室內(nèi)模擬試驗(yàn)的降雪入滲參數(shù)測(cè)定系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

毛正君， 魏榮譽(yù)， 李喜安， 王秋雨

(1.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院,陜西 西安 710054；2. 長(zhǎng)安大學(xué) 地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西 西安 710054)

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·儀器設(shè)備研制與開發(fā)·

室內(nèi)模擬試驗(yàn)的降雪入滲參數(shù)測(cè)定系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

毛正君1， 魏榮譽(yù)1， 李喜安2， 王秋雨1

(1.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院,陜西 西安 710054；2. 長(zhǎng)安大學(xué) 地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西 西安 710054)

設(shè)計(jì)一套基于室內(nèi)模擬試驗(yàn)的降雪入滲參數(shù)測(cè)定系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括降雪模擬、地質(zhì)模型、太陽(yáng)輻射熱模擬和降雪入滲參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，以及測(cè)定系統(tǒng)箱體、試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集及控制器、設(shè)置在測(cè)定系統(tǒng)箱體內(nèi)部的冷熱一體機(jī)等輔助設(shè)施。應(yīng)用本系統(tǒng)能夠研究不同坡度、強(qiáng)度、溫度下不同土質(zhì)內(nèi)降雪入滲過(guò)程中降雪徑流量、降雪出滲量、降雪入滲量、水分虧損量、降雪入滲率、降雪出滲率和降雪入滲系數(shù)的變化規(guī)律。

室內(nèi)模擬試驗(yàn)； 降雪入滲參數(shù)； 測(cè)定系統(tǒng)； 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

0 引 言

降水主要是指降雨和降雪，其他形式的降水還有露、霜、雹等[1-2]。水分以各種形式從大氣到達(dá)地面統(tǒng)稱為降水[3-4]。降水是水文循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，也是人類用水的基本來(lái)源[5]。降水資料是分析合理洪枯水情、流域旱情的基礎(chǔ)，也是水資源的開發(fā)利用，如防洪、發(fā)電、灌溉等的規(guī)劃設(shè)計(jì)與管理運(yùn)用的基礎(chǔ)[6]。降水入滲補(bǔ)給地下水的過(guò)程是大氣水—土壤水—地下水“三水”相互轉(zhuǎn)換關(guān)系中最基本的環(huán)節(jié)之一，一般是當(dāng)?shù)氐叵滤闹饕a(bǔ)給方式，同時(shí)也是區(qū)域水均衡計(jì)算中的一個(gè)重要均衡要素[7-8]。降水入滲系數(shù)則是淺層地下水資源評(píng)價(jià)的一個(gè)基本參數(shù)[9]，對(duì)其的確定主要包括實(shí)驗(yàn)場(chǎng)模擬、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析等。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)模擬方法一方面可以最大限度地反映實(shí)際狀態(tài)，另一方面還可以有針對(duì)性地對(duì)具體的因素進(jìn)行規(guī)律性分析；室內(nèi)實(shí)驗(yàn)方法概念明確，各項(xiàng)參量容易控制，比較能反映基本的變化規(guī)律；動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析方法則最符合實(shí)際條件，但其反映的是綜合結(jié)果[7, 10]。

目前，降雨入滲相關(guān)研究廣泛開展[11-13]，而對(duì)于降雪入滲的研究還較少[14-16]。然而，對(duì)于我國(guó)北方地區(qū)，降雪是一種常見的降水形式。由于降雨入滲與降雪入滲存在較大差別，具體表現(xiàn)在：①入滲時(shí)間不同，降雪入滲主要發(fā)生在降雪完成后的消融階段，而降雨入滲則表現(xiàn)為降雨與入滲處于伴隨狀態(tài)；②入滲的土體溫度和環(huán)境溫度不同，降雪入滲表現(xiàn)為低溫入滲，而降雨入滲表現(xiàn)為常溫入滲。與降雨入滲相比，降雪入滲的研究具有一定的復(fù)雜性。

本文設(shè)計(jì)了一種基于室內(nèi)模擬試驗(yàn)的降雪入滲參數(shù)測(cè)定系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括降雪模擬系統(tǒng)、地質(zhì)模型系統(tǒng)、太陽(yáng)輻射熱模擬系統(tǒng)和降雪入滲參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，以及測(cè)定系統(tǒng)箱體、試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集及控制器、設(shè)置在測(cè)定系統(tǒng)箱體內(nèi)部的冷熱一體機(jī)等輔助設(shè)施。該測(cè)定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，使用操作方便，為進(jìn)一步研究降雪入滲規(guī)律提供了研究途徑。

