专利名称：一种人类活动扰动条件下的水循环过程模拟试验系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种人类活动扰动条件下的水循环过程模拟试验系统，是一种利用人工建造的系统模拟自然区域水循环的系统，是一种对水文水资源进行基础试验研究和数据信息自动化处理系统。
背景技术：
水循环过程的研究是水文科学中的主要研究内容和重点难点问题。目前关于水循环过程试验和研究主要有以下几种
(1)气象站网
由于水循环过程及其规律与自然、社会过程息息相关，国家专门设置了气象站网对地面以上的大气水循环过程的要素进行监测。(2)水文站网
水文站网主要监测地表水体过程要素，主要服务于水利工程应用等。(3)科研试验站
从科学研究的角度对特定空间的特定过程进行监测。如采用蒸渗仪对降雨、入渗、蒸发及土壤水运移进行监测与试验。采用茎流仪监测农作物、林木等植被的腾发规律等。一些科学工作者针对不同科研目的建立了针对水循环过程的观测系统，采用综合手段对灌区水循环过程进行科学研究，如位山灌区水循环监测试验站，中国科学院栾城农业生态系统试验站等，然而由于试验区边界不闭合，水循环过程观测不闭合等原因造成观测数据不能实现闭合，部分水量去向问题难以回答等问题影响研究结果的科学性。从上可以看出，已有的水循环试验方案观测边界不闭合；观测过程不全面，且水循环过程中的降雨与地下水等主要观测边界条件不可控，水循环过程模拟能力不足，难以实现不同边界条件下的水循环过程模拟试验的需求。
发明内容
为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种人类活动扰动条件下的水循环过程模拟试验系统。所述的系统可以实现不同水循环影响条件，如不同地下水位条件、不同降雨条件、不同土壤条件、不同植被条件等的水循环过程模拟控制与监测研究。如通过设定不同的降水强度和地下水埋深，针对不同植被和不同土壤，采用不同渠灌、喷灌、滴灌等灌溉方式，对降水、灌溉、蒸发、下渗、地表产流、地下水补给、地下产流等过程中的气象条件、植被参数、蒸发量、下渗量、不同土壤层参数、地下水位、地下水出流量等要素的观测，分析“自然-人工” 二元水量平衡过程。本发明的目的是这样实现的一种人类活动扰动条件下的水循环过程模拟试验系统，所述的系统包括对影响水循环的自然和人类活动模拟的模拟平台和通过传感器进行监测的监测平台，以及对模拟平台进行控制、对监控平台进行数据采样和数据处理的计算机监控平台；所述的模拟平台包括混凝土的防渗池，所述的防渗池上方设有遮雨棚和模拟降雨装置，所述的防渗池外侧设有地下水位模拟装置，所述的防渗池的底部设有细沙反滤层，所述细沙反滤层上部按照被研究流域的土壤剖面结构装填试验土壤，所述实验土壤表面设置被研究流域的典型植被和自动灌溉装置，所述防渗池中部设有带有抽水泵的取水井；
所述的监测平台包括所述防渗池上方设有涡度相关观测装置，所述的防渗池边设有自动气象站和地表径流观测装置，所述典型植被的植物上设有茎流仪，所述实验土壤中分层设置土壤含水量传感器，所述实验土壤中设置地下水位监测井，在所述地下水位监测井底部设置压力感应式地下水位传感器；
所述的计算机监控平台包括安装有检测装置和控制装置的计算机单元，所述的控制装置与模拟平台的模拟降雨装置、地下水位模拟装置、自动灌溉装置、抽水泵电连接，所述的检测装置与自动气象站、径流传感器、茎流仪、土壤含水量传感器、地下水位传感器电连接。本发明产生的有益效果是本发明所述的系统构建闭合的水循环过程监测和控制系统，形成完善的水循环模拟试验环境。本发明所述的系统由于有模拟平台、监测平台、计算机监控平台，三个平台之间有机结合，使各种模拟装置、检测装置和控制平台之间形成模拟某个特定水循环的子系统，这些子系统的综合，形成了 “自然-人工”这样一个复杂的水循环模拟系统，实现了对“自然-人工”这个复杂的水循环系统的全方位模拟的理念。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。图1是本发明的实施例一所述系统的结构示意图； 图2是本发明的实施例十所述系统的防渗池示意图。
