一种坡面径流、壤中流与地下潜流模拟降雨试验径流槽的制作方法

本发明属于土壤水动力学、坡面水文学、水土保持和农业面源污染防治模拟监测试验装置技术领域，具体涉及一种坡面径流、壤中流与地下潜流模拟降雨试验径流槽。

背景技术：

降雨径流是水体及土壤污染物的载体，降雨径流的形成及在坡面、壤中、及地下径流中的分配，是研究水文过程、污染物对水体污染特性的基础和重要手段，是研究土壤污染物随降水入渗动态运移、随坡面径流进入地表水体过程、土壤污染与地下水污染关系的关键环节。然而，由于天然降水的不可控制性，采用室内人工模拟降雨控制下的试验研究方法，一直是本研究领域主要的监测方法。由此可知，室内模拟试验装置设计的创新，按不同试验目的进行的装置改造是试验取得预期目标的关键。

为了监测不同降雨强度和不同坡度情况下的壤中流特征，大多采用变坡式的试验径流槽进行模拟试验监测的方法。目前变坡式装置类型有：（1）固定式液压调坡钢槽和移动式液压调坡钢槽。这种装置结构复杂，造价高，而且所需试验场地大。（2）固定式手摇变坡试验钢槽和移动式手摇变坡试验钢槽。该类型装置仅适用于短坡段，因为手动产生的力矩小。（3）目前，根据申请者研究项目的需要，市场上径流槽底部虽然也设置孔洞，但是，如果针对不同的土壤，这些固定的孔洞无法针对性使用；（4）发明者曾经设计出“一种滑轮组控制的变坡式水土流失监测试验装置”，已经申请到国家实用新型专利，专利号为：zl201520056256.4。通过试验使用，其弊端在于若土箱装满土体后，由于土体量大，支撑点靠前，滑轮拉起来较为费力，在径流槽后端两侧采用支撑杆加挡块也不太方便，也无法连续改变坡度。后来又发明设计出了一种能够三维立体监测壤中流的模拟试验径流槽，专利号为：zl201610710187.3，并改进了径流槽坡度调节方式，同时配备有角度指示器来精确指示坡度，但是，经过了一段时间使用，也存在一些问题，诸如：角度指示针不灵活，径流槽围绕前端转动使之径流槽重心前移，造成试验装置不稳定，接水位置过高不方便，尤其是土壤底部入渗无法测量，等等。鉴于上述，为了监测不同降雨强度和不同坡度情况下降雨径流在坡面、壤中和地下径流中的分配特征，以及改进壤中流试验监测径流槽及变坡类型的缺陷和存在的问题，从而设计出“变坡式三维立体模拟降雨监测径流试验槽”。

技术实现要素：

为了弥补现有技术的不足，本发明提供一种坡面径流、壤中流与地下潜流模拟降雨试验径流槽的技术方案。

所述的一种坡面径流、壤中流与地下潜流模拟降雨试验径流槽，其特征在于包括底座，底座上设置径流槽三角支撑腿和径流槽升降组件，径流槽三角支撑腿和径流槽升降组件上设置径流槽，其中，径流槽三角支撑腿的下端与底座滑动连接，径流槽升降组件包括径流槽升降螺杆、同位升降手握螺柄、同位升降手握螺柄卡圈挡圈和同位升降手握螺柄卡套，径流槽升降螺杆的上端与径流槽转动连接，径流槽升降螺杆与同位升降手握螺柄螺纹连接，同位升降手握螺柄与同位升降手握螺柄卡套固定连接，同位升降手握螺柄卡套与同位升降手握螺柄卡圈挡圈卡接，同位升降手握螺柄卡圈挡圈与底座固定连接。

所述的一种坡面径流、壤中流与地下潜流模拟降雨试验径流槽，其特征在于所述底座包括多个底座支撑腿以及设置在底座支撑腿上的底座上横梁和底座后上纵梁，同位升降手握螺柄卡圈挡圈固定连接在底座后上纵梁上。

