一种原位降雨入渗和径流分配测量系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了一种原位降雨入渗和径流分配测量系统和方法，属于水文学、环境科学及地质学技术领域，采用的技术手段是一种原位降雨入渗和径流分配测量系统，包括设置在测试区域的降雨测量系统、入渗测量系统和径流测量系统，降雨测量系统中包括借助支架固定在测试区域的雨量计；入渗测量系统包括借助剖面安装管布设在土壤不同深度的水分传感器；径流测量系统包括集水池、挖设在测试区域周边并与集水池联通的集流沟和设置在集流沟与集水池接口处的水位及水量测量装置。优点如下：方便携带，可快速安装，造价低，使用和维护方便简单，使用完毕后方便拆卸回收；避免了实验室的误差与环境限制，结果更为真实准确；可安装在不同的下垫面上，适用范围广。

System and method for in situ rainfall infiltration and runoff distribution measurement

The invention discloses a method for in situ rainfall infiltration and runoff distribution measurement system and method, which belongs to the hydrology, environmental science and technology in the field of geology, technology by means of an in situ rainfall infiltration and runoff distribution measurement system, including test set in the regional rainfall measurement system, infiltration runoff measurement system and measurement system the measurement system includes the rainfall, the bracket is fixed on the test area of the rain gauge; infiltration measurement system including profile installation pipe laid in different depth of soil moisture sensor; runoff measurement system includes a pool, located in the surrounding area and digging test set collecting ditch and set the water level in the water tank communicated collecting ditch and sump interface and water measuring device. Has the following advantages: convenient carrying, quick installation, low cost, convenient use and simple maintenance, convenient disassembly and recycling after use; to avoid the errors and limitations of the laboratory environment, the result is more accurate; can be installed on different surfaces, wide application range.

【技术实现步骤摘要】
一种原位降雨入渗和径流分配测量系统和方法
本专利技术涉及水文学、环境科学及地质学
，具体涉及一种原位降雨入渗和径流分配测量系统和方法。
技术介绍
