坡面壤中流流速和流量測定系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于土壤水動力學、坡面水文學、水土保持和農(nóng)業(yè)面源污染防治技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種坡面壤中流流速和流量測定系統(tǒng)，可用于自然和人工坡地壤中流流速及攜帶養(yǎng)分運移動態(tài)過程的試驗監(jiān)測。
【背景技術(shù)】
[0002]壤中流是坡地徑流的重要組成部分，主要發(fā)生在不同層次土壤的不連續(xù)界面上，是一種多孔介質(zhì)中的水流運動。中國南方一些流域，壤中流占徑流量很大的比例，壤中流有時占總徑流量的85%以上。如浙江省姜灣高塢溪小流域。壤中流對流域徑流產(chǎn)生、養(yǎng)分流失等都有重要的影響。影響壤中流的主要因素是土壤物理特性、分層狀況和水流補給條件，土壤中的非毛管孔隙、動植物洞穴可促成壤中流的發(fā)展。壤中流的水流動態(tài)是這些影響因素的綜合表現(xiàn)，壤中流流速是研究水流動態(tài)的關(guān)鍵要素。由于壤中流是發(fā)生在土壤的不同層次，水流在不同層次的土壤中流動，其流速的測定就是一個很難解決的問題，目前國內(nèi)外尚無有關(guān)壤中流流速測定的技術(shù)和方法。鑒于此，本實用新型設(shè)想借用地下水流速測定的示蹤原理進行壤中流流速的測定。備注說明:壤中流是屬于表層流，是包氣帶空隙中的水流，不屬于地下水流。
【實用新型內(nèi)容】
[0003]本實用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種坡面壤中流流速和流量測定系統(tǒng)；本實用新型的目的是針對目前壤中流流速監(jiān)測難度大而無法實現(xiàn)的難題，而提供的一種利用示蹤方法來實現(xiàn)的一個完整的坡面壤中流流速及流量組合監(jiān)測系統(tǒng)。
[0004]為了解決上述技術(shù)問題，本實用新型提供一種坡面壤中流流速和流量測定系統(tǒng)，該測定系統(tǒng)包括設(shè)置在坡面徑流小區(qū)上端的示蹤劑投放設(shè)施和設(shè)置在坡面徑流小區(qū)下端的壤中流收集設(shè)施；
[0005]所述示蹤劑投放設(shè)施包括底座，在底座上設(shè)置若干個的套筒座，在每個套筒座內(nèi)對應(yīng)的放置一個桶體，在桶體的側(cè)壁上設(shè)置與桶體內(nèi)腔相連通的桶眼，示蹤劑袋被放置在桶體內(nèi)，在示蹤劑袋的上方設(shè)置示蹤袋架；在每個桶體上方設(shè)置與該桶體相配合的桶蓋；在每個桶體的上方對應(yīng)的設(shè)置一根分連接桿，該分連接桿的上端與總連桿固定相連，該分連接桿的下端穿過桶蓋后與示蹤袋架相連；
[0006]壤中流收集設(shè)施包括若干個豎直并行排列的集水槽，每個集水槽均配有一個對應(yīng)的集水瓶，所述集水槽通過導流管與集水瓶相連通。
[0007]作為本實用新型的坡面壤中流流速和流量測定系統(tǒng)的改進:
[0008]所述示蹤劑投放設(shè)施還包括示蹤劑投放桶支撐架，該示蹤劑投放桶支撐架與底座固定相連，手柄與示蹤劑投放桶支撐架轉(zhuǎn)動相連，總連桿與手柄相連。
[0009]作為本實用新型的坡面壤中流流速和流量測定系統(tǒng)的進一步改進:
[0010]相鄰的2個集水槽之間的間距為100?200mm(較佳為150mm)。
[0011]作為本實用新型的坡面壤中流流速和流量測定系統(tǒng)的進一步改進:示蹤劑袋被固定于示蹤袋架的下端。
[0012]本實用新型還同時提供了利用上述測定系統(tǒng)進行的坡面壤中流流速和流量測定方法，包括以下步驟:
[0013]1)、在坡面順著坡地從上至下的走勢建造坡面徑流小區(qū)，在該坡面徑流小區(qū)的左右兩側(cè)邊界及高地勢的上端邊界分別設(shè)置密封擋板，依靠上述3塊密封擋板(即，設(shè)置在坡面徑流小區(qū)的左右兩側(cè)邊界及高地勢的上端邊界的密封擋板)使得坡面徑流小區(qū)的徑流相對獨立(即，與小區(qū)兩側(cè)及上方坡地的徑流隔離)；