所述的一种坡面径流、壤中流与地下潜流模拟降雨试验径流槽，其特征在于所述同位升降手握螺柄包括固定连接的同位升降手握螺柄本体和卡套固定圈；所述同位升降手握螺柄卡套由两个半圆管形结构构成，同位升降手握螺柄卡套的下端设置半圆外卡圈和半圆固定圈，两者形成与同位升降手握螺柄卡圈挡圈卡接的u形卡槽，同位升降手握螺柄卡套与同位升降手握螺柄通过卡套固定螺丝固定连接。

所述的一种坡面径流、壤中流与地下潜流模拟降雨试验径流槽，其特征在于所述径流槽三角支撑腿的下端设置径流槽转动轮，径流槽转动轮与底座的两侧开设的径流槽转动轮轨道配合转动连接，径流槽转动轮和径流槽三角支撑腿上穿设径流槽前轮轴，径流槽前轮轴上螺纹连接轮轴固定螺丝，径流槽转动轮轨道的外侧设置有供径流槽前轮轴调整位置的径流槽转动轮轴滑槽。

所述的一种坡面径流、壤中流与地下潜流模拟降雨试验径流槽，其特征在于所述径流槽为多层流量监测径流槽，每层槽体前端设有流量监测出水口，每层槽体侧身设有多个径流槽侧流出水端，径流槽侧流出水端上设置用于接水管的径流槽侧流出水口。

所述的一种坡面径流、壤中流与地下潜流模拟降雨试验径流槽，其特征在于所述径流槽的上端设有坡面径流集流槽，槽体朝前延伸，槽体前端设有坡面径流集流槽出水口。

所述的一种坡面径流、壤中流与地下潜流模拟降雨试验径流槽，其特征在于所述径流槽的后端设置一组示踪剂释放筒，示踪剂释放筒上开设有示踪剂释放缝隙。

所述的一种坡面径流、壤中流与地下潜流模拟降雨试验径流槽，其特征在于所述径流槽的下端设置径流槽底渗漏水收集盘，径流槽底渗漏水收集盘包括径流槽底渗漏水收集盘汇水槽和渗漏水收集盘出水口，径流槽底渗漏水收集盘表面布设多个泥沙冲水管，在泥沙冲水管的两侧沿管子长度方向等间隔泥沙冲水管喷射圆形孔，泥沙冲水管始端配合连接水源，末端封闭。

所述的一种坡面径流、壤中流与地下潜流模拟降雨试验径流槽，其特征在于所述径流槽的后端设置径流槽坡度指示器。

所述的一种坡面径流、壤中流与地下潜流模拟降雨试验径流槽，其特征在于所述径流槽的径流槽内衬底板上均匀设有小孔。

本发明采用了径流槽升降螺杆、同位升降手握螺柄、同位升降手握螺柄卡圈挡圈和同位升降手握螺柄卡套的连接结构，在提升或降低径流槽后端高度时，可以改变径流槽坡度，径流槽升降螺杆提升或降低过程中，同位升降手握螺柄始终处于同一个位置不变，极大地方便了试验人员的试验操作，提高试验效率。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明中的径流槽前端正视图；

