一种基于FDR和光纤传感技术监测的多降雨环境入渗模拟装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开了一种基于FDR和光纤传感技术监测的多降雨环境入渗模拟装置，包括降雨发生单元、非饱和土壤入渗土柱单元以及传感检测单元，所述降雨发生单元包括依次管道连接的马氏瓶、供水容器和针盘降雨器以及可分别升降所述马氏瓶以及所述供水容器的升降装置，所述马氏瓶上设有气阀以及深至出水口的进气管，所述马氏瓶、所述供水容器以及所述针盘降雨器之间连接管道上均设有阀门，所述非饱和土壤入渗土柱单元包括底部填装有反滤层的玻璃柱、土样表层径流液收集容器以及渗流液收集容器，所述传感检测单元包括用于检测所述第一收集容器重量的称量传感器、若干用于检测所述玻璃柱内不同高度土壤的水盐传感器、信号处理器以及上位机。本装置具有雨强可控、装置耐用以及可连续动态监测的特点。

An Infiltration Simulator for Multi-Rainfall Environment Based on FDR and Optical Fiber Sensing Technology

The utility model discloses a rainfall environment infiltration simulation device based on FDR and optical fiber sensing technology, which comprises a rainfall generating unit, an unsaturated soil infiltration column unit and a sensing detection unit. The rainfall generating unit comprises a Markov bottle connected in sequence by a pipeline, a water supply container and a needle plate rainer, and the Markov bottle and the water supply container can be lifted and dropped separately. A lifting device is provided with an air valve on the martensite bottle and an intake pipe deep to the outlet. Valves are arranged on the connecting pipeline between the martensite bottle, the water supply container and the needle plate rainer. The unsaturated soil infiltration column unit comprises a glass column filled with a filter layer at the bottom, a runoff collection container of soil sample surface and a seepage collection container. The sensing detection device comprises a glass column filled with a filter layer at the bottom, a runoff collection container of soil sample surface and a seepage collection container. The unit comprises a weighing sensor for detecting the weight of the first collection container, several water and salt sensors for detecting soil at different heights in the glass column, a signal processor and a host computer. The device has the characteristics of controllable rainfall intensity, durability and continuous dynamic monitoring.

【技术实现步骤摘要】
一种基于FDR和光纤传感技术监测的多降雨环境入渗模拟装置
本技术涉及一种基于FDR和光纤传感技术监测的多降雨环境入渗模拟装置，属于非饱和土渗透测试

