CN105225600A - 流域产流机制模拟实验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种流域产流机制模拟实验装置，包括上承重支架、位于上承重支架上的上储水箱和上水泵、下承重支架、位于下承重支架下的下储水箱和下水泵、位于下承重支架上的外箱及外箱内的有机玻璃模拟箱，有机玻璃模拟箱倾斜放置，外箱设有排水口与下储水箱连通；有机玻璃模拟箱的底部和侧壁分别设有进出水口和多个侧壁排水管，在有机玻璃模拟箱的内部，从下向上依次设有下部易透水层、中间弱透水层和上部易透水层，有机玻璃模拟箱的顶部设有降水模拟器。本发明装置能有效地演示超渗地面径流、壤中径流、地下径流以及饱和地面径流的产流机制，为流域产流机制的学习与研究提供了有效的手段。

Description

流域产流机制模拟实验装置
技术领域
本发明属于水文地质领域，具体涉及一种流域产流机制模拟实验装置。
背景技术
流域产流机制是《水文与水资源学》及相关课程中的重要内容，目前在教授这方面课程内容时，一般是仅对知识点进行书面讲解或图示，没有实验仪器进行相关演示，学生难以有感性的认识，对这部分知识的理解和掌握程度不够，很难把握其实质。
发明内容
本发明的目的是提供一种简易的流域产流机制模拟实验装置，能演示各种产流机制的形成过程，帮助学生对各种产流界面、产流的必要条件和充分条件等有一个直观的认识，并深刻地把握其实质，最终准确地掌握这部分知识。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
流域产流机制模拟实验装置，包括上承重支架、位于上承重支架上的上储水箱和上水泵、下承重支架、位于下承重支架下的下储水箱和下水泵、位于下承重支架上的外箱以及外箱内的有机玻璃模拟箱，有机玻璃模拟箱倾斜放置在外箱内部，外箱设有排水口与下储水箱连通；所述有机玻璃模拟箱的底部和侧壁上分别设有进出水口和多个侧壁排水管，在有机玻璃模拟箱的内部，从下向上依次设有下部易透水层、中间弱透水层和上部易透水层，有机玻璃模拟箱的顶部设有降水模拟器；所述上储水箱中的水通过上水泵与降水模拟器连通；上储水箱通过排水管与下储水箱或者与有机玻璃模拟箱的进出水口连通；下储水箱中的水通过下水泵与上储水箱连通。
所述上部易透水层上覆盖有模拟人工草皮。
进一步地，所述人工草皮为易透水草皮。
所述侧壁排水管的设置位置分别对应于下部易透水层、中间弱透水层、上部易透水层和人工模拟草皮。
所述侧壁排水管设有可调节排水管孔洞大小的阀门。
所述降水模拟器可根据实验要求进行降水强度的调节。
所述有机玻璃模拟箱与外箱底部之间的倾斜度为0～30度。优选地，所述倾斜度为20度。
所述下部易透水层采用均值中砂，中间弱透水层采用粘土质粉砂，上部易透水层采用均值细砂。
本发明解决了现实中《水文与水资源学》及相关课程中流域产流机制知识点教学中无模拟实验装置、学生难以理解和掌握相关知识导致学习效果不理想的问题；本发明的装置能演示各种产流机制的形成过程，帮助学生对各种产流界面、产流的必要条件和充分条件等有一个直观的认识，并深刻地把握其实质，最终准确地掌握这部分知识。
本发明装置操作方便，可视性强，可适用于超渗地面径流、壤中径流、地下径流以及饱和地面径流的产流机制的模拟实验，为流域产流机制及相关知识的学习与研究提供了有效的手段。
本发明装置设计合理，结构简单，制造容易，实验设计以及操作过程中考虑到了水体的循环利用，减少了水资源的浪费，具有良好的环保意识。
附图说明
图1是本发明流域产流机制模拟实验装置的结构示意图；
其中，1-下承重支架，2-下储水箱，3-外箱，4-排水口，5-有机玻璃模拟箱，6-带开关的进出水口，7-下部易透水层，8-中间弱透水层，9-上部易透水层，10-人工模拟草皮，11-带开关的侧壁排水管，12-降水模拟器，13-上水泵，14-上储水箱，15-上承重支架，16-带开关的排水管，17-下水泵。
