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专利名称：一种人工降雨径流土壤水运动模拟实验系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及水文、土壌相关专业实验器材领域，具体的说，是涉及到降雨形成及其产流和土壌水的运动情况的模拟实验系统，特别是ー种人工降雨径流土壤水运动模拟实验系统。
背景技术：
水循环是联系地球系统“地圈 生物圏 大气圈”的纽带。由于全球气候变化对降水、径流和区域水循环系统的影响的复杂性和不确定性，以及在高強度人类活动影响和流域下垫面变化导致水循环系统结构和模型參数的不确定性，使得变化环境下区域分布式水循环模拟的不确定性量化研究，成为地球系统科学中的重大的科学问题，也是区域水资源安全评价、水资源可持续利用和风险管理重大需求的应用基础问题。2010年我国泥石流 等地质灾害频繁发生，造成了巨大的损失，其中关键的原因就是暴雨导致了土壌湿度过大，过饱和土壤不稳定导致了泥石流，为了减小损失需要更多的人认识到降水径流水循环的过程。人工降水径流模拟从20世纪中期开始一直是研究水循环中降水、截留、下渗及土壤水运动重要方式之一，有效的弥补了观测天然降水径流资料的不足。如M. J柯比主编的《山坡水文学》(英)ー书大部分内容均来自于全球水文学家与研究者所做的人工降水径流实验。我国著名的刘昌明院士在20世纪60年代开始在黄土高原上做了大量人工降水径流实验。现在随着人类活动的影响，植被、土壌都再不断的发生变化，水文学研究仍在做着人エ降水径流实验。传统人工降水径流模拟大部分都是在野外完成，选取的场地都很大，比如中国科学院地理科学与资源研究所在河北易县设置的人工降水径流实验�。�在野外最大的好处是能够更接近于真实的天然情况，模拟精度高，问题是实验成本高，运行维护不方便。为了运行维护的方便，很多高�：脱芯克�将人工降水径流仪器搬到了室内，如中科院地理所与河海大学均建立了人工降水大厅，大厅面积超过50平米，相对于野外实验运行与维护要方便很多，但成本仍然很高。对人工降水仪器设备的研究重点是要解决如下几个难点问题首先是雨滴形成和雨强控制，需要选择不同的喷头或者降水设备，之前有众多学者对此进行过设计和筛选实验，有的研制出单喷头变雨强模拟降雨装置，也有人设计了一个活塞式喷水装置，有效的控制了雨强与雨滴，中国科学院水利部水土保持研究所研制了模拟降雨机，在陕西杨凌水保站安装使用，但上述几类装置存在着设备体积大，不够灵活和精确度不高的问题；其次是便携问题，现有的降水径流设备几乎都不便携，体积过大，设备过多过重，深圳有的需要到现场采购安装；第三是坡度变化，室内的人工降水大厅均采用了可移动的下垫面设计，即装土壤的槽子是可升降的，但是到室外后只能选择不同的坡度的场地做实验；第四是产流观测，有的采用电磁流量计测取管道流量，中科院地理所采用HUB计数测流量。由上述可知，现有的人工降雨模拟仪器主要存在以下几点不足不便携，无法随时实地实验；成本高，很难当作课堂教学使用；不够灵活，适应性差，不同学科研究目的不同，设计差别大，如水保的注重水滴设计，土壌的注重土壌水运动设计。因此需要设计ー种新型的人工降雨径流土壌水运动模拟实验系统，以解决上述问题。

