一种用于沙土喷施治沙浆液的模拟装置及模拟方法

1.本发明涉及室内环境模拟实验领域，具体涉及一种用于沙土喷施治沙浆液的模拟装置及模拟方法。


背景技术：

2.我国土地沙漠化的形势严峻。根据全国两次水土流失遥感调查成果对比分析，全国风力侵蚀面积由187.61万平方千米增加到190.67万平方千米，净增3.06万平方千米；同时，中度以上的侵蚀面积由94万平方千米增加到112万平方千米，强度以上的侵蚀面积由66万平方千米增加到87万平方千米，这说明沙漠化在扩展，侵蚀程度在加重，我国水土流失严重、生态恶化的趋势尚未得到有效遏制。
3.喷洒治沙浆液是遏制土地沙漠化方式之一，在实施大面积喷洒治沙浆液前，需要对土地喷洒治沙浆液进行试验，从而预估和判断治沙浆液带来的成效，因此研究喷洒治沙浆液对土体的胶结情况、研究降雨对喷洒浆液后胶结土体的侵蚀情况以及研究在不同环境下，植物的生长情况是不可避免的问题，目前一般采用实地考察、实地实验的方式，但实地实验耗时耗力，且不确定因素太多，导致实验结果的参考价值很低，因此目前急需一种可模拟降雨环境的室内沙土喷施治沙浆液的模拟装置及模拟方法，并通过检测或控制浆液泵压、浆液喷洒频率、降雨强度参数、含沙量、赋存地下水等主要实验参数，对浆液特性及固沙效果情况进行定性、定量的分析，从而选择合适的治理土地沙漠化的方式。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种可模拟外部环境的用于沙土喷施治沙浆液的模拟装置及模拟方法。
5.为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：
6.提供一种用于沙土喷施治沙浆液的模拟装置，其包括土样箱和固定设置在主体框架上的模拟装置、辅助模拟装置和控制装置；模拟装置包括水箱、伺服电机、蠕动泵和喷淋管，伺服电机与蠕动泵传动连接，水箱上设置有出水管，出水管与蠕动泵的进水口连通，喷淋管的一端与蠕动泵的出水口连通，且另一端设置有喷淋头，喷淋管上设置有电磁阀；辅助模拟装置包括排风换气扇、全光谱植物生长灯、变频空调和亚克力板，排风换气扇和变频空调均设置在主体框架的上端，全光谱植物生长灯设置在喷淋头的上方，亚克力板固定连接在主体框架上；控制装置包括温湿度传感器、二氧化碳浓度检测器、光照强度传感器、电子涡轮流量计、配电箱和触控屏，温湿度传感器、二氧化碳浓度检测器、光照强度传感器均设置在全光谱植物生长灯的一侧，电子涡轮流量计设置在出水管上，配电箱内设置有plc控制器，伺服电机、电磁阀、变频空调、温湿度传感器、二氧化碳浓度检测器、光照强度传感器、电子涡轮流量计和触控屏均与plc控制器电性连接。
7.进一步地，土样箱包括架体，架体上设置有土样托盘，土样托盘设置在喷淋头的下方，土样托盘的一侧通过电缸与架体连接，且电缸的两端分别与土样托盘和架体铰接，土样
托盘的另一侧设置有雨量箱，雨量箱的上端设置有无纺过滤布，电缸与plc控制器电性连接。
8.进一步地，架体和雨量箱的底部均设置有若干便于挪动的万向轮。
9.进一步地，主体框架上固定设置有竖直的直线导轨，直线导轨上活动设置有滑块，喷淋头固定设置在滑块上，滑块传动连接有同步带，同步带的传动轮上设置有编码器，编码器与plc控制器电连接。
10.进一步地，水箱包括两个分别装有清水和浆液的箱体，两个箱体内的水管与出水管交汇导通，且交汇处设置有换向阀，两个箱体的底部均设置有排水管道，排水管道上设置有排水阀。