1 測(cè)定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于室內(nèi)模擬試驗(yàn)的降雪入滲參數(shù)測(cè)定，包括降雪模擬、地質(zhì)模型、太陽(yáng)輻射熱模擬和降雪入滲參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，以及測(cè)定系統(tǒng)箱體、試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集及控制器、設(shè)置在測(cè)定系統(tǒng)箱體內(nèi)部的冷熱一體機(jī)等輔助設(shè)施，其整體結(jié)構(gòu)見圖1。該系統(tǒng)能夠研究不同坡度、不同降雪強(qiáng)度、不同溫度下不同土質(zhì)內(nèi)降雪入滲過(guò)程中各物理量(降雪徑流量、降雪出滲量、降雪入滲量、水分虧損量、降雪入滲率、降雪出滲率和降雪入滲系數(shù))的變化規(guī)律。

降雪模擬系統(tǒng)包括嵌入安裝在測(cè)定系統(tǒng)箱體頂部的降雪槽設(shè)置在降雪槽內(nèi)的固定支架和嵌入安裝在固定支架上的多個(gè)降雪點(diǎn)模擬機(jī)構(gòu)。地質(zhì)模型系統(tǒng)包括結(jié)構(gòu)底座和通過(guò)多個(gè)千斤頂支撐安裝在底座上的地質(zhì)模型槽，其中地質(zhì)模型槽內(nèi)由三層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，分別為處于地質(zhì)模型槽內(nèi)底部的經(jīng)緯格柵板、中間部位的陶土板以及上部的試驗(yàn)土樣。太陽(yáng)輻射熱模擬系統(tǒng)包括用于模擬太陽(yáng)光照的電熱管、用于帶動(dòng)電熱管在測(cè)定系統(tǒng)箱體內(nèi)前后運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和左右運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。降雪入滲參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)包括降雪徑流量測(cè)量系統(tǒng)和降雪出滲量測(cè)量系統(tǒng)。

基于室內(nèi)模擬試驗(yàn)的降雪入滲參數(shù)測(cè)定系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集及控制器的電路原理框圖見圖2。

(a) 三維立體結(jié)構(gòu)圖

(b) 橫斷面圖

1-測(cè)定系統(tǒng)箱體，2-1-固定支架，2-2-振動(dòng)篩，2-3-降雪槽，3-降雪點(diǎn)模擬機(jī)構(gòu)，3-10-超聲波測(cè)距傳感器，4-地質(zhì)模型槽，5-千斤頂，6-底座，7-冷熱一體機(jī)，8-計(jì)算機(jī)， 9-流量傳感器，10-1-降雪徑流量測(cè)量分管，10-2-降雪徑流量測(cè)量總管，10-3-降雪出滲量測(cè)量分管，10-4-降雪出滲量測(cè)量總管，11-降雪徑流量測(cè)量量杯，12-降雪出滲量測(cè)量量杯

圖1 基于室內(nèi)模擬試驗(yàn)的降雪入滲參數(shù)測(cè)定系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

圖2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集及控制器的電路原理框圖

1.2 降雪模擬系統(tǒng)

降雪模擬系統(tǒng)如圖3所示，包括降雪槽、固定支架和多個(gè)降雪點(diǎn)模擬機(jī)構(gòu)。某一降雪點(diǎn)模擬機(jī)構(gòu)見圖4，每個(gè)降雪點(diǎn)模擬機(jī)構(gòu)包括頂部和底部均敞口設(shè)置的儲(chǔ)冰筒以及設(shè)置在儲(chǔ)冰筒頂部的啟封蓋，儲(chǔ)冰筒的底部設(shè)置有十字支撐桿，十字支撐桿的中心安裝有降雪電機(jī)，降雪電機(jī)的輸出軸上固定連接有用于支撐放置到儲(chǔ)冰筒內(nèi)的冰塊和切割冰塊的旋轉(zhuǎn)切冰刀，啟封蓋的內(nèi)底面上連接有用于防止冰塊隨旋轉(zhuǎn)切冰刀轉(zhuǎn)動(dòng)的冰塊防轉(zhuǎn)桿，冰塊防轉(zhuǎn)桿上套裝有用于將冰塊壓緊在旋轉(zhuǎn)切冰刀上的壓力彈簧，冰塊防轉(zhuǎn)桿橫截面的形狀為矩形，冰塊上開有供冰塊防轉(zhuǎn)桿穿入且與冰塊防轉(zhuǎn)桿緊密配合的柱狀孔。

