模拟气候环境变化和降雨时空变化的植被覆盖层模型箱的制作方法

本发明涉及一种植被覆盖层模型箱，尤其是一种可模拟气候环境变化和降雨时空变化的植被覆盖层模型箱。

背景技术：

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。近年来，植被护坡的理念在国内外引起了高度关注，其核心是大气、植被、土体相互作用系统。与传统护坡方式相比，植被护坡具有低投入、低养护的特性，又能够保护环境，美化生态，有利于实现可持续发展。

但是目前学术界对于植被覆盖层这一问题的研究还有很多不足。主要有以下方面：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，试验装土构件体积大，体型笨重，土坡模拟困难，同时对仪器清洗也不方便；测数不精确，监测设备安装频繁，设备安装便捷性差；检测设备一般为人工观测，实验精度低，人为性强；模拟降雨一般只模拟恒定降雨强度，不能控制降雨雨型。

例如：一种地基与边坡工程模拟试验平台专利号：200720111516.9，试验平台均为:里面的水箱水压为定水头，不可调节雨量大小模拟各种降雨形式。一种模拟降雨及含水量对边坡稳定性影响的分析实验装置申请号：201510026725.2：该平台降雨强度单一，且未考虑模型表面径流的影响。一种室内模拟降雨入渗的试验装置实用新型专利申请号201520732401.6；该模拟降雨入渗装置未考虑变水头下的降雨情况。以上现有的试验装置，均为考虑模拟气候环境的变化以及降雨的时空分布。

技术实现要素：

本发明是要提供一种模拟气候环境变化和降雨时空变化的植被覆盖层模型箱，该模型箱可以精确控制试验温度、湿度、光照、降雨形式、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。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种模拟气候环境变化和降雨时空变化的植被覆盖层模型箱，包括气候环境模拟单元、降雨模拟单元、试验平台单元、数据采集分析单元、计算机控制模块，所述气候环境模拟单元包括与模型箱相连的温度、湿度控制器，光照控制器，环境模拟室；所述降雨模拟单元包括通过水管、水箱、水泵、多个电磁阀、多个灌溉喷头，所述水箱依次连接水泵、第一、二电磁阀、多个灌溉喷头构成降雨回路；水箱的出水管和进水管之间通过第一电磁阀和水管连接形成回路；第一、二电磁阀分别连接电磁阀控制模块，由电磁阀控制模块分别控制第一、二电磁阀工作；所述试验平台单元设置在降雨模拟单元的正下方,包括可变换倾斜角度的植被覆盖层模型箱、设置在植被覆盖层模型箱内的多根排水棒、与多根排水棒相连通的多个水箱、多个设置在植被覆盖层模型箱内的传感器预埋孔；所述数据采集分析单元包括分别设置在传感器预埋孔内的多个张力计和多个土壤水分传感器、多个给水流量计、多个排水流量计、传感器数据釆集模块；多个给水流量计分别连接在多个灌溉喷头的分支水管与水箱连接的进水管上，多个排水流量计分别连接在多个灌溉喷头的分支水管与水箱连接的出水管上，传感器数据采集模块分别与多个给水流量计、多个排水流量计、多个张力计以及多个土壤水分传感器相连,用于分别采集给水流量、排水流量、张力计以及土壤水分传感器的数据信号；所述计算机控制模块分别与传感器数据采集模块、电磁阀控制模块相连,用于接收并处理来自传感器数据釆集模块的数据后,实时调整降雨强度的大小，并对试验中得到的传感器数据、流量计数据实时进行分析,分析后得到相关曲线。

进一步，所述气候环境模拟单元中的温度控制器由加热式电阻构成，加热式电阻可以调节试验时所需模拟的各种温度；所述湿度控制器将容器中的水分通过加热变为水蒸气，并利用风机将转化好的水蒸气输送到模型箱内，从而实现试验时的湿度模拟；所述光照控制器由设置在模型箱四周的灯泡构成，通过调节灯泡强度模拟试验时不同光照，关闭灯泡，在模型箱四周盖上黑布，模拟黑夜。