11.进一步地，触控屏上显示有浆液喷洒模块和降雨模拟模块，浆液喷洒模块包括浆液喷施参数设定模块、土样参数设定模块和土体胶结厚度参数模块，降雨模拟模块包括降雨参数设定模块、土样参数设定模块和辅助参数模块。
12.提供一种用于沙土喷施治沙浆液的模拟方法，其包括以下步骤：
13.s1.将触控屏设定成浆液喷洒模式，换向阀将装有浆液的箱体与出水管连通；
14.s2.在土样箱中配置好土样，并设置两组相同土体高度的土样箱；
15.s3.通过触控屏输入土样的类型，土样的类型包括粉砂、细砂、中砂或粗砂，设置浆液喷洒高度h1的范围为1.5
‑
2.0m、浆液泵量q1的范围为0
‑
13l/min、浆液泵压p1的范围为0
‑
0.2mpa、浆液喷洒频率k1的范围为0
‑
1600次/min和土样箱中土样的倾斜角度为0
‑
45
°
；
16.s4.两组土样箱同时开始浆液喷洒实验，一组喷施浆液，另一组不喷施浆液；
17.s5.控制喷淋头的浆液泵量q1为1l/min的条件下，一定时间t1后，分析喷施浆液的土样箱内的土体胶结厚度h，其满足关系式：h＝a
×
k1×
h1×
p1；其中a为与胶结土体的类型、浆液漏斗黏度、浆液的流变性指标有关的常数；
18.s6.在一定时间t2后，浆液胶结土样箱内的土样后，利用触控屏设置降雨模拟模式，切换换向阀将装有清水的箱体与出水管连通；
19.s7.在触控屏上设置降雨量g、雨压p2的范围为0
‑
0.2mpa、降雨频率k2的范围为0
‑
1600次/min、降雨高度h2的范围为1.5
‑
2.0m，将干燥的无纺过滤布称重器重量为g1；
20.s8.两组土样箱同时开始降雨模拟实验，在设定降雨量g结束后，观测两组土样箱的雨量箱中的水位，得到各自过滤后降雨重量g4；
21.s9.分别将两组土样箱内的无纺过滤布称重g2，晒干后称重g3，减去干燥的无纺过滤布重量g1，分别得到冲刷携带泥沙的重量为g3‑
g1，无纺过滤布上液体的重量g2‑
g3，从而得到土体中雨水赋存的重量g
‑
(g2‑
g3)
‑
g4；
22.s10.在两组经过降雨模拟实验侵蚀过后的土样箱中的土样上均种植相同的草本植物种子；
23.s11.控制两组土样箱中的温度、湿度、二氧化碳浓度、光照强度的试验参数；
24.s12.观察两组土样箱中植被的恢复情况；
25.s13.试验结束后，通过水箱底部的排水管道将浆液和清水排出，并对箱体进行冲刷，便于下次使用。
26.提供一种治沙浆液的制备方法，其中治沙浆液的黏度设置为15
‑
30p之间，治沙浆液是由羟乙基纤维素羧甲基纤维素钠复合水溶液、聚丙烯酰胺聚丙烯酸钠复合水溶液和氯
化钾溶液在室温条件下按比例混合的0.45
‑
1.25％有机高分子聚合物溶液，其制备方法包括以下步骤：
27.s1.预先配制1
‑
2.5％浓度羟乙基纤维素羧甲基纤维素钠复合水溶液；
28.s2.再预溶0.2
‑
0.5％浓度聚丙烯酰胺聚丙烯酸钠复合水溶液；
29.s3.再加入0.3
‑
0.5％氯化钾水溶液，得到喷施治沙浆液。
30.本发明的有益效果为：
31.1.本发明实现了室内浆液喷洒及降雨模拟一体的模拟实验装置，并通过土样箱、模拟装置以及控制装置，实现对浆液喷洒、降雨喷洒、土样、光照强度、温度、湿度等一系列参数的监测与控制，辅助模拟装置提供植物生长所需环境，模拟浆液喷施后植被修复，最终达到模拟室外生产环境的目的，为浆液治沙室外研究提供有力的技术支撑。
32.2.土样箱能够实现室外不同土体坡度的模拟，且土体坡度可通过电缸调节控制。
33.3.若干万向轮的设置，使土样箱架体和雨量箱挪动便捷。
