一种植物生长与水质水量模拟控制的植物滞留元实验装置技术领域
本实用新型涉及一种植物生长与水质水量模拟控制的植物滞留元实验装置，它主要用于
人工模拟降雨条件下，设计的植物滞留元能模拟植物生长及水质水量之间动力学关系，可实
现植物生长及人工降雨水质水量之间的相关性研究，属于环境工程和生态工程领域。
背景技术
随着城市化的快速增长，城市区域暴雨径流量迅速增加，产生城市洪流，严重威胁着人
民群众的生命及财产安全。同时，城市降雨径流携带大量污染物(如TSS、重金属、COD、营
养盐等)排放到地表水体中，对周围环境造成了严重的非点源污染。从而城市非点源污染已
成为环境污染的主要原因。
植物滞留元是一种高效、低成本的城市非点源污染控制技术。植物滞留元通过滞蓄削减
洪峰流量、减少雨水外排，并利用植物截流、土壤渗滤净化雨水、减少污染。植物在植物滞
留元中发挥重要作用，直接作用有对有机物的降解、营养元素的吸收、植物根系的生长可以
延缓土壤板结和堵塞，这对维持土壤多孔性和排水能力有重要作用。间接作用为植物根系和
根际微生物的交互作用，植物根系庞大的比表面积和分泌物为微生物生长提供了附着条件和
能源，微生物活动有助于营养元素的转化，促进了植物的吸收利用，同时，植物根系分泌物
的变化又影响根际微生物的活性、群落结构以及多样性等。然而，种植不同植被对植物滞留
元的水质水量影响效果会有所差异，如植物根系直径及深度不同，对涵养水源和吸收营养盐
的能力有很大区别。目前，不同植物根系对降雨径流所携带的污染物在植物滞留元中的迁移
转化机理还不太清楚，尤其植物根系深度与水质水量的相关性实验研究还在初步研究阶段。
国内外研究者虽然进行了一些水质水量的室内和现场实验，但将用于人工模拟降雨条件下，
构建能够随时观察植物根系生长状况，并与植物滞留元水质水量相结合研究的实验装置也未
见报道。针对实验需求本实用新型对人工模拟降雨条件下植物生长与植物滞留元水质水量间
相关性研究的实验装置进行设计。为此，本实验装置可提供可视的，能够随时读取植物根系
长度，并与植物滞留元水质水量运移相关研究的有效、可行、可靠的实验装置。
实用新型内容
1、目的：
针对上述存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种植物生长与水质水量模拟控制的
植物滞留元实验装置。该装置结构简单、操作方便、经济实用，适用于室内模拟人工模拟降
雨条件下植物滞留元水质水量与植物生长之间相关关系的模拟研究。
2、技术方案：
见图1，本实用新型一种植物生长与水质水量模拟控制的植物滞留元实验装置，它包括
储雨水箱、水泵、导水管、弯头、喷头、实验植物、实验土槽上端(有机玻璃层)、等间隔
采样口、实验土槽接缝处(有机玻璃及PVC管接缝处)、实验土槽下端(PVC管)、实验土
槽底部封口、出水管、采样桶。它们之间的位置连接关系是：
储雨水箱的下部出口与水泵进水口相连，水泵的出水口通过导水管把人工模拟雨水送至
与导水管另一端相连的喷头，带有喷头的导水管一侧放置在实验土槽上端(有机玻璃层)上，
导水管弯曲部分用弯头相接；人工模拟雨水经喷头均匀喷洒在实验土槽上端(有机玻璃层)
中，实验植物种植在实验土槽上端(有机玻璃层)的土壤介质上，而实验土槽底部排出的人
工模拟雨水通过出水管及与之相连接的导水管流入到采样桶中。
所述储雨水箱是盒式结构的箱体；
所述水泵是基本型蠕动泵，其功能为将储雨水箱中的水通过导水管自动抽压至喷头中；
所述导水管是具有导水作用的塑料管，塑料管型号为16#；
所述弯头是弯角为90°的PVC弯头，；
所述喷头是莲蓬型的铝合金防锈材料制成，具有在多孔布水板表面喷洒雨水的作用，孔
径为2mm；
所述实验植物为植物滞留元常采用的实验植物(黑麦草、高羊茅、早熟禾等)，选择不
同实验植物获取不同植物对植物滞留元中人工雨水的水质水量的影响之间的相关关系。
所述实验土槽上端(有机玻璃层)，是透明的圆形有机玻璃筒，很清晰的看到植物根系
的长短，并与有机玻璃上的刻度值对比后，能够直接读取植物根系的长短。实验土槽上端(有