2-1-固定支架，2-2-振動(dòng)篩，2-3-降雪槽，3-降雪點(diǎn)模擬機(jī)構(gòu)

圖3 降雪模擬系統(tǒng)

(1)主視圖

(2)仰視圖

2-1-固定支架，2-2-振動(dòng)篩，2-3-降雪槽，3-降雪點(diǎn)模擬機(jī)構(gòu)，3-1-啟封蓋，3-2-壓力彈簧，3-3-儲(chǔ)冰筒，3-4-旋轉(zhuǎn)切冰刀，3-41-切冰刀體，3-42-切冰孔，3-43-金剛石刀刃，3-5-降雪電機(jī)，3-6-十字支撐桿，3-7-冰塊，3-8-冰塊防轉(zhuǎn)桿，3-9-柱狀孔，3-10-超聲波測(cè)距傳感器

圖4 某一降雪點(diǎn)模擬機(jī)構(gòu)

降雪槽的底部安裝有用于振動(dòng)降落旋轉(zhuǎn)切冰刀切落的雪花的振動(dòng)篩。其中一個(gè)所述儲(chǔ)冰筒的頂部安裝有超聲波測(cè)距傳感器。旋轉(zhuǎn)切冰刀包括圓盤形的切冰刀體和均勻設(shè)置在切冰刀體上的多排從切冰刀體的中心向外發(fā)散的切冰孔，每個(gè)切冰孔內(nèi)均設(shè)置有金剛石刀刃。旋轉(zhuǎn)切冰刀的底端距離儲(chǔ)冰筒的底端的距離為2～5 m，這樣位于旋轉(zhuǎn)切冰刀的底端下部的儲(chǔ)冰筒的側(cè)壁可以用于擋雪，可以保證切雪過(guò)程中不發(fā)生雪花離心現(xiàn)象。

1.3 地質(zhì)模型系統(tǒng)

地質(zhì)模型系統(tǒng)如圖5所示，包括底座、多個(gè)千斤頂和地質(zhì)模型槽。地質(zhì)模型槽底部設(shè)置有用于在地質(zhì)模型槽內(nèi)底部形成儲(chǔ)水空間的經(jīng)緯格柵板，經(jīng)緯格柵板上設(shè)置有多個(gè)出水孔洞，其頂部設(shè)置有陶土板，陶土板的四周邊沿均與地質(zhì)模型槽內(nèi)壁黏接，而陶土板的頂部用于放置試驗(yàn)土樣；具體實(shí)施時(shí)，所述千斤頂?shù)臄?shù)量為3個(gè)。使用時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)多個(gè)千斤頂?shù)母叨龋軌驅(qū)崿F(xiàn)不同坡度的工況模擬。

4-地質(zhì)模型槽，4-1-試驗(yàn)土樣，4-2-經(jīng)緯格柵板，4-3-陶土板，5-千斤頂，6-底座，10-1-降雪徑流量測(cè)量分管，10-3-降雪出滲量測(cè)量分管

圖5 地質(zhì)模型系統(tǒng)

1.4 太陽(yáng)輻射熱模擬系統(tǒng)

太陽(yáng)輻射熱模擬系統(tǒng)如圖6所示，包括電熱管、電熱管前后和左右運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。太陽(yáng)輻射熱模擬系統(tǒng)包括用于模擬太陽(yáng)光照的電熱管，用于帶動(dòng)電熱管在測(cè)定系統(tǒng)箱體內(nèi)前后運(yùn)動(dòng)的電熱管前后運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和用于帶動(dòng)電熱管在測(cè)定系統(tǒng)箱體內(nèi)左右運(yùn)動(dòng)的電熱管左右運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。電熱管設(shè)置在地質(zhì)模型系統(tǒng)與降雪模擬系統(tǒng)之間，同時(shí)電熱管的旁側(cè)設(shè)置有用于對(duì)電熱管的加熱溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)的電熱管溫度傳感器。