实用新型内容本实用新型的目的在于提出ー种人工降雨径流土壌水运动模拟实验系统，解决了现有人工降雨模拟实验仪器携帯不便，成本高，以及适应性差的问题。为达此目的，本实用新型采用以下技术方案ー种人工降雨径流土壤水运动模拟实验系统，包括人工降雨装置、径流及土壤水形成装置、排水装置、产流量测算装置，所述人工降雨装置包括供水装置和雨滴形成装置；所述供水装置采用水泵，所述水泵的输出水管连接到雨滴形成装置，所述水泵的输出水管上依次安装有节流阀和流速仪；所述雨滴形成装置为ー组安装在人工降雨装置上端的带孔管道组；所述径流及土壌水形成装置采用ー个直立方形容器，所述方形容器的容器框架采用钢铁材料，其四角上各安装有一根可升降调节的竖直撑杆，所述的竖直撑杆上端平放有带孔管道组；所述方形容器内设置有土壤层，所述带孔管道组置于方形容器正上方，所述方形容器的侧壁安装有一排侧流管；所述排水装置设置在土壤层底部，其组成为一个安装在所述容器框架上的带孔钢架和其上放置的钢丝网；所述产流量测算装置通过与所述侧流管相连的引水管将出水收集到量杯进行测算，所述产流量测算装置采用电子测算，在所述量杯底部装有压カ传感器，所述压カ传感器与单片机连接，所述单片机连接到用于数据处理和显示的计算机。作为ー个优选方案，所述方形容器的侧壁设置有ー根标尺。作为进一歩的优选方案，所述与侧流管相连的引水管上安装有过滤器。本实用新型结构简单，操作方便，成本低廉，而且便于携�。�雨滴形成装置可升降调节，应用灵活，适应性强；采用压カ传感器收集水量信号，并采用计算机系统进行数据处理运算，使实验数据收集准确、快捷；水泵的供水管处安装有调节阀门和流速仪，便于进行供水调节，底部安装的带孔钢架和钢丝网使排水更通畅，达到良好的实验效果。

图I是本实用新型整体结构示意图；图2是土壤层结构示意图。图中I、水泵；2、调节阀门；3、流速仪；4、水管；5、带孔管道组；6、竖直撑杆；7、侧流管；8、容器顶端；9、容器框架；10、土壤层；101、石子；11、过滤器；12、计算机；13、单片机；14、钢丝网；15、量杯；16、压カ传感器；17、标尺；18、引水管；19、带孔钢架。
具体实施方式
[0022]
以下结合附图并通过具体实施方式
来进ー步说明本实用新型的技术方案。如图I所示是本实用新型的ー个具体实施例的整体结构示意图，该模拟实验系统包括人工降雨装置、径流及土壌水运动观察装置和产流量测算装置，所述的人工降雨装置包括供水装置和雨滴形成装置，所述供水装置采用水泵1，所述水泵I的输出水管4连接到雨滴形成装置，水管4上安装有调节阀门2和流速仪3 ；所述雨滴形成装置为ー组带孔管道组5 ;所述径流及土壌水运动观察装置为ー个直立方形容器，容器壁采用透明材料，便于观察内部情况，方形容器截面正方形的宽度为500mm，方形容器底端至容器顶端8的高度为700_，所述方形容器内装有土壌(主要是沙土与石子，也可根据不同实验需求装填不同土壌)，如图I中所示土壤层10的下端设置有固定安装在容器框架9上的带孔钢架19，其上放置ー个钢丝网14，钢丝网14加带孔钢架19的结构作为排水装置，能够使排水通畅，更利于观察土壌水运动；图2所示为土壤层10处的结构示意图，在土壤层10底部添加有石子101，所述固定在容器框架9上的带孔钢架19上放置有钢丝网14，有助于排水畅通。 图I中所示，所述带孔管道组5置于容器正上方，所述方形容器的侧壁安装有ー排8个侧流管7，所述侧流管7外径为2mm，各个侧流管之间的间距为IOmm ;所述方形容器的容器框架9采用钢铁材料，其四角上各安装有一根可升降调节的竖直撑杆6，所述雨滴形成装置的带孔管道组5平放于容器上方的四根竖直撑杆6上；其中所述带孔管道组5的孔径具有多种不同的规格，可以根据实验需要进行更换，通过流速仪3的调整，可以给出不同的降雨強度，满足多种实验需求。所述产流量测算装置通过与所述侧流管7相连的引水管18将出水收集到量杯15进行测算，所述引水管18上安装有过滤器11 ;所述引水管18可以采用橡胶软管。