具体实施方式
如图1所示，本实施例的流域产流机制模拟实验装置包括上承重支架15、位于上承重支架15上的上储水箱14和上水泵13、下承重支架1、位于下承重支架1下的下储水箱2和下水泵17、位于下承重支架上的外箱3以及外箱3内的微倾斜设置的有机玻璃模拟箱5，有机玻璃模拟箱5的倾斜度为一个非固定角度，可根据自身实验需求，在0～30度之间的进行选择，一般选择合适倾斜度为20度，选取20度的倾斜度可以使雨水在模拟地表不要流走太快也不要太慢。
其中，外箱3右侧底部设有排水口4与下储水箱2连通。有机玻璃模拟箱5的底部和右侧箱壁上分别设有带开关的进出水口6和多排带开关的侧壁排水管11，侧壁排水管11分别对应于下部易透水层7、中间弱透水层8、上部易透水层9和模拟人工草皮10的表面设置在有机玻璃模拟箱5的右侧箱壁上，侧壁排水管11带有阀门，可根据模拟需要来调节侧壁排水管11的孔洞大小。
在有机玻璃模拟箱5的内部，从下向上依次设有均值中砂模拟的下部易透水层7、粘土质粉砂模拟的中间弱透水层8、均值细砂模拟的地表略有起伏的上部易透水层9(设计地表起伏的目的是为了体现地面的不平整，在径流产流模拟过程中，降雨产生后有一个填洼过程，就是将低洼的地方要先填满水，然后慢慢地表才有水流产生)以及在上部易透水层9上覆盖有模拟人工草皮10(模拟人工草皮10为易透水草皮，对上部易透水层9起保护作用，起到防止上部易透水层9在模拟降雨作用下流失的作用)。
此外，在有机玻璃模拟箱5的顶部设有降水模拟器12，降水模拟器12可根据需要模拟不同强度的降雨，模拟出超渗地面径流、壤中径流、地下径流、以及饱和地面径流的产流过程。
上储水箱14中的水通过上水泵13与降水模拟器12连通，上储水箱14底部的带开关的排水管16平时放于下储水箱2中，进行模拟实验时，根据需要与有机玻璃模拟箱5底部的带开关的进出水口6连通，下储水箱2中的水通过下水泵17与上储水箱14连通。
在模拟实验过程中，有机玻璃模拟箱5内部产生的径流可通过侧壁排水管11排入外箱3右侧的空腔内，再通过排水口4排入下储水箱2中，或者径流直接通过底部的带开关的进出水口6排入下储水箱2中。下储水箱2中的水通过下水泵17抽入上储水箱14中。上储水箱14通过上水泵13与有机玻璃模拟箱5顶部的降水模拟器12相连，为降水模拟器12提供水源，降水模拟器12可根据实验要求进行降水强度的调节；此外，上储水箱14底部设置的带开关的排水管16与下储水箱2或者带开关的进出水口6相连，以上管路的设计起到水体的循环利用，减少水资源的浪费。
下面结合实施例对本发明进一步说明。
实施例1
演示超渗地面径流产流机制：先打开有机玻璃模拟箱5右侧箱壁上的侧壁排水管11，以保证地面上产生的径流能及时、顺畅的排走；再打开上水泵13和模拟降水器12，形成较大强度的降水，使得降水量大于下渗量，在地表形成积水，并逐步增多形成径流。此时关注的界面为人工模拟草皮10表面(地面)，在人工模拟草皮10表面(地面)形成径流。
实施例2
演示壤中径流产流机制：先打开有机玻璃模拟箱5右侧箱壁上的侧壁排水管11，再打开上水泵13和模拟降水器12，形成一定强度的降水，通过上部易透水层9产生下渗水，要求此时上部易透水层9产生的下渗水量要大于通过中间弱透水层8向下部易透水层7下渗的水量，多余的水量就会在中间弱透水层8上堆积起来，引起中间弱透水层8上地下水位上升，在坡度作用下，向右侧流动，形成壤中径流。此时关注界面为中间弱透水层8的上界面，在中间弱透水层8的上界面形成径流。
实施例3