技术介绍
降雨入渗问题涉及水文、环境与农业等多个学科，其研究对于水资源开发利用、土壤环境保护与农业灌溉及生产等研究方面具有重要的指导意义。在研究降雨入渗过程中非饱和带土壤的水盐运移规律时，设计室内试验进行模拟是一种有效手段。国内外现有多种降雨入渗模拟装置，但仍存在缺陷：1.降雨强度的控制方法不灵活，多为更换不同大小型号的针头。2.对针头缺乏一定的保护措施，中心位置的针头在多次试验下受水流直接冲击易松动且堵塞。3.对入渗过程中积水径流量的变化过程没有连续准确的监测，多采用烧杯量取与天平称重的方法记录。4.对土壤水盐的监测不够灵敏快速，且不易广泛推广使用，因多采用TDR（时域反射）技术，存在时间延迟的滞后，不能满足精细时间尺度上的监测，且价格昂贵。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种降雨强度控制简便、可模拟多种降雨环境的模拟装置，进一步的提供一种可以有效延长降雨器使用寿命的模拟装置，更进一步的提供一种可以对降雨过程中径流与水盐变化进行连续动态监测的模拟装置。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种基于FDR和光纤传感技术监测的多降雨环境入渗模拟装置，包括降雨发生单元、非饱和土壤入渗土柱单元以及传感检测单元，所述降雨发生单元包括依次管道连接的马氏瓶、供水容器和针盘降雨器以及可分别升降所述马氏瓶以及所述供水容器的升降装置，所述马氏瓶上设有气阀以及深至出水口的进气管，所述马氏瓶、所述供水容器以及所述针盘降雨器之间连接管道上均设有阀门，所述非饱和土壤入渗土柱单元包括底部填装有反滤层的玻璃柱、用于收集所述玻璃柱内土样表层径流液的第一收集容器以及用于收集所述玻璃柱内经过所述反滤层的渗流液的第二收集容器，所述传感检测单元包括用于检测所述第一收集容器重量的称量传感器、若干用于检测所述玻璃柱内不同高度土壤的水盐传感器、信号处理器以及上位机。所述针盘降雨器内设有进水消能装置。所述消能装置为安装在所述针盘降雨器内的T形台，所述T形台顶面为向上弯曲的弧形，弧面对应所述针盘降雨器进水口。所述水盐传感器采用FDR水盐传感器，。所述称量传感器采用光纤压力传感器。所述上位机为计算机。本专利技术所达到的有益效果：1、利用电控升降台、马氏瓶、供水容器与针盘降雨器有机结合，通过调节供水容器与马氏瓶之间的高度差来实现在只使用一种型号降雨器的基础上对降雨强度进行灵活控制，通过在供水容器内配置不同的溶液，可以模拟多环境下的降雨，如可以模拟存在大气污染环境下（具有一定化学离子浓度）的降水，还可以模拟含净化离子的人工降雨来中和土壤中污染物的治理效果。2、通过在降雨器内设置消能台，可以避免每次试验时同一区域针头受水流和微尘冲击，延长降雨器的可使用期限。3、基于FDR（频域反射）技术和光纤传感技术，利用光纤称重传感器和FDR水盐传感器附降雨径流以及入渗过程中的水盐变化进行精准和快速响应的监测，获得连续准确的试验数据，以实现自动化连续监测功能。4、本装置由三个独立的单元组成，复合一体，可以分别对不同单元进行拆卸，组装便利。附图说明图1是实施例中装置连接示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术的技术方案，而不能以此来限制本专利技术的保护范围。本装置如图1所示，包括三部分，分别是降雨发生单元、非饱和土壤入渗的土柱单元以及传感监测单元，具体结构如下：降雨发生单元：在电控升降台6两侧放置具有气阀2和进气管1的马氏瓶3与供水容器7，用橡胶软管5连接二者，橡胶软管5上设有阀门4。供水容器7与针盘降雨器15通过橡胶软管9连接，橡胶软管9上设有阀门8，针盘降雨器15（针头均匀分布）内部中间对应入水口处设有T形消能台16，消能台16顶面为弧形，可以缓冲入水，避免对中部针头持续冲击，延长降雨器15的使用寿命；非饱和土壤入渗的土柱单元：根据每次试验所需土柱高度，使用法兰18连接安装已打孔且具有传感器支撑台23的有机玻璃柱17，使用具有阀门10的橡胶软管11在柱体右侧连接径流收集容器12，使用具有阀门19的橡胶软管21在柱体左侧连接渗流收集容器20，在有机玻璃柱17底部填装5cm厚度的砾石，和一层过滤铜丝网共同构成柱体反滤层22，用于通气排水，形成自由出渗边界；传感监测单元：根据试验需要准备FDR（频域反射）水盐传感器24若干，将其传输线一端连接于RS485转换器25，将RS485转换器25一端连接于计算机26；在径流收集容器12下方安放光纤称重传感器13，将其传输线一端连接于光纤调解器14，将光纤调解器14一端连接于计算机26。