3.1位于水均衡试验箱2顶部开口的上方，且降雨喷头的喷水范围能够完全覆盖坡面流系统4在水平方向上的投影。如果实验室不具备相关条件，可优选设置模拟降雨系统3包括调节水箱3.2、回水泵3.3和降雨喷管3.4，调节水箱和回水泵设置在工作台底部，降雨喷管设置在水均衡试验箱的上方，调节水箱与回水泵连接，回水泵与降雨喷管连接，降雨喷管的底部设有多个降雨喷头。现有模拟降雨技术已经比较成熟了，对于模拟降雨系统的流速等都可以采用现有技术。该结构的模拟降雨系统可实现连续变雨强降雨过程模拟，雨强变化范围在0.5～5.0mm/min之间；能够实现雨量的适时监控；降雨范围需保证覆盖坡面流投影范围。
在本实施例中，坡面流系统包括坡面槽4.1、坡面槽填充层4.2、坡面覆被材料4.3和驱动装置4.4，坡面槽的后端通过铰接轴铰接在水均衡试验箱的内侧壁上，坡面槽的前端向下倾斜，并且坡面槽的前端底部设有出流口4.1a；坡面槽也为顶部敞口的中空结构，坡面槽填充层设置在坡面槽内；坡面覆被材料4.3覆盖在坡面槽填充层上；驱动装置4.4为安装在工作台上的电动推杆，该电动推杆的活塞杆端向上伸入水均衡试验箱内，并活动连接在坡面槽的前端底部，以对坡面槽4.1前端高度上下调节，进而实现对坡面槽的倾斜角度进行调节。优选的，坡面槽为长约80cm、宽40～100cm、高30cm的有机玻璃槽。根据野外流域坡度的一般范围，坡面槽的倾角可在15°～30°之间变化。坡面槽填充层4.2可考虑由壤土、砂土以及粘土中的一种或多种压制而成，以模拟不同含水层介质。坡面覆被材料4.3采用渗透率不同的材料压成含有沟渠系统的三维地貌模型，优选动物皮革或有孔透水泡沫压成。该结构可通过上下调节电动推杆以模拟不同下垫面、不同土壤、不同坡度条件下的产流过程。
在本实施例中，汇流系统5包括与出流口相对应的用于收集先后流经坡面覆被材料4.3和坡面槽填充层4.2的水流(也即地下径流)的地下水集水槽5.1、用于收集流经坡面覆被材料4.3而不向下流动至坡面槽填充层4.2内的水流(也即地表径流)的坡面流集水槽5.2以及用于汇总地下水集水槽5.1和坡面流集水槽5.2中水流的总集水槽5.3，且地下水集水槽、坡面流集水槽和总集水槽均设置在水均衡试验箱中，地下水集水槽和坡面流集水槽的出水口通过出水管道连接，而后再与总集水槽的进水口相连通，地下水集水槽和坡面流集水槽的出水管道上以及总集水槽的出水管道和进水管道上这四个位置共设有流量计。优选的，地下水集水槽和坡面流集水槽的出水管道上分别设有第一流量计5.4和第二流量计5.5。该结构设置中，其中部分降雨先后流经(入渗)坡面覆被材料和坡面槽填充层并经坡面槽底部的出流口流出，并进入地下水集水槽中，形成模拟泉；另一部分降雨从坡面覆被材料上直接流下进入坡面流集水槽中，形成地表溪流模拟系统；总集水槽以及与其相连的出水管道等形成主河道；总集水槽的出水管道与调节水箱相连通，总集水槽的出水管道上设有第三流量计5.6。采用本实施例的装置进行教学实验时，假定一段时段内流域降雨量为P，其中入渗量为I，地面径流量为F。由于实验时间短，不考虑蒸发，则入渗量I最终会转为含水介质水分增量△S和地下汇流量G。最终地面径流量F和地下汇流量G均汇于总集水槽。
在本实施例中，地下水集水槽的出水管道上所设置的第一流量计用以监测地下径流量G；坡面流集水槽的出水管道上所设置的第二流量计用以监测由坡面所产生的地面产流量F；总集水槽出口处所设置的第三流量计用以监测总径流量Z。在实验后(泉口流量接近0)，测定土壤单位持水量的变化量△Sunit，并根据△Sunit计算水分增量△S。则最终实验监测结果基本符合以下等式：P＝G+F+△S，同时G+F＝Z。