具体实施例方式实施例一
本实施例是一种人类活动扰动条件下的水循环过程模拟试验系统，如图1所示。本实施例所述的系统包括
对影响水循环的自然和人类活动模拟的模拟平台和通过传感器进行监测的监测平台， 以及对模拟平台控制、对监控平台进行数据采样和数据处理的计算机监控平台；
所述的模拟平台包括混凝土的防渗池，所述的防渗池上方设有遮雨棚和模拟降雨装置，所述的防渗池外侧设有地下水位模拟装置，所述的防渗池的底部设有细沙反滤层，所述细沙反滤层上部按照被研究流域的土壤剖面结构装填试验土壤，所述实验土壤表面设置被研究流域的典型植被和自动灌溉装置，所述防渗池中部设有带有抽水泵的取水井。所述的监测平台包括所述防渗池上方设有涡度相关观测装置，所述的防渗池边设有自动气象站和地表径流测量装置，所述典型植被的植物上设有茎流仪，所述实验土壤中分层设置土壤含水量传感器，所述实验土壤中设置地下水位监测井，在所述地下水位监测井底部设置压力感应式地下水位传感器，。所述的计算机监控平台包括安装有监测装置和控制装置的计算机单元，所述的控制装置与模拟平台的模拟降雨装置模拟降雨装置、地下水位模拟装置、自动灌溉装置、抽水泵电连接，所述的监测装置与自动气象站、径流测量装置、茎流仪、土壤含水量传感器、地下水位传感器电连接。如图1所示，1为遮雨棚；2为模拟降雨装置；3为典型植被；4为地下水位监测井； 5为地表径流流向；6为混凝土的防渗池；7为试验土壤；8为抽水水泵；9为压力感应式地下水位传感器；10为细沙反滤层；11为地下水位模拟装置的透水管；12为地表径流测量装置；13为地下水模拟装置的接触式水位传感器定位电机；14为地下水水位控制管；15为接触式水位传感器；16为排水电磁阀；17为进水电磁阀；18为进水流量计；19为涡度相关观测装置；20为自动气象站；21为自动灌溉装置；22为TDR土壤含水量传感器；23为茎流仪； 24为控制平台，其中包含模拟降雨装置、地下水位模拟装置、取水井的抽水泵控制装置、自动灌溉装置的控制装置；25为排水流量计、26为进水方向、27为出水方向。水循环系统是多环节的庞大动态系统，自然界中的水是通过多种路线实现其循环和相变的。按其发生的空间可以分为全球大循环、海洋水循环和陆地水循环。其中陆地水循环与人类生产、生活和环境密切相关。一般包括降雨、蒸发、入渗、植被蒸腾、土壤水渗漏、 地下水循环和地表径流等过程。与此同时，受人类活动影响还存在引水灌溉与退水、城市取用水与污水排放、地下水开采与回灌等人工水循环过程。此外，人们改在自然的活动对水循环过程的扰动也越来越强烈，如人工增/消雨、植树造林、农业生产等活动显著改变这自然水循环过程的时间、空间过程及通量。特别是平原区是人类活动最集中、最强烈的区域。自然水循环过程与人工水循环过程叠加使得该区域的水循环过程呈现典型的“二元”特征。为了深入研究二元水循环过程，本实施例以水分的自然运动为基础，综合利用现有的监测与控制理论和手段，形成了完善的水循环过程模拟试验系统。本实施例所述的模拟试验系统包括模拟平台、监测平台和计算机监控平台三个部分。模拟平台以混凝土的防渗池为中心，设置各种水循环模拟系统。混凝土的防渗池是为了将池内外的水完全隔开，使防渗池内进行的实验数据更加精确可靠。在防渗池底部加装地下水位模拟装置，以模拟被研究流域的地下水状况。土壤剖面结构的确定根据被研究流域的土壤剖面调查结果确定。具体试验时，在选定研究区选定取土点，按照试验需求进行分层取土。填土时，按照取土顺序进行分层回填。实验土壤装填完毕后在土体的中心位置布设带有抽水泵的取水井，同时在实验土壤表层按照被研究流域典型地表植被类型种植地表植被，并布设自动灌溉装置。在防渗池的正上方加装模拟降雨装置和遮雨棚，从而形成降雨和地下水受控的水循环过程模拟平台。为实验方便，可以用混凝土隔离墙将防渗池隔开，形成多个相互隔离的防渗池，并根据需要设置深浅不同的防渗池，形成多个相互隔离又相互联系的实验区。在这些实验区中有些设施可以共用，例如控制平台、自动气象站、遮雨棚、模拟降雨装置等，其他的模拟装置和监测装置都需要单独设立。例如本实施例实际应用的防渗池包括4个并排设置的长20m宽7m深細的土壤水分循环试验池和1个长20m宽7m深IOm的地下水超采试验池， 如图2所示，形成四个土壤水分循环实验区和一个地下水超采实验区。
