可控制及模拟大气自然环境的大气-植被-土体试验系统技术方案

本发明专利技术涉及一种可控制及模拟大气自然环境的大气‑植被‑土体试验系统，由气候模拟装置，标准植被‑土体实验装置，数据采集装置和数据分析装置组成，所述气候模拟装置包括自然环境模拟箱，模拟降雨装置；自然环境模拟箱内上方设有温度控制器、湿度控制器，用于控制调节试验时的温度及湿度，自然环境模拟箱四周设有光照控制器，用于试验时的光照模拟；模拟降雨装置中的集气瓶的进水管连接水龙头，出水管通过电磁阀和水管连接设置在自然环境模拟箱内的喷淋构件，通过电磁阀无级调节水流量大小，控制所需流量可模拟多种降雨形式；数据采集装置包括设置在径流排水单元中的径流排水流量计，以及分别设置在所述分层土柱筒上的用于采集降雨土柱入渗数据的测量单元。

Atmosphere-Vegetation-Soil Test System for Controlling and Simulating Atmospheric Natural Environment

【技术实现步骤摘要】
可控制及模拟大气自然环境的大气-植被-土体试验系统
本专利技术涉及一种自然环境测试试验系统，尤其是一种可以控制及模拟自然环境的覆盖层试验系统。
技术介绍
在中国经济飞速发展、大量土木工程兴建的过程中，植被的破坏导致了一些岩土工程问题的出现。例如，降雨导致了大量浅层边坡破坏和地表侵蚀，北方和西部地区接连出现沙尘暴等恶劣天气，不仅破坏了生态环境，也威胁了人民生命财产安全。大自然为人类提供了一个和谐美好的生活环境，应该倍感珍惜并加以保护。科研人员应加强跨学科合作，全面深入地认识大自然，让人与自然更加和谐相处。针对边坡破坏和地表侵蚀等一系列自然问题的加剧，“护坡”问题越来越重要。目前学术界对于这一问题的研究还有很多不足，在试验研究方面考虑问题单一，试验中环境气候等变量和现实有大量出入或者根本就未及考虑，试验装置落后，测数不精确，所以本团队开展了一系列室内试验、现场试验和理论模拟研究，并自主研发了了一种“可以控制和模拟大气自然环境的试验系统”，该系统可以精确控制试验温度、湿度、光照、降雨形式、气相条件、地表径流和地下水渗流，并且试验形式智能化，测试数据快捷、精确。中国专利CN106908368A公布了一种模拟降雨土柱入渗试验系统，用于研究降水在非饱和土中的入渗规律，该系统包括模拟降雨装置、受雨装置、数据采集装置、控制系统和数据分析装置；其中模拟降雨装置包括储水箱、与该储水箱连接的水流回路单元、与该水流回路单元连接的用于模拟降雨的喷淋构件；受雨装置包括在喷淋构件下方的多个土柱筒单元，设置在该土柱筒单元外侧的径流排水单元。该实验系统可以调节降雨流量、并且考虑了无地表径流的影响。该专利技术中只考虑了降雨一种形式，实际生活中，降雨往往会伴随温度，湿度等变化，试验却没有考虑进去。等该专利技术中采用泵输送水，用水流回路单元控制水流量，该方式容易通过泵将水中气泡等气体抽进入水管，会影响实际水流量的准确性，同时需要配备一个比较大的储水箱，并且需要定时向储水箱中注水，而本设备通过电磁阀喷头与水管直接连接，既排出了水中空气，保证了流量的稳定，又不需要对入水管进行补水操作。为了进一步提高实验的精度，还需要考虑气相耦合和不同初始边界条件对测试结果的影响，在降雨入渗过程中，孔隙气的存在将对水流的运动产生不可忽略的影响；另外，降雨入渗是水流在下渗的过程中驱替空气的水-气二相过程，在求解渗流问题中，考虑气压变化的影响是十分必要的；大量学者进行土柱入渗实验采取的实验底部边界条件为将土柱底面直接连接空气排水口或使水位差等于0，通过连通器原理，使出水口水位差为0。因此，需要一种设备可同时模拟以上两种边界条件进行实验，同时，通水位调节装置，可使水位达到土柱顶部，使砂土饱和进行相关实验。增加设备用途。最后并且最重要的是该设备可以更准确地模拟大气自然环境。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷，而提供的一种可以控制及模拟大气自然环境的大气-植被-土体试验系统。为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种可控制及模拟大气自然环境的大气-植被-土体试验系统，由气候模拟装置，标准植被-土体实验装置，数据采集装置和数据分析装置组成，所述气候模拟装置包括自然环境模拟箱，模拟降雨装置；所述自然环境模拟箱内上方设有温度控制器、湿度控制器，用于控制调节试验时的温度及湿度，所述自然环境模拟箱四周设有光照控制器，用于试验时的光照模拟；所述模拟降雨装置中的集气瓶的进水管连接水龙头，出水管通过电磁阀和水管连接设置在自然环境模拟箱内的喷淋构件，通过电磁阀无级调节水流量大小，控制所需流量可模拟多种降雨形式；所述标准植被-土体实验装置包括设置在所述喷淋构件下方的若干个分层合成的植被土体模拟筒、底部渗滤排水构件和设置在分层土柱筒外侧的径流排水构件；所述分层合成的植被土体模拟筒的底部设有气相压力测试装置，用于测量气相特征；所述数据采集装置包括设置在径流排水单元中的径流排水流量计，以及分别设置在所述分层土柱筒上的用于采集降雨土柱入渗数据的测量单元；所述测量单元包括若干个张力计、若干个土壤水分仪和一个高清摄像机，所述张力计沿径向设置在所述植被土体模拟筒上，用于测量降雨时土体的基质吸力；所述土壤水分仪对应所述张力计位置设置在所述植被土体模拟筒的相应位置上，用于测量该层土壤含水率；所述张力计、土壤水分仪与所述数据采集装置信号连接，将测量得到数据传送到数据采集装置；所述高清摄像机用于实时监测试验，保存记录，方便后期取证查看；所述数据分析装置，用于接收所述数据采集装置采集的数据并对数据进行分析。