專利名稱：一種人工降雨徑流土壤水運(yùn)動模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及水文、土壌相關(guān)專業(yè)實(shí)驗(yàn)器材領(lǐng)域，具體的說，是涉及到降雨形成及其產(chǎn)流和土壌水的運(yùn)動情況的模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，特別是ー種人工降雨徑流土壤水運(yùn)動模擬實(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 生物圏 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(qiáng)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(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)致了土壌濕度過大，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(rèn)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(jì)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(yùn)動重要方式之一，有效的彌補(bǔ)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)ー書大部分內(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(shí)驗(yàn)。我國著名的劉昌明院士在20世紀(jì)60年代開始在黃土高原上做了大量人工降水徑流實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)在隨著人類活動的影響，植被、土壌都再不斷的發(fā)生變化，水文學(xué)研究仍在做著人エ降水徑流實(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(shí)驗(yàn)場，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50平米，相對于野外實(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)者對此進(jìn)行過設(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(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地做實(shí)驗(yàn)；第四是產(chǎn)流觀測，有的采用電磁流量計(jì)測取管道流量，中科院地理所采用HUB計(jì)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(diǎn)不足不便攜，無法隨時(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)，土壌的注重土壌水運(yùn)動設(shè)計(jì)。因此需要設(shè)計(jì)ー種新型的人工降雨徑流土壌水運(yùn)動模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以解決上述問題。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提出ー種人工降雨徑流土壌水運(yùn)動模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有人工降雨模擬實(shí)驗(yàn)儀器攜帯不便，成本高，以及適應(yīng)性差的問題。為達(dá)此目的，本實(shí)用新型采用以下技術(shù)方案ー種人工降雨徑流土壤水運(yùn)動模擬實(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節(jié)流閥和流速儀；所述雨滴形成裝置為ー組安裝在人工降雨裝置上端的帶孔管道組；所述徑流及土壌水形成裝置采用ー個(gè)直立方形容器，所述方形容器的容器框架采用鋼鐵材料，其四角上各安裝有一根可升降調(diào)節(jié)的豎直撐桿，所述的豎直撐桿上端平放有帶孔管道組；所述方形容器內(nèi)設(shè)置有土壤層，所述帶孔管道組置于方形容器正上方，所述方形容器的側(cè)壁安裝有一排側(cè)流管；所述排水裝置設(shè)置在土壤層底部，其組成為一個(gè)安裝在所述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(jìn)行測算，所述產(chǎn)流量測算裝置采用電子測算，在所述量杯底部裝有壓カ傳感器，所述壓カ傳感器與單片機(jī)連接，所述單片機(jī)連接到用于數(shù)據(jù)處理和顯示的計(jì)算機(jī)。作為ー個(gè)優(yōu)選方案，所述方形容器的側(cè)壁設(shè)置有ー根標(biāo)尺。作為進(jìn)一歩的優(yōu)選方案，所述與側(cè)流管相連的引水管上安裝有過濾器。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，成本低廉，而且便于攜帯，雨滴形成裝置可升降調(diào)節(jié)，應(yīng)用靈活，適應(yīng)性強(qiáng)；采用壓カ傳感器收集水量信號，并采用計(jì)算機(jī)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，達(dá)到良好的實(shí)驗(yàn)效果。

圖I是本實(shí)用新型整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是土壤層結(jié)構(gòu)示意圖。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(jì)算機(jī)；13、單片機(jī)；14、鋼絲網(wǎng)；15、量杯；16、壓カ傳感器；17、標(biāo)尺；18、引水管；19、帶孔鋼架。
具體實(shí)施方式
[0022]
以下結(jié)合附圖并通過具體實(shí)施方式
