專利名稱：人工降雨徑流土壤水運動模擬實驗系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水文、土壤相關(guān)專業(yè)實驗器材領(lǐng)域，具體的說，是涉及到降雨形成及其產(chǎn)流和土壤水的運動情況的模擬實驗系統(tǒng)，特別是一種人工降雨徑流土壤水運動模擬實驗系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
水循環(huán)是聯(lián)系地球系統(tǒng)“地圈 生物圈 大氣圈”的紐帶。由于全球氣候變化對降水、徑流和區(qū)域水循環(huán)系統(tǒng)的影響的復(fù)雜性和不確定性，以及在高強度人類活動影響和流域下墊面變化導(dǎo)致水循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和模型參數(shù)的不確定性，使得變化環(huán)境下區(qū)域分布式水循環(huán)模擬的不確定性量化研究，成為地球系統(tǒng)科學(xué)中的重大的科學(xué)問題，也是區(qū)域水資源安全評價、水資源可持續(xù)利用和風(fēng)險管理重大需求的應(yīng)用基礎(chǔ)問題。2010年我國泥石流等地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生，造成了巨大的損失，其中關(guān)鍵的原因就是暴雨導(dǎo)致了土壤濕度過大，過飽和土壤不穩(wěn)定導(dǎo)致了泥石流，為了減小損失需要更多的人認識到降水徑流水循環(huán)的過 程。人工降水徑流模擬從20世紀中期開始一直是研究水循環(huán)中降水、截留、下滲及土壤水運動重要方式之一，有效的彌補了觀測天然降水徑流資料的不足。如M. J柯比主編的《山坡水文學(xué)》(英)一書大部分內(nèi)容均來自于全球水文學(xué)家與研究者所做的人工降水徑流實驗。我國著名的劉昌明院士在20世紀60年代開始在黃土高原上做了大量人工降水徑流實驗。現(xiàn)在隨著人類活動的影響，植被、土壤都再不斷的發(fā)生變化，水文學(xué)研究仍在做著人工降水徑流實驗。傳統(tǒng)人工降水徑流模擬大部分都是在野外完成，選取的場地都很大，比如中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所在河北易縣設(shè)置的人工降水徑流實驗場，在野外最大的好處是能夠更接近于真實的天然情況，模擬精度高，問題是實驗成本高，運行維護不方便。為了運行維護的方便，很多高校和研究所將人工降水徑流儀器搬到了室內(nèi)，如中科院地理所與河海大學(xué)均建立了人工降水大廳，大廳面積超過50平米，相對于野外實驗運行與維護要方便很多，但成本仍然很高。對人工降水儀器設(shè)備的研究重點是要解決如下幾個難點問題首先是雨滴形成和雨強控制，需要選擇不同的噴頭或者降水設(shè)備，之前有眾多學(xué)者對此進行過設(shè)計和篩選實驗，有的研制出單噴頭變雨強模擬降雨裝置，也有人設(shè)計了一個活塞式噴水裝置，有效的控制了雨強與雨滴，中國科學(xué)院水利部水土保持研究所研制了模擬降雨機，在陜西楊凌水保站安裝使用，但上述幾類裝置存在著設(shè)備體積大，不夠靈活和精確度不高的問題；其次是便攜問題，現(xiàn)有的降水徑流設(shè)備幾乎都不便攜，體積過大，設(shè)備過多過重，深圳有的需要到現(xiàn)場采購安裝；第三是坡度變化，室內(nèi)的人工降水大廳均采用了可移動的下墊面設(shè)計，即裝土壤的槽子是可升降的，但是到室外后只能選擇不同的坡度的場地做實驗；第四是產(chǎn)流觀測，有的采用電磁流量計測取管道流量，中科院地理所采用HUB計數(shù)測流量。由上述可知，現(xiàn)有的人工降雨模擬儀器主要存在以下幾點不足不便攜，無法隨時實地實驗；成本高，很難當(dāng)作課堂教學(xué)使用；不夠靈活，適應(yīng)性差，不同學(xué)科研究目的不同，設(shè)計差別大，如水保的注重水滴設(shè)計，土壤的注重土壤水運動設(shè)計。因此需要設(shè)計一種新型的人工降雨徑流土壤水運動模擬實驗系統(tǒng)，以解決上述問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種人工降雨徑流土壤水運動模擬實驗系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有人工降雨模擬實驗儀器攜帶不便，成本高，以及適應(yīng)性差的問題。