CN114646360A - 一种喀斯特地区水量平衡测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水量测量装置技术领域，公开了一种喀斯特地区水量平衡测量装置，包括地表降雨再分配监测装置和树冠降雨再分配监测装置，所述地表降雨再分配监测装置包括土槽，所述土槽的上层为土壤层，所述土壤层上种植有树木，所述土槽的下层为水泥浇筑层，所述水泥浇筑层上留有若干裂隙，所述土槽的下方设有用于调节土槽倾斜角度的调节机构；本发明提供的一种喀斯特地区水量平衡测量装置，解决了现有技术无法对树冠截流量以及蒸散发量进行精确测量的问题。
Description
技术领域
本发明涉及水量测量装置技术领域，具体涉及一种喀斯特地区水量平衡测量装置。
背景技术
在林地生态水文的研究过程中，水量平衡方程的准确计算是关键环节，水量平衡方程有以下两个公式，公式1：降雨量＝穿透雨量+树干径流量+树冠截流量；公式2：降雨量＝地表径流量+岩面流量+基岩漏失量+土壤含水量变化量+蒸散发量。如何对上述公式进行准确的计算，引导林地生态水文的研究，则离不开对相应参数的精确测量，林地中树冠的降雨再分配作用将降雨分为穿透雨、树干径流和树冠截流三部分，穿透雨和树干径流到达地面后，又将分为地表径流、岩面流、基岩漏失等几个部分。但受树木冠层结构、风、蒸发以及降雨强度等诸多因素影响，公式1和公式2中的部分参数若测量不准确则难以进行准确的计算，进而会影响对林地生态水文的研究。
现有技术中，对于公式1，如公告号CN 212723432 U、公告号CN 214310943U、公告号CN207817238 U等公开的穿透雨量测量装置，能够实现对穿透雨量的测量；公告号CN208567987 U、公告号CN 203785721、公告号CN 203337202 U等公开的树干径流量测量装置，能够实现对树干径流量的测量，但上述装置均只针对降雨再分配后的某一环节进行采集，不能实现对多个参数的准确测量；公告号CN 213633881 U公开的一种林分降雨再分配自动采集系统，虽然能自动监测降雨量、穿透雨量和树干径流量，但受树木生长特点的影响，穿透雨往往不是均一的降落到地面，通过一个雨量筒无法准确的测量出单棵植物的穿透雨量，因此，通过该装置的测量结果并不能准确计算出树冠截流量。
对于公式2，现有技术中采用的测量装置，也主要是针对某一环节进行水量测量，申请公布号CN 110006808 A公开的一种模拟喀斯特地区裂隙管道发育情况装置，虽然可以通过该实验装置来确定公式2中的降雨量、地表径流、岩面流、基岩漏失量，但土壤含水量变化量无法确定，因此，即便是在上述参数能够确定的情况下，也无法准确计算出蒸散发量。
综上，现有技术中，无法对公式1中的树冠截流量以及公式2中的蒸散发量进行精确测量，从而会影响对林地生态水文研究的准确性。
发明内容
本发明的目的是提供一种喀斯特地区水量平衡测量装置，用以解决现有技术中存在的至少一个上述问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种喀斯特地区水量平衡测量装置，包括地表降雨再分配监测装置和树冠降雨再分配监测装置，所述地表降雨再分配监测装置包括土槽，所述土槽的上层为土壤层，所述土壤层上种植有树木，所述土槽的下层为水泥浇筑层，所述水泥浇筑层上留有若干裂隙，所述土槽的下方设有用于调节土槽倾斜角度的调节机构；
所述土壤层下端的表面设有土壤表层导流管，所述土壤表层导流管连接有第一雨量筒，所述土壤层和水泥浇筑层之间设有岩土界面导流管，所述岩土界面导流管连接有第二雨量筒，所述裂隙的下端设有基岩导流管，所述基岩导流管连接有第三雨量筒，所述土壤层内均匀埋设有若干用于监测土壤含水量变化量的水分探头；