來進(jìn)ー步說明本實(shí)用新型的技術(shù)方案。如圖I所示是本實(shí)用新型的ー個(gè)具體實(shí)施例的整體結(jié)構(gòu)示意圖，該模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括人工降雨裝置、徑流及土壌水運(yùn)動觀察裝置和產(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1，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 ；所述雨滴形成裝置為ー組帶孔管道組5 ;所述徑流及土壌水運(yùn)動觀察裝置為ー個(gè)直立方形容器，容器壁采用透明材料，便于觀察內(nèi)部情況，方形容器截面正方形的寬度為500mm，方形容器底端至容器頂端8的高度為700_，所述方形容器內(nèi)裝有土壌(主要是沙土與石子，也可根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)需求裝填不同土壌)，如圖I中所示土壤層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，其上放置ー個(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，更利于觀察土壌水運(yùn)動；圖2所示為土壤層10處的結(jié)構(gòu)示意圖，在土壤層10底部添加有石子101，所述固定在容器框架9上的帶孔鋼架19上放置有鋼絲網(wǎng)14，有助于排水暢通。 圖I中所示，所述帶孔管道組5置于容器正上方，所述方形容器的側(cè)壁安裝有ー排8個(gè)側(cè)流管7，所述側(cè)流管7外徑為2mm，各個(gè)側(cè)流管之間的間距為IOmm ;所述方形容器的容器框架9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，所述雨滴形成裝置的帶孔管道組5平放于容器上方的四根豎直撐桿6上；其中所述帶孔管道組5的孔徑具有多種不同的規(guī)格，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要進(jìn)行更換，通過流速儀3的調(diào)整，可以給出不同的降雨強(qiáng)度，滿足多種實(shí)驗(yàn)需求。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(jìn)行測算，所述引水管18上安裝有過濾器11 ;所述引水管18可以采用橡膠軟管。本實(shí)用新型采用壓カ傳感器采集數(shù)據(jù)，通過單片機(jī)13和計(jì)算機(jī)12進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和存儲運(yùn)算等，所述壓カ傳感器16安裝在量杯15的底部，所述壓カ傳感器16連接到單片機(jī)13，所述單片機(jī)13連接到用于數(shù)據(jù)處理和顯示的計(jì)算機(jī)12。所述徑流及土壌水形成裝置的方形容器的側(cè)壁設(shè)置有一根標(biāo)尺17，便于測量土壌厚度；引出地表產(chǎn)流的側(cè)流管7。在計(jì)算機(jī)12中安裝有壓力水位轉(zhuǎn)換軟件系統(tǒng)，將接收到的壓カ傳感器16發(fā)送的壓カ信號處理轉(zhuǎn)換為水位信號，并進(jìn)行運(yùn)算和儲存。具體實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以根據(jù)需要在容器內(nèi)添加不同類型或?qū)哟蔚耐翂?，如添加多層土壤，可在各層土壤之間設(shè)置漏水網(wǎng)，也可以在土壌上植入假草。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下(I)根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要在方形容器內(nèi)放置好土壌；(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(jì)算機(jī)12的顯示屏觀察曲線變化情況；(5)整理、存儲數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)完畢。本實(shí)用新型的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，成本低廉，而且便于攜帯，雨滴形成裝置可升降調(diào)節(jié)，應(yīng)用靈活，適應(yīng)性強(qiáng)；采用壓カ傳感器收集水量信號，并采用計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 的壓力水位轉(zhuǎn)換軟件系統(tǒng)進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換盒數(shù)據(jù)收集處理運(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)閥門和流速儀，便于進(jìn)行供水調(diào)節(jié)，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節(jié)流閥和流速儀； 所述雨滴形成裝置為一組安裝在人工降雨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)直立的方形容器，所述方形容器的容器框架采用鋼鐵材料，其四角上各安裝有一根可升降調(diào)節(jié)的豎直撐桿，所述的豎直撐桿上端平放有帶孔管道組；所述方形容器內(nèi)設(shè)置有土壤層，所述帶孔管道組置于方形容器正上方，所述方形容器的側(cè)壁安裝有一排側(cè)流管； 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(jìn)行測算，所述產(chǎn)流量測算裝置采用電子測算，在所述量杯底部裝有壓力傳感器，所述壓力傳感器與單片機(jī)連接，所述單片機(jī)連接到用于數(shù)據(jù)處理和顯示的計(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)動模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述方形容器的側(cè)壁設(shè)置有一根標(biāo)尺。
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濾器。
專利摘要一種人工降雨徑流土壤水運(yùn)動模擬實(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；所述供水裝置采用節(jié)流閥和流速儀調(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)置有土壤層的直立方形容器；所述帶孔管道組在直立容器頂部并可升降調(diào)節(jié)；所述方形容器內(nèi)土壤層下端安裝有一個(gè)帶孔鋼架，其上放置有用于過濾的鋼絲網(wǎng)，所述方形容器的側(cè)壁安裝有引水管，引水管將出水收集到產(chǎn)流量測算裝置，產(chǎn)流量量測算裝置采用壓力傳感器配合計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡單，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G01M10/00GK202648912SQ201220275888
公開日2013年1月2日 申請日期2012年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月12日
發(fā)明者葉愛中, 漆建波, 潘紅梅 申請人:北京師范大學(xué)