(一)技术领域

本发明涉及一种人工降雨条件下生物滞留元水质水量模拟研究的实验装置，主要用于人工降雨条件下，设计的生物滞留元对雨水水质水量影响的动力学研究，属于环境工程和生态工程领域。

(二)背景技术

城市非点源污染是伴随城市快速发展而出现的新问题。城市暴雨径流作为污染物迁移的主要驱动力，是造成城市水体污染的主要原因。国内外相关研究表明城市土地利用不仅是非点源污染产生的根源，也是污染物迁移的媒介，土地利用及其变化对非点源污染存在显著影响。城市不透水下垫面的增加以及地下排水管道系统的建设，使得城市非点源污染有别于农业非点源污染，且控制难度更大。目前，控制污染物质进入水体的方法主要是采用最佳管理措施，在污染物产生的源和地表径流的迁移过程中截流并处理污染物。生物滞留元是城市暴雨最佳管理措施中的一项技术措施，强调自然生态作用与景观效果，在改善水质的同时能提供额外的环境效益，实现环境的经济增值，符合我国可持续发展的战略思想，在非点源污染控制中具有重要的意义。目前，降雨径流所携带的污染物在生物滞留元中的迁移转化机理还不太清楚，迫切需要在这方面进行实验研究。为此，生物滞留元实验研究及应用对有效控制城市非点源污染、实现城市可持续发展，保护城市水环境、建立生态城市意义重大。但现在生物滞留元的实验研究在国内属于起步阶段，到目前为止，只有深圳水务局对生物滞留元的水量变化过程进行了室外观测研究，没有进行水质模拟和实验室模拟。国内还没有现成的实验装置可利用。研究降雨径流所携带的污染物在生物滞留元中的长时间迁移转化机理即水质水量的动态变化过程急需通过模拟实验来完成。针对实验需求本发明对人工降雨条件下生物滞留元水质水量模拟实验装置进行设计。

国外虽然一些科研人员对生物滞留元进行了水质水量的室内和现场试验，但将人工降雨装置与生物滞留元实验主体设施即实验土槽进行有机结合，构建人工降雨条件下生物滞留元水质水量模拟研究的实验装置也未见报道。在评价生物滞留元对城市径流水文过程与水质影响的研究中，迫切需要室内相似模拟实验来获取相关技术参数。现场实验及监测过程，仅能反映出生物滞留元在某一特定条件下对城市径流水量及水质的影响，不能系统反映出不同气候条件、不同雨强、植物类型和介质成分及深度、不同空间和时间等对水质与水量的动态变化的影响，因而难以满足实际工程应用的各种要求。

(三)发明内容

1、目的：

针对上述存在的问题，本发明的目的在于提供一种人工降雨条件下生物滞留元水质水量模拟研究的实验装置。该装置结构简单、操作方便、经济实用，适用于室内城市降雨径流模拟实验的一种人工降雨条件下生物滞留元水质水量的模拟研究。

2、技术方案：

见图1，本发明一种人工降雨条件下生物滞留元水质水量模拟研究的实验装置，它包括储雨水箱、水泵、导水管、支架、水量调解箱、阀门、出水管、喷头、降雨孔、多孔布水板、实验土槽、小采样孔管和大采样孔管。它们之间的位置连接关系是：

储雨水箱的下部出口与水泵进水口相连，水泵的出水口通过导水管与放置在支架上的水量调解箱相连通，水量调解箱出口处设置一阀门通过出水管与喷头相连，其上设置有许多降雨孔的多孔布水板放置在喷头之下、实验土槽之上方，小采样孔管位于实验土槽的中部位置，大采样孔管位于实验土槽的底部位置。

所述储雨水箱是盒式结构的箱体；

所述水泵是基本型蠕动泵，其功能为将储雨水箱中的水通过导水管自动抽压到水量调解箱中；

所述导水管是具有导水的作用的16#塑料管；

所述支架是金属结构支架，用来支托水量调解箱；

所述水量调解箱是圆柱形有机玻璃箱，设置在支架上，具有调解并稳定流速的作用；

所述阀门是黄铜阀门，具有调解流量大小的作用；

所述出水管是塑料管，具有导水和给喷头供水的作用；

所述喷头是莲蓬型的铝合金材质，具有在多孔布水板表面喷洒雨水的作用；

所述降雨孔是布水板上用电钻钻出的均匀分布的圆孔，雨水从圆孔滴入到实验土槽中；

所述多孔布水板是用板材制作，表面有均匀降雨孔，四周以高4-6mm的木条围成，表面涂有双层防水涂料，具有暂时储存和均匀分布雨水的作用；

所述实验土槽是盒式结构箱体，表面涂有双层防水涂料，接缝口处用玻璃胶缝合，具有防水、防腐作用。用于长时间盛装实验所用的各种类型的潮湿土壤及碎石等；

所述小采样孔管的上面割开宽为14-16mm、长为945-955mm的矩形槽，用网孔直径小于2mm的钢丝网铺在矩形槽表面，并用钢丝将其固定。此管水平放置，用于采集土壤中的水样；