所述树冠降雨再分配监测装置包括穿透雨监测装置和树干径流监测装置，所述穿透雨监测装置包括设置在树冠下方的集水罩，所述集水罩呈漏斗状且开口朝向树冠，所述集水罩的中部设有套筒，所述套筒安装在树干上且该套筒与树干间隙配合，所述套筒位于集水罩的内部且向上延伸，所述集水罩连接有穿透雨导流管，所述穿透雨导流管连接有第四雨量筒；
所述树干径流监测装置包括安装在树干上的树干集水槽，所述树干集水槽位于集水罩的下方，所述树干集水槽的开口朝上，所述树干集水槽的下端与树干密封连接，所述树干集水槽连接有树干径流导流管，所述树干径流导流管连接有第五雨量筒。
本技术方案中，由于土槽的上层为土壤层，土壤层上种植有树木，土槽的下层为水泥浇筑层，水泥浇筑层上留有若干裂隙，能够真实的模拟喀斯特地区的地层现状，土槽的下方设有用于调节土槽倾斜角度的调节机构，能够模拟出不同的坡度，以便根据不同的坡度情况进行水量情况监测；土壤导流管能够将土壤层的水流引导到第一雨量筒内，通过第一雨量筒中收集的水量得出地表径流量值，岩土界面导流管能够将土壤层和水泥浇筑层之间的水流引导到第二雨量筒内，通过第二雨量筒中收集的水量得出岩面流量值，基岩导流管能够将水泥浇筑层的水流自裂隙处引导到第三雨量筒，通过第三雨量筒中收集的水量得出基岩漏失量值，水分探头能够用于监测土壤含水量变化量。
此外，集水罩能够对树冠上滴落的雨水进行完整的收集，套筒安装在树干上且该套筒与树干间隙配合，套筒外侧能够实现对集水罩中雨水的收集及拦截，套筒内侧与树干留有间隙，方便雨水能够顺着树干向下流动，从而使得安装在树干上的树干集水槽对树干上的水流进行收集，集水罩对雨水进行收集的过程中，穿透雨导流管能够将集水罩内的雨水引流至第四雨量筒，通过第四雨量筒中收集的水量得出穿透雨量值，树干集水槽对雨水进行收集的过程中，树干径流导流管能够将树干集水槽内的雨水引流至第五雨量筒，通过第五雨量筒中收集的水量得出树干径流量值，由此可知，本技术方案，能够实现对地表径流量、岩面流量、基岩漏失量、土壤含水量变化量、穿透雨量和树干径流量的测量，需要说明的是，若采用人工降雨，则能够设定降雨量，则降雨量为已知值，或者在户外设置雨量计即可实现对户外实际降雨量的测量，在降雨量也已知的情况下，则根据上述能够测量出的数据，便可准确计算出树冠截流量及蒸散发量，从而解决了现有技术无法测量树冠截流量及蒸散发量值的问题。
进一步的，为了提供一种方便调整土槽角度的具体结构，所述调节机构包括设置在土槽下方的基座，所述基座的一端与土槽的一端之间转动连接，所述基座的另一端与土槽的另一端之间设有用于驱动土槽该端升降的升降驱动装置。
具体的，基座与土槽转动连接的部分可以通过设置转轴实现，当需要调整土槽倾斜度，通过启动升降驱动装置，升降驱动装置会带动土槽的另一端升降，从而实现对土槽角度的调整。
进一步的，为了提供一种稳定性高的基座结构，所述基座包括第一水泥墩和第二水泥墩，所述第一水泥墩与土槽的一端之间转动连接，所述第二水泥墩与土槽的另一端之间设有用于驱动土槽该端升降的升降驱动装置。
进一步的，为了提供多种升降驱动方式，所述升降驱动装置包括电动推杆、液压推杆或气动推杆。
进一步的，为了方便对地表降雨再分配监测装置的移动，所述调节机构的下方设有行走轮，行走轮的设计可以方便室内、室外实验的来回切换。
进一步的，为了能够更为全面、完整、准确的收集穿透雨量，所述集水罩上端口的边缘与落水线在垂直方向上对齐。
