專(zhuān)利名稱(chēng)：人工降雨徑流土壤水運(yùn)動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)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(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)器材領(lǐng)域，具體的說(shuō)，是涉及到降雨形成及其產(chǎn)流和土壤水的運(yùn)動(dòng)情況的模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，特別是一種人工降雨徑流土壤水運(yùn)動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)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(duì)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(qiáng)度人類(lèi)活動(dòng)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(wèn)題，也是區(qū)域水資源安全評(píng)價(jià)、水資源可持續(xù)利用和風(fēng)險(xiǎn)管理重大需求的應(yīng)用基礎(chǔ)問(wèn)題。2010年我國(guó)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(guò)大，過(guò)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(rèn)識(shí)到降水徑流水循環(huán)的過(guò) 程。人工降水徑流模擬從20世紀(jì)中期開(kāi)始一直是研究水循環(huán)中降水、截留、下滲及土壤水運(yùn)動(dòng)重要方式之一，有效的彌補(bǔ)了觀(guān)測(cè)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(shū)大部分內(nèi)容均來(lái)自于全球水文學(xué)家與研究者所做的人工降水徑流實(shí)驗(yàn)。我國(guó)著名的劉昌明院士在20世紀(jì)60年代開(kāi)始在黃土高原上做了大量人工降水徑流實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)在隨著人類(lèi)活動(dòng)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(shí)驗(yàn)。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(chǎng)地都很大，比如中國(guó)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(shí)驗(yàn)場(chǎng)，在野外最大的好處是能夠更接近于真實(shí)的天然情況，模擬精度高，問(wèn)題是實(shí)驗(yàn)成本高，運(yùn)行維護(hù)不方便。為了運(yùn)行維護(hù)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(guò)50平米，相對(duì)于野外實(shí)驗(yàn)運(yùn)行與維護(hù)要方便很多，但成本仍然很高。對(duì)人工降水儀器設(shè)備的研究重點(diǎn)是要解決如下幾個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題首先是雨滴形成和雨強(qiáng)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(duì)此進(jìn)行過(guò)設(shè)計(jì)和篩選實(shí)驗(yàn)，有的研制出單噴頭變雨強(qiáng)模擬降雨裝置，也有人設(shè)計(jì)了一個(gè)活塞式噴水裝置，有效的控制了雨強(qiáng)與雨滴，中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所研制了模擬降雨機(jī)，在陜西楊凌水保站安裝使用，但上述幾類(lèi)裝置存在著設(shè)備體積大，不夠靈活和精確度不高的問(wèn)題；其次是便攜問(wèn)題，現(xiàn)有的降水徑流設(shè)備幾乎都不便攜，體積過(guò)大，設(shè)備過(guò)多過(guò)重，深圳有的需要到現(xiàn)場(chǎng)采購(gòu)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(dòng)的下墊面設(shè)計(jì)，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(chǎng)地做實(shí)驗(yàn)；第四是產(chǎn)流觀(guān)測(cè)，有的采用電磁流量計(jì)測(cè)取管道流量，中科院地理所采用HUB計(jì)數(shù)測(cè)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(diǎn)不足不便攜，無(wú)法隨時(shí)實(shí)地實(shí)驗(yàn)；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(jì)差別大，如水保的注重水滴設(shè)計(jì)，土壤的注重土壤水運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)。因此需要設(shè)計(jì)一種新型的人工降雨徑流土壤水運(yùn)動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以解決上述問(wèn)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(yùn)動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有人工降雨模擬實(shí)驗(yàn)儀器攜帶不便，成本高，以及適應(yīng)性差的問(wèn)題。為達(dá)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(yùn)動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)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(cè)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(mén)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(gè)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(gè)縱向排列的側(cè)流管，所述每層分層鋼板均對(duì)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(biāo)尺；所述排水裝置設(shè)置在土壤層底部，其組成為一個(gè)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(cè)算裝置通過(guò)與所述側(cè)流管相連的引水管將出水收集到量杯進(jìn)行測(cè)算，所述產(chǎn)流量測(cè)算裝置采用電子測(cè)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(jī)連接，所述單片機(jī)連接到安裝有用于將壓力傳感器測(cè)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(jì)算機(jī)。優(yōu)選的，所述與側(cè)流管相連的引水管上安裝有過(guò)濾器。優(yōu)選的，所述各個(gè)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(jiǎn)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(qiáng)；采用壓力傳感器收集水量信號(hào)，并采用計(jì)算機(jī)內(nèi)的壓力水位轉(zhuǎn)換軟件系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理運(yùn)算，使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集準(zhǔn)確、快捷；水泵的供水管處安裝有調(diào)節(jié)閥門(mén)和流速儀，便于進(jìn)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(dá)到良好的實(shí)驗(yàn)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(mén)；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(guò)濾器；12、計(jì)算機(jī)；13、單片機(jī)；14、鋼絲網(wǎng)；15、量杯；16、壓力傳感器；17、標(biāo)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(shí)施例方式下面結(jié)合附圖并通過(guò)具體實(shí)施方式
