室内模拟试验的降雪入渗参数测定系统设计及应用

毛正君， 魏荣誉， 李喜安， 王秋雨

(1.西安科技大学 地质与环境学院,陕西 西安 710054；2. 长安大学 地质工程与测绘学院，陕西 西安 710054)



·仪器设备研制与开发·

室内模拟试验的降雪入渗参数测定系统设计及应用

毛正君1， 魏荣誉1， 李喜安2， 王秋雨1

(1.西安科技大学 地质与环境学院,陕西 西安 710054；2. 长安大学 地质工程与测绘学院，陕西 西安 710054)

设计一套基于室内模拟试验的降雪入渗参数测定系统，该系统包括降雪模拟、地质模型、太阳辐射热模拟和降雪入渗参数测量系统，以及测定系统箱体、试验数据采集及控制器、设置在测定系统箱体内部的冷热一体机等辅助设施。应用本系统能够研究不同坡度、强度、温度下不同土质内降雪入渗过程中降雪径流量、降雪出渗量、降雪入渗量、水分亏损量、降雪入渗率、降雪出渗率和降雪入渗系数的变化规律。

室内模拟试验； 降雪入渗参数； 测定系统； 结构设计

0 引 言

降水主要是指降雨和降雪，其他形式的降水还有露、霜、雹等[1-2]。水分以各种形式从大气到达地面统称为降水[3-4]。降水是水文循环的重要环节，也是人类用水的基本来源[5]。降水资料是分析合理洪枯水情、流域旱情的基础，也是水资源的开发利用，如防洪、发电、灌溉等的规划设计与管理运用的基础[6]。降水入渗补给地下水的过程是大气水—土壤水—地下水“三水”相互转换关系中最基本的环节之一，一般是当地地下水的主要补给方式，同时也是区域水均衡计算中的一个重要均衡要素[7-8]。降水入渗系数则是浅层地下水资源评价的一个基本参数[9]，对其的确定主要包括实验场模拟、室内实验和动态观测数据分析等。实验场模拟方法一方面可以最大限度地反映实际状态，另一方面还可以有针对性地对具体的因素进行规律性分析；室内实验方法概念明确，各项参量容易控制，比较能反映基本的变化规律；动态观测数据分析方法则最符合实际条件，但其反映的是综合结果[7, 10]。

目前，降雨入渗相关研究广泛开展[11-13]，而对于降雪入渗的研究还较少[14-16]。然而，对于我国北方地区，降雪是一种常见的降水形式。由于降雨入渗与降雪入渗存在较大差别，具体表现在：①入渗时间不同，降雪入渗主要发生在降雪完成后的消融阶段，而降雨入渗则表现为降雨与入渗处于伴随状态；②入渗的土体温度和环境温度不同，降雪入渗表现为低温入渗，而降雨入渗表现为常温入渗。与降雨入渗相比，降雪入渗的研究具有一定的复杂性。

本文设计了一种基于室内模拟试验的降雪入渗参数测定系统，该系统包括降雪模拟系统、地质模型系统、太阳辐射热模拟系统和降雪入渗参数测量系统，以及测定系统箱体、试验数据采集及控制器、设置在测定系统箱体内部的冷热一体机等辅助设施。该测定系统结构紧凑，使用操作方便，为进一步研究降雪入渗规律提供了研究途径。

1 测定系统结构设计

1.1 整体结构设计

基于室内模拟试验的降雪入渗参数测定，包括降雪模拟、地质模型、太阳辐射热模拟和降雪入渗参数测量系统，以及测定系统箱体、试验数据采集及控制器、设置在测定系统箱体内部的冷热一体机等辅助设施，其整体结构见图1。该系统能够研究不同坡度、不同降雪强度、不同温度下不同土质内降雪入渗过程中各物理量(降雪径流量、降雪出渗量、降雪入渗量、水分亏损量、降雪入渗率、降雪出渗率和降雪入渗系数)的变化规律。