降水是气候特征的重要体现，是重要的水文和气候要素，入渗及径流特征是土壤水分平衡、生态系统水循环的重要影响因素，是生态系统水文研究的重要组成部分，对区域资源的时空分布、生态环境形成与演变及农业生产起着决定性的作用。降雨、入渗、径流等水文过程都伴随着自然环境变化与物质迁移现象，涉及到水文学、环境科学、农业学以及林业学等，准确获取一定时间段降雨分配到入渗、径流量比例和过程，是研究其中涉及的水文过程、污染物迁移规律、水土流失、水资源再分配的基础。目前，降雨科研观测设备大部分集中在人工模拟降雨系统，降雨入渗试验装置通常是通过在实验室内设计并制作入渗测量实验装置，然后模拟人工降雨，将供试土壤运输至实验室重新回填后进行入渗试验测量，然而，这些装置在使用中不可避免的是，首先，在土壤的攫取、搬运以重装的过程中，土壤的各种物理参数发生了很大变化，很难保持土壤的原状性，第二，实验环境无法完全模拟真实环境，尺寸规模受到限制，边界效应等影响测试结果，导致结果误差较大，不能如实反映真实的降水入渗情况。同样的，对土壤水入渗的测量方法很多，如单环入渗仪、双环入渗仪、张力入渗仪等，然而，这些方法都是在一定的水头驱动下，测定土壤在饱和情况下的导水能力，一方面，由于上述实验方法与天然降水情况差异较大，另一方面，仪器安装过程中对土面的破坏引起的边界效应等问题凸显，导致这些方法的测定值与天然降水的入渗情况有较大的差异。传统的径流分配测量系统需构建径流场，径流场通常由边埂、边埂围成的小区、集流槽、径流和泥沙集蓄设备、保护带及排水系统组成，该测量系统及方法的工程造价较高，运行费用大且测量误差不易控制，这些给传统的径流分配测量带来诸多不便和困难。CN201620330519的专利公开了一种原位土壤降雨入渗测量装置，但其装置结构复杂众多，使用不便，更重要的是，其装置中降雨箱体、尤其是底部入渗板的设置，大大影响了自然降雨的地表入渗和径流过程，且其中存在较大的边界影响，其测得的土壤入渗数据必然与真实情况差距较大。能同时在实际研究中真实测量降雨过程中土壤入渗与径流分配的测试装置及方法目前还很缺乏，对水文、环境科学等的研究受到了较大的限制。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种原位降雨入渗和径流分配测量系统和方法，用以解决现有降雨入渗、径流分配测量误差大、测量过程困难复杂、工程造价高的问题，本专利技术通过在测试区域现场构建测量系统，科学安装测量装置，实现了真实测量自然降雨环境下的入渗和径流分配，结果准确，可靠性强。为实现上述目的，本专利技术首先提供一种原位降雨入渗和径流分配测量系统，作为本专利技术的关键是，所述测量系统包括设置在测试区域的降雨测量系统、入渗测量系统和径流测量系统，所述降雨测量系统中包括借助支架固定在测试区域的雨量计；入渗测量系统包括借助剖面安装管布设在土壤不同深度的水分传感器；径流测量系统包括集水池、挖设在测试区域周边并与集水池联通的集流沟和设置在集流沟与集水池接口处的水位及水量测量装置。优选的，所述测量系统中还包括控制系统，所述控制系统中包括信号输入端分别与雨量计水分传感器水位及水量测量装置连接的采集器、与采集器信号输出端连接的综合处理器和与综合处理器信号输出端分别连接的存储器及客户端，所述测量系统借助控制系统形成自动测量。优选的，所述集水池为矩形、正方形、圆形或椭圆形，集流沟的截面形状为倒等腰三角形或矩形。优选的，所述水分传感器在土壤的每个深度至少布置3个。优选的，所述集流沟和/或集水池的边缘分别加设高度为5-10cm的过滤板。本专利技术还提供一种原位降雨入渗和径流分配测量方法，基于上述包括降雨测量系统、入渗测量系统和径流测量系统的原位降雨入渗和径流分配测量系统，所述方法包括以下步骤：(1)选定测试区域；(2)安装原位降雨入渗和径流分配测量系统2-a、安装入渗测量系统：以土壤选定的各深度分别作为入渗测量单元，每个入渗测量单元安装至少一个水分传感器；2-b、安装降雨测量系统：借助支架在测试区域固定安装雨量计；2-c、布设径流测量系统：沿测试区域周边挖设矩形集流沟，并开挖与集流沟联通的集水池，最后在集流沟与集水池接口处设置水位及水量测量装置；(3)降雨开始后，收集测试时间段内雨量计采集的降雨深度H和入渗测量系统采集的测试结束时的土壤含水量θn、各水分传感器测量的土壤土层厚度Hn及其对应控制的土壤面积Sn，(4)根据采集数据计算4-a、根据I＝SH计算测试时间段降雨量I，式中S为测试区域面积；4-b、根据Q总＝Q1+Q2+…+Qn，Qn＝SnHn(θn-θns)，计算测试时间段土壤第n个入渗测量单元对应的土层土壤水量变化Qn和测试区域土层土壤总水量变化Q总，式中θns为初始土壤含水量；4-c、根据R总＝R池+R沟计算测试时间段内测试区域的总径流量R总，集水池的水流量变化值R池＝S池H池，集流沟的水流量R沟＝B沟H沟L沟，式中：S池为集水池底面积，H池为测试时间段集水池水位高度变化值，B沟为集流沟宽度，H沟为测试时间段集流沟内水位高度变化值，L沟为集流沟长度；4-d、根据水量平衡公式I＝Q总+R总+Q截，计算下垫面截留水量Q截。优选的，所述方法还包括校准步骤(5)，采集集流沟和集水池接口处流量计数值R测与计算所得的总径流量R总比较，当(R总-R测)/R总绝对值≧10-30％，则处理集水池液面水平后，返回步骤4-b。