根据水循环过程的特点，深浅不同的混凝土防渗池分别用于水循环过程模拟的侧重点不同。根据已有研究，土壤水分循环最强烈的区域主要集中在地面下an的区域内。因此，设置深度为3- !的防渗池主要用于典型灌木、草被、农作物及裸地等不同地表覆被情况下的水循环过程模拟。模拟的重点是不同降雨和地下水条件下土壤水分运动、地表入渗与蒸发、植被蒸腾等过程的模拟。为模拟地下水超采对环境的影响，设置IOm以上的防渗池，主要用于不同条件下地下水补给与排泄过程模拟。遮雨棚主要用于按照试验设定需求，对降落在被研究流域的自然降雨量进行控制和调整。遮雨棚应当是可收放折叠的，主要由可折叠式钢架和棚面构成。折叠可以有多种形式，如电动折叠或由人工折叠等。棚面可以采用硬质的材料，例如硬质塑料、铁皮、玻璃纤维本等，也可以采用柔性的材料，例如帆布、塑料布等。遮雨棚的作用是遮挡自然降雨，也可以利用自然降雨，即在实验中遇到自然降雨，如正好实验需要降雨则打开遮雨棚，如果实验不需要降雨则打开遮雨棚。模拟降雨装置的作用是模拟自然环境中的降雨，应当可以模拟小雨、中雨、大雨、 暴雨等各种自然环境中所出现的降雨状态。模拟降雨装置主要由动力系统、输水系统、控制系统和喷淋系统构成。动力系统主要由水泵构成，输水系统主要由塑钢管构成，控制系统主要由电磁阀、压力传感器和中控计算机构成，喷淋系统主要由喷头组构成。具体工作时，根据设定的降雨强度、降雨时间等要求启动相应的水泵进行供水加压，使喷淋系统在指定压力下喷出水流，从而形成指定雨强及时间过程的降雨。按照本实施例所建造的模拟系统使用的模拟降雨装置利用一个12. 5m高的龙门吊，将喷淋装置安装在龙门吊横梁的下方，利用龙门吊沿轨道的移动可以实现不同防渗池之间的移动。地下水位模拟装置主要由计算机及控制软件，进/出水电磁阀，进/出水流量计， 接触式水位计，接触式水位计定位电机，水位控制管，地下水透水管。既可以进行地下水位定水头水循环过程模拟，也可以进行地下水位的变水头过程的水循环过程模拟。定水头水循环过程模拟过程1.利用控制软件，按需要的水位设定接触式水位计高度；2.控制电磁阀开始进水，水流通过连通管进入地下水集水管，在水压的作用下通过反滤层进入土壤；同时水位控制管中的水位也不断升高，当水位达到设定值则停止注水，水位低于设定值则重新注水；3.随着注水的进行，地下水位测井中开始集水，安装在其中的压力式水位计不断将水位读数反馈给控制系统。当地下水位测井水位达到设定值则达到设定的水循环模拟条件，可以进行水循环过程的观测模拟试验。试验过程中，由于接触式水位计与电磁阀的联合作用可以将地下水位保持在设定值。本实施例所述的细沙反滤层指在防渗池的底部铺设的20-40cm厚均勻细沙层。主要是利用沙层孔隙度较大，导水能力强的特性，减少底层土壤储及释水过程中不同部位水压力等条件的差异。同时通过地下水位模拟装置的透水管，可是实现地下水位升高或下降过程中水的迅速补充或收集，保证其上方实验土壤储水或释水过程中边界条件的一致性。本实施例所述的典型植被的设置需要根据具体研究目的确定。根据国内外研究， 一般农作物和草被采用种植方式实现，灌木和乔木等植被采用移栽的方式处理。以华北平原主要农作物小麦种植过程中水循环过程研究为例，利用本实施例可以对小麦所有生育期的土壤蒸发、植株腾发、土壤水及其与地下水的动态变化等过程进行实时在线观测和研究。 在这个过程中利用自动灌溉装置、模拟降雨装置及地下水位模拟装置可以有效模拟人工干预过程，从而为不同目的的科学研究提供保证。自动灌溉装置包括控制器、土壤水分传感器、电磁阀、流量计等构成。具体灌溉方式由试验方案确定，可以在滴灌、自流灌溉及微喷灌等方式中进行选择。