一种可移动地表径流观测装置
专利汇可以提供一种可移动地表径流观测装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 是一种可移动 地表径流 观测装置，适用于各种野外条件下地表径流的观测。此装置主要由径流收集装置、径流样品采集装置、径流量测定装置、数据计量系统、防雨 保护罩 五部分组成。利用该装置能够对各种面积、不同土地利用方式、不同管理措施、不同坡度、坡长下的地表径流进行直接测定。与传统的径流小区观测相比，具有可移动、对自然立地条件下的径流直接进行观测、样品采集准确性高、造价低、利用率高、应用范围广、可对单位时间径流强度进行观测等优点；与现有可移动径流观测装置比，具有可满足野外大流量的径流观测、安装和操作简便、 电子 记录、观测准确性高、故障少等优点。此装置安装使用方便，结果真实，造价较低，适于推广。，下面是一种可移动地表径流观测装置专利的具体信息内容。
1、一种可移动地表径流观测装置，其特征在于由以下五部分组 成：第一部分，径流收集装置，闭合小区挡板和金属漏斗高28cm的 金属漏斗(26)，内Φ70mm壁厚3.0mm的PVC管(1)；第二部 分，径流样品采集装置，Φ115mm，高130mm，壁厚1.5mm的缓冲 不锈钢混合桶(23)，具有流线型底部突起(11)，开有16个高18mm 的等距齿牙顶端出口，Φ35mm长10mm连接管(4)，Φ60mm，高 90mm，壁厚1.0mm的缓冲不锈钢混合桶(24)，Φ20mm的软管(5)， 样品收集瓶(6)；第三部分，径流量测定装置，Φ200mm壁厚5.0mm 高170mm的PVC收集管(7)，Φ60mm管口(12)，不锈钢倾斜桶 (Tipping Bucket)(19)，倾斜桶(19)由长500mm壁厚1.5mmΦ200 mm的不锈钢管中间切开加工制成，中间用一壁厚1.5mmΦ200mm 的不锈钢园挡板(21)分为两个等容积倾斜桶，倾斜桶(19)下部中 央焊有Φ16mm长240mm的金属杆，两端装有7号轴承(15)，并 由高120mm的M8螺杆(16)支撑，螺杆(16)固定在厚2mm长 250mm宽200mm的水平不锈钢板(22)上，水平钢板(22)与固 定底板(18)间四角用4个M6螺杆(17)连接，在倾斜桶两端的下 部水平钢板(22)上安装两个胶皮塞(20)；第四部分，数据计量系 统，在倾斜桶(19)中间连接一长100mmΦ10mm的不锈钢管，向 上安装一4V 0.02A的节能灯泡(14)，在25mm×25mm的不锈钢主 体架2上端安装电源开关(10)，电源开关(10)与灯泡(14)间接 有4V可充电锂电池一节，灯泡(14)正上端5mm安装一光源感应 器(13)，并与SL-304型电子数据记录仪(9)相连，数据记录仪(9) 上有数据输出端口(8)；第五部分，防雨保护罩，在装置的主体架(2) 上顶盖和四周装有厚2mm的透明有机玻璃板(25)。
技术领域
本发明属农业生产技术领域。是一种可移动地表径流观测装置， 适用于各种野外条件下地表径流的观测。
技术背景
水土流失是世界上的主要灾害之一，它破坏土地资源，造成生产 力衰退和淤积；消耗有限水资源，形成干旱、洪涝等灾害，引起生态 环境恶化，严重威胁着人类的生存和发展，成为各国普遍关注的问题。 无论是发展中国家还是发达国家都不同程度地存在水土流失这一问 题，且有向继续恶化的方向发展的趋势。据联合国粮农组织估算，全 球发生水土流失的土地面积高达2500万平方公里，占陆地总面积的 16.7％，每年流失土壤260亿吨。我国水土流失面积为356万平方公 里，占国土面积的三分之一。水土流失已成为造成土地退化的最主要 原因之一，严重威胁着宝贵的表土资源和社会的可持续发展。