34.4.滑块与直线导轨的设置，使固定在滑块上的喷淋头的高度实现上、下可调，同时设置在同步带上的编码器可对喷淋头的高度进行数据采集。
35.5.两个分别装有清水和浆液的箱体可通过换向阀的控制，实现清水和浆液的转换供应。
36.6.触控屏上设计有两种模块的操作面板，包括浆液喷洒模块和降雨模拟模块，实现一个装置模拟浆液喷洒后对土体修复情况的室内研究，实现智能调控浆液喷施参数和降雨强度等参数。
37.7.本方案的模拟方法用于喷洒治沙浆液对土体胶结情况、降雨对喷洒治沙浆液后的胶结土体侵蚀特性的研究，以及在不同环境下植物的生长情况；通过检测或控制浆液泵压、渗透深度、浆液喷洒高低、浆液喷洒频率、降雨强度、泥沙量等主要参数，达到模拟室外环境的目的，并获取浆液胶结土体后植被恢复、抗降雨侵蚀能力，进而评价浆液的性能，也可用于判定不同地层土质；同时在室内装置中植物在喷施浆液与未喷施浆液条件下，模拟室外生长环境的对照试验，可用来评价降雨对浆液喷施胶结后土样的降雨侵蚀、评价不同地区降雨环境；土壤的降雨侵蚀、降雨径流，可用于降雨特性研究；模拟室外植物生长环境的室内实验研究，可评价土壤沙化修复情况。
38.8.羟乙基纤维素羧甲基纤维素钠具有粘合、增稠、增强、乳化、保水等作用；聚丙烯酰胺聚丙烯酸钠可有效的改善土壤结构，增加大团聚体数目，降低土壤容重，提高渗透率，增加土壤的含水量，提高土壤抗蚀能力，进而提高作物产量；氯化钾可调节治沙浆液的流变性，增加土壤中入渗深度，增加胶结范围。
附图说明
39.图1为本方案的用于沙土喷施治沙浆液的模拟装置整体示意图。
40.图2为土样箱示意图。
41.图3为水箱示意图。
42.图4为触控屏上浆液喷洒模块的界面示意图。
43.图5为触控屏上降雨模拟模块的界面示意图。
44.其中，1、主体框架，2、排风换气扇，3、全光谱植物生长灯，4、温湿度传感器，5、二氧
化碳浓度检测器，6、光照强度传感器，7、水管，8、电磁阀，9、亚克力板，10、喷淋头，11、配电箱，12、土样箱，13、变频空调，14、同步带，15、滑块，16、直线导轨，17、蠕动泵，18、触控屏，19、编码器，20、伺服电机，21、电子涡轮流量计，22、水箱，24、土样托盘，25、无纺过滤布，26、雨量箱，27、万向轮，28、土样，29、电缸，30、架体，31、出水管，32、换向阀，33、箱体；34、排水管道。
具体实施方式
45.下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
46.如图1至图5所示，本方案的用于沙土喷施治沙浆液的模拟装置，其包括土样箱12和固定设置在主体框架1上的模拟装置、辅助模拟装置和控制装置。
47.如图1所示，模拟装置包括水箱22、伺服电机20、蠕动泵17和喷淋管7，伺服电机20与蠕动泵17传动连接，水箱22上设置有出水管31，出水管31与蠕动泵17的进水口连通，喷淋管7的一端与蠕动泵17的出水口连通，且另一端设置有喷淋头10，喷淋管7上设置有电磁阀8，实现其开关及频率的控制。
48.辅助模拟装置包括排风换气扇2、全光谱植物生长灯3、变频空调13和亚克力板9，亚克力板9固定连接在主体框架1上，排风换气扇2和变频空调13均设置在主体框架1上端的亚克力板9上，全光谱植物生长灯3设置在喷淋头10的上方，实现对光照强度的控制。