具体控制方式为 根据实验方案为控制器设定土壤含水量、灌溉水量等条件，通过流量计及土壤含水量传感器向控制器反馈的信息实现电磁阀的启闭，从而实现灌溉的自动控制。带有抽水泵的取水井的作用主要为模拟取水的影响，每个防渗池设置一个，位于各防渗池的正中位置。取水井的结构及要求可根据SL256-2000《机井规范要求》和 GB50296-99《供水管井技术规范》确定。监测平台主要有各种传感器和采集装置构成，对实验的各个数据进行检测和采集。水循环过程包括多种介质中不同形态水的运动和传输，主要包括大气水、土壤水、 植物水和地下水，主要传输过程包括降雨、入渗、蒸发、渗漏以及人工引水灌溉与水泵提水等过程。针对大气水通量、降雨量、植被蒸腾、地表产流、土壤含水量、地下水位、灌溉水量等过程进行监测，利用水循环系统综合监测控制软件形成闭合的水循环过程监测和控制系统。本实施例对气态水通量(WaiJ的观测采用涡度相关观测装置进行观测(参见图1)， 对于植物耗水量(Ereg)变化过程采用茎流仪进行观测中，对于地表产流量(R)采用小区地表径流测量装置，对于土壤水(Ws)采用TDR 土壤含水量传感器监测变化过程，对地下水变化 (AW)采用地下水位观测井监测水位变化(ΔΗ)进行监测。同时，采用自动气象站的自动雨量计对降雨量(P)进行监测，采用蒸发皿对水面蒸发量(Ew)进行实时监测。此外，采用地下水位测控系统的排水流量计对地下水渗漏量进行实时监测。从而构成闭合的水循环过程监测平台。所述的地表径流测量装置是用来测量实验区地表产生的径流过程，主要由三角量水堰、超声波水位计、排水沟构成。在每个试验区的中部安装，对每个试验区的地表径流出流过程进行监测。具体使用原理为根据三角堰出流原理得出水位-流量关系，利用超声波水位计测定水位，从而得出实验区地表产流的出流过程。本实施例土壤含水量传感器可以采用各种专业传感器，如采用TDR (Time Domain Reflectometry,时域反射仪)对土壤含水量进行监测。茎流仪则根据试验采用的具体植被选用不同的传感器类型，对较细杆茎植被采用包裹式茎流仪，对较粗杆茎植被采用针式茎流仪。计算机监控平台的核心是计算机单元，计算机单元可以是普通的PC机或服务器， 或者是工作站。计算机单元中安装了控制软件和监测软件，形成控制装置和检测装置。控制装置对模拟平台中的各个设备进行控制，实现水循环模拟。监测装置对各个传感器所采集的数据进行处理并储存。监测装置将本实施例所述模拟试验系统的各个传感器所采集的实时信息进行处理，通过对水循环的降雨、蒸发、灌溉、取水蒸腾等每个子过程进行实时监测，得出每个子过程的水分通量，从而实现对水循环过程的闭合监测。同时，模拟平台利用编程控制对模拟降雨装置、地下水位模拟装置、取水井和取水井模拟不同的人类活动情景。从而实现人类活动条件下，水循环过程的监测研究。
自系统各个装置布设完毕，即开始利用计算机监控平台对水循环过程的各种参数进行实时、自动采集，并计算各水循环子过程的通量变化数据。同时可以针对具体的研究目的，设定不同的试验研究方案。利用模拟降雨装置、地下水位模拟装置、取水井可以实现自然界不同水循环过程的模拟和再现，从而为不同的水循环过程研究服务。计算机监控平台是整个模拟试验系统的一部分，其功能是实时、自动的在线采集和处理各种传感器监测的水循环过程数据，并自动计算不同水循环过程的通量变化。利用本实施例对水循环过程模拟试验方法
人类活动对水循环过程的影响包括改变降雨量与降雨过程、地下水开采、改变地表覆被以改变蒸散发等。利用本实施例的模拟试验系统不但可以实现对水循环过程的闭合观测，同时可以对关注的水循环子过程进行观测。( 1)平原区水循环过程模拟试验方法
平原区是人类社会生活和劳作的主要区域，水循环过程受人类活动影响显著，是“自然-人工”二元水循环特点最为显著的区域。利用本实施例，采用研究区域典型地质剖面进行试验填土，选取典型地被类型如典型农作物、林地等作为地表植被。利用模拟降雨装置和遮雨棚控制降雨条件，利用地下水位模拟装置模拟不同地下水位条件，通过自动灌溉装置和取水井模拟可以有效模拟平原区水循环过程边界条件。在此基础上通过监测平台对水循环过程进行监测。从而实现对平原区水循环过程模拟试验。( 2 )蒸发过程模拟试验方法
