一种获取Green Ampt模型下渗参数的实验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种获取Green Ampt模型下渗参数的实验装置，包括降雨量控制装置、雨滴生成器、可调节框架和坡面土壤含水率监测装置。本发明专利技术还公开了所述实验装置的具体操作方法，利用所述实验装置在野外实时测量不同地貌、不同雨强和土壤含水率条件下的降雨径流过程和G-A模型参数提取，迅速获取无资料地区短历时暴雨特征和模拟参数。本发明专利技术可以克服无资料地区下渗模拟难的缺点，解决其短历时降雨计算的难题，装置本身结构合理，易于操作，方法简单实用，可行性强，算法快捷。

【技术实现步骤摘要】
一种获取GreenAmpt模型下渗参数的实验装置及方法
本专利技术公开了一种获取GreenAmpt模型下渗参数的实验装置及方法，涉及一种在水文学或土壤学科学实验中自动提取下渗参数的装置与方法，属于无资料地区的水文学径流形成规律与模拟研究

技术介绍
在水文循环中，下渗过程是陆地水文过程的重要环节，它决定了降雨产流机制和分水源问题的精度，特别是地表径流较小的无资料地区水文模拟中，下渗过程的精度问题极大地影响地表水预测预报的精度。对土壤界面上的下渗过程和地表产流过程来说，土壤的水力特征是他们的决定因素之一，陆地水文研究的主要研究环境也与土壤多孔介质密切相关。可以说，地表径流形成机理与下渗机制都依赖于对土壤介质特征的理解。这种依赖关系都直接或者间接地体现在许多水文模型系统中，许多的经典水文模型都在土壤科学的基础上建立。Green-Ampt(G-A)模型就是其中一个具有物理机理且依赖土壤水力特征的下渗模型。G-A模型不仅在机理上有明确的物理意义而且在大型水文模型的计算上也有突出的表现。鉴于这些独特的优势，G-A模型成为众多分布式模型地表水产流模块的首选。与所有概念模型一样，G-A模型的应用也面临参数估计的问题。目前，G-A模型的参数往往是经验法或者理论转换方法，但是不同参数转换法存在精度差异。这种差异尚没有专门的研究和解决方案。也有许多学者进一步拓展了G-A模型概念，将其发展为适应复杂土壤结构的下渗模型，并提出了一些新的改进方程和理论参数估计。其中最为常见的方式为依赖土壤水力特征函数(也称土壤传输函数)建立不同土壤类别的G-A参数估计法。通过土壤传输函数，他们估计出理论上的土壤毛管势，并通过经验估计法得出有效的水力传导度等价于饱和水力传导度的一半。这些假设在长期的应用中得到认可，同时，也是成为模型应用中一个潜在的误差源头。这个误差在分布式水文模型网格化计算过程逐步放大，影响水文计算的精度和准确度。在无资料地区，野外校验模型参数的难度更大。为了避免上述问题，许多的学者进行了野外的渗流实验。他们希望在满足G-A模型假设条件下测定蓄水状态下的下渗过程。尽管如此，这种方式并不能适应G-A模型应用的实际情况，比如G-A在降雨径流产生前的一段时间内地表是处于不完全供水状态。在应用G-A模型预测地表径流时，这种差异可能因为了产流比率和分布式模型网格化运算的不同而逐步放大。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：针对现有技术的缺陷，本专利技术利用野外降雨过程的平衡原理提出一种提取G-A下渗参数的装置与优化参数方法，可以克服无资料地区下渗模拟的缺点，解决其短历时降雨计算的难题。本专利技术所公开的装置结构合理，易于操作，方法简单实用，可行性强。