49.控制装置包括温湿度传感器4、二氧化碳浓度检测器5、光照强度传感器6、电子涡轮流量计21、配电箱11和触控屏18，温湿度传感器4、二氧化碳浓度检测器5、光照强度传感器6均设置在全光谱植物生长灯3的一侧的亚克力板9上，分别实现对温湿度，二氧化碳浓度和光照强度的检测，电子涡轮流量计21设置在出水管31上，实现浆液或降雨泵量的检测，配电箱11内设置有plc控制器，伺服电机20、电磁阀8、变频空调13、温湿度传感器4、二氧化碳浓度检测器5、光照强度传感器6、电子涡轮流量计21和触控屏18均与plc控制器电性连接，从而实现对应参数监测或控制。
50.主体框架1上固定设置有竖直的直线导轨16，直线导轨16上活动设置有滑块15，喷淋头10固定设置在滑块15上，滑块15传动连接有同步带14，同步带14的传动轮上设置有编码器19，编码器19与plc控制器电连接，其中滑块15与直线导轨16的设置，使固定在滑块15上的喷淋头10的高度实现上、下可调，同时设置在同步带14上的编码器19可对喷淋头10的高度进行数据采集。
51.如图2所示，土样箱12包括架体30，架体30上设置有土样托盘24，土样托盘24设置在喷淋头10的下方，土样托盘24的一侧通过电缸29与架体30连接，且电缸29的两端分别与土样托盘24和架体30铰接，土样托盘24的另一侧设置有雨量箱26，雨量箱26的上端设置有无纺过滤布25，电缸29与plc控制器电性连接，架体30和雨量箱26的底部均设置有若干便于挪动的万向轮27，其中土样箱12能够实现室外不同土体坡度的模拟，且土体坡度可通过电缸29调节。
52.如图3所示，水箱22包括两个分别装有清水和浆液的箱体33，两个箱体33内的水管
与出水管31交汇导通，且交汇处设置有换向阀32，两个分别装有清水和浆液的箱体33可通过换向阀32的控制，实现清水和浆液的转换供应，两个箱体33的底部均设置有排水管道34，排水管道34上设置有排水阀，在试验结束后，通过水箱22底部的排水管道34将浆液和清水排出，并对箱体33进行冲刷，便于下次使用。
53.如图4和图5所示，触控屏18上显示有浆液喷洒模块和降雨模拟模块，浆液喷洒模块包括浆液喷施参数设定模块、土样参数设定模块和土体胶结厚度参数模块，降雨模拟模块包括降雨参数设定模块、土样参数设定模块和辅助参数模块。触控屏18上设计有两种模块的操作面板，包括浆液喷洒模式和降雨模拟模式，实现一个装置模拟浆液喷洒后对土体修复情况的室内研究，实现智能调控浆液喷施参数和降雨强度等参数。
54.为真实模拟室外环境，实验前在土样箱中设置斜坡模型，自上而下铺设0.2cm薄层白色粉砂、厚度为10cm的细砂、厚度为10cm的中砂，底层铺设粗砂，各层界面交接处无明显界线，如在中砂层上部取2cm厚度与细砂混合，且上层面不平整，土样箱托盘底部铺设一层粗糙混凝土，增加底部与土样箱摩擦力。
55.提供一种用于沙土喷施治沙浆液的模拟方法，其包括以下步骤：
56.s1.将触控屏18设定成浆液喷洒模式，换向阀32将装有浆液的箱体33与出水管31连通；
57.s2.在土样箱12中配置好土样28，并设置两组相同土体高度的土样箱12；
58.s3.通过触控屏18输入土样28的类型，土样28的类型包括粉砂、细砂、中砂或粗砂，设置浆液喷洒高度h1的范围为1.5
‑
2.0m、浆液泵量q1的范围为0
‑
13l/min、浆液泵压p1的范围为0
‑
0.2mpa、浆液喷洒频率k1的范围为0
‑
1600次/min和土样箱12中土样28的倾斜角度为0
‑
45
°
；
59.s4.两组土样箱12同时开始浆液喷洒实验，一组喷施浆液，另一组不喷施浆液；
60.s5.控制喷淋头10的浆液泵量q1为1l/min的条件下，一定时间t1后，分析喷施浆液的土样箱12内的土体胶结厚度h，其满足关系式：h＝a
