专利名称：基于水质水量综合控制的植物滞留系统结构优化实验装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种基于水质水量综合控制的植物滞留系统结构优化实验装置， 主要用于人工降雨和人工径流同时模拟条件下，设计的植物滞留系统对人工降雨与人工径流水质水量影响的动力学研究，并通过优化植物滞留系统结构，能够达到水质水量综合控制的目的。属于环境工程和生态工程技术领域。
背景技术：
随着点源污染的治理显现效果，城市降雨径流非点源污染已开始引起越来越多的关注。城市非点源污染在时空分布、污染物组成及浓度、源头-输移-汇集方式等诸多方面与农村非点源污染都有明显的不同。城市降雨、地面径流同时具有危害性与资源性，解决城市非点源污染的问题，亦应将削减污染与资源化结合考虑。目前植物滞留系统的结构组成及各组成要素对水质水量运移的模拟研究正在开展，但针对水质水量综合控制的实验装置研究还未进行。而此次设计的一种基于水质水量综合控制的植物滞留系统结构优化实验装置更注重实际降雨、径流过程的耦合模拟和优化控制，使实验室模拟与现场试验具有更好的链接，达到优化模拟实验目的。研究降雨径流所携带的污染物在植物滞留系统中的长时间迁移转化机理和控制过程即水质水量的动态变化过程和最优控制急需通过优化模拟实验来完成。所以本次实验装置结合水质水量模拟过程和植物滞留系统结构优化过程，针对实验需求本实用新型对基于水质水量综合控制的植物滞留系统结构优化实验装置进行设计。本实用新型设计的基于水质水量综合控制的植物滞留系统结构优化实验装置，分别考虑人工降雨和人工径流过程，不仅能模拟控制水量过程，同时也能模拟控制水质迁移过程。由于分别考虑人工降雨和人工径流，更符合实际水量过程状况，使得模拟过程具有较好的实际价值和实践意义。本实用新型设计的基于水质水量综合控制的植物滞留系统结构优化实验装置，能同时考虑水量和水质变化过程，实现对植物滞留系统的结构优化。该装置模拟的水质水量情况，更符合实际水量变化过程的输入条件，能够反映出不同输入条件、不同雨强、植物类型和介质成分及深度、不同空间和时间等对水质水量动态变化的影响，并具有能同时进行多个实验过程，受外部因素影响小，实验条件易于同步优化控制，费用和占地面积小、而实验的精确性较高等优点。
实用新型内容1、目的:本实用新型的目的在于提供一种基于水质水量综合控制的植物滞留系统结构优化实验装置。该装置分别考虑人工降雨和人工径流过程，不仅能模拟控制水量过程，同时也能模拟控制水质迁移过程，更符合实际水量变化过程的输入条件，能在同时考虑水量和水质变化过程中实现对植物滞留系统的结构优化。2、技术方案[0007]见图1，本实用新型是一种基于水质水量综合控制的植物滞留系统结构优化实验装置，它包括储降雨水箱、水泵、导水管、接头、支架、降雨孔、PVC细管、PVC细管胶皮塞、 PVC-U管、PVC-U管底座、采样孔、采样孔堵塞、径流槽、径流管、橡皮管接头、软管夹、橡皮软管和PVC硬管。它们之间的位置连接关系是储降雨水箱的下部出口与水泵进水口相连，水泵的出水口通过导水管与放置在支架上的PVC细管上均勻分布的多个的降雨孔相连通，且PVC细管与导水管用接头相连，PVC 细管的另一端是由PVC细管胶皮塞堵塞。PVC细管上设置有许多方向朝下的降雨孔正对应于PVC-U管之上方，采样孔设置在从PVC-U管的顶部至底部每间隔20cm的位置。而PVC-U 管的底部由PVC-U管底座封住。