【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及降雨入渗研究试验，特别是涉及一种模拟降雨间隔入渗过程的可视化试验装置及方法。
技术介绍
1、全球变暖进程加剧，干旱和半干旱地区的面积正不断扩张。干旱和半干旱地区，气候干燥，蒸发强烈，地表水资源匮乏，地下水资源相对丰富。是该地区工农业生产及人类生活用水的重要来源。然而，近年来受人类活动和气候变化的影响，地下水位持续下降，会诱发一系列的地质环境和生态问题。地下水补给是地下水资源的重要组成部分，农药化肥等地表的污染物会随着降雨入渗到包气带和地下水，因此研究降雨入渗补给地下水的机理至关重要。降雨入渗补给地下水的过程涉及大气降水和蒸散发等过程。入渗补给过程受气候变化、土壤温度等因素的影响，特别是在干旱和半干旱地区，降雨稀少，蒸发强烈，降雨从地表运移到潜水面需要一定时间，蒸散发量计算的不确定性会直接导致获得补给量的不确定性。因此，不同降雨间隔下的降雨入渗补给动态变化过程难以被直接观测，定量化评价地下水的补给量面临巨大挑战。
2、由于深部地层普遍位于覆盖层之下，降雨入渗补给地下水研究缺乏有效的原位、实时观测手段。目前针对降雨入渗补给规律的研究多依赖三维染色示踪渗流试验，即在模型箱中设置多个水分计监测蒸发量变化，最后通将模型箱中的土体取出进行微观结构分析，由于无法观测到试验过程中降雨入渗补给的具体过程，其性质上类似于黑箱模型，不利于科学研究和工程活动。目前国内外对降雨入渗补给规律的研究多集中于野外宏观尺度，而在细观机理方面研究较少；而针对机理的研究则多集中于降雨入渗到达深部地层的入渗过程，对于考虑蒸散发影响的降雨入渗补
3、现有的模拟真实降雨条件和考虑蒸散发影响的降雨入渗过程研究主要通过三维模型试验，通过设置一定数量的水分计探头来对入渗过程水分变化进行研究，而无法可视化其降雨入渗补给过程。因此，亟需一种可模拟不同降雨间隔入渗过程的可视化试验装置。
技术实现思路
1、为解决以上技术问题，本专利技术提供一种模拟降雨间隔入渗过程的可视化试验装置及方法，通过光透射技术和质量守恒定律，实现对考虑真实降雨条件和蒸散发影响的降雨入渗补给过程的动态监测量化。
2、为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
3、本专利技术提供一种模拟降雨间隔入渗过程的可视化试验装置，包括平行光源、相机、监测系统、透明砂箱模型、第一称重机构、第二称重机构和模拟降雨机构；所述透明砂箱模型设置于所述平行光源和所述相机之间，所述模拟降雨机构用于向所述透明砂箱模型注入模拟雨水；所述第一称重机构设置于所述透明砂箱模型的正下方，所述第二称重机构设置于所述透明砂箱模型的两侧的下方；所述第一称重机构顶部设置有废液回收槽，所述废液回收槽用于承接从所述透明砂箱模型滴落的模拟雨水，所述第一称重机构用于采集所述废液回收槽的实时质量变化信息；所述第二称重机构用于实时采集所述透明砂箱模型的质量变化信息；所述相机、所述第一称重机构、所述第二称重机构和所述模拟降雨机构均与所述监测系统电控连接。
4、可选的，所述第一称重机构包括第二电子天平，所述废液回收槽设置于所述第二电子天平的顶部。
5、可选的，所述第二称重机构包括第一电子天平和第三电子天平；所述第一电子天平和所述第三电子天平之间设置有一长底板，所述透明砂箱模型设置于所述长底板上。
6、可选的，所述第一电子天平下方设置有第一金属垫板，所述第三电子天平下方设置有第二金属垫板；所述第一金属垫和所述第二金属垫板用于使所述第一电子天平和所述第三电子天平的顶部高于所述第三电子天平。
7、可选的，所述模拟降雨机构包括模拟降雨雨源和流体泵入装置，所述流体泵入装置与所述模拟降雨雨源相连通，所述模拟降雨雨源设置于所述透明砂箱模型的顶部。
8、可选的，所述流体泵入装置包括可编程注射泵、注射器和管道；所述注射器设置于所述可编程注射泵上，所述可编程注射泵用于驱动所述注射器；所述管道用于连通所述注射器和所述模拟降雨雨源。
9、可选的，所述平行光源和所述模拟降雨机构之间设置有固定架，所述固定架用于调整所述平行光源和所述模拟降雨机构之间的距离。
10、本专利技术还提供一种基于上述的模拟降雨间隔入渗过程的可视化试验装置的方法，包括以下步骤，
11、s1：制作透明砂箱模型；
12、s2：在光学平台上安装好试验装置，把制作好的透明砂箱模型放置在第二称重机构的中心位置，打开平行光源和相机，使相机的视野对焦在透明砂箱模型平面上；