所述大采样孔管的表面正上方每间隔75mm处打上直径为8mm的小孔，每二个正上方小孔中间的正前后两侧表面再打上直径为8mm的小孔，即侧孔与最近的正上方小孔所在管直径圆面的距离为37.5mm，管总长度为1290-1310m。此管水平放置，用于采集碎石层处的水样；

其中，该储雨水箱用板材制成；该板材可选用木板或有机玻璃板或不锈钢板或其它防水材料；

其中，该水泵的型号为BT100-2J、泵头为YZ1515X；

其中，该阀门的型号为MC6100B；

其中，该出水管是厚度为1.5-2.5mm、外径为18-22mm塑料管；

其中，该喷头的型号为400PL；

其中，该降雨孔的直径为2.5-3.5mm；

其中，该多孔布水板是长宽分别为1.21-1.23m、1.21-1.23m，厚度为18-20mm的板材制作；

其中，该实验土槽的长宽高尺寸分别为1.21-1.23m、1.21-1.23m、1.21-1.23m；板厚19-21mm，

其中，该小采样孔管的厚度为2.4-2.6mm、外径为19-21mm、长度为1.29-1.31米；该小采样孔管可选用PVC管；

其中，该大采样孔管的厚度为2.4-2.6mm、外径为49-51mm、长度为1.29-1.31米；该大采样孔管可选用PVC管；

本发明工作流程如下：

所述的多孔布水板置于支架的顶部，人工雨水用泵抽到水量调解箱中，通过调解水泵、水量调解箱中的水位和阀门来控制雨水径流速度，由调解箱流出的雨水由喷头均匀喷洒在多孔布水板中，多孔布水板是由高为5cm的木条围住的木板，并以电钻钻出直径为3mm的降雨孔。实验主体装置是实验土槽，包括表面雨水滞留层，种植土壤覆盖层，植被及种植层，第一、第二、第三采样层、砂滤层、碎石层和第四采样层。为了节约费用，多孔布水板和实验土槽主要以木材作为实验材料，其各表面涂有双层防水涂料，以期达到防水、防腐的目的。

采用上述技术方案，用本发明的人工降雨条件下生物滞留元水质水量模拟研究的装置，使用自制人工降雨器可以调节降雨强度，采用的采样管可以采集不同时间和空间分布情况下的水样。利用该装置同时能进行土壤含水量、土壤温度及水量的监测，并且用于人工降雨条件下生物滞留元水质水量模拟的试验。

3、优点及功效：本发明的人工降雨条件下生物滞留元水质水量模拟研究的实验装置，具有结构简单、造价低和经济实用等特点。本发明可调节降雨强度，方便采集不同时间和空间结构下用于生物滞留元水质水量模拟研究的土壤水样，节约了劳动量。

(四)附图说明

图1生物滞留元实验装置图

图2生物滞留元的主体设备即实验土槽的结构示意图

图3生物滞留元的主体设备即实验土槽的俯瞰示意图

图4生物滞留元的主体设备即实验土槽的正面示意图

图5小采样孔管的结构示意图

图6大采样孔管的结构示意图

图中符号说明如下：

1储雨水箱；2水泵；3支架；4导水管；5水量调解箱；6阀门；7出水管；8喷头；9多孔布水板；10降雨孔；11小采样孔管；12实验土槽；13大采样孔管；14表面雨水滞留层；15种植土壤覆盖层；16第一层采样位置；17植被及种植层；18第二层采样位置；19第三层采样位置；20砂滤层；21碎石层；22第四层采样位置。

(五)具体实施方式

见图1，本发明是一种人工降雨条件下生物滞留元水质水量模拟研究的实验装置，它包括储雨水箱1、水泵2、导水管4、支架3、水量调解箱5、阀门6、出水管7、喷头8、多孔布水板9、降雨孔10、实验土槽12、小采样孔管11和大采样孔管13。它们之间的位置连接关系是：

储雨水箱1的下部出口与水泵2进水口相连，水泵2的出水口通过导水管4与放置在支架3上的水量调解箱5相连通，水量调解箱5出口处设置一阀门6通过出水管7与喷头8相连，其上设置有许多降雨孔10的多孔布水板9放置在喷头8之下、实验土槽12之上方，小采样孔管11位于实验土槽12的中部位置，大采样孔管13位于实验土槽12的底部位置。