蒸发是重要的水循环过程之一。由于陆面的复杂性，特别是气候变化条件下，蒸发过程的研究一直是人类把握水循环过程变化规律的重要一环。利用本实施例，气态水通量(Wair)即总蒸发量分为土壤蒸发和植被蒸腾两个部分，利用茎流仪监测的植物耗水量 (Eveg)以及蒸发皿监测的水面蒸发量(Ew)，可以对土壤蒸发量进行有效的实施监测。由于降雨、地下水以及灌溉和地表植被等均可以实现人工控制，为研究不同条件下蒸发过程响应与变化规律提供了科学的模拟试验平台。(3)平原区大埋深地下水补给循环机制模拟试验方法
现阶段，由于经济社会发展对水资源的需求，在许多地区地下水超采严重，显著改变了地下水补给循环过程。因此，对大埋深地下水的补给循环机制及其恢复过程机理的研究具有重要的科学意义与实践价值。利用本实施例通过对降雨、灌溉、地下水埋深等边界条件的控制和模拟，利用土壤水分和地下水位监测，可以准确监测土壤水渗漏补给地下水情况。从而实现平原区大埋深地下水补给循环机制模拟试验研究。(4)地下水变化条件下土壤水及其植被生态过程响应模拟试验方法
在气候变化条件下，干旱和洪涝等极端水文事件不断增多。因此，有效反映不同子过程之间的水分胁迫与响应关系，研究不同边界条件下植被对土壤水、地下水等过程的响应规律具有重要的科学指导意义。利用本实施例设定不同降雨情景、不同地下水情景、不同植被情景等，可以有效进行植被响应过程规律研究。水循环过程是一个动态循环过程，利用不同的仪器设备对不同水循环过程变化参数进行实时动态监测。上面所述的4个研究，仅是针对具体的科学问题的研究需求，监测的数据直接取用即可。研究所需的降雨、地下水、人工灌溉及抽水等边界条件也以文件的形式实时存储，可以随时调取供研究应用。实施例二
本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于遮雨棚的细化。本实施例所述的遮雨棚可收放折叠。可收放折叠的遮雨棚为了控制试验区边界条件，以及利用自然降雨节约水资源。实施例三
本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于模拟降雨装置的细化。本实施例所述的模拟降雨装置包括安装在防渗池两侧的轨道，可以在轨道上行走的门型行走架，所述门型行走架的上横梁上安装有喷淋管，所述的喷淋管上安装多个莲蓬头。本实施例所述的门型行走架可以是拆去吊钩和卷扬机系统的龙门吊，将喷淋管设置在龙门吊的横梁下方。利用龙门吊可以移动的特点，实现不同实验区的模拟降雨。所述的莲蓬头可以有多种形式的喷水状态，既可以喷出极细的水雾，以模拟细雨，也可以喷出较粗大的水滴，以模拟滂沱大雨，以及两者之间的不同降雨类型，模拟各种雨量的自然降水。实施例四
本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于地下水位模拟装置的细化。本实施例所述的地下水位模拟装置包括安装在防渗池一侧的水位控制管，安装在水位控制管顶端的接触式水位传感器定位电机，定位电机带动在水位控制管中上下移动的接触式水位传感器；设置在防渗池底部的并与水位控制管连接的透水管，所述水位控制管接近底部的位置设置支管，所述的支管依次连接进水电磁阀、进水流量计、供水管；所述的水位控制管底部依次连接排水电磁阀、排水流量计、排水口，所述的进水电磁阀、排水电磁阀与控制装置电连接，所述的进水流量计、排水流量计与监测装置电连接。本实施例所述的地下水位模拟装置的水位控制管是一个竖直设置的管子，管子的长度与防渗池的深度相仿。接触式水位传感器确定了模拟地下水位的高度，并可以通过对定位电机的控制实时调整水位高度。接触式水位传感器在水位控制管中的高度一旦确定， 控制装置就根据这个高度通过控制电磁阀向透水管中输水。透水管将水排入实验土壤中， 使实验土壤中底部的水分增加，并使富含水分土壤逐渐增高，直到接触式水位传感器的高度，并保持这个水位高度，以此模拟地下水位。实施例五