來(lái)進(jìn)一步說(shuō)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(gè)具體實(shí)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(shí)驗(yàn)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(cè)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(mén)2和流速儀3 ;所述徑流及土壤水形成裝置為一個(gè)方形直立容器20，容器20的截面為正方形，其邊長(zhǎng)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(gè)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(guān)察土壤水運(yùn)動(dòng)，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(guò)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(mén)2和流速儀3，可以模擬形成不同種類(lèi)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(guò)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(mǎn)足多種實(shí)驗(yàn)需求；所述容器20的一側(cè)壁處設(shè)置有標(biāo)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(gè)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(cè)算裝置通過(guò)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(jìn)行測(cè)算，所述引水管18上安裝有過(guò)濾器11，所述產(chǎn)流量測(cè)算裝置采用電子測(cè)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(jī)13連接，所述單片機(jī)13連接到安裝有用于將壓力傳感器16測(cè)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(jì)算機(jī)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(gè)縱向排列的側(cè)流管7，所述每層分層鋼板21均對(duì)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(gè)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(shí)驗(yàn)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(dá)到不同的實(shí)驗(yàn)效果，可以通過(guò)調(diào)節(jié)沙土和石子的配比，得到不同類(lèi)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(mǎn)足多種實(shí)驗(yàn)需求。
具體實(shí)驗(yàn)步驟如下(I)根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(mén)2，開(kāi)啟水泵I開(kāi)始往上抽水，觀(guān)察量杯15中的水量變化，并且通過(guò)計(jì)算機(jī)12的顯示屏觀(guān)察曲線(xiàn)變化情況；(5)整理、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)完畢。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(qiáng)；采用壓力傳感器16收集水量信號(hào)，并采用計(jì)算機(jī)12內(nèi)的壓力水位轉(zhuǎn)換軟件系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理運(yùn)算，使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集準(zhǔn)確、快捷；水泵I的水管4處安裝有調(diào)節(jié)閥門(mén)2和流速儀3，便于進(jìn)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(dá)到良好的實(shí)驗(yàn)效果。
權(quán)利要求
1.一種人工降雨徑流土壤水運(yùn)動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)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(cè)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(mén)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(gè)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(gè)縱向排列的側(cè)流管，所述每層分層鋼板均對(duì)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(biāo)尺； 所述排水裝置設(shè)置在土壤層底部，其組成為一個(gè)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(cè)算裝置通過(guò)與所述側(cè)流管相連的引水管將出水收集到量杯進(jìn)行測(cè)算，所述產(chǎn)流量測(cè)算裝置采用電子測(cè)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(jī)連接，所述單片機(jī)連接到安裝有用于將壓力傳感器測(cè)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(jì)算機(jī)。
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(yùn)動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)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(guò)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(yùn)動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述各個(gè)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(yùn)動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)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(cè)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(mén)和流速儀調(diào)節(jié)出水強(qiáng)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(gè)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(cè)算裝置的引水管，產(chǎn)流量測(cè)算裝置采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且便于攜帶，實(shí)驗(yàn)效率高，運(yùn)算準(zhǔn)確快捷，適應(yīng)性強(qiáng)。
文檔編號(hào)G01N33/24GK102721800SQ20121021732
公開(kāi)日2012年10月10日 申請(qǐng)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(ài)中, 漆建波, 潘紅梅 申請(qǐng)人:北京師范大學(xué)