进一步的，考虑到树木随着自身的生长状态，树冠的形状大小也会发生变化，因此为了适应树冠的尺寸，所述集水罩包括基础罩体和延伸罩体，所述套筒设置在基础罩体的中部，所述延伸罩体可拆卸式安装在基础罩体的上端口，所述基础罩体的上端口与延伸罩体的下端口之间具有重合部分，所述延伸罩体的重合部分位于基础罩体的重合部分的内侧。
上述设计中，将延伸罩体可拆卸式安装在基础罩体的上端口的设计，方便实现对延伸罩体的更换，在树干尺寸变大的情况下，可以通过更换大尺寸的延伸罩体从而以便更好的适应树木的生长，且能够保持精确的测量效果。
进一步的，为了更便捷的实现基础罩体和延伸罩体之间的安装，所述基础罩体和延伸罩体之间通过周向均匀设置在基础罩体和延伸罩体之间的多个螺栓实现二者的固定安装。
进一步的，为了实现对雨量筒的支撑，所述第一雨量筒、第二雨量筒、第三雨量筒、第四雨量筒和/或第五雨量筒的下方均设有底座。
需要说明的是，为了更为简便，直接的观察到每个雨量筒的雨水收集情况，第一雨量筒、第二雨量筒、第三雨量筒、第四雨量筒和/或第五雨量筒上均设有刻度，从而便于读取雨量值。
进一步的，为了在自然降雨状态，能够测量出降雨量，还包括用于测量降雨量的雨量计。
本发明的有益效果为：本技术方案中，由于土槽的上层为土壤层，土壤层上种植有树木，土槽的下层为水泥浇筑层，水泥浇筑层上留有若干裂隙，能够真实的模拟喀斯特地区的地层现状，土槽的下方设有用于调节土槽倾斜角度的调节机构，能够模拟出不同的坡度，以便根据不同的坡度情况进行水量情况监测；土壤导流管能够将土壤层的水流引导到第一雨量筒内，通过第一雨量筒中收集的水量得出地表径流量值，岩土界面导流管能够将土壤层和水泥浇筑层之间的水流引导到第二雨量筒内，通过第二雨量筒中收集的水量得出岩面流量值，基岩导流管能够将水泥浇筑层的水流自裂隙处引导到第三雨量筒，通过第三雨量筒中收集的水量得出基岩漏失量值，水分探头能够用于监测土壤含水量变化量。
此外，集水罩能够对树冠上滴落的雨水进行完整的收集，套筒安装在树干上且该套筒与树干间隙配合，套筒外侧能够实现对集水罩中雨水的收集及拦截，套筒内侧与树干留有间隙，方便雨水能够顺着树干向下流动，从而使得安装在树干上的树干集水槽对树干上的水流进行收集，集水罩对雨水进行收集的过程中，穿透雨导流管能够将集水罩内的雨水引流至第四雨量筒，通过第四雨量筒中收集的水量得出穿透雨量值，树干集水槽对雨水进行收集的过程中，树干径流导流管能够将树干集水槽内的雨水引流至第五雨量筒，通过第五雨量筒中收集的水量得出树干径流量值，由此可知，本技术方案，能够实现对地表径流量、岩面流量、基岩漏失量、土壤含水量变化量、穿透雨量和树干径流量的测量，需要说明的是，若采用人工降雨，则能够设定降雨量，则降雨量为已知值，或者在户外设置雨量计即可实现对户外实际降雨量的测量，在降雨量也已知的情况下，则根据上述能够测量出的数据，便可准确计算出树冠截流量及蒸散发量，从而解决了现有技术无法测量树冠截流量及蒸散发量值的问题。
附图说明
图1为本发明中地表降雨再分配监测装置的结构示意图；
图2为本发明中树冠降雨再分配监测装置的结构示意图；
图3为本发明中穿透雨监测装置的结构示意图；
图4为本发明中树干径流监测装置的结构示意图。
图中：土壤层1；水泥浇筑层2；裂隙3；土壤表层导流管4；第一雨量筒5；岩土界面导流管6；第二雨量筒7；基岩导流管8；第三雨量筒9；水分探头10；树冠11；集水罩12；基础罩体12.1；延伸罩体12.2；重合部分12.3；套筒13；穿透雨导流管14；第四雨量筒15；升降驱动装置16；第一水泥墩17；第二水泥墩18；落水线19；第五雨量筒20；底座21；转轴22；树干集水槽23；树干径流导流管24。