图3为本发明中的径流槽第一层流接水槽接水口结构示意图；

图4为本发明中的径流槽三角支撑腿的下部结构示意图；

图5为本发明中的径流槽侧面接水口正视图；

图6为本发明中的径流槽后部正视图；

图7为本发明中的径流槽坡度指示器的结构示意图；

图8为本发明中的径流槽调节坡度指示器微尺精度示意图；

图9为本发明中的径流槽升降组件结构示意图；

图10为图9的局部放大图；

图11为本发明中的同位升降手握螺柄结构示意图；

图12为本发明中的同位升降手握螺柄卡套正视结构示意图；

图13为本发明中的同位升降手握螺柄卡套俯视结构示意图；

图14为本发明中的同位升降手握螺柄卡圈挡圈正视结构示意图；

图15为本发明中的同位升降手握螺柄卡圈挡圈俯视结构示意图；

图16为本发明中的径流槽结构示意图；

图17为本发明中的径流槽底渗漏水收集盘俯视结构示意图；

图18为本发明使用状态结构示意图。

图中：1、底座下横梁，12、底座中竖梁，2底座上横梁，20、径流槽转动轮轨道，21、径流槽转动轮轴滑槽，22、底座后上纵梁，220、径流槽升降螺杆纵梁中通道，221、同位升降手握螺柄卡圈挡圈，222、连接挡圈内缩空心管，3、底座支撑腿，4、径流槽升降螺杆，41、升降螺杆转动轴，5、同位升降手握螺柄，51、同位升降手握螺柄卡套，510、挡圈转动空间，511、半圆固定圈，512、半圆外卡圈，52、卡套固定螺丝，520、卡套固定螺孔，521、同位升降手握螺柄内螺纹，523、卡套固定圈，6、径流槽坡度指示器，61、改变坡度指示器微尺转动轴，62、改变坡度指示器主尺，63、改变坡度指示器微尺架，64、改变坡度指示器微尺，65、改变坡度指示器微尺指示针，66、改变坡度指示器与径流槽固定边，8、径流槽，81、径流槽转动轮，82、径流槽三角支撑腿，83、径流槽底渗漏水收集盘，830、径流槽底渗漏水收集盘汇水槽，831、泥沙冲水管，8310、泥沙冲水管喷射孔，84、收集盘出水口，85、径流槽层流接水槽，851、径流槽第一层流接水槽接水口，852、径流槽第二层流接水槽接水口，853、径流槽第三层流接水槽接水口，86、坡面径流集流槽，861、坡面径流集流槽出水口，87、径流槽侧流出水端，870、径流槽侧流出水口，88、径流槽内衬底板，89、径流槽后端，890、示踪剂释放筒，891、示踪剂释放缝隙，810、径流槽前轮轴，811、轮轴固定螺丝，812、径流槽后端转动套圈，8100、小孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1-18所示，一种坡面径流、壤中流与地下潜流模拟降雨试验径流槽，包括底座，底座包括多个底座支撑腿3以及设置在底座支撑腿3上的底座上横梁2、底座下横梁1和底座后上纵梁22，底座上横梁2与底座下横梁1之间固定连接底座中竖梁12。

底座上横梁2上设置径流槽三角支撑腿82和径流槽升降组件，径流槽三角支撑腿82和径流槽升降组件共同支撑径流槽8。其中，径流槽三角支撑腿82的下端与底座滑动连接，径流槽升降组件包括径流槽升降螺杆4、同位升降手握螺柄5、同位升降手握螺柄卡圈挡圈221和同位升降手握螺柄卡套51，径流槽升降螺杆4的上端与径流槽8通过径流槽围绕升降螺杆转动轴7转动连接，径流槽升降螺杆4与同位升降手握螺柄5螺纹连接，同位升降手握螺柄5与同位升降手握螺柄卡套51固定连接，同位升降手握螺柄卡套51与同位升降手握螺柄卡圈挡圈221卡接，同位升降手握螺柄卡圈挡圈221与底座固定连接。具体的，同位升降手握螺柄卡圈挡圈221固定连接在底座后上纵梁22上。同位升降手握螺柄5包括固定连接的同位升降手握螺柄本体和卡套固定圈511。同位升降手握螺柄卡套51由两个半圆管形结构构成，同位升降手握螺柄卡套51的下端设置半圆外卡圈512和半圆固定圈511，两者形成与同位升降手握螺柄卡圈挡圈221卡接的u形卡槽，同位升降手握螺柄卡套51与同位升降手握螺柄5通过卡套固定螺丝52固定连接。此外，同位升降手握螺柄5具有用于螺接的同位升降手握螺柄内螺纹521。

径流槽三角支撑腿82的下端设置径流槽转动轮81，径流槽转动轮81与底座的两侧开设的径流槽转动轮轨道20配合转动连接，径流槽转动轮81和径流槽三角支撑腿82上穿设径流槽前轮轴810，径流槽前轮轴810上螺纹连接轮轴固定螺丝811，径流槽转动轮轨道20的外侧设置有供径流槽前轮轴810调整位置的径流槽转动轮轴滑槽21。