為達此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案一種人工降雨徑流土壤水運動模擬實驗系統(tǒng)，包括人工降雨裝置、徑流及土壤水 形成裝置、排水裝置、產(chǎn)流量測算裝置，所述人工降雨裝置包括供水裝置和雨滴形成裝置；所述供水裝置采用水泵，所述水泵的輸出水管連接到雨滴形成裝置，所述水泵的輸出水管上依次安裝有調(diào)節(jié)閥門和流速儀；所述雨滴形成裝置為安裝在徑流及土壤水形成裝置上端的帶孔管道組；所述徑流及土壤水形成裝置采用一個直立方形容器，所述容器分為內(nèi)外兩層，分別是可透水鋼絲網(wǎng)組成的容器內(nèi)壁和透明材料制成的容器外壁，兩層間采用多層不透水的分層鋼板相連，所述容器外壁一側(cè)設(shè)置有一列多個縱向排列的側(cè)流管，所述每層分層鋼板均對應(yīng)設(shè)置在每根側(cè)流管的下方位置，所述方形容器的框架采用鋼鐵材料，其四角上各安裝有一根可升降調(diào)節(jié)的豎直撐桿，所述的撐桿上端平放有帶孔管道組；所述容器內(nèi)層填充有土壤層，所述帶孔管道組置于容器正上方，所述容器側(cè)壁設(shè)置有標尺；所述排水裝置設(shè)置在土壤層底部，其組成為一個安裝在容器框架上的帶孔鋼架和其上放置的鋼絲網(wǎng)；所述產(chǎn)流量測算裝置通過與所述側(cè)流管相連的引水管將出水收集到量杯進行測算，所述產(chǎn)流量測算裝置采用電子測算，所述量杯底部安裝有壓力傳感器，所述壓力傳感器與單片機連接，所述單片機連接到安裝有用于將壓力傳感器測得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為水位數(shù)據(jù)的壓力水位轉(zhuǎn)換軟件系統(tǒng)的計算機。優(yōu)選的，所述與側(cè)流管相連的引水管上安裝有過濾器。優(yōu)選的，所述各個側(cè)流管之間的間距為10cm，所述連接容器內(nèi)外兩層的分層鋼板各層之間間距為10cm。優(yōu)選的，所述土壤層上層植有假草。優(yōu)選的，所述土壤層是沙土和石子的混合。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，成本低廉，而且便于攜帶，雨滴形成裝置可升降調(diào)節(jié)，應(yīng)用靈活，適應(yīng)性強；采用壓力傳感器收集水量信號，并采用計算機內(nèi)的壓力水位轉(zhuǎn)換軟件系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理運算，使實驗數(shù)據(jù)收集準確、快捷；水泵的供水管處安裝有調(diào)節(jié)閥門和流速儀，便于進行供水調(diào)節(jié)，底部安裝的帶孔鋼架和鋼絲網(wǎng)使排水更通暢；容器分為內(nèi)外兩層，并在兩層間采用不透水的分層鋼板連接，各層分層鋼板與側(cè)流管搭配，達到良好的實驗效果。


圖I是本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖I中容器20結(jié)構(gòu)的剖視示意圖；圖3是圖2的左視圖；圖4是圖3的俯視圖。圖中 I、水泵；2、調(diào)節(jié)閥門；3、流速儀；4、水管；5、帶孔管道組；6、豎直撐桿；7、側(cè)流管；
8、容器頂端；9、容器框架；10、土壤層；101、石子；11、過濾器；12、計算機；13、單片機；14、鋼絲網(wǎng)；15、量杯；16、壓力傳感器；17、標尺；18、引水管；19、帶孔鋼架；20、容器；21、分層
鋼板；22、容器內(nèi)壁；23、容器外壁。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖并通過具體實施方式
