专利名称：一种用于地表径流泥沙混合的样品采集装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种流泥沙混合的样品采集装置，具体涉及一种用于地表径流泥沙混 合的样品采集装置。
背景技术：
尽管近几年我国水土流失自动观测进展较快，由于野外水土流失监测现场条件复 杂，受流速场、水温、泥沙化学成分、泥沙颗粒粒径、背景光线、泥沙沉淤等影响，自动观测测 量范围较小，精度较差。且设备多采用光电原理，需要电源，而水土流失观测多在野外无电 源区；安装和操作复杂，成本比手动测量要高；仍无满意的水土流失自动化监测测量设备。利用标准闭合小区径流观测系统很好地对不同土地利用方式和农作管理方式下 的水土流失进行观测。在应用中发现也有很多弊端，例如针对标准径流观测闭合小区存 在场地固定，修建观测场时对土地破坏较大；造价高，运行费用大的问题，一般修建一个水 土流失观测场至少需20万元以上，闭合小区面积多在100平方米左右，农作小区只能采取 人工耕翻土壤，与大田机械耕作实际差异较大；由于受场地限制，难以开展坡度、坡长观测； 由于场地和设备固定，易受自然和人为破坏等弊端，近些年水土保持学者在野外径流观测 手段和设备等方面进行了深入的探索。美国CrUSe(2001)研制了分段式可移动径流观测 装置(Divider collector)，小区仍采用闭合的，利用可拆卸重复利用的金属板代替了水泥 板，将置于地平面下的分流桶替换为至于地表的分段式分流集水槽。它的优点是适于野外 小区域(小于50平方米)的径流观测，安装相对简单，测定结果精度较高，可拆卸，可移动， 可用于野外实际状态下的径流观测，可用于一次性降雨或人工降雨下的观测。但也存在许 多不足，观测面积较小，安装时每个集水槽都需调水平，分流时受表面水张力影响较大，每 次降雨后都需对设备进行清理，不适于泥沙含量较大或径流强度较大的观测，使用受限。我 国学者在径流观测装置也取得了一定成绩，以曹建生等O004)发明的“一种径流流量打点 式测定仪”(专利号ZL03269640. X)最为代表，该装置在以机械钟为动力的前提下，通过特 殊的传动部件，实现了记录纸在做勻速圆周运动的同时，还进行垂直方向上的勻速运动，从 而将流量传感器翻转过程中通过专用脉冲发生器——“凸轮盘+打点式记录笔”产生的机 械脉冲信号以螺旋曲线的形式被反映在记录纸上，在实现水流过程自动监测的同时，降低 了记录纸的更换频率。该基于翻斗法的打点式自记流量测定仪，能够将被测水流的流量过 程通过翻斗式流量传感器、凸轮打点式脉冲发生器和打点式自记装置，以螺旋曲线的形式 反应在记录纸上，较好地完成了水流的自动监测任务。可广泛应用在坡面径流小区、壤中 流、地下裂隙潜流，以及小流域的基流等多种无压、低水头、小流量的水流监测中；存在的问 题主要是，需要定时更换记录纸，只能用于小流量的径流观测，每分钟最大观测径流量仅为 Ig，据报道野外有时每分钟径流量高达30kg，因此还未达到野外各种情况观测要求。申请人:在前人的基础上，研制出了一种可移动式地表径流观测装置，并于2009年 获得了国家发明专利，(专利号ZL200610163M0.9)。该装置主要由径流收集装置、径流样 品采集装置、径流量测定装置、数据计量系统和防雨保护罩五个部分组成，其核心为径流样品采集装置和径流量测定装置。但泥沙在可移动式地表径流观测装置中沉积仍较严重，影 响了观测的准确性。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的可移动式地表径流观测装置中沉积严重，影响了 观测的准确性的问题，进而提供一种用于地表径流泥沙混合的样品采集装置。