进一步，所述降雨模拟单元中的第一电磁阀通过分流水管中的水来模拟试验的降雨时间分布状态；第二电磁阀通过分流水管中的水来模拟试验的降雨空间分布状态。

进一步，所述灌溉喷头具有多孔结构，用于使水分散形成均匀的雨滴。

进一步，所述试验平台单元还包括手拉葫芦、测量调整部件，所述手拉葫芦设置在植被覆盖层模型箱一端的上方,用于将植被覆盖层模型箱一端吊起,来调整植被覆盖层模型箱的水平倾角；所述测量调整部件设置在植被覆盖层模型箱的前端,用于植被覆盖层模型箱的水平倾角。

进一步，所述排水棒为管壁上设置有多个通孔的空心管。

进一步，所述植被覆盖层模型箱采用可活动式亚克力玻璃板制成,便于观测试验结果，以及装卸方便，便于植被覆盖层的制成以及试验装置的清洗。

进一步，所述环境模拟室由透明亚克力玻璃板制成长方体。

进一步，所述计算机控制模块分析后得到相关曲线为每一监测点基质吸力和时间的关系曲线、含水量和时间的关系曲线、基质吸力和含水量的关系曲线、各点的基质吸力变化折线图、含水量折线图。

一种模拟气候环境变化和降雨时空变化的植被覆盖层模型箱的使用方法，其步骤如下：

第一步：调节气候环境模拟单元，分别打开和调节温度控制器、湿度控制器、光照控制器，使得试验时温度，湿度，光照与实际自然气候环境更适合；

第二步：调试模拟降雨装置,水箱中加入适量水,计算机控制模块控制开启第一电磁阀,水泵,使水流从水箱经第一电磁阀流出后再流回水箱,然后调节第一电磁阀的开合大小使部分水流向降雨模拟单元,通过流量计的数据来反映降雨强度的大小；然后通过调节第二电磁阀的开合大小来调整水管回路中各降雨分支水管中水的流向和雨量大小,来达到考虑降雨空间分布的影响；并可通过给水和排水流量计的差值来具体反映流量，即降雨强度的大小,当流量计显示值到达规定值后,使第一电磁阀和第二电磁阀保护所开合的大小稳定运行；

第三步：制作植被覆盖层模型箱中的植被覆盖层,植被覆盖层分三层制作,下层粗沙,中层细沙,上层粉土,土、砂中适当混入植物，并根据试验需要选择,每层厚度均为20cm,传感器均布于覆盖层内,其中一组传感器置于覆盖层交界处,传感器埋设与植被覆盖层模型箱制作同时进行；

第四步：根据实际工况要求,通过计算机控制模块来实时调整降雨强度的大小，观察实验中覆盖层的湿润锋走向,试验中传感器得到的数据、流量计的数据实时的传给计算机控制模块进行分析,分析后得到相关曲线。

本发明的有益效果是：

1.本发明中由于设置了温度、湿度控制器，光照控制器，所以很好的模拟试验时的自然气候变化。

2.由于设置了电磁阀及灌溉喷头的设置，可以很好的模拟降雨的时空变化。

3.由于设置了径流和渗流排水单元，可以模拟不同径流情况以及不同初始边界条件下的渗流试验。

4.由于模型槽四周玻璃板为可拆卸式，可改变植被覆盖层高度以及仪器钻孔位置，并且便于装卸土壤，清洗。

5.由于采用了坡度调节装置，可以更好的模拟各种倾斜角度的植被覆盖层。

6.由于采用数据采集装置及数据分析装置，使得本发明的系统自动化、精确化。

附图说明

图1是本发明的实施例中试验装置总示意图；

图2是本发明的实施例中降雨模拟单元的平面图；

图3是本发明的实施例中倾角测量仪示意图；

图4是本发明的实施例中排水棒示意图；

图5是本发明的实施例中传感器预埋孔示意图；

图6是本发明的实施例中植被覆盖层降雨的纵向剖面图；

图7是本发明的实施例中植被覆盖层降雨的横向剖面图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明所涉及的模拟气候环境变化、降雨时空变化的植被覆盖层模型箱作具体阐述。

实施例：

一种模拟气候环境变化、降雨时空变化的植被覆盖层模型箱，包括气候环境模拟单元，降雨模拟单元，试验平台单元，数据采集分析单元。试验平台单元设置在降雨模拟单元的正下方。