來進一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。如圖I一4所示，給出了本發(fā)明的一個具體實施例。圖I所示為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖，圖中該模擬實驗系統(tǒng)包括人工降雨裝置、徑流及土壤水形成裝置和產(chǎn)流量測算裝置，所述的人工降雨裝置包括供水裝置和雨滴形成裝置，所述供水裝置采用水泵I，所述水泵I的輸出水管4連接到雨滴形成裝置，水管4上安裝有調(diào)節(jié)閥門2和流速儀3 ;所述徑流及土壤水形成裝置為一個方形直立容器20，容器20的截面為正方形，其邊長為500mm，容器20的底端至容器頂端8的高度為700mm，所述容器內(nèi)填充有土壤層10，土壤層10的下端設(shè)置有固定安裝在容器框架9上的帶孔鋼架19，其上放置一個鋼絲網(wǎng)14，鋼絲網(wǎng)14加帶孔鋼架19的結(jié)構(gòu)作為排水裝置，能夠使排水通暢，更利于觀察土壤水運動，容器20的側(cè)壁安裝有一列縱向排列的側(cè)流管7 ；所述雨滴形成裝置為一組安裝在徑流及土壤水形成裝置的容器20上端的帶孔管道組5，通過水泵I給帶孔管道組5供水，利用帶孔管道組5上的小孔，形成模擬雨滴，帶孔管道組5具有多套具有不同孔徑的組合，結(jié)合供水裝置的調(diào)節(jié)閥門2和流速儀3，可以模擬形成不同種類和大小的降雨；所述容器20的框架采用鋼鐵材料，其四角上各安裝有一根可升降調(diào)節(jié)的豎直撐桿6，所述的帶孔管道組5平放在豎直撐桿6的上端，通過調(diào)節(jié)豎直撐桿6，可以變化帶孔管道組5距離土壤層10的高度，已形成不同的模擬降雨，滿足多種實驗需求；所述容器20的一側(cè)壁處設(shè)置有標尺17 ；所述排水裝置設(shè)置在土壤層10的底部，其組成為一個安裝在容器框架9上的帶孔鋼架19和其上放置的鋼絲網(wǎng)14 ；所述產(chǎn)流量測算裝置通過與所述側(cè)流管7相連的引水管18將出水收集到量杯15進行測算，所述引水管18上安裝有過濾器11，所述產(chǎn)流量測算裝置采用電子測算，所述量杯15底部安裝有壓力傳感器16，所述壓力傳感器16與單片機13連接，所述單片機13連接到安裝有用于將壓力傳感器16測得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為水位數(shù)據(jù)的壓力水位轉(zhuǎn)換軟件系統(tǒng)的計算機12。如圖2、圖3、圖4所示，是徑流及土壤水形成裝置的容器20結(jié)構(gòu)示意圖，圖中，所述容器20分為內(nèi)外兩層，分別是可透水鋼絲網(wǎng)組成的容器內(nèi)壁22和透明材料制成的容器外壁23，兩層間采用多層不透水的分層鋼板21相連，所述容器外壁23的一側(cè)設(shè)置有一列多個縱向排列的側(cè)流管7，所述每層分層鋼板21均對應(yīng)設(shè)置在側(cè)流管7的下方位置，分層鋼板21的總層數(shù)與側(cè)流管7的數(shù)量相同。所述各個側(cè)流管7之間的間距為10cm，所述連接容器20內(nèi)外兩層的分層鋼板21各層之間間距為10cm。為了增加實驗效果，在土壤層10上層植有假草，其中土壤層10是沙土和石子101的混合，欲達到不同的實驗效果，可以通過調(diào)節(jié)沙土和石子的配比，得到不同類型的土壤，以及改變植在土壤層10上層假草的稀疏，借以模擬不同的自然環(huán)境，滿足多種實驗需求。
具體實驗步驟如下(I)根據(jù)實驗需要在容器20內(nèi)放置好土壤層10 ；(2)連接好側(cè)流管7外的引水管18，及水泵I相應(yīng)的水管4 ；(3)將豎直撐桿6調(diào)節(jié)到適當(dāng)高度，根據(jù)需要選擇合適的孔徑的帶孔管道組5，并將其放置在豎直撐桿6上；(4)調(diào)節(jié)好水管上的調(diào)節(jié)閥門2，開啟水泵I開始往上抽水，觀察量杯15中的水量變化，并且通過計算機12的顯示屏觀察曲線變化情況；(5)整理、存儲數(shù)據(jù)，實驗完畢。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，成本低廉，而且便于攜帶，雨滴形成裝置可升降調(diào)節(jié)，應(yīng)用靈活，適應(yīng)性強；采用壓力傳感器16收集水量信號，并采用計算機12內(nèi)的壓力水位轉(zhuǎn)換軟件系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理運算，使實驗數(shù)據(jù)收集準確、快捷；水泵I的水管4處安裝有調(diào)節(jié)閥門2和流速儀3，便于進行供水調(diào)節(jié)，底部安裝的帶孔鋼架19和鋼絲網(wǎng)14使排水更通暢；容器分為內(nèi)外兩層，并在兩層間采用不透水的分層鋼板21連接，各層分層鋼板21與側(cè)流管7搭配，達到良好的實驗效果。