机玻璃层)的总深度为75cm。
所述等间隔采样口，在实验土槽上等间隔设置10个采样口，采样口间距为10cm；通过等
间隔采样口收集人工模拟雨水样，获得不同深度处植物滞留元排放的水量及水质的相关参数。
为植物生长及水质水量模拟控制间的相关关系分析提供基础参数。
所述实验土槽接缝处(有机玻璃及PVC管接缝处)，是有机玻璃筒与PVC管接缝处采用防
水涂料粘粘以后，再采用螺钉对其进行等间隔固定，以至防止植物滞留元水量渗漏及有机玻
璃筒及PVC管的分离。此处厚度为2cm。
所述实验土槽下端为PVC管，主要有承重量大、价格便宜，易获得等特点。此层深度为
50cm。实验土槽内部填料层自上而下包括表面雨水滞留层、土壤覆盖层、植被及种植土壤层、
砂滤层、碎石层、出水管。
所述实验土槽底部封口，材质也是PVC管，与实验土槽下端(PVC管)通过防水粘合剂粘
粘在一起，起到封堵的作用。
所述出水管为直径为30mm的PVC管，直接与实验土槽底部封口的PVC管底部相连。
所述采样桶，材料为PVC的圆柱桶，主要作用为收集植物滞留元排出的人工模拟雨水，为
后续分析提供相关实验样品。
本实用新型工作流程如下：
所述的导水管另一端相连的喷头置于实验土槽上端(有机玻璃层)的顶部，人工模拟雨
水用泵从导水管一端抽到导水管另一端的喷头中，并将人工模拟雨水用喷头均匀喷洒在实验
土槽上端(有机玻璃层)中，最后由出水管及与之相连的导水管将排出的人工模拟雨水收集
到采样桶中。实验主体装置为实验土槽，实验土槽由实验土槽上端(有机玻璃层)、实验土
槽接缝处(有机玻璃及PVC管接缝处)及实验土槽下端(PVC管)组成。实验土槽上端有机
玻璃层是透明圆柱体，随时间变化可以观测植物根系的生长状况。为了节约费用，实验土槽
下端主要以PVC作为实验材料，并且此材料较易获得。实验土槽内部填料层自上而下包括表
面雨水滞留层、土壤覆盖层、植被及种植土壤层、砂滤层、碎石层、出水管。
采用上述技术方案，用一种植物生长与水质水量模拟控制的植物滞留元实验装置，能反
映植物滞留元在不同雨强、不同类型植物、不同介质成分及深度、不同空间和时间条件下，
实验植物生长与系统水质水量间的动态相关关系，因而能满足实际工程应用的各种要求。
3、优点及功效：本实用新型一种植物生长与水质水量模拟控制的植物滞留元实验装置，
具有结构简单、造价低和经济实用等特点。该实验装置能反映植物滞留元在不同雨强、不同
类型植物、不同介质成分及深度、不同空间和时间条件下，实验植物生长与系统水质水量间
的动态相关关系，并通过植物生长与水质水量模拟控制实验来获取植物生长及水质水量间的
相关技术参数。为此，本实验装置提供在人工模拟降雨作用条件下，设计的植物滞留元中植
物生长、水质水量动态变化的动力学参数，实验信息量大、并能随时随地准确读取植物根系
生长数据的目的。
附图说明
图1植物生长与水质水量模拟控制的植物滞留元实验装置结构示意图
图2植物生长与水质水量模拟控制的植物滞留元主体设备即实验土槽结构示意图
图3植物生长与水质水量模拟控制的植物滞留元主体设备即实验土槽正面示意图
图4植物生长与水质水量模拟控制的植物滞留元的主体设备即实验土槽的俯瞰示意图
图中符号说明如下：
1储雨水箱；2水泵；3导水管；4弯头；5喷头；6实验植物；7实验土槽上端(有机
玻璃层)；8等间隔采样口；9实验土槽接缝处(有机玻璃及PVC管接缝处)；10实验土槽
下端(PVC管)；11实验土槽底部封口；12出水管；13采样桶；14表面雨水滞留层；15土
壤覆盖层；16刻度盘最上端；17植被及种植土壤层；18刻度值；19接缝处所用的螺钉；
20砂滤层；21碎石层。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型进行进一步详细描述：见附图
见图1，本实用新型一种植物生长与水质水量模拟控制的植物滞留元实验装置结构示意
图，它包括储雨水箱1、水泵2、导水管3、弯头4、喷头5、实验植物6、实验土槽上端(有