所述储雨水箱1是盒式结构的箱体，材质为有机玻璃；

所述水泵2是基本型蠕动泵、型号为BT100-2J、泵头YZ1515X、功能为将储雨水箱中的水通过导水管自动抽压到水量调解箱中；

所述导水管4是16#塑料管、具有导水的作用；

所述支架3是普通金属结构支架，如图3所示，用来支托水量调解箱；

所述水量调解箱5是圆柱形的有机玻璃箱，设置在支架上，具有调解并稳定流速的作用；

所述阀门6是黄铜阀门、型号为MC6100B、具有调解流量大小的作用；

所述出水管7是厚度为2mm的塑料管，外径为20mm，具有导水和给喷头供水的作用；

所述喷头8是莲蓬型的铝合金材料，型号为：400PL，具有在布水板表面喷洒雨水的作用；

所述降雨孔10是布水板上用电钻钻出的直径为3mm的均匀分布的圆孔，雨水从圆孔滴入到实验土槽中；

所述多孔布水板9是长宽分别为1.22m、1.22m，厚度为19mm的木板，表面有均匀降雨孔，四周以高5mm的木条围成，表面涂有双层防水涂料，具有暂时储存和均匀分布雨水的作用；

所述实验土槽12是长宽高分别为1.22m、1.22m、1.22m的盒式结构木质箱体，板厚20mm，表面涂有双层防水涂料，接缝口处用玻璃胶缝合，具有较强的防水、防腐作用。用于长时间盛装实验所用的各种类型的潮湿土壤及碎石等；

所述小采样孔管11是厚度为2.5mm、外径为20mm、长度为1300mm的PVC管，管的上面割开宽为15mm、长为950m的矩形槽，用网孔直径小于2mm的钢丝网铺在半圆形槽表面，并用钢丝将其固定。小采样孔管水平放置，用于采集土壤中的水样；

所述大采样孔管13是厚度为2.5mm、外径为50mm的PVC管，管表面正上方每间隔75mm处打上直径为8mm的小孔，每二个正上方小孔中间的正前后两侧表面再打上直径为8mm的小孔，即侧孔与最近的正上方小孔所在管直径圆面的距离为37.5mm，管总长度为1300mm。大采样孔管水平放置，用于采集碎石层处的水样；

下面结合附图对本发明进行进一步详细描述：见附图

本发明提出建立用于人工降雨条件下生物滞留元水质水量模拟研究的实验装置。图1为生物滞留元实验装置图，配置好的人工雨水储存在储雨水箱1中，并用水泵2通过导水管4将人工雨水导入放在支架3上的水量调解箱5中，水量调解箱出水管7处阀门6可调节雨水流量，水量调解箱释放的雨水由出水管7的喷头8喷洒到多孔布水板9上，多孔布水板表面有均匀分布的降雨孔10，当调节阀开启并达到一定流量后人工雨水可迅速分布在多孔布水板表面，这样完成自动模拟人工降雨的过程。人工雨水渗过模拟实验的主体设备即实验土槽12，通过渗滤、蒸发、土壤吸附、植物吸收、微生物降解、覆盖层表面截留等作用，可降低降雨径流量和去除人工雨水中污染物。渗过各土层的人工雨水可通过小采样孔管11(共有三层，每层3个，共9个管)和大采样孔13方便采集水样，并用于模拟实验与分析。

生物滞留元的主体设备即实验土槽的结构为图2所示，包括表面雨水滞留层14，该层深度为12cm；种植土壤覆盖层15，该层深度h1为5cm，主要成分为树皮(bark)；植被及种植层17，深度h2为60cm，主要成分砂土和有机物，该层有三层采样位置，第一层采样位置16是距种植土壤覆盖层上表面10cm；第三层采样位置19在距砂滤层上层5cm；第二层采样位置18在上下两个采样位置的正中间，距种植土壤覆盖层上表面30cm的位置；砂滤层20深度h3为5cm；碎石层21深度h4为40cm；第四层采样位置22位于碎石层底层，目的是分析碎石层对水样影响。

图3为生物滞留元的主体设备即实验土槽的俯瞰示意图，箱体主要以长宽厚分别为：1220mm、1220mm、20mm的胶合板组成，箱体四周用长宽厚分别为1537mm、100mm、50mm的长方形木材围成一圈，共三层，见图4。箱体内部八个角都用宽厚分别为100mm、50mm的长方形木材固定五个胶合板使其成为箱体。

图4为生物滞留元的主体设备即实验土槽的正面示意图，从图可见把宽和厚分别为50mm、25mm的木条固定在箱体四周一定位置，并把木材围成的长方体放置在上面，以达到固定长方形木料的作用。

图5为小采样孔管的结构示意图，从图可见小采样孔管长度为1300mm，内径为15mm、外径为20mm、厚度为2.5mm、管的上面割开宽为15mm、长为950mm的矩形槽。小采样孔管水平放置，用于采集土壤中的水样。

图6为大采样孔管的结构示意图，从图可见大采样孔管长度为1300mm，内径为45mm、外径为50mm、厚度为2.5mm，管表面正上方每间隔75mm处打上直径为8mm的小孔，每二个正上方小孔中间的正前后两侧表面再打上直径为8mm的小孔，即侧孔与最近的正上方小孔所在管直径圆面的距离为37.5mm。此管水平放置，用于采集碎石层处的水样。