气候环境模拟单元包括环境模拟室d1、温度控制器d2、湿度控制器d3、光照控制器d4，布置如图1所示。温度控制器d2由加热式电阻构成，可以调节试验时需模拟的各种温度。湿度控制器d3将容器中的水分通过加热变为水蒸气，在利用风机将转化好的水蒸气输送到模型箱内，从而实现试验时的湿度模拟。光照控制器d4由设置在环境模拟室d1的模型箱四周的灯泡构成，调节灯泡强度模拟试验时不同光照，关闭灯泡，在模型箱四周盖上黑布，模拟黑夜。环境模拟室d1由透明亚克力玻璃板制成长方体，长方体开孔用于各个单元模块之间的连接。

降雨模拟单元包括水箱a1、水泵a2、第一电磁阀a3、第二电磁阀a4、多个喷头a5、水管a6，并构成如图1中的降雨回路。水箱a1出水口通过水泵a2、第一电磁阀a3、第二电磁阀a4后分别连接左、右分支水管，左、右分支水管出水端通过水管a6连接水箱a1进水口，形成降雨回路。左、右分支水管上分别别装有多个喷头a5。

如图2所示,进水的水管a6上安装有水泵a2、第一电磁阀a3、第二电磁阀a4，以及第一给水流量计c3、第二给水流量计c4，出水的水管a6上装有第一排水流量计c5、第二排水流量计c6。

本发明实施例中边坡降雨的喷头a5布置如图6、图7所示。其中,水泵a2为模拟降雨回路提供动力，第一电磁阀a3为三向控制阀,可任意开启两向,用于控制水管a6中水的流向,是流向试验平台bl还是流回水箱a1,进而控制总降雨的强度；第二电磁阀a4用于控制水管a6中两分支水管的水量大小,来考虑降雨的空间分布实验结果的影响；第一给水流量计c3用于检测统计水管a6中左分支水管(a1-a3流向)中水的进水流量；第二给水流量计c4用于检测统计水管a5右分支(a1-a4流向)中水的进水流量；第一排水流量计c5用于检测统计水管a6中左分支水管(a1-a3流向)中水的出水流量；第二排水流量计c6用于检测统计水管a6右分支水管(a1-a4流向)中水的出水流量。实施例中水管a6上按图1所示均布18个喷头a5。水管a6水量流回水箱a1,水箱a的水可循环利用。

试验平台单元包括可变换水平倾斜角度的植被覆盖层模型箱bⅰ、设置在边植被覆盖层模型箱bl内的多根排水棒b5、与多根排水棒b5相连通的多个水箱、多个设置在植被覆盖层模型箱bl内的传感器预埋孔b9。

实施例中,试验平台单元包括植被覆盖层模型箱b1、水管支架b2、手拉葫芦b3、倾角测量仪b4、排水棒b5、水箱b6、水箱b7、水箱b8、传感器预埋孔b9。

试验平台单元设置在降雨单元的正下方30cm的位置。

如图1所示,植被覆盖层模型箱b1釆用可活动式的透明亚克力玻璃板制成,便于观测试验结果及装置的装卸,植被覆盖层模型箱b的前端底部有一转轴设计。手拉葫芦b3设置在植被覆盖层模型箱b1后端的上方,用于将植被覆盖层模型箱b的后端吊起,通过调整覆盖层一段的高度来调整覆盖层的水平倾角,测量调整部件,用于测量边植被覆盖层模型箱b的水平倾角,实施例中,测量调整部件为倾角测量仪b4,倾角测量仪b4设置在植被覆盖层模型箱bl的前端,倾角测量仪b4包括具有如图3所示的倾角刻度表的表盘和指针,表盘固定设置在地面上,表盘的端点与转轴重合,指针和植被覆盖层模型箱b1是一体的,在试验中可通过控制手拉葫芦b3调整植被覆盖层模型箱bl后端的高度,进而调整植被覆盖层模型箱b1的倾角,而这个倾角可通过固定的倾角测量仪b4来测出,植被覆盖层模型箱b1通过转轴转动,可直接在表盘上读取边坡倾角数值。