主体设备另一端的径流槽的底部出口与水泵进水口相连， 水泵的出口通过导水管与放置在支架上的径流管相连，径流管上等间隔设置有方向朝下圆孔并与PVC硬管相连通，径流管的另一端由PVC细管胶皮塞堵塞。PVC硬管与橡皮软管采用橡皮管接头相连，橡皮软管与PVC-U管相连通，并软管夹夹住橡皮软管，以便控制径流流量。所述储降雨水箱是盒式结构的箱体；所述水泵是基本型蠕动泵，其功能为将储降雨水箱和径流槽中的水通过导水管自动抽压到PVC细管和径流管中；所述支架是普通金属结构丫形支架；所述导水管是塑料管，具有导水和给降雨孔供水的作用；所述降雨孔是导水管正对于PVC-U管顶部的地方用钻头打出的多排均布的圆孔， 降雨从多排均布圆孔滴入到PVC-U管中；所述PVC-U管，其底部与PVC-U管底座用AB胶缝合，具有防水、防腐作用。用于长时间盛装实验所用的各种类型的潮湿土壤及碎石等；所述采样孔是带螺纹的塑料管，用铜锁将其固定。此管用于采集土壤中的水样和监测土壤温度；所述接头是市购塑料管接头，起连接作用；所述PVC细管是塑料管，用于人工降雨；所述PVC细管胶皮塞是与之配套的市购胶皮塞，起堵头作用；所述PVC-U管底座是圆环状工程塑料，起稳定作用；所述采样孔堵塞是与之配套的市购胶皮塞，起堵头作用；所述径流槽是盒式结构的箱体；所述的径流管是塑料管，起输送径流的作用；所述橡皮管接头是市购塑料管接头，起连接作用；所述的软管夹是市购铁夹，起夹住软管控制径流流量的作用；所述的橡皮软管起输送径流的作用；所述的PVC硬管起均分径流量的作用；其中，该储降雨水箱和径流槽的材质为有机玻璃，外形尺寸为长高宽均为50cm ；其中，该水泵的型号为BT100-2J、泵头为H1515X，数量为2台；其中，该降雨孔共10排，孔的直径为Imm ；其中，该导水管的厚度为2mm、外径为20mm，数量为2根；[0031]其中，该采样孔的内径为10mm、厚度为2mm、长度为30mm ；其中，该PVC细管的厚度为2mm、外径为24mm、长度为2200mm;其中，该PVC-U管的高度为lm、外径为21cm，厚度为5mm，数量为10个；其中，PVC-U管底座的厚度为5mm、外径为22cm、高度为5cm，数量为10个；其中，径流管的厚度为2mm、外径为24mm、长度为2300mm ；其中，橡皮软管内径为20mm、厚度为2mm、长度为250mm，数量为10个；其中，PVC硬管内径为20mm、厚度为2mm、长度为100mm，数量为10个。本实用新型工作流程如下水泵把配置好的人工降雨从储降雨水箱抽到导水管中，10排降雨孔分布在PVC细管与PVC-U管顶部的接触部位，人工降雨用泵抽到导水管中，通过调解水泵流量计来完成降雨流速，导水管与PVC细管以接头连接，且PVC细管两边由1. 1米高度的支架来保持导水管在一条水平线上，由泵打入导水管中的降雨由在PVC细管上的降雨孔均勻喷洒人工降雨到10个PVC-U管开口处，降雨孔是由Imm的钻头打出的钻孔。实验主体设备另一端的水泵把模拟好的人工径流从径流槽的底部抽到导水管中，10个PVC硬管每隔200mm处均分在径流管上与PVC-U管顶部的沿线，通过延长的橡皮软管把径流输送到种植土壤覆盖层顶部，并通过调解水泵流量计来完成控制径流流速。径流管与PVC硬管连接，且径流管两边由 1. 21米高度的支架来保持径流管在一条水平线上，由泵打入导水管中的径流由在径流管上的PVC硬管和橡皮软管均勻分配人工径流到10个PVC-U管开口处，径流孔是由20mm的钻头打出的钻孔，径流孔与PVC硬管有AB胶处理，达到接缝和防水的目的。径流管的另一端由PVC细管胶皮塞堵塞。PVC硬管与橡皮软管采用橡皮管接头相连，并软管夹夹住橡皮软管，以便控制径流流量。