降雪模拟系统包括嵌入安装在测定系统箱体顶部的降雪槽设置在降雪槽内的固定支架和嵌入安装在固定支架上的多个降雪点模拟机构。地质模型系统包括结构底座和通过多个千斤顶支撑安装在底座上的地质模型槽，其中地质模型槽内由三层结构构成，分别为处于地质模型槽内底部的经纬格栅板、中间部位的陶土板以及上部的试验土样。太阳辐射热模拟系统包括用于模拟太阳光照的电热管、用于带动电热管在测定系统箱体内前后运动的运动机构和左右运动的运动机构。降雪入渗参数测量系统包括降雪径流量测量系统和降雪出渗量测量系统。

基于室内模拟试验的降雪入渗参数测定系统试验数据采集及控制器的电路原理框图见图2。

(a) 三维立体结构图

(b) 横断面图

1-测定系统箱体，2-1-固定支架，2-2-振动筛，2-3-降雪槽，3-降雪点模拟机构，3-10-超声波测距传感器，4-地质模型槽，5-千斤顶，6-底座，7-冷热一体机，8-计算机， 9-流量传感器，10-1-降雪径流量测量分管，10-2-降雪径流量测量总管，10-3-降雪出渗量测量分管，10-4-降雪出渗量测量总管，11-降雪径流量测量量杯，12-降雪出渗量测量量杯

图1 基于室内模拟试验的降雪入渗参数测定系统整体结构

图2 试验数据采集及控制器的电路原理框图

1.2 降雪模拟系统

降雪模拟系统如图3所示，包括降雪槽、固定支架和多个降雪点模拟机构。某一降雪点模拟机构见图4，每个降雪点模拟机构包括顶部和底部均敞口设置的储冰筒以及设置在储冰筒顶部的启封盖，储冰筒的底部设置有十字支撑杆，十字支撑杆的中心安装有降雪电机，降雪电机的输出轴上固定连接有用于支撑放置到储冰筒内的冰块和切割冰块的旋转切冰刀，启封盖的内底面上连接有用于防止冰块随旋转切冰刀转动的冰块防转杆，冰块防转杆上套装有用于将冰块压紧在旋转切冰刀上的压力弹簧，冰块防转杆横截面的形状为矩形，冰块上开有供冰块防转杆穿入且与冰块防转杆紧密配合的柱状孔。

2-1-固定支架，2-2-振动筛，2-3-降雪槽，3-降雪点模拟机构

图3 降雪模拟系统

(1)主视图

(2)仰视图

2-1-固定支架，2-2-振动筛，2-3-降雪槽，3-降雪点模拟机构，3-1-启封盖，3-2-压力弹簧，3-3-储冰筒，3-4-旋转切冰刀，3-41-切冰刀体，3-42-切冰孔，3-43-金刚石刀刃，3-5-降雪电机，3-6-十字支撑杆，3-7-冰块，3-8-冰块防转杆，3-9-柱状孔，3-10-超声波测距传感器

图4 某一降雪点模拟机构

降雪槽的底部安装有用于振动降落旋转切冰刀切落的雪花的振动筛。其中一个所述储冰筒的顶部安装有超声波测距传感器。旋转切冰刀包括圆盘形的切冰刀体和均匀设置在切冰刀体上的多排从切冰刀体的中心向外发散的切冰孔，每个切冰孔内均设置有金刚石刀刃。旋转切冰刀的底端距离储冰筒的底端的距离为2～5 m，这样位于旋转切冰刀的底端下部的储冰筒的侧壁可以用于挡雪，可以保证切雪过程中不发生雪花离心现象。

1.3 地质模型系统

地质模型系统如图5所示，包括底座、多个千斤顶和地质模型槽。地质模型槽底部设置有用于在地质模型槽内底部形成储水空间的经纬格栅板，经纬格栅板上设置有多个出水孔洞，其顶部设置有陶土板，陶土板的四周边沿均与地质模型槽内壁黏接，而陶土板的顶部用于放置试验土样；具体实施时，所述千斤顶的数量为3个。使用时，通过调节多个千斤顶的高度，能够实现不同坡度的工况模拟。