优选的，所述测量系统中还包括控制系统，所述控制系统中包括信号输入端分别与雨量计、水分传感器、水位及水量测量装置连接的采集器和与采集器信号输出端连接的综合处理器及与综合处理器信号输出端分别连接的存储器、客户端，所述测量系统借助控制系统形成自动控制测量，所述步骤(3)中，降雨开始后，控制系统接收雨量计的信号并立即进行系统初始化，首先采集初始土壤含水量θns。优选的，所述集水池挖设形状为矩形、正方形、圆形或椭圆形。本专利技术方法具有如下优点：(1)本专利技术提供的降雨入渗和径流分配测量系统方便携带，可快速安装，造价低，使用和维护方便简单，使用完毕后方便拆卸回收，便于下次需要时重复使用；(2)本降雨入渗和径流分配测量系统能够在多种地表及野外条件下适用监测测量，避免了实验室的误差与环境限制，符合科学试验重复性原则，得出的结果更为真实准确；(3)本系统可根据测量对象安装在不同地面覆盖(草地、裸地和作物等)、不同坡度的下垫面上，适用范围广。附图说明图1为本专利技术的原位降雨入渗和径流分配测量系统的平面布置示意图。图2为本专利技术的入渗测量系统安装的剖面示意图。图3为本专利技术的实施例集水池剖面示意图。图4为本专利技术的实施例集流沟剖面示意图。图中，1代表雨量计，2代表入渗测量系统，21代表水分传感器，22代表安装管，23代表安装孔，3代表径流测量系统，31代表集流沟,311代表集流沟边缘过滤板，312代表集流沟盖，32代表集水池，321代表集水池边缘过滤板，322代表集水池盖，33代表水位计，34代表流量计。具体实施方式以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。实施例1本实施例提供一种原位降雨入渗和径流分配测量系统，参见图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种原位降雨入渗和径流分配测量系统，其特征在于，所述测量系统包括设置在测试区域的降雨测量系统、入渗测量系统和径流测量系统，所述降雨测量系统中包括借助支架固定在测试区域的雨量计；入渗测量系统包括借助剖面安装管布设在土壤不同深度的水分传感器；径流测量系统包括集水池、挖设在测试区域周边并与集水池联通的集流沟和设置在集流沟及集水池内的水位及水量测量装置。

【技术特征摘要】
1.一种原位降雨入渗和径流分配测量系统，其特征在于，所述测量系统包括设置在测试区域的降雨测量系统、入渗测量系统和径流测量系统，所述降雨测量系统中包括借助支架固定在测试区域的雨量计；入渗测量系统包括借助剖面安装管布设在土壤不同深度的水分传感器；径流测量系统包括集水池、挖设在测试区域周边并与集水池联通的集流沟和设置在集流沟及集水池内的水位及水量测量装置。2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述测量系统中还包括控制系统，所述控制系统中包括信号输入端分别与雨量计水分传感器水位及水量测量装置连接的采集器、与采集器信号输出端连接的综合处理器和与综合处理器信号输出端分别连接的存储器及客户端，所述测量系统借助控制系统形成自动测量。3.根据权利要求1或2所述的测量系统，其特征在于，所述集水池为矩形、正方形、圆形或椭圆形，集流沟的截面形状为倒等腰三角形或矩形。4.根据权利要求1或2所述的测量系统，其特征在于，所述水分传感器在土壤的每个深度至少布置3个。5.根据权利要求1或2所述的测量系统，其特征在于，所述集流沟和/或集水池的边缘分别加设高度为5-10cm的过滤板。6.一种原位降雨入渗和径流分配测量方法，基于包括降雨测量系统、入渗测量系统和径流测量系统的原位降雨入渗和径流分配测量系统，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)选定测试区域；(2)安装原位降雨入渗和径流分配测量系统2-a、安装入渗测量系统：以土壤选定的各深度分别作为入渗测量单元，每个入渗测量单元安装至少一个水分传感器；2-b、安装降雨测量系统：借助支架在测试区域固定安装雨量计；2-c、布设径流测量系统：沿测试区域周边挖设矩形集流沟，并开挖与集流沟联通的集水池，最后在集流沟与集水池接口处设置水位及水量测量装置；(3)降雨开始后，收集测试时间段内雨量计采集的降雨深度H和入渗测量系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：王小军，张建云，陈凤，王国庆，田晓庆，贺瑞敏，金君良，刘艳丽，刘翠善，鲍振鑫，张旭，王炳轩，
申请(专利权)人：水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院，
类型：发明
国别省市：江苏,32