实验主体装置是PVC-U管，其内包括表面降雨滞留层，种植土壤覆盖层，植被及种植层，第一、第二、第三、第四、第五个采样口、砂滤层及碎石层。实验主题装置以PVC作为实验材料，达到节约费用的目的，并应用哥俩好和AB胶处理采样管与实验主题装置之间的接缝与其达到防止漏水的目的。由于采用了上述技术方案，本实用新型的植物滞留系统结构优化研究的实验装置采用的采样管可以采集不同时间和空间分布情况下的水样，使用可调式水泵可以同时调节降雨流量和径流流量，能进行土壤含水量、土壤温度及水质水量监测，并用于水质水量综合控制的植物滞留系统结构优化过程。3、优点及功效本实用新型在人工降雨及人工径流条件下的一种基于水质水量综合控制的植物滞留系统结构优化实验装置，主体结构由轻便、廉价、易于加工的PVC管组成，并具有结构简单，可同时调节降雨强度和径流强度、造价低，模拟更符合实际情况，实现了土壤水样的不同时间和空间结构下的采集，不仅可节约劳动量同时在同一时间、相同条件下可运行多个因素变化的土柱试验过程，提高了实验的有效性和精度，实验过程受外部因素影响小，使实验更具有可操作性。
图1本实用新型的植物滞留系统实验装置总体结构示意图图2本实用新型植物滞留系统的主体设备即PVC-U管的结构示意图图3本实用新型植物滞留系统的主体设备即PVC-U管的正面示意图[0045]图4本实用新型植物滞留系统的主体设备即PVC-U管的俯瞰示意图图5本实用新型的PVC细管及降雨孔示意图图6本实用新型的径流管示意图图中符号说明如下1储降雨水箱；2水泵；3导水管；4接头；5支架；6降雨孔；7PVC细管；8PVC细管胶皮塞；9PVC-U管；10PVC-U管底座；11采样孔；12采样孔堵塞；13径流槽；14径流管；15橡皮管接头；16软管夹；17橡皮软管；18PVC硬管；19表面降雨和径流滞留层；20种植土壤覆盖层；21植被及种植层；22砂滤层；23碎石层；对第一采样口 ；25第二采样口第三采样口 ；27第四采样口 ；观第五采样口。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型进行进一步详细描述本实用新型提出的用于建立人工降雨和人工径流条件下的一种基于水质水量综合控制的植物滞留系统结构优化实验装置，图1为该装置的总体结构示意图，配置好的人工降雨储存在储降雨水箱1中，并用水泵2通过导水管3将人工降雨导入放在支架5上的PVC细管7中，水泵2通过流量计可以调节降雨流量，由水泵2打入PVC 细管7的降雨通过PVC细管7的均勻分布降雨孔6均勻喷洒到PVC-U管9的上顶部，PVC-U 管9的底部是由PVC-U管底座10封住，导水管3的一端接水泵2另一端用接头与PVC细管 7连接，而PVC细管7的另一端用PVC细管胶皮塞8塞住，防治人工降雨的流失。当水泵2 开启并调节流量后人工降雨可迅速分布在PVC细管7中，通过降雨孔6均勻喷洒到PVC-U 管9的上顶部，这样完成自动同时间多个植物滞留系统的模拟人工降雨过程。人工径流过程是通过实验主体设备另一端的水泵2把模拟好的人工径流从径流槽13的底部抽到导水管3中，水泵2通过流量计可以调节径流流量，径流管14与PVC-U管9顶部通过PVC硬管 18及延长的橡皮软管17相连通。径流管14与PVC硬管18以橡皮管接头15连接，并软管夹16夹住橡皮软管17，且径流管14的另一端由PVC细管胶皮塞8堵塞。人工降雨和人工径流渗过模拟实验的主体设备即PVC-U管9，并通过渗滤、蒸发、土壤吸附、生物吸收、微生物降解、覆盖层表面截留等作用，降低降雨流量和径流流量，并去除人工降雨及人工径流中污染物。