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种获取GreenAmpt模型下渗参数的实验装置，包括降雨量控制装置、雨滴生成器、可调节框架和坡面土壤含水率监测装置，其中：所述降雨量控制装置由马氏瓶系统、超声波感应器、第一直管和第二直管组成，马氏瓶系统进行模拟降雨强度调节和控制恒定水头，马氏瓶系统的水箱底部设置有用以测定瓶内水量变化过程的超声波感应器，马氏瓶系统的瓶口贯穿的设置有用以连通大气的第一直管和用以连接雨滴生成器的第二直管；所述雨滴生成器包括底板和外壳，底板和外壳封闭构成上端面凸起的中空矩形，上端面凸起处的中心设置有排气管和集水管，所述排气管用以预排雨滴生成器内的空气，等到中空矩形内的空气排完后，将排气管封闭，所述集水管与降雨量控制装置的第二直管相连接；所述底板上均匀的布设孔，每个孔上还设置有与其直径相一致的孔塞；所述可调节框架包括用以固定雨滴生成器的固定平面，所述固定平面的四个角依次与两个后侧支杆和两个前侧支杆的一端相连，所述两个后侧支杆的另一端与旋转轴横梁的两端固定连接，旋转轴横梁的两端还分别和两根基座横梁的一端相连，所述两个前侧支杆的另一端分别可滑动的套接或者固定连接在所述基座横梁上，所述基座横梁的两个自由端、基座横梁与旋转轴横梁的连接处还分别设置四个可调节伸缩桩；所述坡面土壤含水率监测装置的形状为切面是直角三角形的三棱柱，三棱柱的两条直角边分别对应水平和竖直方向，三棱柱的斜边上设置有实验坡面，所述实验坡面与水平面的接口处设置有水槽，所述水槽中设置有水位计，所述实验坡面的上方设置有Datalog采集器，Datalog采集器的输入端与土壤水分探针相连接，土壤水分探针插入实验坡面内；水槽收集地表直接径流，水位计实时记录径流形成的水深并折算成径流深度，Datalog采集器同时记录实验过程的累计模拟雨量、径流收集径流深度和被测土块的土壤水分变化曲线。作为本专利技术的进一步优选方案，所述雨滴生成器的孔内还设置有标准点胶针头。作为本专利技术的进一步优选方案，所述外壳和底板使用透明塑料或有机玻璃板，且经过密封防水处理。作为本专利技术的进一步优选方案，所述后侧支杆为高度可调节的支杆。本专利技术还公开了基于所述获取GreenAmpt模型下渗参数的实验装置的实验方法，具体步骤如下：步骤一、建立改进后的适应降雨径流模拟的GreenAmpt模型：tp＝Ip/p；其中，Ke表示有效的水力传导读，t表示实验时记录的时间序列，tp表示地表蓄水起始时刻，ts表示未达到表层蓄水前的时间变量，I为与t对应的实时累积入渗量，S表示湿润锋处的毛管势，θs表示饱和含水率，取值为0至1，θi表示土壤初始含水率，取值为0到θs，Ip表示地表开始蓄水时累计下渗水量，p表示降雨强度；步骤二、启动实验装置后，记录时间序列t；由降雨量控制装置对降压强度p进行控制；根据Datalog采集器所记录的土壤水分记录数据计算含水率变化参数θs-θι；通过记录的累积模拟降雨量和坡面下水槽中记录的径流量计算得出地表开始蓄水时累计下渗水量Ip；根据坡面土壤含水率监测装置中土壤类型的不同确定有效的水力传导读数Ke和湿润锋处的毛管势S；步骤三、采用Levenberg-Marquardt优化算法，将实测含水率和累计入渗量纳入优化算法中实时的自率定序列，选定化简参数Ke和MS，其中，Ms＝S×(θs-θι)，得出最优化目标函数，表达式如下：步骤四、根据雅可比行列式参数：计算出最优化的GreenAmpt模型下渗参数Ke和Ms。作为本专利技术的进一步优本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种获取Green