一种耦合微地貌和根系的坡面水分运动示踪野外实验装置

本技术涉及野外水土保持实验领域，尤其涉及一种耦合微地貌和根系的坡面水分运动示踪野外实验装置。

背景技术：

1、在西北干旱半干旱地区，水土流失遇到植物阻拦后通常会沉积在植物基茎周围，尤其是灌丛，加上植物的固土作用，形成了植物基茎处土层稍厚的微地貌。在开展野外水分运动的相关试验时，我们发现坡面上方来水通常优先绕过植物基茎周围，无法对植物根区进行快速补给，而当水流持续一定时间后根系作用导致其入渗效果明显。目前野外观测水分运动主要集中在坡面侧向变化即坡面径流或垂向入渗的单一方面。而在西北干旱半干旱地区，坡面径流和垂向入渗均是山区水循环重要组成部分，二者的同频观测和精确量化可以帮助明确该地区微地貌和根系耦合作用下的水分运动机理，对微地貌和根系耦合作用下水文模型构建、该地区土壤水分管理和植被恢复重建具有重要意义。因此，设计一种可同时观测野外坡面微地貌和根系耦合作用下水分侧向和垂向运动的实验装置显得尤为重要。目前野外供水装置所含稳流槽通常难以精准控制使其处于水平状态，经常出现稳流槽存在轻微倾斜的情况，导致在开展小流量水分运动实验时出现稳流槽一侧流水而另一侧无法溢出的现象，出现产流过快，导致实验误差较大。

2、综上所述，目前坡面水分运动观测装置主要存在无法直观的同频观测微地貌和根系耦合作用下坡面水分侧向和垂向运动，无法在供水方面使初始水流沿径流小区宽度均匀流出。

技术实现思路

1、为至少解决上述背景技术中提出的问题，本实用新型提供了提供一种耦合微地貌和根系的坡面水分运动示踪野外实验装置，包括设置在坡面上的径流小区、水流缓冲机构和供水机构，所述径流小区由一块玻璃挡板和三块铁皮挡板围合而成，所述三块铁皮挡板平行且等距排列，所述玻璃挡板与所述铁皮挡板垂直，并安装在所述铁皮挡板的下端，所述三块铁皮挡板将所述径流小区分为等面积的径流一区和径流二区，其中所述径流二区种植有植物，所述水流缓冲机构包括缓冲板、支架和副档板，所述缓冲板包括圆弧区和平直区，所述供水机构包括由供水管依次连接的供水箱、汽油泵、控水阀门、流量传感器和出水管，所述出水管安装在所述缓冲板的圆弧区内；

2、在所述玻璃挡板根孔位置开设圆孔安装壤流导管并连接壤流收集盒，在所述玻璃挡板的所述坡面标识线处开设圆孔安装排水管并连接集水桶，所述壤流收集盒和所述集水桶由托盘托举，壤流导管和排水管内分别设置有流量传感器ⅰ和流量传感器ⅱ。

3、优选的，所述玻璃挡板和所述铁皮挡板的侧面设置坡面标识线，所述坡面标识线与坡面平齐，所述玻璃挡板外部土壤挖开，保证所述玻璃挡板外部裸露。

4、优选的，所述玻璃挡板深度方向设置刻度线，且在所述玻璃挡板对应的土壤根系截面位置等距安装水分传感器；

5、其结构中还包括集成分析系统,集成分析系统的输入端与水分传感器、流量传感器、流量传感器i和流量传感器ⅱ连接，集成分析系统的输出端连接有显示器，所述集成分析系统可以分析并显示根系耦合作用对坡面水分运动的影响作用，包括坡面径流、壤中流和下渗量三方面。

6、根系耦合作用对坡面水分运动的影响：

7、对坡面径流影响的计算方法：

8、

9、式中：δ1表示根系耦合对坡面径流量的影响；t表示实验时间；q1(t)表示左侧径流一区排水管(16)处流量传感器的示数；q2(t)右侧径流二区排水管(16)处流量传感器的示数。

10、对壤中流影响的计算方法：

11、

12、式中：δ2表示根系耦合对壤中流的影响；t表示实验时间；q1(t)表示左侧径流一区壤流导管处流量传感器的示数；q2(t)右侧径流二区壤流导管处流量传感器的示数。

13、对坡面径流的影响：

14、

15、式中：δ3表示根系耦合对下渗量的影响；z1、z2径流一区、径流二区水分传感器的示数；表示左侧径流一区土壤水分传感器处的示数；表示右侧径流二区土壤水分传感器处的示数。

16、优选的，所述缓冲板分为圆弧区和平直区，所述缓冲板横向长度等于所述玻璃挡板长度。

17、优选的，所述支架位于所述出水管下方，其高度可调，即所述支架能够保证所述出水管圆心和所述缓冲板圆弧区的圆心和在同一条直线上。

18、优选的，所述缓冲板横向两端和中间位置设置副挡板，所述副挡板形状与所述缓冲板的侧向剖面形状相对应，所述副档板一端与所述三块铁皮挡板对应连接，所述副挡板另一端与所述缓冲板圆弧区对应连接。