本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于自动灌溉装置的细化。本实施例所述的自动灌溉装置包括喷灌、滴灌和自流灌溉装置。喷灌装置是按实际喷灌的水管和喷头，将水喷洒在实验土壤表层。滴灌装置则是利用水管将水滴在植物的根部。本实施例中可以在土壤表层设置各种灌溉装置的水管。自流灌溉则使用渠道实现自流灌溉的模拟。各种灌溉装置都要有电控的灌溉供水系统，控制装置对电控灌溉供水系统进行控制，以模拟人类的灌溉活动。实施例六
本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于自动气象站的细化。本实施例所述的自动气象站包括计量雨量的自动雨量计和计量水面蒸发量的蒸发皿。本实施例所述的自动气象站主要对雨量和水蒸发量进行监测，同时还要监测气温、地温、风速气压等其他气象参数。
9
实施例七
本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于茎流仪细化。本实施例所述的茎流仪包括针式茎流仪和包裹式茎流仪。对于大型木本植物采用针式茎流仪，对于草本植物则采用包裹式茎流仪。实施例八
本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于土壤含水量传感器的细化。本实施例所述的土壤含水量传感器是时域反射仪TDR。时域反射仪 TDR 是继中子仪，FDR (Frequency Domain Reflectometry，频域反射仪)之后出现的一种新型土壤含水量测定仪器，TDR利用电磁波在不同土壤介质中的传播速度差异显著的特点进行土壤含水量测定。由于土壤颗粒、水和空气本身的介电常数差异很大，故一定容积土壤中水的比例不同时其介电常数便有明显的变化，通过测定电磁波的传播速度便可判断其含水量。实施例九
本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于所述的TDR的细化。本实施例所述的TDR 在防渗池的试验土壤中按照水平垂直两个方向均勻排布多个监测点。土壤含水量传感器采用TDR(Time Domain Reflectometry，时域反射仪)对土壤含水量进行监测。土壤含水量传感器在防渗池中垂直方向上的布设方式分为两种，其中細深的土壤水分循环试验池的土壤含水量传感器埋设深度分别为0. 1,0. 4,0. 9,1. 4,1. 9,2. 4、 2. 9,3. 4,3. 9m。IOm深的地下水超采试验池的土壤含水量传感器埋设深度分别为0. 1,0. 4、 0. 9,1. 4,1. 9,2. 4,2. 9,3. 4,4. 1,4. 8,5. 7,6. 4,7. 1,7. 8,8. 7,9. 6m。在水平方向上的布设方式分为两种，其中地下水超采试验池在20m长度方向上每隔Im沿中轴线布设1组垂直方向的传感器，土壤水分循环试验池则在20m长度方向上沿中轴线等距布设3组垂直方向的传感器。实施例十
本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于防渗池细化。本实施例所述的防渗池包括深度为2-4米的土壤水分循环试验池601和深度为大于10米的地下水超采试验池 602。土壤水分循环一般发生在地下1-3米的范围之内。土壤水分循环试验池的深度过浅则实验效果不好，太深则没有必要，试验池设置为3-5米是合理的，一般4米比较合适进行实验。地下水超采的模拟实验当然希望越深越好，因为希望模拟较深的地下水源，但是太深的试验池成本太高，10米或更深一些的地下水超采试验池比较合理，可以通过参数的调整模拟10米以下的超采过程。最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案(比如装置的连接方式、各个装置的具体结果和功能等)进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
