一种农田下垫面多坡度径流区水侵蚀自动监测系统的制作方法

1.本发明涉及一种水侵蚀监测系统。


背景技术：

2.水土流失导致黑土层变薄、肥力下降，河段泥沙淤积，生态环境恶化、自然灾害频发的同时，也加剧了土壤养分、除草剂和农药对地表水和地下水的污染，威胁着粮食安全和生态安全。例如，北方某省水土流失面积11.56万km2，其中水蚀面积占77.2％。水土流失治理面积2.66万km2，水土流失治理程度仅为23.01％；该省耕地水土流失面积5.67万km2，耕地治理面积5308.3km2，耕地水土流失治理程度仅为9.36％。该省黑土区水土流失面积呈递增趋势，耕地黑土层变薄，地力明显减退。由于黑土抗蚀性弱的特点，长时间的风蚀、水蚀，造成耕层黑土大量流失。据调查，开垦六、七十年的黑土层一般都由原来的60～70cm 减少到30cm左右，有的地方甚至已露出了黄土母质，基本丧失了生产能力，而形成1cm 厚的黑土层需300～400年的时间，按此流失速度，黑土层再经过40～50年将流失殆尽，黑土地正面临着消失的危险，黑土区水土流失已成为重大环境问题之一，因此，黑土区水土流失治理，对保障粮食产能、提高黑土区作物产量、改善草原生态环境具有重要的现实意义。水土流失的检测作为水土流失治理的一部分，能够为水土流失治理提供必要的科学依据，目前，水土流失的检测采用较多的传统分流桶，有诸多不尽人意之处，例如工作量很大、工作效率极低、监测精度低、无法实现远程自动监测、使用寿命短。


技术实现要素：

3.本发明为了克服现有技术的不足，提供一种农田下垫面多坡度径流区水侵蚀自动监测系统，本发明农田下垫面多坡度径流区水侵蚀自动监测系统包括水蚀自动监测装置、移动升降式降雨模拟器、径流区、激光雨滴谱仪、激光地貌仪；
4.所述水蚀自动监测装置由箱体、一级混合器、二级混合器、收集器、数个收集瓶、翻斗、一级混合器外壳和转轮构成；箱体由四个立板、底板和上板构成；四个立板设置在底板和上板之间；一级混合器为方形筒，一级混合器的上端均匀设置有数个第一齿槽，其中一个第一齿槽上连接有第一导管；二级混合器为方形筒，二级混合器的上端均匀设置有数个第二齿槽，其中一个第二齿槽连接有第二导管；一级混合器外壳为方形筒，一级混合器外壳内下部设置有水平的垫板，一级混合器设置在垫板的上表面，一级混合器旁垫板上设置有第一排水口，第一排水口下方的上板上开有第二排水口；二级混合器设置在一级混合器外壳外部的上板的上表面，二级混合器上端低于垫板，第一导管的出水口设置在二级混合器上方；箱体内第二排水口下方设置有叶轮，叶轮下方设置有翻斗，叶轮右侧设置有离合器，离合器右侧设置有变速器，收集容器设置在箱体内变速器的上方，收集容器的上端为敞口，收集容器的侧壁下部设置有流出管；第二导管的出水口设置在收集容器的上方；收集容器的下端面固接有竖向的从动轴，从动轴与变速器的输出轴连接，变速器的输入轴与离合器的输出轴连接，离合器的输入轴与叶轮中心的转轴连接；连接板为水平的圆形板，连接板中心
开有通孔并套设在从动轴上，从连接板下表面设置有数个竖向的支板，支板一端与连接板下表面固接，支板另一端与变速器的壳体上表面固接；连接板上表面边缘均有设置有数个通孔，每个通孔下部设置有分水盘，分水盘底部连接有第三导管，每个分水盘的下方均设置有收集瓶，第三导管的下端设置在收集瓶内；流出管的出水端朝向分水盘设置；所述翻斗为v形敞口容器，翻斗下部设置有倾斜的支撑板，支撑板一端与翻斗底部重心固接，支撑板的另一端搭接在底板的上表面；翻斗下部设置有翻斗转轴，翻斗转轴设置在支撑板上靠近翻斗的底部一侧；翻斗的外壁设置有电磁感应器，箱体外表面设置有数据记录存储器，电磁感应器与数据记录存储器连接；
5.所述移动升降式降雨模拟器由降雨模拟器、门型支架、电动葫芦、遮风板、导向滑轮、导向滑轨和支撑架构成；电动葫芦设置在门型支架的横梁上，降雨模拟器吊装在电动葫芦下方；门型支架的两侧下部设置有行走轮，门型支架的两侧设置有驱动行走轮行走的电动机；径流区两侧分别设置有轨道，行走轮设置在轨道内；