電熱管前后運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括前后運(yùn)動(dòng)小車和門字型框架，電熱管懸掛在小車的底部。門字型框架的頂部設(shè)置有前后運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌，其一側(cè)設(shè)置有前后運(yùn)動(dòng)電機(jī)，而另一側(cè)設(shè)置有前后運(yùn)動(dòng)帶輪，前后運(yùn)動(dòng)電機(jī)的輸出軸上連接有另外一個(gè)前后運(yùn)動(dòng)帶輪，兩個(gè)前后運(yùn)動(dòng)帶輪上連接有電熱管前后運(yùn)動(dòng)皮帶，小車與皮帶固定連接。電熱管左右運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括沿測(cè)定系統(tǒng)箱體的左右方向設(shè)置的兩條左右運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌，門字型框架的一側(cè)底部設(shè)置有左右運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌、左右主動(dòng)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)輪和與左右主動(dòng)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)輪同軸連接的左右運(yùn)動(dòng)鏈輪，另一側(cè)的底部具有相同設(shè)置。電熱管前后運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的前后兩端分別設(shè)置有電熱管前限位開關(guān)和電熱管后限位開關(guān)，與電熱管左右從動(dòng)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)輪相配合的電熱管左右運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的左右兩端分別設(shè)置有電熱管左限位開關(guān)和電熱管右限位開關(guān)。

1-測(cè)定系統(tǒng)箱體，14-電熱管，15-電熱管前后運(yùn)動(dòng)小車，16-門字型框架，17-電熱管前后運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌，18-電熱管左右運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌，19-電熱管左右運(yùn)動(dòng)電機(jī)，20-電熱管左右運(yùn)動(dòng)鏈條，21-第二電熱管左右運(yùn)動(dòng)鏈輪，22-電熱管前后運(yùn)動(dòng)電機(jī)，23-電熱管前后運(yùn)動(dòng)皮帶，24-第一電熱管前后運(yùn)動(dòng)帶輪，25-第一電熱管左右運(yùn)動(dòng)鏈輪，26-電熱管左右主動(dòng)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)輪，27-電熱管右限位開關(guān)，28-電熱管左限位開關(guān)，29-電熱管溫度傳感器，30-電熱管后限位開關(guān)，31-電熱管前限位開關(guān)，32-電熱管左右從動(dòng)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)輪。

圖6 太陽(yáng)輻射熱模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

1.5 降雪入滲參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)

降雪入滲參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)包括降雪徑流量測(cè)量系統(tǒng)和降雪出滲量測(cè)量系統(tǒng)。降雪徑流量測(cè)量系統(tǒng)包括降雪徑流量測(cè)量量杯和設(shè)置在地質(zhì)模型槽側(cè)面的多個(gè)降雪徑流量測(cè)量孔，以及連接在多個(gè)所述降雪徑流量測(cè)量孔上的多根降雪徑流量測(cè)量分管和與多根降雪徑流量測(cè)量分管連接并接入降雪徑流量測(cè)量量杯內(nèi)的降雪徑流量測(cè)量總管。

降雪出滲量測(cè)量系統(tǒng)包括降雪出滲量測(cè)量量杯和設(shè)置在地質(zhì)模型槽底面上的多個(gè)降雪出滲量測(cè)量孔，以及連接在多個(gè)所述降雪出滲量測(cè)量孔上的多根降雪出滲量測(cè)量分管和與多根降雪出滲量測(cè)量分管連接并接入降雪出滲量測(cè)量量杯內(nèi)的降雪出滲量測(cè)量總管，所述降雪出滲量測(cè)量總管上設(shè)置有用于對(duì)滲出試驗(yàn)土樣的消融水的流量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)的流量傳感器。

2 參數(shù)測(cè)定方法

基于室內(nèi)模擬試驗(yàn)的降雪入滲參數(shù)測(cè)定方法流程框圖如圖7所示。

圖7 室內(nèi)模擬試驗(yàn)的降雪入滲參數(shù)測(cè)定方法流程框圖

2.1 構(gòu)建地質(zhì)模型

操作多個(gè)千斤頂，使地質(zhì)模型槽處于水平放置后，將試驗(yàn)土樣分層填裝到地質(zhì)模型槽內(nèi)陶土板的頂部，并進(jìn)行土樣夯擊填筑；然后，再操作多個(gè)千斤頂，調(diào)整地質(zhì)模型槽的坡度為試驗(yàn)坡度。