[0014]2)、在坡面徑流小區(qū)的低地勢的下端邊界設(shè)置壤中流收集設(shè)施，從而構(gòu)成一個水系獨立的坡面徑流小區(qū)組件:
[0015]在坡面徑流小區(qū)的下端挖一個與坡面徑流小區(qū)寬度一致、深度達母質(zhì)層的垂直剖面，將壤中流收集設(shè)施安裝在所述垂直剖面中；
[0016]所述壤中流收集設(shè)施中位于最上層的集水槽與地表相齊平，
[0017]所述壤中流收集設(shè)施中位于最下層的集水槽位于垂直剖面的底部；
[0018]3)、在坡面徑流小區(qū)的上端邊界的內(nèi)側(cè)安置示蹤劑投放設(shè)施(S卩，是在位于坡面徑流小區(qū)上端邊界處的密封擋板的內(nèi)側(cè)設(shè)置該示蹤劑投放設(shè)施，從而使示蹤劑投放設(shè)施位于坡面徑流小區(qū)內(nèi))；
[0019]4)、待坡面徑流小區(qū)內(nèi)出現(xiàn)壤中流(首次出現(xiàn)壤中流)時，操縱示蹤劑投放設(shè)施，使示蹤劑袋內(nèi)的示蹤劑通過桶體上的桶眼外流至坡面徑流小區(qū)的土壤中；并根據(jù)示蹤劑從示蹤劑投放設(shè)施中被投放到首次出現(xiàn)在壤中流收集設(shè)施的時間，獲知壤中流的平均流速，最終得知流量。
[0020]作為上述坡面壤中流流速和流量測定方法的改進:
[0021]所述步驟1)中:
[0022]坡面徑流小區(qū)的坡度為10?24度(較佳為15度)；
[0023]密封擋板插入坡面的深度為200mm?300mm ;密封擋板位于地表之上的高度為100mm ?200mmo
[0024]作為上述坡面壤中流流速和流量測定方法的進一步改進:
[0025]桶體上的桶眼距地表為50_?100mm。
[0026]作為上述坡面壤中流流速和流量測定方法的進一步改進:
[0027]所述步驟4)中的操縱示蹤劑投放設(shè)施為:轉(zhuǎn)動(釋放)手柄，使總連桿下移，從而帶動各分連接桿下移，分連接桿相應(yīng)的帶動示蹤袋架下移至示蹤劑桶底端，示蹤劑袋被壓破后，示蹤劑全部被釋放于桶體內(nèi)，然后通過桶眼外流至坡面徑流小區(qū)的土壤中。
[0028]作為上述坡面壤中流流速和流量測定方法的進一步改進:所述示蹤劑為不溶于水的考馬斯亮藍R250示蹤劑染色液。
[0029]作為上述坡面壤中流流速和流量測定方法的進一步改進:所述密封擋板為鋼板或水泥板。
[0030]在本實用新型中，坡面壤中流流速測定系統(tǒng)實際是由以下三部分組成，第一部分是坡面徑流小區(qū)的設(shè)計，第二部分是徑流小區(qū)上端示蹤劑的投放設(shè)施，第三部分是徑流小區(qū)下端壤中流收集設(shè)施(圖1)。
[0031]本實用新型的方案概述如下:(1)根據(jù)試驗監(jiān)測要求，在坡面順著坡地從上至下的走勢建造坡面徑流小區(qū)。在坡面徑流小區(qū)的左右兩側(cè)及上端邊界設(shè)置插入坡面一定深度，地表露出一定高度的鋼板或水泥板實現(xiàn)密封，使得小區(qū)徑流與兩側(cè)及上方坡地徑流隔離。徑流小區(qū)下端安置壤中流收集設(shè)施(圖1)構(gòu)成一個水系獨立的坡面徑流小區(qū)組件。(2)在坡面徑流小區(qū)上端邊界的內(nèi)側(cè)安置示蹤劑投放設(shè)施(圖2和圖3)。根據(jù)試驗設(shè)計要求，示蹤劑投放設(shè)施要安置在坡面一定深度，從而實現(xiàn)桶體上的桶眼距地表為50mm?100mm。
(3)在坡面徑流小區(qū)下端挖一個與小區(qū)寬度一致的剖面，這個剖面具有一定的深度，一般需要挖至母質(zhì)層，然后將壤中流收集設(shè)施安裝在所開挖的垂直剖面(圖4)，收集測定整個徑流小區(qū)的壤中流。并根據(jù)示蹤劑投放到收集設(shè)施首次出現(xiàn)的時間，計算壤中流的流速。進而揭示坡地壤中流的流速和坡面壤中流的動態(tài)規(guī)律。