6.所述径流区内设置有多个坡度不同的坡耕地，激光雨滴谱仪和激光地貌仪设置在径流区内的坡耕地中；径流区的其中一个轨道外侧设置有径流收集廊道，多个坡度不同的坡耕地的较低侧均朝向径流收集廊道，不同的坡耕地的较低侧均设置有集水槽，集水槽的出水口连接有径流传输管；多个水蚀自动监测装置分别设置在径流收集廊道内每个径流传输管的下方；径流传输管的出水口设置在一级混合器内。
7.进一步的，所述降雨模拟器两端设置有导向滑轮，门型支架的两侧内壁分别设置有导向滑轨，导向滑轮设置在导向滑轨内。
8.进一步的，门型支架的一个侧面设置有支撑架，所述门型支架外表面和支撑架外表面设置有遮风板。遮风板的应用避免了试验受外界气候条件的影响，提高了试验研究精度。
9.进一步的，所述坡耕地的坡度分别为1.5
°
、3
°
、5
°
、7
°
、9
°
、11
°
、13
°
、15
°
。
10.进一步的，所述底板的上表面和变速器之间设置有变速器支架。
11.进一步的，所述翻斗转轴一端设置在翻斗转轴支座上，翻斗转轴另一端设置在立板的内壁上。
12.进一步的，所述叶轮中心的转轴中远离离合器的一端设置在立板的内壁上。
13.进一步的，所述一级混合器和二级混合器的底面均为凸起的圆弧底面。圆弧底面的设置有利于泥沙与水混合，避免沉积。
14.进一步的，所述立板的内壁上设置有磁体，当翻斗转动后电磁感应器接近磁体时产生感应信号。
15.本发明原理及有益效果为：
16.本发明农田下垫面多坡度径流区水侵蚀自动监测系统能够模拟和监测降雨带来的水土流失，径流过程和输沙过程。其中，水蚀自动监测装置用于野外各种立地条件下的自然坡面水土流失观测，取代了传统分流桶；水蚀自动监测装置的特点为安装方便、无需职守，无需电源，自动监测水土流失径流过程和输沙过程，能够实现径流收集、径流测量、径流泥沙混合和样品分段采集，用于产流量及泥沙含量计算，并实现现场数据记录，极大减少了试验用工量，提高了试验数据的精度。解决了现有可移动式地表径流观测装置如分流桶中泥沙沉积严重，而影响观测的准确性的问题。移动升降式降雨模拟器操作简单，性能稳定，
移动灵活，实现降雨模拟器的空间位置变化，以及在不同角度的的各径流小区上任意使用，满足调整降雨模拟器降雨位置的需求，可得到理想的降雨模拟效果，大大提高了仪器的利用率。
附图说明
17.图1为农田下垫面多坡度径流区水侵蚀自动监测系统的结构示意图(俯视)；
18.图2为农田下垫面多坡度径流区水侵蚀自动监测系统的结构示意图(右视)；
19.图3为农田下垫面多坡度径流区水侵蚀自动监测系统的结构示意图(正视)；
20.图4为水蚀自动监测装置1的结构示意图；
21.图5为一级混合器4、二级混合器7位置俯视图；
22.图6为叶轮28和翻斗24的侧视图；
23.图7为连接板16的俯视图。
具体实施方式
24.本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。
25.实施例1，结合图1～7说明，本实施例农田下垫面多坡度径流区水侵蚀自动监测系统包括水蚀自动监测装置1、移动升降式降雨模拟器2、径流区35、激光雨滴谱仪49、激光地貌仪50；
26.水蚀自动监测装置用于野外各种立地条件下的自然坡面水土流失观测，取代了传统分流桶；水蚀自动监测装置的特点为安装方便、无需职守，无需电源，自动监测水土流失径流过程和输沙过程，能够实现径流收集、径流测量、径流泥沙混合和样品分段采集，用于产流量及泥沙含量计算，并实现现场数据记录，极大减少了试验用工量，提高了试验数据的精度。解决了现有可移动式地表径流观测装置如分流桶中泥沙沉积严重，而影响观测的准确性的问题。