径流槽8为多层流量监测径流槽，每层槽体前端设有流量监测出水口，每层槽体侧身设有多个径流槽侧流出水端87，径流槽侧流出水端87上设置圆管形的径流槽侧流出水口870。径流槽8的上端设有坡面径流集流槽86，槽体朝前延伸，槽体前端设有坡面径流集流槽出水口861。

径流槽8的后端设置一组示踪剂释放筒890，示踪剂释放筒890上开设有示踪剂释放缝隙891。径流槽8的下端设置径流槽底渗漏水收集盘83，径流槽底渗漏水收集盘83包括径流槽底渗漏水收集盘汇水槽830和渗漏水收集盘出水口84，径流槽底渗漏水收集盘83表面布设多个泥沙冲水管831，在泥沙冲水管831的两侧沿管子长度方向等间隔设置泥沙冲水管喷射圆形孔8310，泥沙冲水管831始端配合连接水龙头，末端封闭。

径流槽8的后端设置径流槽坡度指示器6，径流槽坡度指示器6包括改变坡度指示器微尺转动轴61、改变坡度指示器主尺62、改变坡度指示器微尺架63、改变坡度指示器微尺64、改变坡度指示器微尺指示针65、改变坡度指示器与径流槽固定边66。将径流槽坡度指示器6固定在径流槽8后侧部下端的相应位置，径流槽坡度指示器6的主尺62的一直角边66与径流槽8的槽体固定，改变坡度指示器微尺架63连同改变坡度指示器微尺64与改变坡度指示器微尺指示针65为一个整体，该整体可围绕改变坡度指示器微尺转动轴61转动。

本发明中，底座采用四个底座支撑腿3，在四个底座支撑腿3上分别设置有上下横纵梁，其中底座下横梁1，底座中竖梁12，在底座上横梁2的前端内侧设有径流槽转动轮轨道20、径流槽转动轮轨道20外侧设置径流槽转动轮轴滑槽21，若径流槽8的坡度确定后，可以采用轮轴固定螺丝811将径流槽转动轮81与底座上横梁2固定在一起；径流槽8两侧分别设有上下四排，竖直三列，共计12个径流槽侧流出水端87，该径流槽侧流出水端87为长方体结构，径流槽侧流出水端87上设置圆管形结构的径流槽侧流出水口870，径流槽侧流出水口870可与圆形皮管相连，以方便接水，径流槽8的前上端设置坡面径流集流槽86并汇流至坡面径流集流槽出水口861，坡面径流集流槽86的下端依次有三个径流槽层流接水槽85，三个径流槽层流接水槽85分别设置径流槽层流接水槽接水口，从上到下分别为径流槽第一层流接水槽接水口851、径流槽第二层流接水槽接水口852、径流槽第三层流接水槽接水口853，在径流槽后端89的外部上分别等间距焊接五个示踪剂释放筒891，五个示踪剂释放筒890靠近槽体一侧设有示踪剂释放缝隙891，且缝隙与槽体和槽体内的土壤联通。

在本发明中，在径流槽8底部的径流槽内衬底板88上均匀打有与试验土壤孔隙度相类似的小孔8100，在径流槽8底部下端设置有径流槽底渗漏水收集盘83，用来接收从径流槽8底部渗漏下来的水，全部渗漏水经径流槽底渗漏水收集盘汇水槽830汇集至渗漏水收集盘出水口84，由于渗漏水过程携带有泥沙，为了防止径流槽底渗漏水收集盘汇水槽830长时间淤积，径流槽底渗漏水收集盘83表面等间距布设四个泥沙冲水管831，在泥沙冲水管831上的两侧，沿管子方向等间隔适当距离对称向下倾斜开设有直径合适的泥沙冲水管喷射圆形孔8310。

