一种基于农田水文过程的生态排水沟物质交换仿真模拟系统的制作方法

本实用新型涉及一种农田灌溉排水实验设备，主要是涉及一种基于农田水文过程的生态排水沟物质交换仿真模拟系统。

背景技术：

农田排水是农田水利的重要组成部分，农业的发展需要灌溉，也离不开排水。人类发展生产的实践经验表明，完善的灌溉排水系统历来都与卓有成效的排水工程密不可分。农田排水沟是农田水利中一项重要的排水工程设施，发展农业生产过程中，通过修建农田排水沟将农田内多余的水分(包括地面水和地下水)排入容泄区(河流或湖泊等)，使农田处于适宜的水分状况。通过对农田排水沟水体与底泥理化指标的研究，使农田排水沟在满足沟渠正常排水要求和保证沟渠结构稳定的前提下，能与周围的生态系统(河流生态系统、地下水生态系统等)相互和谐、协同作用，能够保证物种多样性、减少对资源的剥夺，保持营养和水循环；提高水环境承载能力；有利于提高农田排水沟渠生态系统的自我调节、自我平衡能力；有利于提高农田排水沟渠水体的自净能力，抑制和减轻水质恶化，以维系农田排水沟渠系统的生态环境。因此研究基于农田水文过程的农田排水沟物质交换具有重要意义。农田排水沟物质交换过程与农田水文(灌溉、排水、退水、降雨、蒸发和热风等)息息相关。但是现有研究中没有专门的实验设备，一般是采用现场的排水沟进行研究，一方面研究受自然环境影响较大，导致结果与实际情况存在一定偏差，且试验周期较长，试验因素难以控制；另一方面一般农田排水沟的研究环境介质单一，多集中在营养盐吸附与释放、农药残留降解、温室气体排放等方面，对多介质环境以及物质跨环境介质研究考虑不足。

技术实现要素：

本实用新型提供了一种基于农田水文过程的生态排水沟物质交换仿真模拟系统，解决了现有技术中没有研究农田水文(灌溉、排水、退水、降雨、蒸发和热风等)对农田排水沟物质交换过程影响的实验设备，导致不能全面科学的研究农田水文过程对农田排水沟物质交换过程的影响。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：

一种基于农田水文过程的生态排水沟物质交换仿真模拟系统，包括农田模拟装置和环形排水沟模拟装置，所述的农田模拟装置包括用于模拟农田土壤组成的土壤部和农田灌溉装置，所述的土壤部设置有若干双侧排水沟，所述的环形排水沟模拟装置包括环形主水槽主体，所述的环形主水槽主体内依次设置单侧排水沟、第一动力装置、第一排水管、第一隔离板、纯排水沟、第二动力装置、第二排水管和第二隔离板，所述的单侧排水沟的排水侧与土壤部相接触，所述的双侧排水沟、单侧排水沟和纯排水沟的出水端均设置有排水闸。

优选地：所述的装置还包括地下水位模拟装置。

优选地：所述的地下水位模拟装置包括地下水供水马氏瓶和高度调节装置；所述地下水供水马氏瓶通过若干根连接管与模拟农田、单侧排水沟、纯排水沟分别连通。

优选地：所述的装置还包括降雨或热风模拟装置。

优选地：所述降雨或热风模拟装置包括设置框架上的若干根降雨或热风支管，所述的降雨或热风支管上安装有喷头，所述的降雨或热风支管与降雨或热风主管连通，所述的降雨或热风主管的进口设置有水进口和热风进口。

优选地：所述的装置还包括蒸发模拟装置。

优选地：所述的蒸发模拟装置包括设置框架上的若干根蒸发支管，所述的蒸发支管上安装有加热装置。

优选地：所述的双侧排水沟为梯形，所述的双侧排水沟由蜂窝生态混凝土板制成；

所述的纯排水沟为梯形，所述的纯排水沟从内至外包括若干层透水隔离层和蜂窝生态混凝土板，所述的透水隔离层之间依次填充鹅卵石层、石英砂层、若干层模拟土壤层；

所述的单侧排水沟为梯形，所述的单侧排水沟与模拟农田接触的一面采用蜂窝生态混凝土板，所述的单侧排水沟的另一侧采用从内至外包括若干层透水隔离层和蜂窝生态混凝土板，所述的透水隔离层之间依次填充鹅卵石层、石英砂层、若干层模拟土壤层。

