CN220154435U - 一种野外坡面水分运动示踪智能实验装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种野外坡面水分运动示踪智能实验装置，包括位于坡面上的径流小区、水流缓冲机构、供水机构和集成分析系统，径流小区由U型挡板围合而成，U型挡板包括侧铁皮挡板、下铁皮挡板和侧玻璃挡板，下铁皮挡板的出水孔设有流量传感器I，径流小区上方设置水流缓冲机构，水流缓冲机构包括出水管、缓冲板和支架，缓冲板包括圆弧区和平直区，水流缓冲机构由供水机构供水，供水机构包括由供水管依次连接的供水箱、汽油泵、控水阀门和流量传感器II，供水箱内填充亮蓝染色溶液。本实用新型不仅可以实现在野外同频观测示踪坡面水分的侧向和垂向运动，在量化坡面产流的同时，直观刻画水流垂向入渗，还能够使初始水流均匀流出，降低野外实验误差。
Description
技术领域
本实用新型涉及野外水土保持实验领域，尤其涉及一种野外坡面水分运动示踪智能实验装置。
背景技术
目前野外观测水分运动主要集中在坡面侧向变化即坡面径流或垂向入渗的单一方面。而在山地丘陵广布、地势起伏地区，坡面径流和垂向入渗均是山区水循环重要组成部分，二者的同频观测和精确量化可以帮助明确该地区该地形的的水分运动机理，对山坡洪水预报、土壤侵蚀防治和水资源管理具有重要意义。因此，设计一种可同时观测坡面水分侧向和垂向运动的实验装置显得尤为重要。目前野外供水装置由水箱和缓冲装置组成。随着水在水箱下方出水孔自由出流，水箱内液面下降，下部出水孔的水压无法保持恒定，导致难以控制出水孔流速不变，且此方法只适用于水箱高于试验区的情况。缓冲装置一般为稳流槽，理想状态下水流进入稳流槽经过缓冲，沿稳流槽边缘均匀溢出，初始水流铺满径流小区宽度。然而野外开展实验时，通常难以精准控制稳流槽处于水平状态，经常出现稳流槽存在轻微倾斜的情况，导致在开展小流量水分运动实验时出现稳流槽一侧流水而另一侧无法溢出的现象，进而使产流过快，实验误差较大。
综上所述，目前坡面水分运动观测装置主要存在无法直观的同频观测坡面水分侧向和垂向运动，无法在供水方面使初始水流沿径流小区宽度均匀流出的缺陷。
实用新型内容
为至少解决上述背景技术中提出的问题，本实用新型提供了提供一种野外坡面水分运动示踪智能实验装置，不仅可以实现在野外同频观测示踪坡面水分侧向和垂向运动，在量化坡面产流的同时，直观刻画水流垂向入渗，双Y轴实时显示径流、入渗动态过程图，还能够使初始水流均匀流出，降低野外实验误差。
为实现以上目的，本实用新型通过以下技术方案予以实现：
一种野外坡面水分运动示踪智能实验装置，包括位于坡面上的径流小区，所述径流小区由U型挡板围合而成，且所述U型挡板一半埋入坡面，所述U型挡板包括侧铁皮挡板、下铁皮挡板和带有传感器刻度尺和水分传感器的侧玻璃挡板，下铁皮挡板的出水孔设有流量传感器I，在所述径流小区上方设置水流缓冲机构，所述水流缓冲机构包括出水管、缓冲板和出水管的支架，所述缓冲板包括圆弧区和平直区，水流缓冲机构由供水机构供水，供水机构包括由供水管依次连接的供水箱、汽油泵、控水阀门和流量传感器II，供水箱内填充亮蓝染色溶液；
其结构中还包括集成分析系统,集成分析系统的输入端与水分传感器、流量传感器I、流量传感器II和传感器刻度尺相连，集成分析系统的输出端连接有显示器，所述显示器能够双Y轴实时显示径流量和入渗量的动态过程图，径流量通过流量传感器I和流量传感器II的检测值获取，入渗量由传感器刻度尺显示的Z值计算可得，入渗量的计算公式为式中I为入渗量，θt(z)为土壤水分传感器获取的初始土壤含水量，θi(z)为土层深度为z位置的土壤含水量，Sf为湿润峰深度。
优选的，所述侧铁皮挡板和所述下铁皮挡板的下半部分埋入坡面的土壤中，上半部分裸露在坡面以上，所述侧玻璃挡板上刻画有与坡面平齐的坡面标记线，侧玻璃挡板外侧裸露，所述坡面标记线两侧设置刻度线，水分传感器设置在所述侧玻璃挡板内侧坡面标记线以下的不同深度；所述侧铁皮挡板长度与所述侧玻璃挡板长度相同，所述下铁皮挡板中心位置向下凹陷并安装排水管，所述排水管后接集水桶。