本发明的技术方案是一种用于地表径流泥沙混合的样品采集装置包括一级径 流泥沙混合装置和二级径流泥沙混合装置，一级径流泥沙混合装置包括第一缓冲不锈钢 混合桶、第一流线型底部凸起和连接管，第一流线型底部凸起设置在第一缓冲不锈钢混 合桶内，且第一流线型底部凸起的顶端与第一缓冲不锈钢混合桶的底端之间的距离H为 40mm-50mm，第一缓冲不锈钢混合桶的上端开有多个第一等高等距的齿牙出口，连接管设 置在一个等高等距的齿牙出口上，二级径流泥沙混合装置包括第二缓冲不锈钢混合桶、第 二流线型底部凸起、软管和样品收集瓶，第二流线型底部凸起设置在第二缓冲不锈钢混 合桶内，且第二流线型底部凸起的顶端与第二缓冲不锈钢混合桶的底端之间的距离M为 15mm-20mm,第二缓冲不锈钢混合桶的上端开有多个第二等高等距的齿牙出口，样品收集瓶 与多个第二等高等距的齿牙出口之间通过软管连接，第一缓冲不锈钢混合桶的直径Φ1为 200mm，高度hi为150mm，多个第一等高等距的齿牙的高度为18mm，多个第一等高等距的齿 牙的数量为16个，第二缓冲不锈钢混合桶的直径Φ2为60mm，高度h2为40mm，多个第二等 高等距的齿牙的高度为10mm，多个第二等高等距的齿牙的数量为10个。本发明与现有技术相比具有以下效果本发明是通过第一缓冲不锈钢混合桶1和 第二缓冲不锈钢混合桶5的直径和高度以及流线型底部突起尺寸的具体界定，以径流为动 力，实现泥沙在混合桶充分混合后，沿顶端流出，使得泥沙不在底部沉积，提高观测的准确 性，准确率由72%达到98%。
图1是地表径流泥沙混合的样品采集装置的结构示意图；图2是地表水在第一缓 冲不锈钢混合桶中的径流混合过程示意图；图3是第一缓冲不锈钢混合桶1的高度与径流 泥沙含量测定误差关系的测定；图4是第一缓冲不锈钢混合桶1的直径与径流泥沙含量测 定误差关系的测定；图5是第二缓冲不锈钢混合桶5的高度与径流泥沙含量测定误差关系。
具体实施例方式具体实施方式
一结合图1说明本实施方式，本实施方式的一种用于地表径流泥 沙混合的样品采集装置包括一级径流泥沙混合装置和二级径流泥沙混合装置，一级径流泥 沙混合装置包括第一缓冲不锈钢混合桶1、第一流线型底部凸起2和连接管4，第一流线型 底部凸起2设置在第一缓冲不锈钢混合桶1内，且第一流线型底部凸起2的顶端与第一缓 冲不锈钢混合桶1的底端之间的距离H为40mm-50mm，第一缓冲不锈钢混合桶1的上端开有 多个第一等高等距的齿牙出口，连接管4设置在一个等高等距的齿牙出口上，二级径流泥 沙混合装置包括第二缓冲不锈钢混合桶5、第二流线型底部凸起6、软管8和样品收集瓶9， 第二流线型底部凸起6设置在第二缓冲不锈钢混合桶5内，且第二流线型底部凸起6的顶端与第二缓冲不锈钢混合桶5的底端之间的距离M为15mm-20mm，第二缓冲不锈钢混合桶5 的上端开有多个第二等高等距的齿牙出口，样品收集瓶9与多个第二等高等距的齿牙出口 之间通过软管8连接，第一缓冲不锈钢混合桶1的直径Φ1为200mm，高度hi为150mm，多 个第一等高等距的齿牙3的高度为18mm，多个第一等高等距的齿牙3的数量为16个，第二 缓冲不锈钢混合桶5的直径Φ2为60mm，高度h2为40mm，多个第二等高等距的齿牙7的高 度为10mm，多个第二等高等距的齿牙7的数量为10个。经过径流，由于泥沙颗粒有大有小，泥沙含量由上至下增高，因此流入混合桶时存 在不均一性。径流首先达到突起处，向四周分布，然后沿弧形底部改向上方，在此过程中完 成泥沙的混合。当向上流速大于泥沙沉降速度时，从混合桶上边缘流出泥沙混勻的径流 (见图2)。因此，泥沙是否发生沉积以及样品混合效果取决于射流出口断面到底部距离和 射流出口断面的半径，即取决于混合桶的半径和高度。由于一级径流泥沙混合装置只进行 了 1/16分流，样品量还较大。再利用与上相同的原理，进行二级分流，由于流速和流量小于 一级径流泥沙混合装置中的流速和流量，因此，二级径流泥沙混合装置要缩小。一、一级径流泥沙混合装置参数的确定1.第一缓冲不锈钢混合桶1的最佳高度在确定一级径流泥沙混合装置的参数过程中，设置了第一缓冲不锈钢混合桶1的 高度和直径耦合试验，高度hi分为100mm、150mm、200mm、250mm、300mm，直径Φ:分为100mm、 150mm、200mm、250mm、300mm。径流速度 70_100cm/s，泥沙含量为 0. 1 %、0. 5 %、1. 0 %、