本实施例装置通过对降雨量、地表径流量、地下径流量等监测数据的分析，使学习者能够生动理解水均衡的基本理论和过程，同时也深刻理解流域下垫面条件对产汇流的影响。该装置是模拟了“降雨-入渗-地表径流-地下径流”的全过程，水量监测涵盖了降雨、地面产流、地下产流，并运用水量平衡方程对各监测流量开展平衡分析计算；装置通过不同的覆被材料来模拟不同的下垫面条件。本实施例中，整个装置系统的各个部分协同，实现对整个水文循环的模拟与水量监测，从而达到“水均衡实验”教学的目的。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种水均衡综合实验教学观测装置，其特征在于，包括水均衡试验箱(2)、模拟降雨系统(3)、坡面流系统(4)和汇流系统(5)，所述水均衡试验箱(2)为顶部开口的中空结构，所述坡面流系统(4)包括倾斜设置在所述水均衡试验箱内的坡面槽(4.1)、设置在所述坡面槽内的坡面槽填充层(4.2)、覆盖在所述坡面槽填充层上的坡面覆被材料(4.3)以及用于调节所述坡面槽倾斜角度的驱动装置(4.4)，所述坡面槽的后端通过铰接轴铰接在所述水均衡试验箱的内侧壁上，所述坡面槽的前端向下倾斜，所述坡面槽的前端底部设有出流口(4.1a)；所述驱动装置(4.4)设置在所述坡面槽的前端下方，用以对所述坡面槽(4.1)的倾斜角度进行调节；所述模拟降雨系统(3)包括设置于所述水均衡试验箱(2)顶部开口上方的多个降雨喷头(3.1)，多个所述降雨喷头的喷水范围能够完全覆盖所述坡面槽(4.1)在水平方向上的投影；所述汇流系统(5)包括与所述出流口相对应的用于收集先后流经坡面覆被材料(4.3)和坡面槽填充层(4.2)的水流的地下水集水槽(5.1)、用于收集流经坡面覆被材料(4.3)而不向下流动至坡面槽填充层(4.2)内的水流的坡面流集水槽(5.2)以及用于汇总地下水集水槽(5.1)和坡面流集水槽(5.2)中水流的总集水槽(5.3)，所述地下水集水槽和坡面流集水槽的出水口通过出水管道连接后再与所述总集水槽的进水口相连通，所述地下水集水槽和坡面流集水槽的出水管道上以及所述总集水槽的出水管道和进水管道上这四个位置共设有至少两个流量计。
2.根据权利要求1所述的水均衡综合实验教学观测装置，其特征在于，所述坡面槽填充层(4.2)由壤土、砂土以及粘土中的一种或多种压制而成，以模拟不同含水层介质。
3.根据权利要求1所述的水均衡综合实验教学观测装置，其特征在于，所述坡面覆被材料(4.3)为由动物皮革或有孔透水泡沫压成的含有沟渠系统的三维地貌模型。
4.根据权利要求1所述的水均衡综合实验教学观测装置，其特征在于，所述坡面槽(4.1)与水平方向之间的倾角为15°～30°；所述坡面槽为长60～150cm、宽40～100cm、高25～40cm的有机玻璃槽。
5.根据权利要求1所述的水均衡综合实验教学观测装置，其特征在于，还包括工作台(1)，所述水均衡试验箱(2)设置在所述工作台上；所述驱动装置(4.4)为安装在所述工作台上的电动推杆，所述电动推杆的活塞杆端伸入所述水均衡试验箱内，并活动连接在所述坡面槽的底部。
6.根据权利要求1所述的水均衡综合实验教学观测装置，其特征在于，所述模拟降雨系统(3)包括设置在所述工作台底部的调节水箱(3.2)和回水泵(3.3)，以及设置在所述水均衡试验箱上方的降雨喷管(3.4)，所述调节水箱与所述回水泵连接，所述回水泵与所述降雨喷管连接，所述降雨喷管的底部设有多个所述降雨喷头(3.1)。
7.根据权利要求6所述的水均衡综合实验教学观测装置，其特征在于，所述总集水槽的出水管道与所述调节水箱相连通。
8.根据权利要求1所述的水均衡综合实验教学观测装置，其特征在于，所述地下水集水槽和坡面流集水槽的出水管道上分别设有第一流量计(5.4)和第二流量计(5.5)；所述总集水槽的出水管道上设有第三流量计(5.6)。
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