优选的，所述缓冲板纵剖面上半部分为圆弧形，下半部分为平直线，所述出水管的尾端封闭，出水管侧壁上等间距开设出水孔，所述出水管长度大于所述缓冲板横向长度，所述支架位于所述出水管下方，所述支架高度为所述缓冲板圆弧区的半径与所述出水管半径之差，所述缓冲板圆弧区的中轴线和所述出水管的中轴线相互重合，出水孔的出水方向指向所述缓冲板圆弧区。
优选的，所述下铁皮挡板的跨度与所述缓冲板的横向长度相同，缓冲板的两侧设置副挡板，副挡板能够防止亮蓝染色溶液外溢。
本实用新型的有益效果为：本实用新型既能够观测到坡面上水流的分布情况，也能够观察到垂直方向的入渗情况，智能化实时显示坡面径流量和入渗量动态过程图，极大的降低了野外人力成本。缓冲装置中的缓冲板特殊构造以及出水管上等距位置开设朝向缓冲板的出水孔能够实现在野外实验时初始水流均匀流出的效果。由汽油泵泵水可解决水桶自由出流时液面高度下降致使水压减小难以控制水箱出水孔流速不变的问题，可以保证供水装置稳定的流速。本实验装置简易便捷；此外，由于汽油泵提高了出水管的出水压强，避免因出水管倾斜造成的出水不够均匀的问题。
附图说明
图1为本实用新型一种野外坡面水分运动示踪实验装置的简易图。
图2是本实用新型的工作原理图。
图中：1.供水箱；2.汽油泵；3.控水阀门；4.流量传感器II；5.供水管；6.出水管；7.支架；8.缓冲板；9.出水孔；10.侧玻璃挡板；11.坡面标记线；12.入渗湿润锋；13.传感器刻度尺；14.水分传感器；15.侧铁皮挡板；16.集水桶；17.副档板；18.下铁皮挡板；19.排水管；20.流量传感器Ⅰ；21.集成分析系统；22.显示器。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
一种野外坡面水分运动示踪实验装置，包括位于坡面上的径流小区，所述径流小区由U型挡板围合而成，且所述U型挡板一半埋入坡面，所述U型挡板包括侧铁皮挡板15、下铁皮挡板18和带有传感器刻度尺13和水分传感器14的侧玻璃挡板10，下铁皮挡板18的出水孔设有流量传感器I20，在所述径流小区上方设置水流缓冲机构，所述水流缓冲机构包括出水管6、缓冲板8和出水管6的支架7，所述缓冲板8包括圆弧区和平直区，水流缓冲机构由供水机构供水，供水机构包括由供水管5依次连接的供水箱1、汽油泵2、控水阀门3和流量传感器II4，供水箱1内填充亮蓝染色溶液；
其结构中还包括集成分析系统21,集成分析系统21的输入端与水分传感器14、流量传感器I20、流量传感器II4和传感器刻度尺13相连，集成分析系统21的输出端连接有显示器22，所述显示器22能够双Y轴实时显示径流量和入渗量的动态过程图，径流量通过流量传感器I20和流量传感器II4的检测值获取，入渗量由传感器刻度尺13显示的Z值计算可得，入渗量的计算公式为式中I为入渗量，θt(z)为土壤水分传感器14获取的初始土壤含水量，θi(z)为土层深度为z位置的土壤含水量，Sf为湿润峰深度。在实验中，所述供水箱1盛放有色溶液，当供水箱1无法运输到坡面上端时，采用所述汽油泵2能够提供稳定的水流量，所述控水阀门3和流量传感器II4可以实现实验时控制不同流量梯度的需求。
所述侧铁皮挡板15和所述下铁皮挡板18的下半部分埋入坡面的土壤中，上半部分裸露在坡面以上，所述侧玻璃挡板10上刻画有与坡面平齐的坡面标记线11，侧玻璃挡板10外侧裸露，所述坡面标记线11两侧设置刻度线，水分传感器14设置在所述侧玻璃挡板10内侧坡面标记线11以下的不同深度；所述侧铁皮挡板15长度与所述侧玻璃挡板10长度相同，所述下铁皮挡板18中心位置向下凹陷并安装排水管19，所述排水管19后接集水桶16。所述侧玻璃挡板10的上半部分用于挡水，刻度线便于观测垂向入渗深度，所述水分传感器14用于测量径流小区内垂向入渗量，所述下铁皮挡板18采用向下凹陷设计便于收集流出的水。
所述所述缓冲板8纵剖面上半部分为圆弧形，下半部分为平直线，所述出水管6的尾端封闭，出水管6侧壁上等间距开设出水孔9，所述出水管6长度大于所述缓冲板8横向长度，所述支架7位于所述出水管6下方，所述支架7高度为所述缓冲板8圆弧区的半径与所述出水管6半径之差，所述缓冲板8圆弧区的中轴线和所述出水管6的中轴线相互重合，出水孔9的出水方向指向所述缓冲板圆弧区。所述出水管6为PVC出水管，出水孔9出水方向朝向缓冲板8能够抵消法向出水速度，消除水流喷射初速度，起到缓冲作用。