S.O^j.O^UO.O^。5次重复测定(混合桶高度与径流泥沙含量测定误差关系见图3)。在直径固定的情况下，高度hi为150mm时泥沙测定结果误差最小，无论是高度减 小还是增大，误差均增加，在泥沙含量在0. 1% -10%范围内，泥沙含量测定误差小于15%。 远较人工混合测定误差为小。所以第一缓冲不锈钢混合桶1的最佳高度hi为150mm。2.第一缓冲不锈钢混合桶1的最佳直径在高度固定的情况下，直径Φ1200πιπι时泥沙测定结果误差最小，无论是直径减小 还是增大，误差均增加，在泥沙含量在0. 1^-10%范围内，泥沙含量测定误差小于16% (混 合桶直径与径流泥沙含量测定误差关系见图4)。远较人工混合测定误差为小。测定结果表明一级径流泥沙混合装置最佳参数高度hi为150mm，直径Φ1为 200mm。二、二级径流泥沙混合装置参数的确定1.第二缓冲不锈钢混合桶5的最佳直径由于进入二级径流泥沙混合装置的径流已进行了一次1/16分流，流速和流量均 显著降低。因此二级径流泥沙混合装置的直径Φ2固定为60mm。设置了混合桶高度和泥沙含量耦合试验，高度h2分为40mm、60mm、70mm、80mm、 100mm，泥沙含量为 0. 1%,0. 5%U. 0%,3. 0%,5. 0%U0. 0%o 5 次重复测定。2.第二缓冲不锈钢混合桶5的最佳高度随着高度的增加，样品泥沙含量的误差增加，是由于射流速度较低，当高度达到一 定时，射流不能冲击到底部，导致泥沙在底部沉积，高度越大，误差也越大。在直径固定的情 况下，高度h2为40mm时泥沙测定结果误差最小，随着高度增大，误差增加，高度降低，径流 则溅出桶外，在泥沙含量在0. 1 % -10 %范围内，泥沙含量测定误差小于5 %。远较人工混合测定误差为小。所以第二缓冲不锈钢混合桶5的最佳高度h2为40mm。(第二缓冲不锈钢 混合桶5的高度与径流泥沙含量测定误差关系见图5)。本实施方式的第一缓冲不锈钢混合桶1的上端开有多个第一等高等距的齿牙出 口，多个第一等高等距的齿牙出口的数量为16个。有效的实现了第一缓冲不锈钢混合桶 1均勻分流的作用，在第一缓冲不锈钢混合桶1的上端口均勻设置倒三角形开口，即等高等 距齿的齿牙。依据第一缓冲不锈钢混合桶1的直径为200mm以及入口径流流量，设置为16 个等距齿牙，实现1/16均勻分流，即只有1/16径流进入下级第二缓冲不锈钢混合桶5中。本实施方式的第二缓冲不锈钢混合桶5的上端开有多个第二等高等距的齿牙出 口，多个第二等高等距的齿牙出口的数量为10个。有效的实现了第二缓冲不锈钢混合桶5 均勻分流的作用，依据第二缓冲不锈钢混合桶5的直径为60mm以及由第一缓冲不锈钢混合 桶1流入的径流流量，设置为10个等距齿牙，实现了 1/10的均勻分流，即只有1/10径流从 第二缓冲不锈钢混合桶5进入样品收集瓶9中。本实施方式的第一流线型底部凸起2的顶端距第一缓冲不锈钢混合桶1底端的距 离H为38mm-40mm，第二流线型底部凸起6的顶端距第二缓冲不锈钢混合桶5底端的距离M 为15mm-18mm。这样的距离使得第一流线型底部凸起2和第二流线型底部凸起6不但便于 的径流泥沙混合，还便于径流泥沙向上翻转。本实施方式的多个第二等高等距的齿牙出口的高度为10mm-12mm。是依据第二缓 冲不锈钢混合桶5的直径60mm和径流流量而设定的，便于实现均勻等量分流。
具体实施方式