渗过各土层的人工降雨和人工径流可通过采样孔11 (共有五层)采集水样并进行分析，采样孔11在不采集样品时用采样孔堵塞12塞住，以便计算系统水量平衡。一种基于水质水量综合控制的植物滞留系统结构优化实验装置的主体设备的结构为图2所示，包括表面降雨和径流滞留层19，该层深度Ii1为21cm ；种植土壤覆盖层20，该层深度1 为5cm，主要成分为树皮(bark)或干草；在种植土壤覆盖层20底部和植被及种植层21的最上端设有第一采样孔M ；植被及种植层21深度Ii3为60cm，主要成分为砂壤土和有机物，该层设有第二采样孔25、第三采样孔沈、第四采样孔27，且位置依次设在距植被及种植层21顶端20cm、40cm、60cm处；砂滤层22深度h4为IOcm ；碎石层23深度h5为IOcm ； 第五采样孔28设在PVC-U管最底部。见图1，本实用新型是人工降雨和径流条件下的一种基于水质水量综合控制的植物滞留系统结构优化实验装置，它包括储降雨水箱1、水泵2、导水管3、接头4、支架5、降雨孔6、PVC细管7、PVC细管胶皮塞8、PVC-U管9、PVC-U管底座10、采样孔11、采样孔堵塞
712、径流槽13、径流管14、橡皮管接头15、软管夹16、橡皮软管17和PVC硬管18。它们之间的位置连接关系是储降雨水箱1的下部出口与水泵2进水口相连，水泵2的出水口通过导水管3与放置在支架5上的PVC细管7上均勻分布的多个的降雨孔6相连通，且PVC细管7与导水管3用接头4相连，并PVC细管7的另一端是由PVC细管胶皮塞8堵塞。PVC细管7上设置有许多方向朝下的降雨孔6正对应于PVC-U管9之上方，采样孔11设在从PVC-U管9的顶部至底部每间隔20cm的位置，采样孔11在不采集样品时用采样孔堵塞12塞住，以便计算系统水量平衡。而PVC-U管9的底部由PVC-U管底座10封住。实验主体设备另一端的径流槽13与水泵2进水口相连，水泵2的出水口通过导水管3与放置在支架5上的径流管 14上均勻分布的径流孔相连通，径流管14与PVC-U管9顶部通过PVC硬管18及延长的橡皮软管17相连。径流管14与PVC硬管18、橡皮管接头15、橡皮软管17连接，并软管夹16 夹住橡皮软管17，且径流管14的另一端由PVC细管胶皮塞8堵塞。所述储降雨水箱1和径流槽13是盒式结构的箱体，材质为有机玻璃；外形尺寸为 长高宽均为50cm ；所述水泵2是基本型蠕动泵、型号为BT100-2J、泵头H1515X、功能为将储降雨水箱中的水通过导水管自动抽压到PVC细管中，数量为2台；所述导水管3是16#塑料管、具有导水的作用，数量为2根；所述接头4是市购塑料管接头，防止两管接口处漏水。所述支架5是普通金属结构丫形支架，其高度为1. 1米和1. 21米。数量各2根；所述降雨孔6是PVC细管7上用电钻钻出的直径为Imm的10排均布的圆孔，降雨从圆孔滴入到PVC-U管9中；所述PVC细管7是长度为2200mm，外径为Mem、厚度为2mm，此管水平放置在两个支架5上，用于人工降雨过程。所述PVC细管胶皮塞8是直径在19_21mm之间渐变的长度为3mm的胶皮塞。所述PVC-U管9是是长为lm、内径为20cm，外径为21cm的圆管，并等间隔设有5 个采样孔11，采样孔11接缝口处用玻璃胶缝合，具有较强的防水、防腐作用。用于长时间盛装实验所用的各种类型的潮湿土壤及碎石等；所述PVC-U管底座10是厚度为5mm、外径为22cm、高度为5cm，封堵PVC-U管底部的作用，接缝处采用AB胶缝合，防止水样流失。