在本发明中，在径流槽后端89下端对称焊接有两个径流槽后端转动套圈812，固定在径流槽升降螺杆4上端的升降螺杆转动轴41的两端转动插接在两个径流槽后端转动套圈812内。同位升降手握螺柄卡套51套接在同位升降手握螺柄卡圈挡圈221上，由于底座后上纵梁22和底座后下纵梁上设有径流槽升降螺杆纵梁中通道220，径流槽升降螺杆4穿过该通道，需要强调的是径流槽升降螺杆4与径流槽升降螺杆纵梁中通道220可自由无摩擦通过。安装时，首先将同位升降手握螺柄5的卡套固定圈523与径流槽升降螺杆4的下端螺纹连接，再将径流槽升降螺杆4下端从底座后端内套于底座后上纵梁22上的径流槽升降螺杆纵梁中通道220的内部穿入，两个半圆固定圈511与卡套固定圈523吻合且与卡套固定螺孔520对位，同时让半圆外卡圈512滑套在同位升降手握螺柄卡圈挡圈221上，再采用卡套固定螺丝52将半圆固定圈511与卡套固定圈523固定在一起，则同位升降手握螺柄卡圈挡圈221就被卡在挡圈转动空间510内滑动转动。

使用说明：

根据试验用土的孔隙度大小，将预先设计好的内衬底板放于径流槽8底部。在此基础上，根据以下步骤进行试验：

第一、根据实地土壤不同层次的容重，往径流槽8内分层填装试验用土；

第二、将本装置依据各部分之间的连接方式连接好，并将径流槽侧流出水端87处均连接皮管，并在水管接水口处对应标号，以方便接水用；

第三，根据试验径流槽8所需要的坡度（α），用手抓住同位升降手握螺柄5的转柄持续转动，使径流槽升降螺杆4持续提升，使径流槽后端89转动，径流槽8的径流槽转动轮81沿着径流槽转动轮轨道20向后转动，径流槽前轮轴810在径流槽转动轮轴滑槽21内向后滑动，观察坡度指示器微尺指示针所指示刻度恰好为试验所需坡度（α）时，停止转动，并采用轮轴固定螺丝811将径流槽转动轮81与底座横梁锁定；

第四、在试验开始前，在五个示踪剂释放筒890内分别装入预先设计使用的示踪剂，在试验开始时将示踪剂释放筒890的管口放开，使示踪剂随壤中流一同潜流，进而在不同断面与深度监测流速。

第五，当试验开始，示踪剂释放以后，从所设计的不同断面不同深度的十二个孔中监测示踪剂的到达时间，进而计算壤中流的流速动态，实现壤中流的三维立体监测。

第六、在试验开始以后，在径流槽8的末端，不同的深度的四个层面（其中表层一个），监测不同深度壤中流流量及坡面径流量，进而能起到揭示壤中流及携带的污染物的动态过程。

第七、分别收集坡面径流、壤中流、地下渗流的径流量。

结构原理：

第一、坡度指示器精度原理。主尺采用90°（1/4圆周），主尺上的精度为每格0.5°（即30′），微尺分成30格，微尺上的30格与主尺上的29格弧度数相同，相当于把主尺上的0.5°（即30′）分配到微尺上的30格中，故微尺上每格为1′，即精度达1′。

第二、改变坡度原理。同位升降手握螺柄5采用同位升降手握螺柄卡套51，本身相对底座位置不变，仅仅转动提升径流槽升降螺杆4的高度，转动提升径流槽后端89高度，径流槽转动轮81会在径流槽转动轮轨道20上持续转动后移（或前移），持续不断地改变径流槽8的坡度。

第三，五个示踪剂释放筒890的作用。在试验开始前，将五个示踪剂释放筒890内装入预先设计使用的示踪剂，在试验开始时将示踪剂释放筒890的管口放开，使示踪剂沿着示踪剂释放缝隙891进入土壤，示踪剂随壤中流一同潜流，进而在不同断面与深度监测流速。

第五，径流槽侧流出水端87作用。当试验开始，示踪剂释放以后，从所设计的不同断面不同深度的十二个孔中监测示踪剂的到达时间，进而计算壤中流的流速动态，实现壤中流的三维立体监测。

第六、三个径流槽层流接水槽接水口作用。在试验开始以后，在径流槽8的末端，不同的深度的四个层面（其中表层一个），监测不同深度壤中流流量及坡面径流量，进而能起到揭示壤中流及携带的污染物的动态过程。

