[发明专利]人工降雨径流土壤水运动模拟实验系统

说明书

技术领域

本发明涉及水文、土壤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壤水的运动情况的模拟实验系统，特别是一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～生物圈～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，以及在高强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参数的不确定性，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壤湿度过大，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)一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、土壤都再不断的发生变化，水文学研究仍在做着人工降水径流实验。

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场，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，很多高校和研究所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，土壤的注重土壤水运动设计。

因此需要设计一种新型的人工降雨径流土壤水运动模拟实验系统，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种人工降雨径流土壤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带不便，成本高，以及适应性差的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

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，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调节阀门和流速仪；

所述雨滴形成装置为安装在径流及土壤水形成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方形容器，所述容器分为内外两层，分别是可透水钢丝网组成的容器内壁和透明材料制成的容器外壁，两层间采用多层不透水的分层钢板相连，所述容器外壁一侧设置有一列多个纵向排列的侧流管，所述每层分层钢板均对应设置在每根侧流管的下方位置，所述方形容器的框架采用钢铁材料，其四角上各安装有一根可升降调节的竖直撑杆，所述的撑杆上端平放有带孔管道组；所述容器内层填充有土壤层，所述带孔管道组置于容器正上方，所述容器侧壁设置有标尺；

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；