坡面壤中流流速和流量测定系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型属于土壤水动力学、坡面水文学、水土保持和农业面源污染防治技术领域，涉及一种坡面壤中流流速和流量测定系统，可用于自然和人工坡地壤中流流速及携带养分运移动态过程的试验监测。
【背景技术】
[0002]壤中流是坡地径流的重要组成部分，主要发生在不同层次土壤的不连续界面上，是一种多孔介质中的水流运动。中国南方一些流域，壤中流占径流量很大的比例，壤中流有时占总径流量的85%以上。如浙江省姜湾高坞溪小流域。壤中流对流域径流产生、养分流失等都有重要的影响。影响壤中流的主要因素是土壤物理特性、分层状况和水流补给条件，土壤中的非毛管孔隙、动植物洞穴可促成壤中流的发展。壤中流的水流动态是这些影响因素的综合表现，壤中流流速是研究水流动态的关键要素。由于壤中流是发生在土壤的不同层次，水流在不同层次的土壤中流动，其流速的测定就是一个很难解决的问题，目前国内外尚无有关壤中流流速测定的技术和方法。鉴于此，本实用新型设想借用地下水流速测定的示踪原理进行壤中流流速的测定。备注说明:壤中流是属于表层流，是包气带空隙中的水流，不属于地下水流。
【实用新型内容】
[0003]本实用新型要解决的技术问题是提供一种坡面壤中流流速和流量测定系统；本实用新型的目的是针对目前壤中流流速监测难度大而无法实现的难题，而提供的一种利用示踪方法来实现的一个完整的坡面壤中流流速及流量组合监测系统。
[0004]为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种坡面壤中流流速和流量测定系统，该测定系统包括设置在坡面径流小区上端的示踪剂投放设施和设置在坡面径流小区下端的壤中流收集设施；
[0005]所述示踪剂投放设施包括底座，在底座上设置若干个的套筒座，在每个套筒座内对应的放置一个桶体，在桶体的侧壁上设置与桶体内腔相连通的桶眼，示踪剂袋被放置在桶体内，在示踪剂袋的上方设置示踪袋架；在每个桶体上方设置与该桶体相配合的桶盖；在每个桶体的上方对应的设置一根分连接杆，该分连接杆的上端与总连杆固定相连，该分连接杆的下端穿过桶盖后与示踪袋架相连；
[0006]壤中流收集设施包括若干个竖直并行排列的集水槽，每个集水槽均配有一个对应的集水瓶，所述集水槽通过导流管与集水瓶相连通。
[0007]作为本实用新型的坡面壤中流流速和流量测定系统的改进:
[0008]所述示踪剂投放设施还包括示踪剂投放桶支撑架，该示踪剂投放桶支撑架与底座固定相连，手柄与示踪剂投放桶支撑架转动相连，总连杆与手柄相连。
[0009]作为本实用新型的坡面壤中流流速和流量测定系统的进一步改进:
[0010]相邻的2个集水槽之间的间距为100?200mm(较佳为150mm)。
[0011]作为本实用新型的坡面壤中流流速和流量测定系统的进一步改进:示踪剂袋被固定于示踪袋架的下端。
[0012]本实用新型还同时提供了利用上述测定系统进行的坡面壤中流流速和流量测定方法，包括以下步骤:
[0013]1)、在坡面顺着坡地从上至下的走势建造坡面径流小区，在该坡面径流小区的左右两侧边界及高地势的上端边界分别设置密封挡板，依靠上述3块密封挡板(即，设置在坡面径流小区的左右两侧边界及高地势的上端边界的密封挡板)使得坡面径流小区的径流相对独立(即，与小区两侧及上方坡地的径流隔离)；
[0014]2)、在坡面径流小区的低地势的下端边界设置壤中流收集设施，从而构成一个水系独立的坡面径流小区组件:
[0015]在坡面径流小区的下端挖一个与坡面径流小区宽度一致、深度达母质层的垂直剖面，将壤中流收集设施安装在所述垂直剖面中；
[0016]所述壤中流收集设施中位于最上层的集水槽与地表相齐平，
[0017]所述壤中流收集设施中位于最下层的集水槽位于垂直剖面的底部；
[0018]3)、在坡面径流小区的上端边界的内侧安置示踪剂投放设施(S卩，是在位于坡面径流小区上端边界处的密封挡板的内侧设置该示踪剂投放设施，从而使示踪剂投放设施位于坡面径流小区内)；
[0019]4)、待坡面径流小区内出现壤中流(首次出现壤中流)时，操纵示踪剂投放设施，使示踪剂袋内的示踪剂通过桶体上的桶眼外流至坡面径流小区的土壤中；并根据示踪剂从示踪剂投放设施中被投放到首次出现在壤中流收集设施的时间，获知壤中流的平均流速，最终得知流量。
[0020]作为上述坡面壤中流流速和流量测定方法的改进:
[0021]所述步骤1)中:
[0022]坡面径流小区的坡度为10?24度(较佳为15度)；
[0023]密封挡板插入坡面的深度为200mm?300mm ;密封挡板位于地表之上的高度为100mm ?200mmo
[0024]作为上述坡面壤中流流速和流量测定方法的进一步改进:
[0025]桶体上的桶眼距地表为50_?100mm。