本实用新型采用压カ传感器采集数据，通过单片机13和计算机12进行数据收集和存储运算等，所述压カ传感器16安装在量杯15的底部，所述压カ传感器16连接到单片机13，所述单片机13连接到用于数据处理和显示的计算机12。所述径流及土壌水形成装置的方形容器的侧壁设置有一根标尺17，便于测量土壌厚度；引出地表产流的侧流管7。在计算机12中安装有压力水位转换软件系统，将接收到的压カ传感器16发送的压カ信号处理转换为水位信号，并进行运算和储存。具体实验时，可以根据需要在容器内添加不同类型或层次的土壌，如添加多层土壤，可在各层土壤之间设置漏水网，也可以在土壌上植入假草。具体实验步骤如下(I)根据实验需要在方形容器内放置好土壌；(2)连接好侧流管7外的引水管18，及水泵I相应的水管4 ；(3)将竖直撑杆6调节到适当高度，根据需要选择合适的孔径的带孔管道组5，并将其放置在竖直撑杆6上；(4)调节好水管上的调节阀门2，开启水泵I开始往上抽水，观察量杯15中的水量变化，并且通过计算机12的显示屏观察曲线变化情况；(5)整理、存储数据，实验完毕。本实用新型的实验系统结构简单，操作方便，成本低廉，而且便于携�。�雨滴形成装置可升降调节，应用灵活，适应性強；采用压カ传感器收集水量信号，并采用计算机系统 的压力水位转换软件系统进行信号转换盒数据收集处理运算，使实验数据收集准确、快捷；水泵的供水管处安装有调节阀门和流速仪，便于进行供水调节，达到良好的实验效果。
权利要求1.一种人工降雨径流土壤水运动模拟实验系统，包括人工降雨装置、径流及土壤水形成装置、排水装置、产流量测算装置，其特征在于 所述人工降雨装置包括供水装置和雨滴形成装置；所述供水装置采用水泵，所述水泵的输出水管连接到雨滴形成装置，所述水泵的输出水管上依次安装有节流阀和流速仪； 所述雨滴形成装置为一组安装在人工降雨装置上端的带孔管道组； 所述径流及土壤水形成装置采用一个直立的方形容器，所述方形容器的容器框架采用钢铁材料，其四角上各安装有一根可升降调节的竖直撑杆，所述的竖直撑杆上端平放有带孔管道组；所述方形容器内设置有土壤层，所述带孔管道组置于方形容器正上方，所述方形容器的侧壁安装有一排侧流管； 所述排水装置设置在土壤层底部，其组成为一个安装在容器框架上的带孔钢架和其上放置的钢丝网； 所述产流量测算装置通过与所述侧流管相连的引水管将出水收集到量杯进行测算，所述产流量测算装置采用电子测算，在所述量杯底部装有压力传感器，所述压力传感器与单片机连接，所述单片机连接到用于数据处理和显示的计算机。
2.根据权利要求I所述的一种人工降雨径流土壤水运动模拟实验系统，其特征在于，所述方形容器的侧壁设置有一根标尺。
3.根据权利要求I所述的一种人工降雨径流土壤水运动模拟实验系统，其特征在于，所述与侧流管相连的引水管上安装有过滤器。
专利摘要一种人工降雨径流土壤水运动模拟实验系统，包括人工降雨装置、径流及土壤水形成装置、排水装置和产流量测算装置，所述人工降雨装置包括供水装置和雨滴形成装置；所述供水装置采用节流阀和流速仪调节出水强度；所述雨滴形成装置为一组带孔管道组；所述径流及土壤水形成装置为一个设置有土壤层的直立方形容器；所述带孔管道组在直立容器顶部并可升降调节；所述方形容器内土壤层下端安装有一个带孔钢架，其上放置有用于过滤的钢丝网，所述方形容器的侧壁安装有引水管，引水管将出水收集到产流量测算装置，产流量量测算装置采用压力传感器配合计算机进行数据处理和运算。本实用新型结构简单，而且便于携带，实验效率高，运算准确快捷，适应性强。
文档编号G01M10/00GK202648912SQ201220275888
公开日2013年1月2日 申请日期2012年6月12日 优先权日2012年6月12日
发明者叶爱中, 漆建波, 潘红梅 申请人:北京师范大学