4-地质模型槽，4-1-试验土样，4-2-经纬格栅板，4-3-陶土板，5-千斤顶，6-底座，10-1-降雪径流量测量分管，10-3-降雪出渗量测量分管

图5 地质模型系统

1.4 太阳辐射热模拟系统

太阳辐射热模拟系统如图6所示，包括电热管、电热管前后和左右运动机构。太阳辐射热模拟系统包括用于模拟太阳光照的电热管，用于带动电热管在测定系统箱体内前后运动的电热管前后运动机构和用于带动电热管在测定系统箱体内左右运动的电热管左右运动机构。电热管设置在地质模型系统与降雪模拟系统之间，同时电热管的旁侧设置有用于对电热管的加热温度进行实时检测的电热管温度传感器。

电热管前后运动机构包括前后运动小车和门字型框架，电热管悬挂在小车的底部。门字型框架的顶部设置有前后运动导轨，其一侧设置有前后运动电机，而另一侧设置有前后运动带轮，前后运动电机的输出轴上连接有另外一个前后运动带轮，两个前后运动带轮上连接有电热管前后运动皮带，小车与皮带固定连接。电热管左右运动机构包括沿测定系统箱体的左右方向设置的两条左右运动导轨，门字型框架的一侧底部设置有左右运动导轨、左右主动运动导轮和与左右主动运动导轮同轴连接的左右运动链轮，另一侧的底部具有相同设置。电热管前后运动导轨的前后两端分别设置有电热管前限位开关和电热管后限位开关，与电热管左右从动运动导轮相配合的电热管左右运动导轨的左右两端分别设置有电热管左限位开关和电热管右限位开关。

1-测定系统箱体，14-电热管，15-电热管前后运动小车，16-门字型框架，17-电热管前后运动导轨，18-电热管左右运动导轨，19-电热管左右运动电机，20-电热管左右运动链条，21-第二电热管左右运动链轮，22-电热管前后运动电机，23-电热管前后运动皮带，24-第一电热管前后运动带轮，25-第一电热管左右运动链轮，26-电热管左右主动运动导轮，27-电热管右限位开关，28-电热管左限位开关，29-电热管温度传感器，30-电热管后限位开关，31-电热管前限位开关，32-电热管左右从动运动导轮。

图6 太阳辐射热模拟系统的结构示意图

1.5 降雪入渗参数测量系统

降雪入渗参数测量系统包括降雪径流量测量系统和降雪出渗量测量系统。降雪径流量测量系统包括降雪径流量测量量杯和设置在地质模型槽侧面的多个降雪径流量测量孔，以及连接在多个所述降雪径流量测量孔上的多根降雪径流量测量分管和与多根降雪径流量测量分管连接并接入降雪径流量测量量杯内的降雪径流量测量总管。

降雪出渗量测量系统包括降雪出渗量测量量杯和设置在地质模型槽底面上的多个降雪出渗量测量孔，以及连接在多个所述降雪出渗量测量孔上的多根降雪出渗量测量分管和与多根降雪出渗量测量分管连接并接入降雪出渗量测量量杯内的降雪出渗量测量总管，所述降雪出渗量测量总管上设置有用于对渗出试验土样的消融水的流量进行实时检测的流量传感器。

2 参数测定方法

基于室内模拟试验的降雪入渗参数测定方法流程框图如图7所示。

图7 室内模拟试验的降雪入渗参数测定方法流程框图

2.1 构建地质模型

操作多个千斤顶，使地质模型槽处于水平放置后，将试验土样分层填装到地质模型槽内陶土板的顶部，并进行土样夯击填筑；然后，再操作多个千斤顶，调整地质模型槽的坡度为试验坡度。

2.2 装配降雪点模拟机构

冰块放入多个储冰筒内，将冰块防转杆插入柱状孔内，并启封盖连接在储冰筒顶部。

2.3 参数设置

设定每个冰块的下降高度h0，依据下式计算：

式中：Qz为总降雪量，mm3；S为冰块的横截面积，mm2；n为冰块的数量，个。

设定电热管加热温度T3(20～80 ℃)，通过串口通信电路将每个冰块的h0和电热管加热温度T3传输给微控制器。

2.4 降雪模拟

调节冷热一体机的温度为降雪温度T1(-25～0 ℃)后，操作计算机，启动降雪模式，计算机通过串口通信电路发送降雪模式启动的信号给微控制器，微控制器通过第一电机驱动器驱动降雪电机转动，降雪电机带动旋转切冰刀转动，切割冰块产生降雪。