權(quán)利要求
1.一種人工降雨徑流土壤水運動模擬實驗系統(tǒng)，包括人工降雨裝置、徑流及土壤水形成裝置、排水裝置、產(chǎn)流量測算裝置，其特征在于 所述人工降雨裝置包括供水裝置和雨滴形成裝置；所述供水裝置采用水泵，所述水泵的輸出水管連接到雨滴形成裝置，所述水泵的輸出水管上依次安裝有調(diào)節(jié)閥門和流速儀； 所述雨滴形成裝置為安裝在徑流及土壤水形成裝置上端的帶孔管道組； 所述徑流及土壤水形成裝置采用一個直立方形容器，所述容器分為內(nèi)外兩層，分別是可透水鋼絲網(wǎng)組成的容器內(nèi)壁和透明材料制成的容器外壁，兩層間采用多層不透水的分層鋼板相連，所述容器外壁一側(cè)設(shè)置有一列多個縱向排列的側(cè)流管，所述每層分層鋼板均對應(yīng)設(shè)置在每根側(cè)流管的下方位置，所述方形容器的框架采用鋼鐵材料，其四角上各安裝有一根可升降調(diào)節(jié)的豎直撐桿，所述的撐桿上端平放有帶孔管道組；所述容器內(nèi)層填充有土壤層，所述帶孔管道組置于容器正上方，所述容器側(cè)壁設(shè)置有標尺； 所述排水裝置設(shè)置在土壤層底部，其組成為一個安裝在容器框架上的帶孔鋼架和其上放置的鋼絲網(wǎng)； 所述產(chǎn)流量測算裝置通過與所述側(cè)流管相連的引水管將出水收集到量杯進行測算，所述產(chǎn)流量測算裝置采用電子測算，所述量杯底部安裝有壓力傳感器，所述壓力傳感器與單片機連接，所述單片機連接到安裝有用于將壓力傳感器測得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為水位數(shù)據(jù)的壓力水位轉(zhuǎn)換軟件系統(tǒng)的計算機。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種人工降雨徑流土壤水運動模擬實驗系統(tǒng)，其特征在于，所述與側(cè)流管相連的引水管上安裝有過濾器。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種人工降雨徑流土壤水運動模擬實驗系統(tǒng)，其特征在于，所述各個側(cè)流管之間的間距為10cm，所述連接容器內(nèi)外兩層的分層鋼板各層之間間距為IOcm0
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種人工降雨徑流土壤水運動模擬實驗系統(tǒng)，其特征在于，所述土壤層上層植有假草。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種人工降雨徑流土壤水運動模擬實驗系統(tǒng)，其特征在于，所述土壤層是沙土和石子的混合。
全文摘要
人工降雨徑流土壤水運動模擬實驗系統(tǒng)，包括人工降雨裝置、徑流及土壤水形成裝置、排水裝置和產(chǎn)流量測算裝置，所述人工降雨裝置包括供水裝置和雨滴形成裝置；所述供水裝置采用調(diào)節(jié)閥門和流速儀調(diào)節(jié)出水強度；所述雨滴形成裝置為一組帶孔管道組；所述徑流及土壤水形成裝置為一個設(shè)置有土壤層的直立容器；所述帶孔管道組在直立容器頂部并可升降調(diào)節(jié)；所述容器包括內(nèi)層的可透水鋼絲網(wǎng)組成的容器內(nèi)壁和外層的透明材料制成的容器外壁，兩層間采用不透水的分層鋼板相連，所述排水裝置安裝在土壤層下方，所述容器外安裝有連接產(chǎn)流量測算裝置的引水管，產(chǎn)流量測算裝置采用計算機進行數(shù)據(jù)處理和運算。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，而且便于攜帶，實驗效率高，運算準確快捷，適應(yīng)性強。
文檔編號G01N33/24GK102721800SQ20121021732
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月27日
發(fā)明者葉愛中, 漆建波, 潘紅梅 申請人:北京師范大學(xué)