在植被覆盖层模型箱b1的侧壁上预留有多个如图5所示的传感器预埋孔b9,传感器预埋孔b9横向和竖向均为均匀分布,可同时安装张力计cl和土壤水分传感器c2,由图5可知,可植被覆盖层模型箱b1的侧面竖向安装三排,每排可安装5组,张力计c1和土壤水分传感器c2均与传感器数据采集器c7连接；植被覆盖层模型箱b为了方便填充边坡覆盖层模型,设计三层组合,可根据需要来调整为两层或一层,来满足覆盖层厚度和成分要求；植被覆盖层模型箱bl的前端设有排水孔,并设计有如图4所示的排水棒b5及相应的排水管路,且排水管路分上、中、下三层,分别流入水桶水箱b6、水箱b7、水箱b8中,实验中可通过测量水箱中水的量来测量估算各层排水量和总排水量。实施例中,排水棒b5为管壁上设置有多个通孔的空心管。

数据釆集分析单元包括张力计cl、土壤水分传感器c2、第一给水流量计c3、第二给水流量计c4、第一排水流量计c5、第二排水流量计c6、传感器数据采集模块c7、电磁阀控制模块c8、计算机控制模块c9。张力计cl和土壤水分传感器c在植被覆盖层模型箱b侧壁上的传感器预埋孔b9上径向均布埋设；张力计c和土壤水分传感器c2通过数据线与传感器数据采集模块c7相连；电磁阀控制模块c8通过数据线与第一电磁阀a3、第二电磁阀a4相连；传感器数据采集模块c7、电磁阀控制模玦c8均通过数据线与计算杋控制模块c9连接,将收到的数据发送到计算机控制模块c9进行分析。

本实施例中,传感器包括张力计c1和土壤水分传感器c2,其中,张力计c1用于测量降雨时覆盖层的基质吸力,土壤水分传感器c2用于测量覆盖层的含水量。为了更好的发现覆盖层中水的入渗规律,传感器的安装为有规律的埋设。

数据采集分析单元与降雨单元和试验平台单元之间有数据交流。第一电磁阀a3的开合大小、第二电磁阀a4的开合大小由计算杋控制模块c9通过电磁阀控制模块c8来控制；第一给水流量计c3、第二给水流量计c4、第一排水流量计c5和第二排水流量计c6测出水管a6中的水流量大小和总流量后将数据传回到计算机控制模块c9；实验中的张力计cl、土壤水分传感器c2的测得的基质吸力和含水量数据会传到传感器数据采集模块c7上,再传给计算机控制模块c9进行分析

实施例中,通过第一电磁阀a3的分流作用,来考虑降雨时间分布对试验结果的影响。通过第二电磁阀a4的分流作用,来考虑降雨空间分布对试验结果的影响

计算机控制模块c9的屏幕上会显示出每一监测点基质吸力和时间的关系曲线,含水量和时间的关系曲线,基质吸力和含水量的关系曲线,各点的基质吸力变化折线图、含水量折线图。

一种模拟气候环境变化、降雨时空变化的植被覆盖层模型箱具体使用方法如下：

第一步：调节气候环境模拟单元，打开温度控制器d2调节适当温度；打开湿度控制器d3调节适当湿度；打开光照控制器d4调节适当光照；调节三器使得试验时温度，湿度，光照与实际自然气候环境更吻合。

第二步：调试模拟降雨装置,水箱a中加入适当水,计算机控制模块c9控制开启第一电磁阀a3阀门至a1-a2方向,此时打开水泵a2,水流从水箱a1流出沿a1-a2方向流回水箱a1,然后调节第一电磁阀a3阀门的大小使部分水流沿a1-a1方向流向降雨模拟单元,可通过流量计的数据来反映降雨强度的大小。试验中可通过调节第二电磁阀a4阀门的大小来调整水管a6回路中各降雨分支a1-a4流向和a1-a3流向的雨量大小,来达到考虑降雨空间分布的影响。可通过给水和排水流量计来差值来具体反映流量即降雨强度的大小,当流量计显示值到达规定值后,第一电磁阀a3和第二电磁阀a4稳定运行。

第三步：制作植被覆盖层,可分三层制作,下层粗沙,中层细沙,上层粉土等,土、砂中适当混入植物，可根据试验需要来选择,每层厚度均为20cm,传感器均布于覆盖层内,其中一组传感器置于覆盖层交界处,传感器埋设与覆盖模型制备同时进行。

第四步：根据实际工况要求,通过计算机控制模块c9来实时调整降雨强度的大小，观察实验中覆盖层的湿润锋走向,试验中传感器得到的数据、流量计的数据实时的传给计算机进行分析,分析后得到相关曲线。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。