至二十世纪初，土壤侵蚀就受到了人们的关注，前苏联和美国率 先开展了水土流失研究。要想了解水土流失危害并加以防治，首先要 阐明水土流失规律及其与诸影响因子之间的关系，这就需要一个衡量 侵蚀的一个定量化指标，定量计算土壤流失量是合理利用和管理土地 资源的科学依据之一。土壤可蚀性是定量计算土壤流失的重要指标， 是土壤侵蚀预报的重要参数。土壤可蚀性的研究开始于二十世纪30 年代，到现在已有70多年历史。1963年，美国Olson和 Wischmeier提出了具有实用性的土壤可蚀性指标—单位降雨侵蚀力 在标准小区上所造成的土壤流失量。标准小区，即9％的坡度，顺 坡耕作，连续清耕休闲，22.13m长的径流小区。美国以此为标准小 区是因为美国大部分小区坡长为22.13m。9％的坡度则接近观测资 料的中间值，在中等坡度上测定的经验参数，外推用于较缓和较陡坡 度时误差相对较小。径流小区是研究坡面土壤侵蚀的重要观测手段， 含沙量的测定是准确计算土壤流失量的关键。Olson和Wischmeier 对8个休闲地小区和20个作物地小区土壤可蚀性进行了计算。并 将此作为土壤可蚀性的基本标准。这一定义使不同气候区、不同时间 侵蚀资料确定的土壤可蚀性可以进行直接比较。此外，这种方法是以 土壤流失资料为依据，同时考虑了降雨侵蚀力，并将其它侵蚀因子限 制在同等条件下，因此用该指标能直接估算土壤流失量，这也是研究 土壤可蚀性的最终目的。正是基于此，美国的土壤可蚀性定量标准建 立在小区观测资料基础之上。并逐渐被世界各国所采用，近些年来标 准径流小区已成为我国水土流失监测和研究的主要手段。
标准径流小区由以下几个部分构成(1)围埂：为了阻止径流进出小 区，所设置的围埂，其高20～30厘米，埋深3～50厘米，用混凝土或水 泥砂浆砌体做成；(2)集水槽和引水槽：作用是收集径流小区径流，并 引送到引水槽中；(3)分流桶：为径流量和输沙量测定装置，在桶壁中 上部开分流孔，其中一个孔与下一个分流桶相连，一般需二级或三级分 流，容器采用金属板制成，容器底部设排水孔，排水和排沙；(4)径流 排放沟槽和暗管：用以将测定后的水及泥沙排放出观测区。一般观测小 区由一个或多个区组观测小区组成。测试方法。在一次降雨过程中，各 径流小区产生的径流和泥沙先由集水槽汇集流入分流桶中，待降雨结束 且小区停止产流后，即通过安装在径流桶内的水标尺测读水位H，然后 把池内的水搅匀，在0.4H水深处放置平底采样器，从径流池四角及中央 分别取水样五组置入样瓶中，送交实验室进行内化验分析。
利用标准闭合小区径流观测系统很好地对不同土地利用方式和 农作管理方式下的水土流失进行观测。在应用中发现也有很多弊端， 例如场地固定，修建观测场时对土地破坏较大；造价高，运行费用大， 一般修建一个水土流失观测场至少需20万元以上；闭合小区面积多 在100平方米左右，农作小区只能采取人工耕翻土壤，与大田机械耕 作实际差异较大；由于受场地限制，难以开展坡度、坡长观测；由于 场地和设备固定，易受自然和人为破坏等。