Ampt模型下渗参数的实验装置，其特征在于：包括降雨量控制装置、雨滴生成器、可调节框架和坡面土壤含水率监测装置，其中：所述降雨量控制装置由马氏瓶系统、超声波感应器、第一直管和第二直管组成，马氏瓶系统进行模拟降雨强度调节和控制恒定水头，马氏瓶系统的水箱底部设置有用以测定瓶内水量变化过程的超声波感应器，马氏瓶系统的瓶口贯穿的设置有用以连通大气的第一直管和用以连接雨滴生成器的第二直管；所述雨滴生成器包括底板和外壳，底板和外壳封闭构成上端面凸起的中空矩形，上端面凸起处的中心设置有排气管和集水管，所述排气管用以预排雨滴生成器内的空气，等到中空矩形内的空气排完后，将排气管封闭，所述集水管与降雨量控制装置的第二直管相连接；所述底板上均匀的布设孔，每个孔上还设置有与其直径相一致的孔塞；所述可调节框架包括用以固定雨滴生成器的固定平面，所述固定平面的四个角依次与两个后侧支杆和两个前侧支杆的一端相连，所述两个后侧支杆的另一端与旋转轴横梁的两端固定连接，旋转轴横梁的两端还分别和两根基座横梁的一端相连，所述两个前侧支杆的另一端分别可滑动的套接或者固定连接在所述基座横梁上，所述基座横梁的两个自由端、基座横梁与旋转轴横梁的连接处还分别设置四个可调节伸缩桩；所述坡面土壤含水率监测装置的形状为切面是直角三角形的三棱柱，三棱柱的两条直角边分别对应水平和竖直方向，三棱柱的斜边上设置有实验坡面，所述实验坡面与水平面的接口处设置有水槽，所述水槽中设置有水位计，所述实验坡面的上方设置有Datalog采集器，Datalog采集器的输入端与土壤水分探针相连接，土壤水分探针插入实验坡面内；水槽收集地表直接径流，水位计实时记录径流形成的水深并折算成径流深度，Datalog采集器同时记录实验过程的累计模拟雨量、径流收集径流深度和被测土块的土壤水分变化曲线。...

【技术特征摘要】
1.一种获取GreenAmpt模型下渗参数的实验装置的实验方法，实验装置包括降雨量控制装置、雨滴生成器、可调节框架和坡面土壤含水率监测装置，其中：所述降雨量控制装置由马氏瓶系统、超声波感应器、第一直管和第二直管组成，马氏瓶系统进行模拟降雨强度调节和控制恒定水头，马氏瓶系统的水箱底部设置有用以测定瓶内水量变化过程的超声波感应器，马氏瓶系统的瓶口贯穿的设置有用以连通大气的第一直管和用以连接雨滴生成器的第二直管；所述雨滴生成器包括底板和外壳，底板和外壳封闭构成上端面凸起的中空矩形，上端面凸起处的中心设置有排气管和集水管，所述排气管用以预排雨滴生成器内的空气，等到中空矩形内的空气排完后，将排气管封闭，所述集水管与降雨量控制装置的第二直管相连接；所述底板上均匀的布设孔，每个孔上还设置有与其直径相一致的孔塞；所述可调节框架包括用以固定雨滴生成器的固定平面，所述固定平面的四个角依次与两个后侧支杆和两个前侧支杆的一端相连，所述两个后侧支杆的另一端与旋转轴横梁的两端固定连接，旋转轴横梁的两端还分别和两根基座横梁的一端相连，所述两个前侧支杆的另一端分别可滑动的套接或者固定连接在所述基座横梁上，所述基座横梁的两个自由端、基座横梁与旋转轴横梁的连接处还分别设置四个可调节伸缩桩；所述坡面土壤含水率监测装置的形状为切面是直角三角形的三棱柱，三棱柱的两条直角边分别对应水平和竖直方向，三棱柱的斜边上设置有实验坡面，所述实验坡面与水平面的接口处设置有水槽，所述水槽中设置有水位计，所述实验坡面的上方设置有Datalog采集器，Datalog采集器的输入端与土壤水分探针相连接，土壤水分探针插入实验坡面内；水槽收集地表直接径流，水位计实时记录径流形成的水深并折算成径流深度，Datalog采集器同时记录实验过程的累计模拟雨量、径流收集径流深度和被测土块的土壤水分变化曲线；其特征在于，实验方法具体步骤如下：步骤一、建立改进后的适应降雨径流模拟的GreenAmpt模型：tp＝Ip/p；其中，Ke表示有效的水力传导读数，t表示实验时记录的时间序列，tp表示地表蓄水起始时刻，ts表示未达到表层蓄水前的时间变量，I为与t对应的实时累积入渗量，S表示湿润锋处的毛管势，θs表示饱和含水率，取值为0至1，θi表示土壤初始含水率，取值为0到θs，Ip表示地表开始蓄水时累计下渗水量，p表示降雨强度；步骤二、启动...

【专利技术属性】
技术研发人员：向龙，余钟波，陈力，杨涛，陈星，张其成，黄冬菁，朱永澍，龙珂良，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32