所述采样孔11的厚度为2mm、外径为14mm、长度为30mm，功能为采集水样。所述采样孔堵塞12是直径在12-15mm之间渐变的长度为3mm的胶皮塞，不采集样品时用采样孔堵塞12塞住，以便计算系统水量平衡。所述的径流管14的厚度为2mm、外径为24mm、长度为2300mm，功能为输送径流。所述的橡皮管接头15连接PVC硬管18和橡皮软管17，防止漏水。所述的软管夹16是市购铁夹，夹住橡皮软管17控制径流量和径流产生时间。所述的橡皮软管17内径为20mm、厚度为2mm、长度为250mm，功能为控制径流量。所述的PVC硬管18内径为20mm、厚度为2mm、长度为100mm，功能为均分径流量。基于水质水量综合控制的植物滞留系统结构优化实验装置的主体设备即PVC-U 管的结构为图2所示，包括表面降雨和径流滞留层19，该层深度Ill为15cm;种植土壤覆盖层20，该层深度Ii2为5cm，主要成分为树皮(bark)或干草；在种植土壤覆盖层20底部和植被及种植层21的最上端设有第一采样孔M ；植被及种植层21深度Ii3为60cm，主要成分为砂壤土和有机物，该层设有第二采样孔25、第三采样孔沈、第四采样孔27，且位置依次设在距植被及种植层21顶端20Cm、40Cm、60Cm处；砂滤层22深度h4为IOcm ；碎石层23深度h5 为IOcm ；第五采样孔28设在PVC-U管最底部，目的是分析系统结构对水质的影响。图3为基于水质水量综合控制的植物滞留系统结构优化实验装置的主体设备即 PVC-U管的侧面示意图，长度、外径、内径分别为1000mm、210mm、200mm的PVC管，设有等间隔采样孔，共5层，且PVC-U管底座厚度为5mm，外径为220mm，高度为5cm，封堵PVC-U管底部的作用。图4为基于水质水量综合控制的植物滞留系统结构优化实验装置的主体设备即 PVC-U管的俯瞰示意图，从图可见采样孔长度为30mm，外径为14mm、厚度为2mm、用于采集土壤中的水样。图5为PVC细管7及降雨孔6示意图，从图可见PVC细管7厚度为2mm，内径为 20mm,长度为2200mm。管表面朝下1/2面积上，每间隔20cm处打上10排直径为Imm的小孔，此管水平放置在支架5上，为人工降雨所用。图6为径流管14示意图，从图可见径流管14厚度为2mm，内径为20mm，长度为 2300mm。管表面朝下1/2面积上，每间隔20cm处打上1个直径为20mm的大孔，此孔通过AB 胶与PVC硬管18相连，PVC硬管18的长度为10cm，PVC硬管18与橡皮软管17通过橡皮软管接头15相连，橡皮软管17长度为25cm，并用软管夹16夹住橡皮软管17，达到控制径流流量和径流产生时间。径流管14水平放置在支架5上，为人工径流模拟所用。
权利要求1.基于水质水量综合控制的植物滞留系统结构优化实验装置，其特征在于它包括储降雨水箱、水泵、导水管、接头、支架、降雨孔、PVC细管、PVC细管胶皮塞、PVC-U管、PVC-U管底座、采样孔、采样孔堵塞、径流槽、径流管、橡皮管接头、软管夹、橡皮软管和PVC硬管；一端的储降雨水箱的下部出口与水泵进水口相连，水泵的出水口通过导水管与放置在支架上的PVC细管上均勻分布的多个的降雨孔相连通，且PVC细管与导水管用接头相连，PVC细管的另一端是由PVC细管胶皮塞堵塞，PVC细管上设置有许多方向朝下的降雨孔正对应于 