机玻璃层)7、等间隔采样口8、实验土槽接缝处(有机玻璃及PVC管接缝处)9、实验土槽
下端(PVC管)10、实验土槽底部封口11、出水管12、采样桶13。；它们之间的位置连接关
系是：
储雨水箱1的下部出口与水泵2进水口相连，水泵2的出水口通过导水管3把人工模拟雨水
送至与导水管3另一端相连的喷头5，喷头5放置在实验土槽上端(有机玻璃层)7上，导水管3
的弯曲部分用弯头4相接，人工模拟雨水经喷头5均匀喷洒在实验土槽上端(有机玻璃层)7
中，实验植物6种植在实验土槽上端(有机玻璃层)7中，实验土槽下端(PVC管)有出水管12，
并与采样桶13之间由导水管3相连，采样桶13收集由植物滞留元排放的人工模拟雨水。
所述储雨水箱1是盒式结构的箱体，材质为有机玻璃。
所述水泵2是基本型蠕动泵、型号为BT100-2J、泵头YZ1515X、功能为将储雨水箱1中的水
通过导水管3把人工模拟雨水送至与导水管3另一端相连的喷头5；
所述导水管3是具有导水作用的塑料管，塑料管型号为16#；
所述弯头4,弯角为90°,材质为PVC管；
所述喷头5是莲蓬型的铝合金防锈材料制成，具有在多孔布水板表面喷洒雨水的作用，孔
径为2mm；
所述实验植物6为植物滞留元常采用的实验植物，比如黑麦草、高羊茅、早熟禾等。
实验土槽上端(有机玻璃层)7，是透明的圆形有机玻璃筒，很清晰的看到植物根系的长
短，并与有机玻璃上的刻度值对比后，能够直接读取植物根系的长短。
等间隔采样口8，在实验土槽上等间隔设置10个采样口，采样口间距为10cm，等间隔采
样口的材质为PVC管。
实验土槽接缝处(有机玻璃及PVC管接缝处)9，是有机玻璃筒与PVC管接缝处采用防水涂
料粘粘以后，再采用螺钉对其进行等间隔固定，以至防止植物滞留元水量渗漏及有机玻璃筒
及PVC管的分离。
实验土槽下端10，材料为PVC管，主要具有承重量大、价格便宜，易获得等特点。
实验土槽底部封口11，材质为PVC管，与实验土槽下端(PVC管)通过防水粘合剂粘粘在
一起，起到封堵的作用。
所述出水管12为直径为30mm的PVC管，位于碎石层21底层，目的是收集并分析整个装置出
水量和水质的影响。
所述采样桶13，材质为PVC的圆柱桶，主要作用为收集植物滞留元排出的人工模拟雨水，
为后续分析提供相关实验样品。
植物生长与水质水量模拟控制的植物滞留元主体设备即实验土槽结构为图2所示，包括；
表面雨水滞留层14，该层深度为100mm；土壤覆盖层15，该层深度为50mm；主要成分为树皮
(bark)；刻度盘最上端16，是由土壤覆盖层15最底部距2cm处，也是植物种子在土壤层的种植
深度；植被及种植土壤层17，该层深度为950cm，主要成分为表层土壤及有机物。
刻度值18，主要目的是测量植物根系随时间的变化量，每个刻度之间的间隔为5cm，刻度
的变化值为5-60cm之间，能够满足植物滞留元常用植物根系大小的测量。
接缝处所用的螺钉19，市场上购买的能防锈的铝合金螺钉。
砂滤层20，深度为5cm，也称过度层。此层底部设有一个采样口。
碎石层21，深度为10cm，过滤并截留上层土壤的渗流，以防出水管被堵塞。此层底部设
有出水管12。
图3为植物生长与水质水量模拟控制的植物滞留元主体设备即实验土槽正面示意图，包括
表面雨水滞留层14，该层深度为100mm；土壤覆盖层15，该层深度为50mm，主要成分为树皮
(bark)；植被及种植土壤层17，深度为950mm，主要成分表层土壤和有机物，该层设有九个等
间隔采样口，每个采样口之间间隔为100mm，采样口内外径分别为10mm和12mm；砂滤层20，深
度为50mm，设有一个采样口；碎石层21，深度为100mm；出水管12位于碎石层底层，目的是收
集并分析整个装置出水量和水质的影响。
图4为植物生长与水质水量模拟控制的植物滞留元的主体设备即实验土槽的俯瞰示意图，
从图可见实验土槽内径为300mm、外径为310mm，实验土槽底部封口厚度为10mm，从而底部最
外层直径为330mm。出水管长度为50mm。出水管内径为30mm，接头处为50mm。