降雪过程中，超声波测距传感器对其中一个所述储冰筒冰块的下降高度进行实时检测，并将检测到的冰块的下降高度实时传输给微控制器，微控制器将其接收到的冰块的下降高度与冰块的h0进行比对。当冰块的下降高度达到冰块的h0时，微控制器通过第一电机驱动器驱动降雪电机停止转动。

具体实施时，通过调节降雪电机的转速，还能够实现对降雪速度的控制。

2.5 太阳辐射热模拟

调节冷热一体机的温度为降雪入渗温度T2(-20～20 ℃)后，操作计算机，启动降雪入渗模式，计算机通过串口通信电路发送降雪入渗模式启动的信号给微控制器，微控制器控制继电器接通电热管的供电回路，电热管开始加热。电热管加热过程中，电热管温度传感器对电热管的加热温度进行实时检测并将检测到的信号实时传输给微控制器，微控制器将其接收到的加热温度检测值与电热管加热温度T3相比对。

当加热温度检测值达到T3时，微控制器控制继电器断开电热管的供电回路，电热管停止加热；当加热温度检测值低于T3时，微控制器控制继电器接通电热管的供电回路，电热管开始加热，从而使电热管的加热温度保持为T3。

电热管加热过程中，按下电热管左右运动按钮或前后运动按钮后，微控制器控制电热管在测定系统箱体内左右运动或前后运动，进行太阳辐射热模拟。

2.6 降雪入渗观测

电热管加热使降雪处于消融状态，未渗入试验土样内的消融水从多个降雪径流量测量孔内流出，并经过多根降雪径流量测量分管和降雪径流量测量总管流入降雪径流量测量量杯内；渗出试验土样内的消融水从多个降雪出渗量测量孔内流出，并经过多根降雪出渗量测量分管和降雪出渗量测量总管流入降雪出渗量测量量杯内。同时，流量传感器对渗出试验土样的消融水流量进行实时检测，并将检测到的信号输出给微控制器，微控制器将其接收到的渗出试验土样的消融水流量通过串口通信电路传输给计算机，计算机调用流量曲线绘制模块绘制出渗出试验土样的消融水流量随时间t变化的曲线。

查看显示在计算机上的渗出试验土样的消融水流量随时间t变化的曲线，当渗出试验土样的消融水流量随时间t变化的曲线趋近于一条直线时，说明降雪入渗已稳定。此时，查看降雪径流量测量量杯内未渗入试验土样内的消融水的量，并将该读数记录为降雪径流量Qj；查看降雪出渗量测量量杯内渗出试验土样内的消融水的量，并将该读数记录为降雪出渗量Qc。

2.7 降雪入渗参数计算

通过上述基于室内模拟试验的降雪入渗参数测定系统，可以得到Qz、Qj、Qc和时间t。从而计算得：

Qr=Qz-Qj，ΔS=Qr-Qc

Vr=Qr/t，Vc=Qc/t，α=Qc/Qz

式中：Qz为总降雪量，mm3；Qj为降雪径流量，mm3；Qc为降雪出渗量，mm3；t为时间，s；Qr为降雪入渗量，mm3；ΔS为水分亏损量，mm3；Vr为降雪入渗率，mm3/s；Vc为降雪出渗率，mm3/s；α为降雪入渗系数，无量纲。

3 结 语

降水入渗补给地下水的过程是大气水—土壤水—地下水“三水”相互转换关系中最基本的环节之一，一般是当地地下水的主要补给方式，同时也是区域水均衡计算中的一个重要均衡要素。降水入渗系数则是浅层地下水资源评价的一个基本参数，对其的确定有多种方法，主要包括实验场模拟、室内实验和动态观测数据分析等。目前，降雨入渗相关研究广泛开展，而对于降雪入渗的研究还较少。对于我国北方地区，降雪是一种常见的降水形式。与降雨入渗相比，降雪入渗的研究具有一定的复杂性。为了进一步开展降雪入渗规律研究，本文设计了一种基于室内模拟试验的降雪入渗参数测定系统，该系统包括降雪模拟系统、地质模型系统、太阳辐射热模拟系统和降雪入渗参数测量系统，以及测定系统箱体、试验数据采集及控制器、设置在测定系统箱体内部的冷热一体机等辅助设施。应用本系统能够研究不同坡度、不同降雪强度、不同温度下不同土质内降雪入渗过程中各物理量(降雪径流量、降雪出渗量、降雪入渗量、水分亏损量、降雪入渗率、降雪出渗率和降雪入渗系数)的变化规律。

[1] 马学尼, 黄廷林. 水文学[M].3版. 北京: 中国建筑工业出版社, 1998.