所述水蚀自动监测装置1由箱体、一级混合器4、二级混合器7、收集器9、数个收集瓶14、翻斗24、一级混合器外壳33和转轮28构成；箱体由四个立板15、底板 19和上板30构成；四个立板15设置在底板19和上板30之间；一级混合器4为方形筒，一级混合器4的上端均匀设置有数个第一齿槽3，其中一个第一齿槽3上连接有第一导管5；二级混合器7为方形筒，二级混合器7的上端均匀设置有数个第二齿槽6，其中一个第二齿槽6连接有第二导管8；一级混合器4的边长为200mm，高度为150mm；第一齿槽3的齿牙高度为18mm；第一齿槽3的数量为16个；二级混合器7的边长为60mm，高度为40mm，第二齿槽6的齿牙高度为10mm；第二齿槽6的数量为10个；一级混合器4和二级混合器 7的底面均为凸起的圆弧底面。圆弧底面的设置有利于泥沙与水混合，避免沉积；一级混合器外壳33为方形筒，一级混合器外壳33内下部设置有水平的垫板32，一级混合器4设置在垫板32的上表面，一级混合器4旁垫板32上设置有第一排水口31，第一排水口31 下方的上板30上开有第二排水口；二级混合器7设置在一级混合器外壳33外部的上板30 的上表面，二级混合器7上端低于垫板32，第一导管5的出水口设置在二级混合器7上方；箱体内第二排水口下方设置有叶轮28，叶轮28下方设置有翻斗24，叶轮28右侧设置有离合器23，离合器23右侧设置有变速器18，底板19的上表面和变速器18之间设置有变速器支架17；收集容器9设置在箱体内变速器18的上方，收集容器9的上端
为敞口，收集容器9的侧壁下部设置有流出管11；第二导管8的出水口设置在收集容器9的上方；收集容器9的下端面固接有竖向的从动轴10，从动轴10与变速器18的输出轴连接，变速器18 的输入轴与离合器23的输出轴连接，离合器23的输入轴与叶轮28中心的转轴27连接；叶轮28中心的转轴27中远离离合器23的一端设置在立板15的内壁上；连接板16为水平的圆形板，连接板16中心开有通孔并套设在从动轴10上，从连接板16下表面设置有数个竖向的支板20，支板20一端与连接板16下表面固接，支板20另一端与变速器18的壳体上表面固接；连接板16上表面边缘均有设置有数个通孔，每个通孔下部设置有分水盘12，分水盘12底部连接有第三导管13，每个分水盘12的下方均设置有收集瓶14，分水盘12 和收集瓶14均为12个；第三导管13的下端设置在收集瓶14内；流出管11的出水端朝向分水盘12设置；所述翻斗24为v形敞口容器，翻斗24下部设置有倾斜的支撑板21，支撑板21一端与翻斗24底部重心固接，支撑板21的另一端搭接在底板19的上表面；翻斗 24下部设置有翻斗转轴26，翻斗转轴26设置在支撑板21上靠近翻斗24的底部一侧，翻斗转轴26一端设置在翻斗转轴支座22上，翻斗转轴26另一端设置在立板15的内壁上；翻斗24的外壁设置有电磁感应器25，箱体外表面设置有数据记录存储器29，电磁感应器 25与数据记录存储器29连接；立板15的内壁上设置有磁体51，当翻斗24转动后电磁感应器25接近磁体51时产生感应信号；径流区35的产生的含有泥、沙的水流依次依次经过集水槽46、径流传输管47后落入一级混合器4内，当一级混合器4内水位到达第一齿槽3 后，一部分水由第一导管5流入二级混合器7，二级混合器7内水位到第二齿槽6后由第二导管8流入至收集容器9，收集容器过大浪费材料，过小满足不了过流要求，最后确定收集容器9内径为40～50mm，高度为45～50mm。分水盘共计12个出水口，实现了径流过程、输沙过程的同步测定。