2.2 裝配降雪點(diǎn)模擬機(jī)構(gòu)

冰塊放入多個(gè)儲(chǔ)冰筒內(nèi)，將冰塊防轉(zhuǎn)桿插入柱狀孔內(nèi)，并啟封蓋連接在儲(chǔ)冰筒頂部。

2.3 參數(shù)設(shè)置

設(shè)定每個(gè)冰塊的下降高度h0，依據(jù)下式計(jì)算：

式中：Qz為總降雪量，mm3；S為冰塊的橫截面積，mm2；n為冰塊的數(shù)量，個(gè)。

設(shè)定電熱管加熱溫度T3(20～80 ℃)，通過(guò)串口通信電路將每個(gè)冰塊的h0和電熱管加熱溫度T3傳輸給微控制器。

2.4 降雪模擬

調(diào)節(jié)冷熱一體機(jī)的溫度為降雪溫度T1(-25～0 ℃)后，操作計(jì)算機(jī)，啟動(dòng)降雪模式，計(jì)算機(jī)通過(guò)串口通信電路發(fā)送降雪模式啟動(dòng)的信號(hào)給微控制器，微控制器通過(guò)第一電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)降雪電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，降雪電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)切冰刀轉(zhuǎn)動(dòng)，切割冰塊產(chǎn)生降雪。

降雪過(guò)程中，超聲波測(cè)距傳感器對(duì)其中一個(gè)所述儲(chǔ)冰筒冰塊的下降高度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并將檢測(cè)到的冰塊的下降高度實(shí)時(shí)傳輸給微控制器，微控制器將其接收到的冰塊的下降高度與冰塊的h0進(jìn)行比對(duì)。當(dāng)冰塊的下降高度達(dá)到冰塊的h0時(shí)，微控制器通過(guò)第一電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)降雪電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

具體實(shí)施時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)降雪電機(jī)的轉(zhuǎn)速，還能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)降雪速度的控制。

2.5 太陽(yáng)輻射熱模擬

調(diào)節(jié)冷熱一體機(jī)的溫度為降雪入滲溫度T2(-20～20 ℃)后，操作計(jì)算機(jī)，啟動(dòng)降雪入滲模式，計(jì)算機(jī)通過(guò)串口通信電路發(fā)送降雪入滲模式啟動(dòng)的信號(hào)給微控制器，微控制器控制繼電器接通電熱管的供電回路，電熱管開始加熱。電熱管加熱過(guò)程中，電熱管溫度傳感器對(duì)電熱管的加熱溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)并將檢測(cè)到的信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸給微控制器，微控制器將其接收到的加熱溫度檢測(cè)值與電熱管加熱溫度T3相比對(duì)。

當(dāng)加熱溫度檢測(cè)值達(dá)到T3時(shí)，微控制器控制繼電器斷開電熱管的供電回路，電熱管停止加熱；當(dāng)加熱溫度檢測(cè)值低于T3時(shí)，微控制器控制繼電器接通電熱管的供電回路，電熱管開始加熱，從而使電熱管的加熱溫度保持為T3。

電熱管加熱過(guò)程中，按下電熱管左右運(yùn)動(dòng)按鈕或前后運(yùn)動(dòng)按鈕后，微控制器控制電熱管在測(cè)定系統(tǒng)箱體內(nèi)左右運(yùn)動(dòng)或前后運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行太陽(yáng)輻射熱模擬。

2.6 降雪入滲觀測(cè)

電熱管加熱使降雪處于消融狀態(tài)，未滲入試驗(yàn)土樣內(nèi)的消融水從多個(gè)降雪徑流量測(cè)量孔內(nèi)流出，并經(jīng)過(guò)多根降雪徑流量測(cè)量分管和降雪徑流量測(cè)量總管流入降雪徑流量測(cè)量量杯內(nèi)；滲出試驗(yàn)土樣內(nèi)的消融水從多個(gè)降雪出滲量測(cè)量孔內(nèi)流出，并經(jīng)過(guò)多根降雪出滲量測(cè)量分管和降雪出滲量測(cè)量總管流入降雪出滲量測(cè)量量杯內(nèi)。同時(shí)，流量傳感器對(duì)滲出試驗(yàn)土樣的消融水流量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并將檢測(cè)到的信號(hào)輸出給微控制器，微控制器將其接收到的滲出試驗(yàn)土樣的消融水流量通過(guò)串口通信電路傳輸給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)調(diào)用流量曲線繪制模塊繪制出滲出試驗(yàn)土樣的消融水流量隨時(shí)間t變化的曲線。