PVC-U管之上方，采样孔设置在从PVC-U管的顶部至底部每间隔20cm的位置，而PVC-U管的底部由PVC-U管底座封住；另一端的径流槽的底部出口与水泵进水口相连，水泵的出口通过导水管与放置在支架上的径流管相连，径流管上等间隔设置有方向朝下圆孔并与PVC硬管相连通，径流管的另一端由PVC细管胶皮塞堵塞；PVC硬管与橡皮软管采用橡皮管接头相连，橡皮软管与PVC-U管相连通，并软管夹夹住橡皮软管；所述储降雨水箱是盒式结构的箱体； 所述水泵是基本型蠕动泵； 所述支架是普通金属结构丫形支架； 所述导水管是塑料管；所述降雨孔是导水管正对于PVC-U管顶部的地方用钻头打出的多排均布的圆孔；所述PVC-U管，其底部与PVC-U管底座用AB胶缝合；所述采样孔是带螺纹的塑料管，用铜锁将其固定；所述接头是市购塑料管接头；所述PVC细管是塑料管；所述PVC细管胶皮塞是与之配套的市购胶皮塞；所述PVC-U管底座是圆环状工程塑料；所述采样孔堵塞是与之配套的市购胶皮塞；所述径流槽是盒式结构的箱体；所述的径流管是塑料管；所述橡皮管接头是市购塑料管接头；所述的软管夹是市购铁夹。
2.根据权利要求1所述的基于水质水量综合控制的植物滞留系统结构优化实验装置， 其特征在于该储降雨水箱和径流槽的材质为有机玻璃，外形尺寸为长高宽均为50cm。
3.根据权利要求1所述的基于水质水量综合控制的植物滞留系统结构优化实验装置， 其特征在于该降雨孔共10排，孔的直径为1mm。
4.根据权利要求1所述的基于水质水量综合控制的植物滞留系统结构优化实验装置， 其特征在于该导水管的厚度为2mm、外径为20mm，数量为2根。
5.根据权利要求1所述的基于水质水量综合控制的植物滞留系统结构优化实验装置， 其特征在于该采样孔的内径为10mm、厚度为2mm、长度为30mm。
6.根据权利要求1所述的基于水质水量综合控制的植物滞留系统结构优化实验装置， 其特征在于该PVC细管的厚度为2mm、外径为24mm、长度为2200mm。
7.根据权利要求1所述的基于水质水量综合控制的植物滞留系统结构优化实验装置， 其特征在于该PVC-U管的高度为lm、外径为21cm，厚度为5mm，数量为10个。
8.根据权利要求1所述的基于水质水量综合控制的植物滞留系统结构优化实验装置， 其特征在于该径流管的厚度为2mm、外径为24mm、长度为2300mm。
9.根据权利要求1所述的基于水质水量综合控制的植物滞留系统结构优化实验装置， 其特征在于该橡皮软管内径为20mm、厚度为2mm、长度为250mm，数量为10个。
10.根据权利要求1所述的基于水质水量综合控制的植物滞留系统结构优化实验装置，其特征在于该PVC硬管内径为20mm、厚度为2mm、长度为100mm，数量为10个。
专利摘要基于水质水量综合控制的植物滞留系统结构优化实验装置，它包括降雨水箱、水泵、导水管、接头、支架、降雨孔、PVC细管、PVC细管胶皮塞、PVC-U管、PVC-U管底座、采样孔、采样孔堵塞、径流槽、径流管、橡皮管接头、软管夹、橡皮软管和PVC硬管。储降雨水箱、径流槽的下部出口与水泵进口相连，水泵出水通过导水管与放置在支架上的PVC细管、径流管相连。PVC细管上有方向朝下的降雨孔正对PVC-U管上方，径流管等间隔设置方向朝下圆孔并与PVC硬管相连，PVC硬管、橡皮软管与PVC-U管相连通，软管夹夹住橡皮软管控制径流流量。本实用新型构思新颖、结构简单、造价低廉，可同时调节降雨和径流强度，符合实际需求。
文档编号G01N33/24GK201993360SQ201120058298
公开日2011年9月28日 申请日期2011年3月7日 优先权日2011年3月7日
发明者姜荣, 张学君, 杨晓华, 美英, 郭亚男 申请人:北京师范大学