针对标准径流观测闭合小区存在以上弊端，近些年水土保持学者 在野外径流观测手段和设备等方面进行了深入的探索。美国Cruse (2001)研制了分段式可移动径流观测装置(Divider collector)，小 区仍采用闭合的，利用可拆卸重复利用的金属板代替了水泥板，将置 于地平面下的分流桶替换为至于地表的分段式分流集水槽。它的优点 是适于野外小区域(＜50m2)的径流观测，安装相对简单，测定结果 精度较高，可拆卸，可移动，可用于野外实际状态下的径流观测，可 用于一次性降雨或人工降雨下的观测。但也存在许多不足，观测面积 较小，安装时每个集水槽都需调水平，分流时受表面水张力影响较大， 每次降雨后都需对设备进行清理，不适于泥沙含量较大或径流强度较 大的观测，使用受限。我国学者在径流观测装置也取得了一定成绩， 以曹建生等(2004)发明的“一种径流流量打点式测定仪”(专利号： ZL03269640.X)最为代表，该装置在以机械钟为动力的前提下，通 过特殊的传动部件，实现了记录纸在做匀速圆周运动的同时，还进行 垂直方向上的匀速运动，从而将流量传感器翻转过程中通过专用脉冲 发生器——“凸轮盘+打点式记录笔”产生的机械脉冲信号以螺旋曲 线的形式被反映在记录纸上，在实现水流过程自动监测的同时，降低 了记录纸的更换频率。该基于翻斗法的打点式自记流量测定仪，能够 将被测水流的流量过程通过翻斗式流量传感器、凸轮打点式脉冲发生 器和打点式自记装置，以螺旋曲线的形式反应在记录纸上，较好地完 成了水流的自动监测任务。可广泛应用在坡面径流小区、壤中流、地 下裂隙潜流，以及小流域的基流等多种无压、低水头、小流量的水流 监测中；存在的问题主要是，需要定时更换记录纸，只能用于小流量 的径流观测，每分钟最大观测径流量仅为3kg，据报道野外有时每分 钟径流量高达30kg，因此还未达到野外各种情况观测要求。
发明内容
该装置主要由五个部分组成，第一部分：径流收集装置，闭合小 区挡板和金属漏斗高28cm的金属漏斗26，内Φ70mm壁厚3.0mm的 PVC管1；第二部分：径流样品采集装置，Φ115mm，高130mm，壁厚 1.5mm的缓冲不锈钢混合桶23，具有流线型底部突起11，开有16个高 18mm的等距齿牙顶端出口，Φ35mm长10mm连接管4，Φ60mm，高 90mm，壁厚1.0mm的缓冲不锈钢混合桶24，Φ20mm的软管5，样品 收集瓶6；第三部分：径流量测定装置，Φ200mm壁厚5.0mm高170mm 的PVC收集管7，Φ60mm管口12，不锈钢倾斜桶(Tipping Bucket) 19，倾斜桶19由长500mm壁厚1.5mmΦ200mm的不锈钢管中间切开 加工制成，中间用一壁厚1.5mmΦ200mm的不锈钢园挡板21分为两个 等容积倾斜桶，倾斜桶19下部中央焊有Φ16mm长240mm的金属杆， 两端装有7号轴承15，并由高120mm的M8螺杆16支撑，螺杆16固 定在厚2mm长250mm宽200mm的水平不锈钢板22上，水平钢板22 与固定底板18间四角用4个M6螺杆17连接，在倾斜桶两端的下部水 平钢板22上安装两个胶皮塞20；第四部分：数据计量系统，在倾斜桶 19中间连接一长100mmΦ10mm的不锈钢管，向上安装一4V0.02A的 节能灯泡14，在25mm×25mm的不锈钢主体架2上端安装电源开关10， 电源开关10与灯泡14间接有4V可充电锂电池一节，灯泡14正上端5mm 安装一光源感应器13，并与SL-304型电子数据记录仪9相连，数据记录 仪9上有数据输出端口8；第五部分：防雨保护罩，在装置的主体架2 上顶盖和四周装有厚2mm的透明有机玻璃板25。
本发明的最终目标是研制出一种适于各种野外立地条件下的可 移动式地表径流观测装置，利用该装置能够对各种面积的径流区、不 同管理措施下的径流区、不同坡度、坡长的径流区等进行直接测定。 可实现以下主要观测：
(1)、不同面积区域的径流观测
利用可拆卸挡板围成观测区域，在下端安装一径流收集漏斗，与观测 装置相连，进行观测。与标准小区相比，围成的区域为自然状态，观测 结果更能反映真实情况，装置不需放置在地表下，即不需挖坑破坏土地。
(2)、不同坡长、坡度侵蚀强度观测