进一步，所述喷淋构件内设有多孔结构，将管内水分散，通过多孔水管圈，将水分散，使降雨更均匀。进一步，所述底部渗滤排水构件包括底座，渗透水位调节部件和第二集水箱，所述底座的出水口与渗透水位调节部件的下端口管道连接，所述渗透水位调节部件设有进水口和出水口，进水口与底座的出水口通过渗透水出水管连接，出水口与第二集水箱的管道连接，用于收集渗透水。进一步，所述第二集水箱的管道为可变形状的软管，方便在不拆卸渗透水和管道接口的情况下，调节渗透水调节部的安装高度。进一步，所述底座上面固定密封连接底部土柱筒，所述底部土柱筒的底部设有透水石，用于底部渗透，透水石内嵌于底座中心。进一步，所述分层合成的植被土体模拟筒具有若干个分层土柱筒，最上方的分层土柱筒沿轴向设置有尺寸刻度用于观测植被土壤沉降；最上方的分层土柱筒上设有径流排水孔，所述径流排水孔的设置在距离该分层土柱筒的顶部100mm处，径流排水孔与排水阀门、径流排水管流量计及第一集水箱依次连接，用于收集径流排水。进一步，所述气相压力测试装置为U型管或者气相压力传感器。进一步，所述气相压力传感器的出口处设置防水透气膜。进一步，所述分层合成的植被土体模拟筒的材质为亚克力，可随时观测土壤湿润锋的渐曲线。进一步，所述自然环境模拟箱为一长方体；所述自然环境模拟箱的材质为亚克力，可随时观测试验时详细情况及湿润峰进展。本专利技术的有益效果是：与现有技术相比，本专利技术提供的控制及模拟大气自然环境的大气-植被-土体试验系统，通过温度、湿度、光照控制器可模拟不同环境温度、湿度、光照。通过采用电磁阀控制系统水流量，可无极调节并稳定降雨强度并模拟不同形式的降雨情况。通过采用降雨喷淋装置及多孔板组合，可模拟不同降雨形式；由于使用径流排水单元，可以实现最大程度降低径流对实验结果的影响；由于设置了气相压力传感器采集气相特征，可测量考虑水气相耦合的实验测量；由于设置渗透水排水调节装置，可模拟多种初始边界条件下的渗透实验，可实现模拟多种边界条件实验，以及调整筒内水位高度；由于筒内为分层结构，可改变分层植被土体模拟筒高度并且便于清洗；由于采用数据采集装置及数据分析装置，使得本专利技术的模拟降雨土柱入渗实验系统自动化。本专利技术具有测试数据持续性好，测试精度高。模拟适用性强，操作简单，自动化程度高等优点，能对大气环境、降雨强度、降雨形式，水气相耦合、不同初始水位边界条件与植被土层入渗规律研究提供有效实验数据。附图说明图1为本专利技术的结构示意图；图2为本专利技术中集气瓶的主视结构示意图；图3为本专利技术中集气瓶的俯视结构示意图；图4为本专利技术中流量控制构件的主视结构示意图；图5为本专利技术中流量控制构件的俯视结构示意图；图6为本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可控制及模拟大气自然环境的大气‑植被‑土体试验系统，由气候模拟装置，标准植被‑土体实验装置，数据采集装置和数据分析装置组成，其特征在于：所述气候模拟装置包括自然环境模拟箱，模拟降雨装置；所述自然环境模拟箱内上方设有温度控制器、湿度控制器，用于控制调节试验时的温度及湿度，所述自然环境模拟箱四周设有光照控制器，用于试验时的光照模拟；所述模拟降雨装置中的集气瓶的进水管连接水龙头，出水管通过电磁阀和水管连接设置在自然环境模拟箱内的喷淋构件，通过电磁阀无级调节水流量大小，控制所需流量可模拟多种降雨形式；所述标准植被‑土体实验装置包括设置在所述喷淋构件下方的若干个分层合成的植被土体模拟筒、底部渗滤排水构件和设置在分层土柱筒外侧的径流排水构件；所述分层合成的植被土体模拟筒的底部设有气相压力测试装置，用于测量气相特征；所述数据采集装置包括设置在径流排水单元中的径流排水流量计，以及分别设置在所述分层土柱筒上的用于采集降雨土柱入渗数据的测量单元；所述测量单元包括若干个张力计、若干个土壤水分仪和一个高清摄像机，所述张力计沿径向设置在所述植被土体模拟筒上，用于测量降雨时土体的基质吸力；所述土壤水分仪对应所述张力计位置设置在所述植被土体模拟筒的相应位置上，用于测量该层土壤含水率；所述张力计、土壤水分仪与所述数据采集装置信号连接，将测量得到数据传送到数据采集装置；所述高清摄像机用于实时监测试验，保存记录，方便后期取证查看；所述数据分析装置，用于接收所述数据采集装置采集的数据并对数据进行分析。...