优选地：所述的土壤部包括方形主体，所述的方形主体内部从上至上设置两层透水隔离层，所述的透水隔离层之间依次填充鹅卵石层、石英砂层和模拟土壤层。

优选地：所述的农田灌溉装置包括主供水管，所述的主供水管设置灌溉装置和排水支管，所述的排水支管与双侧排水沟连通，所述的排水支管设置有排水阀门。

本实用新型的有益效果：

本实用新型的结构简单，可以研究灌溉、排水、退水、降雨、蒸发、热风和地下水位对农田排水沟物质交换的影响，实现了农田水文过程对农田排水沟物质交换的研究，为农田灌排系统研究提供理论参考。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的模拟系统结构示意图；

图2为本实用新型的纯排水沟的结构示意图；

图3为本实用新型的农田模拟装置的结构示意图；

图4为本实用新型的降雨或热风模拟装置和蒸发模拟装置的结构示意图；

图5为本实用新型的地下水位模拟装置的结构示意图；

图中，1为第二排水管，2为第二隔离板，3为农田模拟装置，4为排水支管，5为主供水管，6为双侧排水沟，7为排水口，8为排水闸，9为单侧排水沟，10为环形主水槽主体，11为第一动力装置，12为第一排水管，13为第一隔离板，14为纯排水沟，15为地下水位模拟装置，16为第二动力装置，17为大鹅卵石层，18为透水隔离层，19为小鹅卵石层，20为石英砂层，21为模拟土壤层，22为蜂窝生态混凝土板，23为蜂窝孔，24为水进口，25为热风进口，26为降雨或热风主管，27为降雨或热风支管，28为蒸发支管，29为喷头，30为加热装置，31为框架，32为塞子，33为通气管，34为供水马氏瓶，35为进水阀，36为连接管，37为出水阀，38为高度调节装置。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1

如图1-5所示，一种基于农田水文过程的生态排水沟物质交换仿真模拟系统，包括农田模拟装置3和环形排水沟模拟装置，所述的农田模拟装置3包括用于模拟农田土壤组成的土壤部和农田灌溉装置。土壤部主要是模拟农田土壤组成，土壤部包括方形主体，所述的方形主体内部从上至上设置两层透水隔离层18，所述的透水隔离层18之间依次填充鹅卵石层、石英砂层20和模拟土壤层21。透水隔离层18的作用是将不同填料层分开，使得研究不同土壤组成的时候更换方面。透水隔离层18可以选择不锈钢网、塑料网和土工布等。模拟土壤层21可以根据实际研究进行设置，不同模拟土壤层21之间也可以设置透水隔离层18。

所述的土壤部设置有若各干双侧排水沟6，双侧排水沟6为梯形，所述的双侧排水沟6由蜂窝生态混凝土板22制成。双侧排水沟6可以实现农田灌溉水通过排水沟的双侧进入排水沟。本实施中设置三条双侧排水沟6。

农田灌溉装置包括主供水管5，所述的主供水管5设置灌溉装置和排水支管4，所述的排水支管4与双侧排水沟6连通，所述的排水支管4设置有排水阀门。灌溉装置为现有农田灌溉设备为滴灌、喷灌和漫灌等，本实施采用在主供水管5上设置排水口7，采用漫灌灌溉。设置灌溉装置主要是研究灌溉方式对农田和排水沟的影响。设置排水支管4主要是用于模拟农田退水对排水沟生态和农田地下水位的影响。

环形排水沟模拟装置包括环形主水槽主体10，所述的环形主水槽主体10内依次设置单侧排水沟9、第一动力装置11、第一排水管12、第一隔离板13、纯排水沟14、第二动力装置16、第二排水管1和第二隔离板2，所述的单侧排水沟9的排水侧与土壤部相接触，所述的双侧排水沟6、单侧排水沟9和纯排水沟14的出水端均设置有排水闸8。第一动力装置11和第二动力装置16的结构一样，目的是为环形水槽内的水流提供动力装置，包括设置在环形槽上的转动轴，所述的转动轴上设置叶片，所述的转动轴与变频电机安装在一起。

双侧排水沟6为梯形，所述的双侧排水沟6由蜂窝生态混凝土板22制成；双侧排水沟6的结构可以有其它形状，本实用新型采用蜂窝生态混凝土板22，它是由生态混凝土制成的具有蜂窝孔23的板材，生态混凝土可以选择合肥科顺科贸有限公司公司生长的生态混凝土。双侧排水沟6用于研究设置在农田中的排水沟在不同水文条件下的变化。