第七、壤中流监测原理。本发明的目的就是为了测量在不同土壤孔隙度情况下，坡面径流、壤中流与地下径流量的分配。

第八、径流槽底部均匀的小孔8100制作原理与作用。根据试验土壤的孔隙度和设计孔洞数量综合考虑来计算径流槽底部孔洞直径，其作用在于能够客观地收集到土壤的渗流量。所更换的内衬底板的孔洞数量及孔径的计算同上。

第九、径流槽底渗漏水收集盘的作用。在于将从径流槽底部均匀孔洞渗漏下来的水全部汇集起来，汇流至收集盘出水口，起到计算渗流量的作用。

有益效果：

第一、根据最大土壤孔隙度的大小，在试验装置的底板上设置有特定计算的均匀分布的径流槽底部均匀的小孔8100，同时，可以根据试验用土孔隙度的大小，在底层增加内衬。从而达到最大程度的模拟实际降雨径流的分配和土壤入渗特性。

第二，试验装置不但能够客观地监测到降雨径流在坡面径流、壤中流与地下径流量中的分配，而且能够监测不同深度壤中流的流速、不同深度壤中流的流量，以及径流槽侧孔与末端不同深度壤中层流流量，监测不同层位侧与终端出水口示踪剂随壤中流的到达位置，计算出壤中流的流速与径流量，实现壤中流的三维立体监测。

第三、在径流槽三角支撑腿82下部安装径流槽转动轮81，为改变径流槽8的坡度，径流槽后端89升高（或降低），径流槽8的重心前移，径流槽三角支撑腿82会负荷较大压力，基于三角形稳定性，从而实现试验装置更加安全可靠；

第四、本发明设置了径流槽转动轮轨道20，升降螺杆转动轴41可在径流槽后端转动套圈812转动，以及在增加径流槽8的坡度时，径流槽转动轮81沿径流槽转动轮轨道20向后转动，径流槽8重心前移，可采用将径流槽转动轮81与本装置的整体锁定的方式，将径流槽8与底座固接为一体，从而有利于试验仪的整体稳定性；

第五、采用了同位升降手握螺柄5、同位升降手握螺柄卡套51以及径流槽升降螺杆4的连接结构，在提升或降低径流槽后端89高度，以便改变径流槽8的坡度，螺杆提升或降低过程中，而同位升降手握螺柄5始终处于同一个位置不变，极大地方便了试验人员的试验操作，提高试验效率；

第六、在径流槽8的径流槽内衬底板88上钻有与试验土壤孔隙度相似的均匀小孔8100，使之试验结果更加贴近实际；

第七、在径流槽的底部内衬底板下端设置有径流槽底渗漏水收集盘83，以便将从径流槽8的径流槽内衬底板88渗漏下来的水进行收集，经径流槽底渗漏水收集盘汇水槽830汇集，从渗漏水收集盘出水口84流出，从而实现对径流槽8的底部渗水量进行定量监测；

第七，由于渗水过程难免携带泥沙进入径流槽底部的渗漏水收集盘83中，从而在收集盘内设置了四个泥沙冲水管831，在泥沙冲水管831的下部两侧倾斜每隔相应距离均匀打孔，冲泥沙管末端封闭，始端接入高压水龙头，当径流槽底渗漏水收集盘83中沉积诸多泥沙时，打开高压水龙头，水流从均匀小孔喷出，从而将径流槽底渗漏水收集盘83内的泥沙冲走，达到冲击泥沙之目的；

第八、径流槽侧面土壤连接端采用长方形，而出水口采用圆形，以方便采用皮管将出水接出，有利于当径流槽坡度增大，靠近后端的出水口过高，试验人员接水困难之目的；

第九，为了实现同位升降手握螺柄5竖直提升径流槽后端，径流槽后端与同位升降手握螺柄5采用转动连接的巧妙方法；

第十，在径流槽8的前端各个层流接水，均采用汇流槽汇流至侧面接水口流出，这样就解决了由于特殊的底座，而无法在径流槽8前端接水的弊端。

本发明获得了国家自然科学基金项目(41877065)资助。