东北黑土区多为顺坡垄种植，坡长，坡缓，垄长多在500-2000 m，最长的可达4000m，长坡侵蚀是其主要特征。固定观测场难以完 成此项观测。采用本装置，以垄台为天然分水岭(挡板)，选取平行 的几个垄沟为观测区域，在不同坡长分别安装一套观测装置，可同时 对不同坡长的水土流失进行观测。对不同坡度的观测，可采取同样的 方法，在同一较大大区域，选取坡度不同但长度相同顺坡垄，以每个 垄沟为观测区域，分别安装观测装置，进行观测。
(3)、可进行人工模拟侵蚀研究
当前对侵蚀机理的研究多采用径流观测装置和人工降雨系统结 合，进行雨强、降雨时间等与侵蚀强度的关系研究，以往多采用与标 准径流小区结合。采用该装置，可安置在任意欲观测的自然区域，进 行直接观测，做到方便、真实、经济。
(4)、实现单位时间径流强度观测
本装置采用的是SL-304型电子数据记录仪9，实现电子记录， 电脑下载数据，可以以分钟为时间单位对径流量进行记录，因此可完 成分钟为单位的径流强度观测。同时与虹吸式降雨观测设备结合，还 可完成降雨时间与产流时间、降雨强度与径流强度等的观测。可实现 野外各种地表径流流量的观测，甚至可观测40kg/min的径流强度。
与传统的标准径流小区比较具有的优势①可移动，利用效率高； ②对自然状况下的径流进行直接观测，结果更加真实可靠；③可完成 对单位时间径流强度的观测；④安装简便，设备制作成本低；⑤样品 更接近实际，输沙量测定结果误差小，在室内配置的0.5％-10％的 泥沙含量试验中，采集样品的准确度达到87.3％-95.6％；⑥观测范 围广泛，可完成野外的观测需求；⑦实现自动观测，电脑下载数据。
与现有的可移动径流观测装置比较具有的优势①可满足野外大 流量的径流观测；②安装和操作简便；③电子记录，观测准确性高； ④只采集一级样品，减轻后期工作；⑤故障少，精度高。
附图说明
图1本发明垄沟径流收集装置。1-PVC管，26-金属漏斗。
图2本发明结构示意图。1-PVC管，2-主体架，3-调节螺母，4 -连接管，5-软管，6-样品收集瓶，7-PVC收集管，8-数据输出端 口，9-数据记录仪，10-电源开关，11-底部突起，12-管口，13-光 源感应器，14-灯泡，15-轴承，16-螺杆，17-螺杆，18-固定底板， 19-倾斜桶，20-胶皮塞，21-园挡板，22-水平钢板，23-(大)混 合桶，24-(小)混合桶，25-有机玻璃板。
具体实施方式
观测过程的实现：在装置安装完毕后，每次降雨前开启灯泡电源 开关，进入观测状态。降雨产流后，径流通过金属漏斗26和PVC管 1进入径流样品采集装置，利用标准径流小区观测的分流原理，收集 后的径流首先垂直注入缓冲不锈钢混合桶23，在具有流线型底部突 起11的充分混合后翻转到开有16个高18mm的等距齿牙顶端出口 进行分流，1/16的径流经连接管4注入下级缓冲不锈钢混合桶24中， 再一次混合并1/10分流后，经软管5，占径流总量1/160的样品经 过充分混合后收集到样品瓶6中。余下的15/16的径流经收集管7注 入倾斜桶19中，当重量超过平衡量(1.24kg)时，倾斜桶19发生翻 转，将已注入的径流倾倒掉，灯泡14也随之转动，上置光源感应器 13感光一次，并被数据记录仪9记录下来。于此同时，流经收集管7 给另一端的桶内注水，如此循环往复，完成整个一次产流过程观测。 降雨结束产流停止后，利用手提电脑与数据输出端口8连接，下载数 据后，清空记录仪中的数据。更换样品瓶，带回实验室做进一步分析。
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