使用方法如下：装置注水：保持出水口阀门4与出水口阀门8打开，利用电控升降台6将马氏瓶3降于最底端，打开气阀2；关闭出水口阀门8，向供水容器7内加注一定量去离子水，同时调节其高度，使其底部与马氏瓶3顶部齐平，利用水头差，水由供水容器7自动注入马氏瓶3，当马氏瓶水将满时，关闭出水口阀门4与气阀2。降雨发生单元的雨强率定：利用电控升降台6调整马氏瓶3的高度略高于供水容器7，高度差计为H1，供水容器7与针盘降雨器15的高度差始终恒定为H，位置如图1中所示。如此将位置调整好后，打开出水口阀门4，供水容器7的水位随即上升至一定高度h1并保持稳定（h1与H1为恒定差值下的正相关变化关系）。保持H1不变，且整个降雨发生装置气密性良好，打开出水口阀门8，水流进入针盘降雨器15，首先冲击缓冲消能台16，避免了试验过程中对中心部位针头的直接冲击，保证装置可长期使用。降雨发生过程中，供水容器7的水位将保持h1恒定，当针盘降雨器15充满水后，与供水容器7形成连续水体，可传播水压，此时针盘降雨器15的降雨量等于马氏瓶3水位下降水量，用此变化水量可率定装置在此种高度位置下的降雨强度，率定为小雨范围（<10.0mm）。保证供水容器7的垂直高度不变，使用电控升降台6调整马氏瓶3的高度适当增大至H2，供水容器7的水位也随之增大至h2并保持恒定，针盘降雨器15的降雨速度增大，降雨强度增大，降雨量等于马氏瓶3水位下降的水量，用此变化水量可率定装置在此种高度位置下的降雨强度，率定为中雨范围（10.1-25.0mm）。保证供水容器7的垂直高度不变，使用电控升降台6调整马氏瓶3的高度适当增大至H3，供水容器7的水位也随之增大至h3并保持恒定，针盘降雨器15的降雨速度增大，降雨强度增大，降雨量等于马氏瓶3水位下降的水量，用此变化水量可率定装置在此种高度位置下的降雨强度，率定为大雨范围（25.1-50.0mm）。保证供水容器7的垂直高度不变，使用电控升降台6调整马氏瓶3的高度适当增大至H4，供水容器7的水位也随之增大至h4并保持恒定，针盘降雨器15的降雨速度增大，降雨强度增大，降雨量等于马氏瓶3水位下降的水量，用此变化水量可率定装置在此种高度位置下的降雨强度，率定为暴雨范围（50.0-100.0mm）。具体实施例一：模拟不同降雨强度（小雨、中雨、大雨、暴雨）条件下，非饱和土壤的水盐运移连续监测。操作步骤：（1）根据装置的前期安装步骤进行组装。（2）配置研究所需的具有本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于FDR和光纤传感技术监测的多降雨环境入渗模拟装置，其特征是，包括降雨发生单元、非饱和土壤入渗土柱单元以及传感检测单元，所述降雨发生单元包括依次管道连接的马氏瓶（3）、供水容器（7）和针盘降雨器（15）以及可分别升降所述马氏瓶（3）以及所述供水容器（7）的升降装置（6），所述马氏瓶（3）上设有气阀（2）以及深至出水口的进气管（1），所述马氏瓶（3）、所述供水容器（7）以及所述针盘降雨器（15）之间连接管道上均设有阀门，所述非饱和土壤入渗土柱单元包括底部填装有反滤层（22）的玻璃柱（17）、用于收集所述玻璃柱（17）内土样表层径流液的第一收集容器（12）以及用于收集所述玻璃柱（17）内经过所述反滤层（22）的渗流液的第二收集容器（20），所述传感检测单元包括用于检测所述第一收集容器（12）重量的称量传感器（13）、若干用于检测所述玻璃柱（17）内不同高度土壤的水盐传感器（24）、信号处理器以及上位机。

【技术特征摘要】
1.一种基于FDR和光纤传感技术监测的多降雨环境入渗模拟装置，其特征是，包括降雨发生单元、非饱和土壤入渗土柱单元以及传感检测单元，所述降雨发生单元包括依次管道连接的马氏瓶（3）、供水容器（7）和针盘降雨器（15）以及可分别升降所述马氏瓶（3）以及所述供水容器（7）的升降装置（6），所述马氏瓶（3）上设有气阀（2）以及深至出水口的进气管（1），所述马氏瓶（3）、所述供水容器（7）以及所述针盘降雨器（15）之间连接管道上均设有阀门，所述非饱和土壤入渗土柱单元包括底部填装有反滤层（22）的玻璃柱（17）、用于收集所述玻璃柱（17）内土样表层径流液的第一收集容器（12）以及用于收集所述玻璃柱（17）内经过所述反滤层（22）的渗流液的第二收集容器（20），所述传感检测单元包括用于检测所述第一收集容器（12）重量的称量传感器（13）、若干用于检测所述玻璃柱（17）内不同高度土壤...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈堂清，饶文波，王雅宁，王帅，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：新型
国别省市：江苏,32