具体实施方式
实施例1：
如图1-图4所示，本实施例提供一种喀斯特地区水量平衡测量装置，包括地表降雨再分配监测装置和树冠降雨再分配监测装置，地表降雨再分配监测装置包括土槽，土槽的上层为土壤层1，土壤层1上种植有树木，土槽的下层为水泥浇筑层2，水泥浇筑层2上留有若干裂隙3，土槽的下方设有用于调节土槽倾斜角度的调节机构；
土壤层1下端的表面设有土壤表层导流管4，土壤表层导流管4连接有第一雨量筒5，土壤层1和水泥浇筑层2之间设有岩土界面导流管6，岩土界面导流管6连接有第二雨量筒7，裂隙3的下端设有基岩导流管8，基岩导流管8连接有第三雨量筒9，土壤层1内均匀埋设有若干用于监测土壤含水量变化量的水分探头10；
树冠降雨再分配监测装置包括穿透雨监测装置和树干径流监测装置，如图2所示，穿透雨监测装置包括设置在树冠11下方的集水罩12，集水罩12呈漏斗状且开口朝向树冠11，集水罩12的中部设有套筒13，套筒13安装在树干上且该套筒13与树干间隙配合，套筒13位于集水罩12的内部且向上延伸，集水罩12连接有穿透雨导流管14，穿透雨导流管14连接有第四雨量筒15；
树干径流监测装置包括安装在树干上的树干集水槽23，树干集水槽23位于集水罩12的下方，树干集水槽23的开口朝上，树干集水槽23的下端与树干密封连接，树干集水槽23连接有树干径流导流管24，树干径流导流管24连接有第五雨量筒20。
本技术方案中，由于土槽的上层为土壤层1，土壤层1上种植有树木，土槽的下层为水泥浇筑层2，水泥浇筑层2上留有若干裂隙3，能够真实的模拟喀斯特地区的地层现状，土槽的下方设有用于调节土槽倾斜角度的调节机构，能够模拟出不同的坡度，以便根据不同的坡度情况进行水量情况监测；如图1所示，土壤导流管能够将土壤层1的水流引导到第一雨量筒5内，通过第一雨量筒5中收集的水量得出地表径流量值，岩土界面导流管6能够将土壤层1和水泥浇筑层2之间的水流引导到第二雨量筒7内，通过第二雨量筒7中收集的水量得出岩面流量值，基岩导流管8能够将水泥浇筑层2的水流自裂隙3处引导到第三雨量筒9，通过第三雨量筒9中收集的水量得出基岩漏失量值，水分探头10能够用于监测土壤含水量变化量。
此外，如图2所示，集水罩12能够对树冠11上滴落的雨水进行完整的收集，套筒13安装在树干上且该套筒13与树干间隙配合，套筒13外侧能够实现对集水罩12中雨水的收集及拦截，套筒13内侧与树干留有间隙，套筒13的固定方式可以是在套筒13与树干之间设置支架，从而通过支架即可将集水罩12固定安装在树干上，同时能够保证套筒13与树干之间留有间隙，方便雨水能够顺着树干向下流动，从而使得安装在树干上的树干集水槽23对树干上的水流进行收集，集水罩12对雨水进行收集的过程中，穿透雨导流管14能够将集水罩12内的雨水引流至第四雨量筒15，通过第四雨量筒15中收集的水量得出穿透雨量值，树干集水槽23对雨水进行收集的过程中，树干径流导流管24能够将树干集水槽23内的雨水引流至第五雨量筒20，通过第五雨量筒20中收集的水量得出树干径流量值，由此可知，本技术方案，能够实现对地表径流量、岩面流量、基岩漏失量、土壤含水量变化量、穿透雨量和树干径流量的测量，需要说明的是，若采用人工降雨，则能够设定降雨量，则降雨量为已知值，或者在户外设置雨量计即可实现对户外实际降雨量的测量，在降雨量也已知的情况下，则根据上述能够测量出的数据，便可准确计算出树冠截流量及蒸散发量，从而解决了现有技术无法测量树冠截流量及蒸散发量值的问题。
实施例2：
本实施例是在上述实施例1的基础上进行优化。