【技术特征摘要】
1.一种可控制及模拟大气自然环境的大气-植被-土体试验系统，由气候模拟装置，标准植被-土体实验装置，数据采集装置和数据分析装置组成，其特征在于：所述气候模拟装置包括自然环境模拟箱，模拟降雨装置；所述自然环境模拟箱内上方设有温度控制器、湿度控制器，用于控制调节试验时的温度及湿度，所述自然环境模拟箱四周设有光照控制器，用于试验时的光照模拟；所述模拟降雨装置中的集气瓶的进水管连接水龙头，出水管通过电磁阀和水管连接设置在自然环境模拟箱内的喷淋构件，通过电磁阀无级调节水流量大小，控制所需流量可模拟多种降雨形式；所述标准植被-土体实验装置包括设置在所述喷淋构件下方的若干个分层合成的植被土体模拟筒、底部渗滤排水构件和设置在分层土柱筒外侧的径流排水构件；所述分层合成的植被土体模拟筒的底部设有气相压力测试装置，用于测量气相特征；所述数据采集装置包括设置在径流排水单元中的径流排水流量计，以及分别设置在所述分层土柱筒上的用于采集降雨土柱入渗数据的测量单元；所述测量单元包括若干个张力计、若干个土壤水分仪和一个高清摄像机，所述张力计沿径向设置在所述植被土体模拟筒上，用于测量降雨时土体的基质吸力；所述土壤水分仪对应所述张力计位置设置在所述植被土体模拟筒的相应位置上，用于测量该层土壤含水率；所述张力计、土壤水分仪与所述数据采集装置信号连接，将测量得到数据传送到数据采集装置；所述高清摄像机用于实时监测试验，保存记录，方便后期取证查看；所述数据分析装置，用于接收所述数据采集装置采集的数据并对数据进行分析。2.根据权利要求1所述的可控制及模拟大气自然环境的大气-植被-土体试验系统，其特征在于：所述喷淋构件内设有多孔结构，将管内水分散，通过多孔水管圈，将水分散，使降雨更均匀。3.根据权利要求1所述的可控制及模拟大气自然环境的大气-植被-土体试验系统，其特征在于：所述底部渗滤排水构件包括底座，渗...

【专利技术属性】
技术研发人员：李宁，李昕珍，江昊鸿，唐炜，赵秋义，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：上海,31