[2] 任金来. 基于非饱和渗流理论的不同降雨条件下路堑边坡稳定性研究[D]. 天津: 河北工业大学, 2008.

[3] 雒文生. 河流水文学[M]. 北京: 水利电力出版社, 1992.

[4] 尹艳钧. 大气降水的成因分析[J]. 地理教育, 2005(5): 13.

[5] 刘相超, 宋献方, 夏 军, 等. 东台沟实验流域降水氧同位素特征与水汽来源[J]. 地理研究, 2005, 24(2): 196-205.

[6] 王亚军. 水文与水文地质学[M]. 北京: 化学工业出版社, 2013.

[7] 吴昌友. 三江平原地下水数值模拟及仿真问题研究[M]. 北京: 中国农业出版社, 2011.

[8] 卢选伟. 降水入渗补给系数分析研究[J]. 地下水, 2006, 28(1): 33-35.

[9] 李金柱. 降水入渗补给系数综合分析[J]. 水文地质工程地质, 2009(2): 29-33.

[10] 牛振红. 降水入渗补给系数的实验研究与分析计算[J]. 地下水, 2009, 25(3): 152-154.

[11] 刘廷玺, 朱仲元, 马 龙, 等. 通辽地区次降雨入渗补给系数的分析确定[J]. 内蒙古农业大学学报, 2002, 23(2): 34-39.

[12] 肖起模, 邹连文, 刘 江. 降水入渗补给系数与地层的相关分析与应用[J]. 水利学报, 1998(10): 33-36.

[13] 吴继敏, 郑建青. 次降雨入渗补给系数的模型研究[J]. 河海大学学报, 1999, 27(6): 7-11.

[14] 胡顺军, 陈永宝, 朱 海. 古尔班通古特沙漠南缘融雪水土壤入渗量[J]. 应用生态学报, 2015, 26(4): 1007-1015.

[15] 周宏飞, 周宝佳, 汤 英, 等. 古尔班通古特沙漠季节性冻土入渗特性试验研究[J]. 干旱区地理, 2009, 32(4): 532-536.

[16] 王 慧. 天山北坡融雪期季节性冻土下渗机制研究[D]. 乌鲁木齐: 新疆大学, 2013.

Design and Application of the Snowfall Infiltration Parameters Detection System Based on Indoor Simulation Test

MAOZheng-jun1,WEIRong-yu1,LIXi-an2,WANGQiu-yu1

(1.School of Geology and Environment, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054, China; 2.College of Geology Engineering and Geomatics, Chang’an University, Xi’an 710054, China)

In order to carry out research on the law of snowfall infiltration, the snowfall infiltration parameters detection system based on indoor simulation test is designed. The detection system includes snowfall simulation system, geological model system, solar radiant heat simulation system and snow infiltration parameters measurement system, as well as the box of determination system, the collector and controller of experimental data, the cooling and heating integrated machine which set in the box of determination system and so on. During the snowfall infiltration, this system is applied to study the change law of various physical quantities, which concludes snowfall discharge, snowfall seepage，snowfall infiltration, water loss, snowfall infiltration rate, snowfall seepage rate and snowfall infiltration coefficient, in the condition of different earthiness, different slope, different snowfall intensity and different temperature.

indoor simulation test; snowfall infiltration parameters; determination system; structure design

2016-01-14

国家自然科学基金项目(41572264)；西安科技大学培育基金项目(201307)；西安科技大学博士启动金项目(2014QDJ005)；省级大学生创新创业训练计划项目(201410704016)

毛正君(1983-)，男，宁夏固原人，讲师，长期从事地质工程及岩土工程研究。

Tel.: 029-83858062; E-mail: zhengjun_mao@163.com

TH 764；P 641.1

A

1006-7167(2016)08-0056-05