19、优选的，所述出水管末端封闭，且侧面等距离均匀开设若干个出水孔且所述出水孔出水方向指向所述缓冲板的圆弧区，所述出水管长度大于所述缓冲板横向长度。

20、优选的，所述径流小区内均匀分布若干个带刻度的测水深钢针。

21、本实用新型的有益效果为：本实用新型能够直观的刻画微地貌作用下垂向入渗的湿润锋变化和地表水流分布；采用导管收集根孔水，配合水分传感器观测根土间隙水分入渗情况，可量化根系对水流的传导作用；水流缓冲装置中的缓冲板和出水管下端等距位置开小圆孔可实现在野外实验时可实现初始水流均匀流出的效果；本实验装置简单便捷，容易操作，且智能分析并显示根系耦合作用对坡面水分运动的影响作用。

技术特征：

1.一种耦合微地貌和根系的坡面水分运动示踪野外实验装置，其特征在于，包括设置在坡面上的径流小区、水流缓冲机构和供水机构，所述径流小区由一块玻璃挡板(1)和三块铁皮挡板(2)围合而成，所述三块铁皮挡板(2)平行且等距排列，所述玻璃挡板(1)与所述铁皮挡板(2)垂直，并安装在所述铁皮挡板(2)的下端，所述三块铁皮挡板(2)将所述径流小区分为等面积的径流一区和径流二区，其中所述径流二区种植有植物，所述水流缓冲机构包括缓冲板(3)、支架(4)和副挡板(5)，所述缓冲板(3)包括圆弧区和平直区，所述供水机构包括由供水管(6)依次连接的供水箱(7)、汽油泵(8)、控水阀门(9)、流量传感器(10)和出水管(11)，所述出水管(11)安装在所述缓冲板(3)的圆弧区内；

2.根据权利要求1所述的一种耦合微地貌和根系的坡面水分运动示踪野外实验装置，其特征在于，所述玻璃挡板(1)和所述铁皮挡板(2)的侧面设置坡面标识线(13)，所述坡面标识线(13)与坡面平齐，所述玻璃挡板(1)外部土壤挖开，保证所述玻璃挡板(1)外部裸露。

3.根据权利要求1所述的一种耦合微地貌和根系的坡面水分运动示踪野外实验装置，其特征在于，所述玻璃挡板(1)深度方向设置刻度线(14)，且在所述玻璃挡板(1)对应的土壤根系截面位置等距安装水分传感器(15)；

4.根据权利要求1所述的一种耦合微地貌和根系的坡面水分运动示踪野外实验装置，其特征在于，所述缓冲板(3)分为圆弧区和平直区，所述缓冲板(3)横向长度等于所述玻璃挡板(1)长度。

5.根据权利要求1所述的一种耦合微地貌和根系的坡面水分运动示踪野外实验装置，其特征在于，所述支架(4)位于所述出水管(11)下方，其高度可调，即所述支架(4)能够保证所述出水管(11)圆心和所述缓冲板(3)圆弧区的圆心和在同一条直线上。

6.根据权利要求1所述的一种耦合微地貌和根系的坡面水分运动示踪野外实验装置，其特征在于，所述缓冲板(3)横向两端和中间位置设置副挡板(5)，所述副挡板(5)形状与所述缓冲板(3)的侧向剖面形状相对应，所述副挡板(5)一端与所述三块铁皮挡板(2)对应连接，所述副挡板(5)另一端与所述缓冲板(3)圆弧区对应连接。

7.根据权利要求1或5所述的一种耦合微地貌和根系的坡面水分运动示踪野外实验装置，其特征在于，所述出水管(11)末端封闭，且侧面等距离均匀开设若干个出水孔(12)且所述出水孔(12)出水方向指向所述缓冲板(3)的圆弧区，所述出水管(11)长度大于所述缓冲板(3)横向长度。

8.根据权利要求1所述的一种耦合微地貌和根系的坡面水分运动示踪野外实验装置，其特征在于，所述径流小区内均匀分布若干个带刻度的测水深钢针(21)。

技术总结
一种耦合微地貌和根系的坡面水分运动示踪野外实验装置，包括设置在坡面上的径流小区、水流缓冲机构和供水机构，所述径流小区由一块玻璃挡板和三块铁皮挡板围合而成，所述三块铁皮挡板平行且等距排列，所述玻璃挡板与所述铁皮挡板垂直，并安装在所述铁皮挡板的下方，所述水流缓冲机构包括缓冲板、支架和副挡板，所述缓冲板由圆弧区和平直区构成，所述供水机构由供水管依次连接供水箱、汽油泵、控水阀门、流量传感器和出水管组成，所述出水管安装在所述缓冲板圆弧区。本技术不仅可以实现在野外同频观测示踪坡面水分侧向和垂向运动，在量化坡面产流的同时，直观刻画水流垂向入渗，分析根系耦合作用对坡面水分的影响，还能够使初始水流均匀流出，降低野外实验误差。

技术研发人员：王传贵,梅雪梅,张晓明,张国军,赵阳,魏小燕,任正龑
受保护的技术使用者：郑州大学
技术研发日：20230425
技术公布日：2024/1/15