权利要求
1.一种人类活动扰动条件下的水循环过程模拟试验系统，其特征在于，所述的系统包括对影响水循环的自然和人类活动模拟的模拟平台和通过传感器进行监测的监测平台， 以及对模拟平台进行控制、对监控平台进行数据采样和数据处理的计算机监控平台；所述的模拟平台包括混凝土的防渗池，所述的防渗池上方设有遮雨棚和模拟降雨装置，所述的防渗池外侧设有地下水位模拟装置，所述的防渗池的底部设有细沙反滤层，所述细沙反滤层上部按照被研究流域的土壤剖面结构装填试验土壤，所述实验土壤表面设置被研究流域的典型植被和自动灌溉装置，所述防渗池中部设有带有抽水泵的取水井；所述的监测平台包括所述防渗池上方设有涡度相关观测装置，所述的防渗池边设有自动气象站和地表径流观测装置，所述典型植被的植物上设有茎流仪，所述实验土壤中分层设置土壤含水量传感器，所述实验土壤中设置地下水位监测井，在所述地下水位监测井底部设置压力感应式地下水位传感器；所述的计算机监控平台包括安装有检测装置和控制装置的计算机单元，所述的控制装置与模拟平台的模拟降雨装置、地下水位模拟装置、自动灌溉装置、抽水泵电连接，所述的检测装置与自动气象站、径流传感器、茎流仪、土壤含水量传感器、地下水位传感器电连接。
2.根据权利要求1所述的模拟试验系统，其特征在于，所述的遮雨棚可收放折叠。
3.根据权利要求1所述的模拟试验系统，其特征在于，所述的模拟降雨装置包括安装在防渗池两侧的轨道，可以在轨道上行走的门型行走架，所述门型行走架的上横梁上安装有喷淋管，所述的喷淋管上安装多个莲蓬头。
4.根据权利要求1所述的模拟试验系统，其特征在于，所述的地下水位模拟装置包括 安装在防渗池一侧的水位控制管，安装在水位控制管顶端的接触式水位传感器定位电机， 定位电机带动在水位控制管中上下移动的接触式水位传感器；设置在防渗池底部的并与水位控制管连接的透水管，所述水位控制管接近底部的位置设置支管，所述的支管依次连接进水电磁阀、进水流量计、供水管；所述的水位控制管底部依次连接排水电磁阀、排水流量计、排水口，所述的进水电磁阀、排水电磁阀与控制装置电连接，所述的进水流量计、排水流量计与监测装置电连接。
5.根据权利要求1所述的模拟试验系统，其特征在于，所述的自动灌溉装置包括喷灌、滴灌和自流灌溉装置。
6.根据权利要求1所述的模拟试验系统，其特征在于，所述的自动气象站包括计量雨量的自动雨量计和计量水面蒸发量的蒸发皿。
7.根据权利要求1所述的模拟试验系统，其特征在于，所述的茎流仪包括针式茎流仪和包裹式茎流仪。
8.根据权利要求1所述的模拟试验系统，其特征在于，所述的土壤含水量传感器是时域反射仪TDR。
9.根据权利要求8所述的模拟实验系统，其特征在于，所述的TDR在防渗池的试验土壤中按照水平垂直两个方向均勻排布多个监测点。
10.根据权利要求1-9之一所述的模拟实验系统，其特征在于，所述的防渗池包括深度为2-4米的土壤水分循环试验池和深度为大于10米的地下水超采试验池。
全文摘要
本发明涉及一种人类活动扰动条件下的水循环过程模拟试验系统。所述的系统包括对影响水循环的自然和人类活动模拟的模拟平台和通过传感器进行监测的监测平台，以及对模拟平台进行控制、对监控平台进行数据采样和数据处理的计算机监控平台；防渗池，实验土壤，遮雨棚和模拟降雨装置，地下水位模拟装置，取水井；有涡度相关观测装置，自动气象站和径流检测装置，地表径流传感器，茎流仪，土壤含水量传感器，检测装置和控制装置。本发明所述的系统的模拟平台、监测平台、计算机监控平台有机结合，使各种模拟装置、检测装置和控制平台之间形成特定水循环的子系统，这些子系统的综合，实现了对“自然-人工”这个复杂的水循环系统全方位模拟的理念。
文档编号G01N33/18GK102539642SQ20111043946
公开日2012年7月4日 申请日期2011年12月26日 优先权日2011年12月26日
发明者刘淼, 周祖昊, 牛存稳, 王浩, 秦大庸, 贾仰文, 龚家国 申请人:中国水利水电科学研究院