为了提供一种方便调整土槽角度的具体结构，调节机构包括设置在土槽下方的基座，基座的一端与土槽的一端之间转动连接，基座的另一端与土槽的另一端之间设有用于驱动土槽该端升降的升降驱动装置16。
具体的，如图1所示，基座与土槽转动连接的部分可以通过设置转轴22实现，当需要调整土槽倾斜度，通过启动升降驱动装置16，升降驱动装置16会带动土槽的另一端升降，从而实现对土槽角度的调整。
实施例3：
本实施例是在上述实施例2的基础上进行优化。
为了提供一种稳定性高的基座结构，基座包括第一水泥墩17和第二水泥墩18，第一水泥墩17与土槽的一端之间转动连接，第二水泥墩18与土槽的另一端之间设有用于驱动土槽该端升降的升降驱动装置16。
实施例4：
本实施例是在上述实施例2或3的基础上进行优化。
为了提供多种升降驱动方式，升降驱动装置16包括电动推杆、液压推杆或气动推杆。
实施例5：
本实施例是在上述实施例2的基础上进行优化。
为了方便对地表降雨再分配监测装置的移动，调节机构的下方设有行走轮，行走轮的设计可以方便室内、室外实验的来回切换，需要说明的是，室内试验则选择人工降雨进行试验即可。
实施例6：
本实施例是在上述实施例1的基础上进行优化。
如图2所示，为了能够更为全面、完整、准确的收集穿透雨量，集水罩12上端口的边缘与落水线19在垂直方向上对齐。需要说明的是，根据树木的生长情况应适时调整集水罩12上端口的边缘，使得集水罩12上端口的边缘与落水线19在垂直方向上对齐。还需要注意的是，集水罩12上端口的边缘不能超出落水线19，否则集水罩12会收集到树冠11外侧的雨量，从而无法准确的收集穿透树冠的雨水，进而造成穿透雨量测量不准确。当然，集水罩12上端口的边缘也不能位于落水线19的内侧，否则，穿透树冠的雨水无法完全收集，也会存在穿透雨量测量不准确的问题。
需要说明的是，落水线19为树冠11的最外端垂直向下延伸的延伸线。
实施例7：
本实施例是在上述实施例1的基础上进行优化。
如图3所示，考虑到树木随着自身的生长状态，树冠11的形状大小也会发生变化，因此为了适应树冠11的尺寸及方便更换合适的罩体，集水罩12包括基础罩体12.1和延伸罩体12.2，套筒13设置在基础罩体12.1的中部，延伸罩体12.2可拆卸式安装在基础罩体12.1的上端口，基础罩体12.1的上端口与延伸罩体12.2的下端口之间具有重合部分12.3，延伸罩体12.2的重合部分12.3位于基础罩体12.1的重合部分12.3的内侧，此种设计能够更好的保证基础罩体12.1和延伸罩体12.2之间的密封效果。
上述设计中，将延伸罩体12.2可拆卸式安装在基础罩体12.1的上端口的设计，方便实现对延伸罩体12.2的更换，在树干尺寸变大的情况下，可以通过更换大尺寸的延伸罩体12.2从而以便更好的适应树木的生长，且能够保持精确的测量效果。
实施例8：
本实施例是在上述实施例7的基础上进行优化。
为了更便捷的实现基础罩体12.1和延伸罩体12.2之间的安装，基础罩体12.1和延伸罩体12.2之间通过周向均匀设置在基础罩体12.1和延伸罩体12.2之间的多个螺栓实现二者的固定安装，当然也可以是其他卡接固定的连接方式，现有技术中有较多的可选择的固定结构，不再一一赘述。
实施例9：
本实施例是在上述实施例1的基础上进行优化。
为了实现对雨量筒的支撑，第一雨量筒5、第二雨量筒7、第三雨量筒9、第四雨量筒15和/或第五雨量筒20的下方均设有底座21。
需要说明的是，为了更为简便，直接的观察到每个雨量筒的雨水收集情况，第一雨量筒5、第二雨量筒7、第三雨量筒9、第四雨量筒15和/或第五雨量筒20上均设有刻度，从而便于读取雨量值。
实施例10：