纯排水沟14为梯形，所述的纯排水沟14从内至外包括若干层透水隔离层18和蜂窝生态混凝土板22，所述的透水隔离层18之间依次填充鹅卵石层、石英砂层20、若干层模拟土壤层21；透水隔离层18的作用是将不同填料层分开，使得研究不同土壤组成的时候更换方面。透水隔离层18可以选择不锈钢网、塑料网和土工布等。在实际农田排水沟设计中，会存在一段不在农田中的排水沟，导致农田灌溉施肥等不能渗透到排水沟内，仅仅通过排水沟内的水体流动对排水沟内底泥作用。本实用新型设置纯排水沟14就是为了研究这部分农田排水沟。

所述的单侧排水沟9为梯形，所述的单侧排水沟9与模拟农田接触的一面采用蜂窝生态混凝土板22，所述的单侧排水沟9的另一侧采用从内至外包括若干层透水隔离层18和蜂窝生态混凝土板22，所述的透水隔离层18之间依次填充鹅卵石层、石英砂层20、若干层模拟土壤层21。单侧排水沟9主要是模拟排水沟一边与接触，农田内的物质通过渗透等方式进入排水沟，另一侧与田埂或道路接触，不存在农田渗透作用。鹅卵石层可以采用单一的小鹅卵石层19，也可以采用复合的大鹅卵石层17和小鹅卵石层19，本实施例中纯排水沟采用采用复合的大鹅卵石层和小鹅卵石层，其它的鹅卵石层采用单一的小鹅卵石层。

采用上述结构可以在蜂窝孔23内种植水生植物，净化排水沟内水体水质，研究不同水生植物对排水沟物质循环的影响。

本实用新型的装置还包括地下水位模拟装置15。地下水位模拟装置15包括地下水供水马氏瓶34和高度调节装置38；所述地下水供水马氏瓶34通过若干根连接管36与模拟农田、单侧排水沟9、纯排水沟14分别连通。本实用新型通过设置地下水位模拟装置15可以模拟地下水位对排水沟物质交换的影响。

地下水位模拟装置15的加水方法：将供水马氏瓶34底端的通气口和出水阀37关闭，打开瓶顶排气口的塞子32，开启进水阀35，迅速为供水马氏瓶34加水，待试验用水加满马氏瓶34后，迅速关闭进水阀35，将塞子32以旋转按压式塞紧马氏瓶34排气口，确保马氏瓶34密封。加水必须加满，以将马氏瓶中的气体完全排除。调整高度调节装置38至适合高度，将地下水供水马氏瓶固定，调整马氏瓶的通气管33底端位置至设计的地下水水位线处，打开出水阀37，地下水供水马氏瓶开始向模拟系统的底端供水以形成地下水定水位，待地下水水位至水位线并稳定后，即完成供水马氏瓶。

本实用新型装置还包括降雨或热风模拟装置。所述降雨或热风模拟装置包括设置框架31上的若干根降雨或热风支管27，所述的支管上安装有喷头29，所述的降雨或热风支管27与降雨或热风主管26连通，所述的降雨或热风主管26的进口设置有水进口24和热风进口25。本实用新型设置降雨或热风模拟装置，主要是模拟降雨或热风对农田排水沟物质交换的影响。

本实用新型装置还包括蒸发模拟装置；所述的蒸发模拟装置包括设置框架31上的若干根蒸发支管28，所述的蒸发支管28上安装有加热装置30。加热装置采用相互连接的功率可调红外灯，用于通过改变功率可调红外灯的功率和数量，模拟不同蒸发速率条件。

本实用新型的运行过程：首先根据要研究的对象，确定模拟土壤和水生植物等，然后设置各个部分的填料，完成装置的安装，并且可以在农田排水沟设置底泥。

然后开始试验模拟不同水文过程对排水沟物质交换的影响：

(1)农田排水依次通过双侧排水沟6、单侧排水沟9和纯排水沟14，然后通过第二排水管1排走，其中第一隔离板13需要去掉；如果单独模拟某一种类型排水沟，只需要关闭对应的排水闸8，使农田排水直接从排水沟进口端进出，从排水沟的出水管排出；

(2)模拟灌溉对排水沟的影响：通过灌溉设备可以模拟不同灌溉方式、灌溉量等因素对农田排水沟物质交换的影响，也可以考察不同化肥、农药等对排水沟的影响；也可以考察不同土壤对排水沟物质交换的影响；

(3)通过模拟降雨、热风、蒸发、地下水位等装置，可以考察不同水文过程及多介质环境对排水沟物质交换的影响；

(4)通过排水支管4通过退水模拟水，来模拟退水对排水沟物质交换的影响；

(5)通过在蜂窝生态混凝土板22的蜂窝孔23内种植不同水生植物，考察不同水生植物对排水沟污染物质循环的影响。

本实用新型的装置结构简单，实现了排水沟立体、全面的模拟研究，为农业灌排系统可持续发展提供研究参考，具有重要意义。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。