演示地下径流产流机制：仅关闭有机玻璃模拟箱5右侧箱壁上的、对应于下部易透水层7的、处于下部位置的侧壁排水管11，其它的侧壁排水管11处于打开状态，将上储水箱14底部的带开关的排水管16与有机玻璃模拟箱5底部的带开关的进出水口6相连，缓慢的注入一定水量，使水位达到已关闭的侧壁排水管11的位置，模拟地下水水位高度；然后关闭上储水箱14底部带开关排水管16和有机玻璃模拟箱5底部的进出水口6。
然后，再打开上水泵13和模拟降水器12，形成一定强度的降水，通过上部易透水层9产生下渗水，再通过中间弱透水层8向下部易透水层7下渗一定的水量，使得地下水位上升，在坡度作用下，向右侧流动，形成地下径流。此时关注界面为地下水上界面(饱水带上界面或包气带下界面)，在地下水上界面形成径流。
实施例4
演示饱和地面径流产流机制：先关闭有机玻璃模拟箱5右侧箱壁上的、对应于下部易透水层7的、处于中下部位置的侧壁排水管11，将上储水箱14底部的带开关的排水管16与有机玻璃模拟箱5底部的带开关的进出水口6相连，缓慢的注入一定水量，使水位达到已关闭侧壁排水管11的位置，模拟地下水水位高度；然后关闭上储水箱14底部带开关排水管16和有机玻璃模拟箱5底部的进出水口6。
然后，再打开上水泵13和模拟降水器12，形成一定强度的降水，通过土层(上部易透水层9和中间弱透水层8)产生下渗水；与此同时，关小有机玻璃模拟箱5右侧箱壁上除已关闭的侧壁排水管11以外的其它侧壁排水管11，以保证由侧壁排水管11排走的水量小于由上部土层下渗来的水量，随着下渗水量的增加，地下水位出现上升，并逐步使整个土层都充满水，地下水逐步出露于地表，在地面形成径流。此时关注界面为地下水上界面(饱水带上界面或包气带下界面)，地下水面以上至地面都有径流产生。
以上所述仅为本发明优选例实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.流域产流机制模拟实验装置，其特征在于，所述实验装置包括上承重支架、位于上承重支架上的上储水箱和上水泵、下承重支架、位于下承重支架下的下储水箱和下水泵、位于下承重支架上的外箱以及外箱内的有机玻璃模拟箱，有机玻璃模拟箱倾斜放置在外箱内部，外箱设有排水口与下储水箱连通；所述有机玻璃模拟箱的底部和侧壁上分别设有进出水口和多个侧壁排水管，在有机玻璃模拟箱的内部，从下向上依次设有下部易透水层、中间弱透水层和上部易透水层，有机玻璃模拟箱的顶部设有降水模拟器；所述上储水箱中的水通过上水泵与降水模拟器连通；上储水箱通过排水管与下储水箱或者与有机玻璃模拟箱的进出水口连通；下储水箱中的水通过下水泵与上储水箱连通。
2.如权利要求1所述的流域产流机制模拟实验装置，其特征在于，所述上部易透水层上覆盖有模拟人工草皮。
3.如权利要求2所述的流域产流机制模拟实验装置，其特征在于，所述人工草皮为易透水草皮。
4.如权利要求2所述的流域产流机制模拟实验装置，其特征在于，所述侧壁排水管的设置位置分别对应于下部易透水层、中间弱透水层、上部易透水层和人工模拟草皮。
5.如权利要求1所述的流域产流机制模拟实验装置，其特征在于，所述侧壁排水管设有可调节排水管孔洞大小的阀门。
6.如权利要求1-5任意之一所述的流域产流机制模拟实验装置，其特征在于，所述降水模拟器可根据实验要求进行降水强度的调节。
7.如权利要求1-5任意之一所述的流域产流机制模拟实验装置，其特征在于，所述有机玻璃模拟箱与外箱底部之间的倾斜度为0～30度。
8.如权利要求7任意之一所述的流域产流机制模拟实验装置，其特征在于，所述倾斜度为20度。
9.如权利要求1-5任意之一所述的流域产流机制模拟实验装置，其特征在于，所述下部易透水层采用均值中砂，中间弱透水层采用粘土质粉砂，上部易透水层采用均值细砂。
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