二 结合图1说明本实施方式，本实施方式的第一缓冲不锈钢混合 桶1的壁厚为1. 5mm。如此设置，质量轻，不但节约了成本，还便于第一缓冲不锈钢混合桶1 的运输。其它组成和连接关系与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三结合图1说明本实施方式，本实施方式的第二缓冲不锈钢混合 桶5的壁厚为1. 0mm。如此设置，质量轻，不但节约了成本，还便于第二缓冲不锈钢混合桶5 的运输。其它组成和连接关系与具体实施方式
一或二相同。
具体实施方式
四结合图1说明本实施方式，本实施方式的连接管4的管径为 35mm。如此设置，使得地表水流畅的流进二级径流泥沙混合装置中。其它组成和连接关系 与具体实施方式
一、二或三相同。
具体实施方式
五结合图1说明本实施方式，本实施方式的软管8的管径为20mm。 如此设置，使得经过第二次分流的地表水流畅的流进样品收集瓶9中。其它组成和连接关 系与具体实施方式
一、二、三或四相同。
权利要求
1.一种用于地表径流泥沙混合的样品采集装置，它包括一级径流泥沙混合装置和二级 径流泥沙混合装置，一级径流泥沙混合装置包括第一缓冲不锈钢混合桶(1)、第一流线型底 部凸起( 和连接管G)，第一流线型底部凸起( 设置在第一缓冲不锈钢混合桶(1)内， 且第一流线型底部凸起O)的顶端与第一缓冲不锈钢混合桶(1)的底端之间的距离(H)为 40mm-50mm，第一缓冲不锈钢混合桶(1)的上端开有多个第一等高等距的齿牙出口，连接管 (4)设置在一个等高等距的齿牙出口上，二级径流泥沙混合装置包括第二缓冲不锈钢混合 桶(5)、第二流线型底部凸起(6)、软管(8)和样品收集瓶(9)，第二流线型底部凸起(6)设 置在第二缓冲不锈钢混合桶(5)内，且第二流线型底部凸起(6)的顶端与第二缓冲不锈钢 混合桶(5)的底端之间的距离(M)为15mm-20mm，第二缓冲不锈钢混合桶(5)的上端开有多 个第二等高等距的齿牙出口，样品收集瓶(9)与多个第二等高等距的齿牙出口之间通过软 管(8)连接，其特征在于第一缓冲不锈钢混合桶(1)的直径(Φ1)为200mm，高度(hi)为 150mm，多个第一等高等距的齿牙(3)的高度为18mm，多个第一等高等距的齿牙(3)的数量 为16个，第二缓冲不锈钢混合桶(5)的直径(Φ2)为60mm，高度(h2)为40mm，多个第二等 高等距的齿牙(7)的高度为10mm，多个第二等高等距的齿牙(7)的数量为10个。
2.根据权利要求1所述的一种用于地表径流泥沙混合的样品采集装置，其特征在于 第一缓冲不锈钢混合桶(1)的壁厚为1. 5mm。
3.根据权利要求2所述的一种用于地表径流泥沙混合的样品采集装置，其特征在于 第二缓冲不锈钢混合桶(5)的壁厚为1. 0mm。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种用于地表径流泥沙混合的样品采集装置，其特征 在于连接管的管径为35mm。
5.根据权利要求4所述的一种用于地表径流泥沙混合的样品采集装置，其特征在于 软管⑶的管径为20mm。
全文摘要
一种用于地表径流泥沙混合的样品采集装置，它涉及一种流泥沙混合的样品采集装置。本发明为了解决现有的可移动式地表径流观测装置中沉积严重，影响了观测的准确性的问题。本发明的第一流线型底部凸起设置在第一缓冲不锈钢混合桶内，第一缓冲不锈钢混合桶的上端开有多个第一等高等距的齿牙出口，连接管设置在一个等高等距的齿牙出口上，第二流线型底部凸起设置在第二缓冲不锈钢混合桶内，第二缓冲不锈钢混合桶的上端开有多个第二等高等距的齿牙出口，样品收集瓶与多个第二等高等距的齿牙出口之间通过软管连接，第一缓冲不锈钢混合桶的直径为200mm，高度为150mm，第二缓冲不锈钢混合桶的直径为60mm，高度为40mm。本发明适用于地表径流泥沙混合样品的采集。
文档编号G01N1/20GK102087176SQ201010594588
公开日2011年6月8日 申请日期2010年12月15日 优先权日2010年12月15日
发明者刘洪家, 宋春雨, 张兴义, 李续峰, 陈渊 申请人:中国科学院东北地理与农业生态研究所