收集容器9内的水由流出管11流出并依次经过分水盘12和第三导管13进入收集瓶14完成收集，另一部分水由第一齿槽3溢出至一级混合器外壳33并由第一排水口31流出，当水流接触下方的叶轮28后，叶轮28在水流的冲击下转动，同时，转轴27转动后依次带动离合器23输入轴和输出轴、变速器18的输入轴和输出轴、从动轴 10和收集容器9转动；收集容器9转动后会带动流出管11转向不同的分水盘12进而实现向不同的收集瓶14注入水流，实现径流全过程样品采集，用以计算输沙过程；从叶轮28 流出的水流进入下方的翻斗24，翻斗24的另一端搭接在底板19的上表面；翻斗24下部设置有翻斗转轴26，翻斗转轴26设置在支撑板21上；翻斗转轴26设置在翻斗24的重心和支撑板21的重心之间，当翻斗24内水量较低或不含水时，翻斗24保持开口朝上，随着水量的增多，翻斗24和水的总质量超过支撑板21的重量时翻斗24发生偏转，翻斗24内的水流入径流收集廊道48，然后翻斗24复位继续进行收集；翻斗24发生偏转后电磁感应器25靠近磁体51后产生感应信号并传输至数据记录存储器29被记录下来。翻斗24每翻动的一次量固定，每次翻动的时间和次数通过数据记录存储器29准确记录。水蚀自动监测装置基于机械传动原理，无需外接电源，结构简单，造价低廉。数据记录存储器采用3伏钮扣电池供电，可连续使用1工作年；能够自动采集数据，精确记录翻斗器翻动时间和次数。水蚀自动监测装置主要材质为不锈钢，耐腐蚀，防老化，使用寿命长。设备可拆卸，安装简便。
27.所述移动升降式降雨模拟器2由降雨模拟器36、门型支架37、电动葫芦39、遮风板 40、导向滑轮41、导向滑轨42和支撑架45构成；电动葫芦39设置在门型支架37的横梁上，电动葫芦起升高度6m，起重量2t，起升速度8m/min；降雨模拟器36吊装在电动葫芦 39下方；降雨模拟器36两端设置有导向滑轮41，门型支架37的两侧内壁分别设置有导向滑轨42，导向
滑轮41设置在导向滑轨42内；门型支架37的一个侧面设置有支撑架45，所述门型支架37外表面和支撑架45外表面设置有遮风板40，遮风板的应用避免了试验受外界气候条件的影响，提高了试验研究精度；门型支架37的两侧下部设置有行走轮44，门型支架37的两侧设置有驱动行走轮44行走的电动机43；径流区35两侧分别设置有轨道38，行走轮44设置在轨道38内；门型支架的高度为5.0m，宽度6.0m，降雨模拟器可以上下移动来调节降雨垂直高度，调节范围为2.8～5.0m；遮风板操作简便，一机多用，大大提高了使用效率和功能；移动升降式降雨模拟器操作简单，性能稳定，移动灵活，实现降雨模拟器的空间位置变化，以及在不同角度的的各径流小区上任意使用，满足调整降雨模拟器降雨位置的需求，可得到理想的降雨模拟效果，大大提高了仪器的利用率；降雨模拟器可以人工控制向特定地面洒水，模拟自然降雨，降雨形式为扇形，喷射角为80
°
；移动升降式降雨模拟器中电动葫芦和导向滑轮控制降雨模拟器上下移动到适合高度，门型支架设置的行走轮和电动机能够带动门型支架和降雨模拟器进行前后移动，在径流区内不同的坡耕地上内模拟降雨。
28.所述径流区35内设置有多个坡度不同的坡耕地，坡耕地的坡度分别为1.5
°
、3
°
、5
°
、7
°
、 9
°
、11
°
、13
°
、15
°
。激光雨滴谱仪49和激光地貌仪50设置在径流区35内的坡耕地中；激光雨滴谱仪的作用是测定降水(小雨，大雨，冰雹，雪和混合降水)的强度、数量、类型以及粒子谱(颗粒大小分级的分布)，测定降雨强度、大小、降雨过程等。激光地貌仪测量水蚀前后土壤微地貌变化，获得大量的水土流失方面的监测数据并在计算机上记录数据，以二维和三维图形方式显示测量数据；用于评估土壤的水蚀和风蚀情况以及水流的影响，研究表面流、气体交换和渗透；考察土壤保水能力，土壤生长后的特性；以及研究种床、地理统计、粗糙度、湿度等，用于评价土壤表面最初和最终条件的手段。
29.径流区35的其中一个轨道38外侧设置有径流收集廊道48，多个坡度不同的坡耕地的较低侧均朝向径流收集廊道48，不同的坡耕地的较低侧均设置有集水槽46，集水槽46的出水口连接有径流传输管47；多个水蚀自动监测装置1分别设置在径流收集廊道48内每个径流传输管47的下方；径流传输管47的出水口设置在一级混合器4内。