查看顯示在計(jì)算機(jī)上的滲出試驗(yàn)土樣的消融水流量隨時(shí)間t變化的曲線，當(dāng)滲出試驗(yàn)土樣的消融水流量隨時(shí)間t變化的曲線趨近于一條直線時(shí)，說(shuō)明降雪入滲已穩(wěn)定。此時(shí)，查看降雪徑流量測(cè)量量杯內(nèi)未滲入試驗(yàn)土樣內(nèi)的消融水的量，并將該讀數(shù)記錄為降雪徑流量Qj；查看降雪出滲量測(cè)量量杯內(nèi)滲出試驗(yàn)土樣內(nèi)的消融水的量，并將該讀數(shù)記錄為降雪出滲量Qc。

2.7 降雪入滲參數(shù)計(jì)算

通過(guò)上述基于室內(nèi)模擬試驗(yàn)的降雪入滲參數(shù)測(cè)定系統(tǒng)，可以得到Qz、Qj、Qc和時(shí)間t。從而計(jì)算得：

Qr=Qz-Qj，ΔS=Qr-Qc

Vr=Qr/t，Vc=Qc/t，α=Qc/Qz

式中：Qz為總降雪量，mm3；Qj為降雪徑流量，mm3；Qc為降雪出滲量，mm3；t為時(shí)間，s；Qr為降雪入滲量，mm3；ΔS為水分虧損量，mm3；Vr為降雪入滲率，mm3/s；Vc為降雪出滲率，mm3/s；α為降雪入滲系數(shù)，無(wú)量綱。

3 結(jié) 語(yǔ)

降水入滲補(bǔ)給地下水的過(guò)程是大氣水—土壤水—地下水“三水”相互轉(zhuǎn)換關(guān)系中最基本的環(huán)節(jié)之一，一般是當(dāng)?shù)氐叵滤闹饕a(bǔ)給方式，同時(shí)也是區(qū)域水均衡計(jì)算中的一個(gè)重要均衡要素。降水入滲系數(shù)則是淺層地下水資源評(píng)價(jià)的一個(gè)基本參數(shù)，對(duì)其的確定有多種方法，主要包括實(shí)驗(yàn)場(chǎng)模擬、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析等。目前，降雨入滲相關(guān)研究廣泛開展，而對(duì)于降雪入滲的研究還較少。對(duì)于我國(guó)北方地區(qū)，降雪是一種常見的降水形式。與降雨入滲相比，降雪入滲的研究具有一定的復(fù)雜性。為了進(jìn)一步開展降雪入滲規(guī)律研究，本文設(shè)計(jì)了一種基于室內(nèi)模擬試驗(yàn)的降雪入滲參數(shù)測(cè)定系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括降雪模擬系統(tǒng)、地質(zhì)模型系統(tǒng)、太陽(yáng)輻射熱模擬系統(tǒng)和降雪入滲參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，以及測(cè)定系統(tǒng)箱體、試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集及控制器、設(shè)置在測(cè)定系統(tǒng)箱體內(nèi)部的冷熱一體機(jī)等輔助設(shè)施。應(yīng)用本系統(tǒng)能夠研究不同坡度、不同降雪強(qiáng)度、不同溫度下不同土質(zhì)內(nèi)降雪入滲過(guò)程中各物理量(降雪徑流量、降雪出滲量、降雪入滲量、水分虧損量、降雪入滲率、降雪出滲率和降雪入滲系數(shù))的變化規(guī)律。

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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

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41572264)；西安科技大學(xué)培育基金項(xiàng)目(201307)；西安科技大學(xué)博士啟動(dòng)金項(xiàng)目(2014QDJ005)；省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201410704016)

毛正君(1983-)，男，寧夏固原人，講師，長(zhǎng)期從事地質(zhì)工程及巖土工程研究。

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

TH 764；P 641.1

A

1006-7167(2016)08-0056-05