本实施例是在上述实施例1的基础上进行优化。
为了在自然降雨状态，能够测量出降雨量，还包括用于测量降雨量的雨量计。
最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明的保护范围。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 (10)
1.一种喀斯特地区水量平衡测量装置，其特征在于：包括地表降雨再分配监测装置和树冠降雨再分配监测装置，所述地表降雨再分配监测装置包括土槽，所述土槽的上层为土壤层，所述土壤层上种植有树木，所述土槽的下层为水泥浇筑层，所述水泥浇筑层上留有若干裂隙，所述土槽的下方设有用于调节土槽倾斜角度的调节机构；
所述土壤层下端的表面设有土壤表层导流管，所述土壤表层导流管连接有第一雨量筒，所述土壤层和水泥浇筑层之间设有岩土界面导流管，所述岩土界面导流管连接有第二雨量筒，所述裂隙的下端设有基岩导流管，所述基岩导流管连接有第三雨量筒，所述土壤层内均匀埋设有若干用于监测土壤含水量变化量的水分探头；
所述树冠降雨再分配监测装置包括穿透雨监测装置和树干径流监测装置，所述穿透雨监测装置包括设置在树冠下方的集水罩，所述集水罩呈漏斗状且开口朝向树冠，所述集水罩的中部设有套筒，所述套筒安装在树干上且该套筒与树干间隙配合，所述套筒位于集水罩的内部且向上延伸，所述集水罩连接有穿透雨导流管，所述穿透雨导流管连接有第四雨量筒；
所述树干径流监测装置包括安装在树干上的树干集水槽，所述树干集水槽位于集水罩的下方，所述树干集水槽的开口朝上，所述树干集水槽的下端与树干密封连接，所述树干集水槽连接有树干径流导流管，所述树干径流导流管连接有第五雨量筒。
2.根据权利要求1所述的一种喀斯特地区水量平衡测量装置，其特征在于：所述调节机构包括设置在土槽下方的基座，所述基座的一端与土槽的一端之间转动连接，所述基座的另一端与土槽的另一端之间设有用于驱动土槽该端升降的升降驱动装置。
3.根据权利要求2所述的一种喀斯特地区水量平衡测量装置，其特征在于：所述基座包括第一水泥墩和第二水泥墩，所述第一水泥墩与土槽的一端之间转动连接，所述第二水泥墩与土槽的另一端之间设有用于驱动土槽该端升降的升降驱动装置。
4.根据权利要求2或3所述的一种喀斯特地区水量平衡测量装置，其特征在于：所述升降驱动装置包括电动推杆、液压推杆或气动推杆。
5.根据权利要求2所述的一种喀斯特地区水量平衡测量装置，其特征在于：所述调节机构的下方设有行走轮。
6.根据权利要求1所述的一种喀斯特地区水量平衡测量装置，其特征在于：所述集水罩上端口的边缘与落水线在垂直方向上对齐。
7.根据权利要求1所述的一种喀斯特地区水量平衡测量装置，其特征在于：所述集水罩包括基础罩体和延伸罩体，所述套筒设置在基础罩体的中部，所述延伸罩体可拆卸式安装在基础罩体的上端口，所述基础罩体的上端口与延伸罩体的下端口之间具有重合部分，所述延伸罩体的重合部分位于基础罩体的重合部分的内侧。
8.根据权利要求7所述的一种喀斯特地区水量平衡测量装置，其特征在于：所述基础罩体和延伸罩体之间通过周向均匀设置在基础罩体和延伸罩体之间的多个螺栓实现二者的固定安装。
9.根据权利要求1所述的一种喀斯特地区水量平衡测量装置，其特征在于：所述第一雨量筒、第二雨量筒、第三雨量筒、第四雨量筒和/或第五雨量筒的下方均设有底座。
10.根据权利要求1所述的一种喀斯特地区水量平衡测量装置，其特征在于：还包括用于测量降雨量的雨量计。
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