所述下铁皮挡板的跨度与所述缓冲板的横向长度相同，缓冲板的两侧设置副挡板，副挡板能够防止亮蓝染色溶液外溢，减小实验误差。
本实用新型的使用方法为：在将要实行实验的坡面，先将侧铁皮挡板15和下铁皮挡板18插于坡面的土壤，确定侧玻璃挡板10的摆放方位，将侧玻璃挡板10插于地下至坡面标记线11于坡面重合，挖去侧玻璃挡板10外侧(贴近试验区的一侧为内侧)的土，以便后续通过侧玻璃挡板10观测入渗深度,将水分传感器14安装在侧玻璃挡板10的指定位置。在供水箱1中加入有色溶液,由供水管5连接供水箱1、汽油泵2、控水阀门3、流量传感器II4和出水管6，安放缓冲板8，将出水管6放于缓冲板的支架7上。然后进行流量调节，打开控水阀门3和汽油泵2，观察流量传感器II4上的示数，通过调节控水阀门3，使流量传感器II4示数达到要求的大小。水流经过出水管6下方出水孔9流出，经过缓冲板8后均匀稳定流入径流小区，在径流小区内入渗、产流，通过侧玻璃挡板10可观测入渗过程，由刻度线13可准确记录入渗深度，将整个坡面的入渗情况绘出，得到入渗湿润锋12。侧玻璃挡板10上安装的水分传感器14可实时记录垂向水分变化，径流流出，通过集水桶16收集径流。
通过上述实验可以得到入渗湿润锋12的数值、初始土壤含水量θt(z)和土层深度为z时的土壤含水量θi(z)，根据以下公式可以计算得出入渗量：
其中：I—入渗量；Sf--湿润峰深度；θt(z)--初始土壤含水量；θi(z)--土层深度为z时的土壤含水量。
同时本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域技术人员公知的现有技术。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (4)
1.一种野外坡面水分运动示踪智能实验装置，其特征在于，包括位于坡面上的径流小区，所述径流小区由U型挡板围合而成，且所述U型挡板一半埋入坡面，所述U型挡板包括侧铁皮挡板、下铁皮挡板和带有传感器刻度尺和水分传感器的侧玻璃挡板，下铁皮挡板的出水孔设有流量传感器I，在所述径流小区上方设置水流缓冲机构，所述水流缓冲机构包括出水管、缓冲板和出水管的支架，所述缓冲板包括圆弧区和平直区，水流缓冲机构由供水机构供水，供水机构包括由供水管依次连接的供水箱、汽油泵、控水阀门和流量传感器II，供水箱内填充亮蓝染色溶液；
其结构中还包括集成分析系统,集成分析系统的输入端与水分传感器、流量传感器I、流量传感器II和传感器刻度尺相连，集成分析系统的输出端连接有显示器，所述显示器能够双Y轴实时显示径流量和入渗量的动态过程图。
2.根据权利要求1所述的一种野外坡面水分运动示踪智能实验装置，其特征在于，所述侧铁皮挡板和所述下铁皮挡板的下半部分埋入坡面的土壤中，上半部分裸露在坡面以上，所述侧玻璃挡板上刻画有与坡面平齐的坡面标记线，侧玻璃挡板外侧裸露，传感器刻度尺为所述坡面标记线两侧设置的刻度线，水分传感器设置在所述侧玻璃挡板内侧坡面标记线以下的不同深度；
所述侧铁皮挡板长度与所述侧玻璃挡板长度相同，所述下铁皮挡板中心位置向下凹陷并安装排水管，所述排水管后接集水桶。
3.根据权利要求1所述的一种野外坡面水分运动示踪智能实验装置，其特征在于，所述缓冲板纵剖面上半部分为圆弧形，下半部分为平直线，所述出水管的尾端封闭，出水管侧壁上等间距开设出水孔，所述出水管长度大于所述缓冲板横向长度，所述支架位于所述出水管下方，所述支架高度为所述缓冲板圆弧区的半径与所述出水管半径之差，所述缓冲板圆弧区的中轴线和所述出水管的中轴线相互重合，出水孔的出水方向指向所述缓冲板圆弧区。
4.根据权利要求1所述的一种野外坡面水分运动示踪智能实验装置，其特征在于，所述下铁皮挡板的跨度与所述缓冲板的横向长度相同，缓冲板的两侧设置副挡板，副挡板能够防止亮蓝染色溶液外溢。
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