[0026]作为上述坡面壤中流流速和流量测定方法的进一步改进:
[0027]所述步骤4)中的操纵示踪剂投放设施为:转动(释放)手柄，使总连杆下移，从而带动各分连接杆下移，分连接杆相应的带动示踪袋架下移至示踪剂桶底端，示踪剂袋被压破后，示踪剂全部被释放于桶体内，然后通过桶眼外流至坡面径流小区的土壤中。
[0028]作为上述坡面壤中流流速和流量测定方法的进一步改进:所述示踪剂为不溶于水的考马斯亮蓝R250示踪剂染色液。
[0029]作为上述坡面壤中流流速和流量测定方法的进一步改进:所述密封挡板为钢板或水泥板。
[0030]在本实用新型中，坡面壤中流流速测定系统实际是由以下三部分组成，第一部分是坡面径流小区的设计，第二部分是径流小区上端示踪剂的投放设施，第三部分是径流小区下端壤中流收集设施(图1)。
[0031]本实用新型的方案概述如下:(1)根据试验监测要求，在坡面顺着坡地从上至下的走势建造坡面径流小区。在坡面径流小区的左右两侧及上端边界设置插入坡面一定深度，地表露出一定高度的钢板或水泥板实现密封，使得小区径流与两侧及上方坡地径流隔离。径流小区下端安置壤中流收集设施(图1)构成一个水系独立的坡面径流小区组件。(2)在坡面径流小区上端边界的内侧安置示踪剂投放设施(图2和图3)。根据试验设计要求，示踪剂投放设施要安置在坡面一定深度，从而实现桶体上的桶眼距地表为50mm?100mm。
(3)在坡面径流小区下端挖一个与小区宽度一致的剖面，这个剖面具有一定的深度，一般需要挖至母质层，然后将壤中流收集设施安装在所开挖的垂直剖面(图4)，收集测定整个径流小区的壤中流。并根据示踪剂投放到收集设施首次出现的时间，计算壤中流的流速。进而揭示坡地壤中流的流速和坡面壤中流的动态规律。
[0032]本实用新型具有如下技术优势:
[0033](1)既可以监测不同深度壤中流的流速，还能够监测不同深度壤中流的流量。既可以在自然降雨情况下进行监测，也可以在人工模拟降雨的情况下进行。
[0034](2)示踪剂投放设施是一个整体，通过一次性操作手柄，就能够让若干个分支连杆(可根据试验设计多个分支)同时投放示踪剂，能保证示踪剂在坡面试验小区的横向均匀投放和时间的准确性。
[0035](3)壤中流收集设施是一个多层组合式收集装置，可以收集不同深度的壤中流，能根据各层壤中流中示踪剂出现时刻，计算壤中流流速，还可计算壤中流流量动态和总量。
[0036](4)该监测系统的组成设施可以随时拆卸和组装，便于携带，还可根据监测坡面径流小区的大小进行调整。
[0037](5)本实用新型补充了壤中流流速和溶质运移动态监测领域的空白，为壤中流和溶质运移的深入和高精度研究提供了技术支撑。
[0038]本实用新型获得了国家自然科学基金项目(41471221)资助。
【附图说明】
[0039]下面结合附图对本实用新型的【具体实施方式】作进一步详细说明。
[0040]图1是壤中流流速试验综合示意图(即，坡面壤中流流速和流量测定系统的使用状态不意图)；
[0041]图2是图1中的示踪剂投放设施1的正视图；
[0042]图3是示踪剂投放设施1的整体侧视图；
[0043]图4是图1中的壤中流收集设施2的结构示意图；
[0044]上述图中:
[0045]示踪剂投放设施1、总连杆1-1、分连接杆1-2、桶盖1-3、示踪袋架1_4、示踪剂袋1_5、桶体1-6、套筒座1_7、桶眼1_8、底座1-10、不踪剂投放桶支撑架1-0，手柄1-01、手柄固定螺丝1-02，
[0046]壤中流收集设施2、集水槽2-1、集水瓶2-2、导流管2-3 ;
[0047]垂直渗流3、壤中流4、坡面径流5 ；
[0048]图5是不同深度示踪剂出流路径纵向剖面示意图；
[0049]图5中，S表示示踪剂投放点，lp 12、13、14分别表示不同深度示踪剂出流路径，Η表示壤中流收集设施放置剖面与纵向剖面交线。
【具体实施方式】
[0050]实施例1、
[0051]在坡面顺着坡地从上至下的走势建造坡面径流小区，标准径流的坡度为15度，一般试验所设计的坡度范围为10-24度。
[0052]在该坡面径流小区的左右两侧边界及高地势的上端边界分别设置密封挡板，密封挡板插入坡面的深度一般为200mm?300mm ;密封挡板位于地表之上的高度一般为100mm?200mm ;该密封挡板为钢板或水泥板；依靠上述3块密封挡板(即，设置在坡面径流小区的左右两侧边界及高地势的上端边界的密封挡板)使得小区径流与两侧及上方坡地径流隔离。
[0053]在坡面径流小区的低地势的下端边界设置壤中流收集设施2，从而构成一个水系独立的坡面径流小区组件。
[0054]壤中流收集设施2的设置具体如下:
[0055]在坡面径流小区的下端挖一个与小区宽度一致、深度达母质层的垂直剖面，将壤中流收集设施2安装在所开挖的垂直剖面中。壤中流收集设施2包括若干个竖直并行排列的集水槽2-1，每个集水槽2-1均配有一个对应的集水