[0032]本實用新型具有如下技術(shù)優(yōu)勢:
[0033](1)既可以監(jiān)測不同深度壤中流的流速，還能夠監(jiān)測不同深度壤中流的流量。既可以在自然降雨情況下進行監(jiān)測，也可以在人工模擬降雨的情況下進行。
[0034](2)示蹤劑投放設(shè)施是一個整體，通過一次性操作手柄，就能夠讓若干個分支連桿(可根據(jù)試驗設(shè)計多個分支)同時投放示蹤劑，能保證示蹤劑在坡面試驗小區(qū)的橫向均勻投放和時間的準確性。
[0035](3)壤中流收集設(shè)施是一個多層組合式收集裝置，可以收集不同深度的壤中流，能根據(jù)各層壤中流中示蹤劑出現(xiàn)時刻，計算壤中流流速，還可計算壤中流流量動態(tài)和總量。
[0036](4)該監(jiān)測系統(tǒng)的組成設(shè)施可以隨時拆卸和組裝，便于攜帶，還可根據(jù)監(jiān)測坡面徑流小區(qū)的大小進行調(diào)整。
[0037](5)本實用新型補充了壤中流流速和溶質(zhì)運移動態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域的空白，為壤中流和溶質(zhì)運移的深入和高精度研究提供了技術(shù)支撐。
[0038]本實用新型獲得了國家自然科學基金項目(41471221)資助。
【附圖說明】
[0039]下面結(jié)合附圖對本實用新型的【具體實施方式】作進一步詳細說明。
[0040]圖1是壤中流流速試驗綜合示意圖(即，坡面壤中流流速和流量測定系統(tǒng)的使用狀態(tài)不意圖)；
[0041]圖2是圖1中的示蹤劑投放設(shè)施1的正視圖；
[0042]圖3是示蹤劑投放設(shè)施1的整體側(cè)視圖；
[0043]圖4是圖1中的壤中流收集設(shè)施2的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0044]上述圖中:
[0045]示蹤劑投放設(shè)施1、總連桿1-1、分連接桿1-2、桶蓋1-3、示蹤袋架1_4、示蹤劑袋1_5、桶體1-6、套筒座1_7、桶眼1_8、底座1-10、不蹤劑投放桶支撐架1-0，手柄1-01、手柄固定螺絲1-02，
[0046]壤中流收集設(shè)施2、集水槽2-1、集水瓶2-2、導流管2-3 ;
[0047]垂直滲流3、壤中流4、坡面徑流5 ；
[0048]圖5是不同深度示蹤劑出流路徑縱向剖面示意圖；
[0049]圖5中，S表示示蹤劑投放點，lp 12、13、14分別表示不同深度示蹤劑出流路徑，Η表示壤中流收集設(shè)施放置剖面與縱向剖面交線。
【具體實施方式】
[0050]實施例1、
[0051]在坡面順著坡地從上至下的走勢建造坡面徑流小區(qū)，標準徑流的坡度為15度，一般試驗所設(shè)計的坡度范圍為10-24度。
[0052]在該坡面徑流小區(qū)的左右兩側(cè)邊界及高地勢的上端邊界分別設(shè)置密封擋板，密封擋板插入坡面的深度一般為200mm?300mm ;密封擋板位于地表之上的高度一般為100mm?200mm ;該密封擋板為鋼板或水泥板；依靠上述3塊密封擋板(即，設(shè)置在坡面徑流小區(qū)的左右兩側(cè)邊界及高地勢的上端邊界的密封擋板)使得小區(qū)徑流與兩側(cè)及上方坡地徑流隔離。
[0053]在坡面徑流小區(qū)的低地勢的下端邊界設(shè)置壤中流收集設(shè)施2，從而構(gòu)成一個水系獨立的坡面徑流小區(qū)組件。
[0054]壤中流收集設(shè)施2的設(shè)置具體如下:
[0055]在坡面徑流小區(qū)的下端挖一個與小區(qū)寬度一致、深度達母質(zhì)層的垂直剖面，將壤中流收集設(shè)施2安裝在所開挖的垂直剖面中。壤中流收集設(shè)施2包括若干個豎直并行排列的集水槽2-1，每個集水槽2-1均配有一個對應(yīng)的集水