13、s3：操控流体泵入装置，将模拟雨水装入注射器，安装好注射器，连接注射器与模拟降雨雨源间的管道，设定好泵入流量和降雨间隔，开启开关，将模拟雨水以恒定速率泵入模拟降雨雨源中，进而在透明砂箱模型中均匀降雨；
14、s4：打开监测系统，调整第一称重机构和第二称重机构的记录间隔，使其与相机的采集帧率相匹配，通过监测系统开启相机的记录模式，记录降雨入渗的流动图像并采集第一称重机构和第二称重机构上的实时质量变化数据。
15、本专利技术相对于现有技术取得了以下技术效果：
16、本专利技术中的模拟降雨间隔入渗过程的可视化试验装置及方法，基于朗伯比尔定律的光透射技术，可以精准捕捉在不同降雨间隔条件下的流体界面的动态特征，解决了现有模拟真实降雨条件的降雨入渗实验，只能通过在三维模型中设施多个水分计来捕捉土柱内水分变化来反向推测入渗指流形态，而不能实时观测指流真实形态的技术问题；本专利技术通过在不同垂直高度放置电子天平，基于质量守恒定律，可以精准测量模型蒸发量和深层补给量。通过可视化方法，可以同时观察指流形态的变化，从而有利于理解指流对蒸发和深层补给量的影响。
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1.一种模拟降雨间隔入渗过程的可视化试验装置，其特征在于，包括平行光源、相机、监测系统、透明砂箱模型、第一称重机构、第二称重机构和模拟降雨机构；
2.根据权利要求1所述的模拟降雨间隔入渗过程的可视化试验装置，其特征在于，所述第一称重机构包括第二电子天平，所述废液回收槽设置于所述第二电子天平的顶部。
3.根据权利要求2所述的模拟降雨间隔入渗过程的可视化试验装置，其特征在于，所述第二称重机构包括第一电子天平和第三电子天平；所述第一电子天平和所述第三电子天平之间通过所述透明砂箱模型的长底板相连，所述透明砂箱模型通过胶水与长底板紧密连接。
4.根据权利要求3所述的模拟降雨间隔入渗过程的可视化试验装置，其特征在于，所述第一电子天平下方设置有第一金属垫板，所述第三电子天平下方设置有第二金属垫板；所述第一金属垫和所述第二金属垫板用于使所述第一电子天平和所述第三电子天平的顶部高于所述第二电子天平。
5.根据权利要求1所述的模拟降雨间隔入渗过程的可视化试验装置，其特征在于，所述模拟降雨机构包括模拟降雨雨源和流体泵入装置，所述流体泵入装置与所述模拟降雨
6.根据权利要求5所述的模拟降雨间隔入渗过程的可视化试验装置，其特征在于，所述流体泵入装置包括可编程注射泵、注射器和管道；所述注射器设置于所述可编程注射泵上，所述可编程注射泵用于驱动所述注射器；所述管道用于连通所述注射器和所述模拟降雨雨源。
7.根据权利要求1所述的模拟降雨间隔入渗过程的可视化试验装置，其特征在于，所述平行光源和所述模拟降雨机构之间设置有固定架，所述固定架用于调整所述平行光源和所述模拟降雨机构之间的距离。
8.一种基于权利要求1至7任一项所述的模拟降雨间隔入渗过程的可视化试验装置的方法，其特征在于，包括以下步骤，
...【技术特征摘要】
1.一种模拟降雨间隔入渗过程的可视化试验装置，其特征在于，包括平行光源、相机、监测系统、透明砂箱模型、第一称重机构、第二称重机构和模拟降雨机构；
2.根据权利要求1所述的模拟降雨间隔入渗过程的可视化试验装置，其特征在于，所述第一称重机构包括第二电子天平，所述废液回收槽设置于所述第二电子天平的顶部。
3.根据权利要求2所述的模拟降雨间隔入渗过程的可视化试验装置，其特征在于，所述第二称重机构包括第一电子天平和第三电子天平；所述第一电子天平和所述第三电子天平之间通过所述透明砂箱模型的长底板相连，所述透明砂箱模型通过胶水与长底板紧密连接。
4.根据权利要求3所述的模拟降雨间隔入渗过程的可视化试验装置，其特征在于，所述第一电子天平下方设置有第一金属垫板，所述第三电子天平下方设置有第二金属垫板；所述第一金属垫和所述第二金属垫板用于使所述第一电子天平和所述第三电子天平的顶部高于所...
【专利技术属性】
技术研发人员：胡冉，胡桢茜，陈益峰，姚池，陈旭升，周晨星，郭威，江秋荣，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：
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