×
k1×
h1×
p1；其中a为与胶结土体的类型、浆液黏度、浆液的流变性指标有关的常数；
61.s6.在一定时间t2后，浆液胶结土样箱12内的土样28后，利用触控屏18设置降雨模拟模式，切换换向阀32将装有清水的箱体33与出水管31连通；
62.s7.在触控屏18上设置降雨量g、雨压p2的范围为0
‑
0.2mpa、降雨频率k2的范围为0
‑
1600次/min、降雨高度h2的范围为1.5
‑
2.0m，将干燥的无纺过滤布25称重器重量为g1；
63.s8.两组土样箱12同时开始降雨模拟实验，在设定降雨量g结束后，观测两组土样箱12的雨量箱26中的水位，得到各自过滤后降雨重量g4；
64.s9.分别将两组土样箱12内的无纺过滤布25称重g2，晒干后称重g3，减去干燥的无纺过滤布25重量g1，分别得到冲刷携带泥沙的重量为g3‑
g1，无纺过滤布25上液体的重量g2‑
g3，从而得到土体中雨水赋存的重量g
‑
(g2‑
g3)
‑
g4；
65.s10.在两组经过降雨模拟实验侵蚀过后的土样箱12中的土样28上均种植相同的草本植物种子；
66.s11.控制两组土样箱12中的温度、湿度、二氧化碳浓度、光照强度的试验参数；
67.s12.观察两组土样箱12中植被的恢复情况；
68.s13.试验结束后，通过水箱22底部的排水管道34将浆液和清水排出，并对箱体33
进行冲刷，便于下次使用。
69.具体地，上述用于沙土喷施治沙浆液的模拟方法中，触控屏18输入土的类型，其包括粉砂、细砂、中砂和粗砂，土的类型选择包含土地沙化土壤类型，可从野外踏勘取样；浆液喷洒高度h1考虑在室内使用，在满足降雨、浆液喷施条件的情况下实验装置设置高度范围为1.5
‑
2.0m；浆液泵量q1的范围应满足浆液喷施所需，同时能够保证两组及以上的实验组同时开展实验，根据喷淋头10的最大泵量，设置浆液泵量范围为0
‑
13l/min；浆液泵压p1范围主要根据浆液的黏度和流变性能提出，一般沙土治沙浆液的黏度要求小于30p，清水为15p，浆液漏斗黏度较大则需要增加泵压，泵送浆液，因此设置浆液泵压范围为0
‑
0.2mpa；浆液喷洒频率k1的范围选择主要考虑到野外浆液喷施和设备行驶速度在20km/h的需求，行驶速度越快则泵送频率越大，因此选择较大范围值设定0
‑
1600次/min；设定土样箱12土体倾斜角度0
‑
45
°
，土样箱12土体倾斜角度范围能够满足土地天然沙坡面角度模拟，土地沙化坡面一般小于30
°
；雨压p2主要考虑模拟降雨强度应满足实际情况，其中土地沙化地区集中降雨期主要降雨强度为小雨，即1小时内平均降雨量，降雨强度分为小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨等，针对模拟土地沙化地区降雨一般为小雨，降雨强度一般小于10mm/h故雨压p2的设置范围为0
‑
0.2mpa，足够满足实验要求；降雨频率k2取值范围应满足小雨条件下的要求并能够达到暴雨实验的水平，即降雨强度为50mm/h，高频次的降雨可增加单位时间降雨量，因此k2的取值范围为0
‑
1600次/min；降雨高度h2在已经满足雨压的条件下，设置一定高度即可，主要考虑到室内高度限制选择范围为1.5
‑
2.0m；其中两组土样箱12中的湿度和二氧化碳浓度的试验参数可以通过外接现有设备来实现其控制，例如加湿器和二氧化碳瓶。
70.本方案的模拟方法用于喷洒治沙浆液对土体胶结情况、降雨对喷洒治沙浆液后的胶结土体侵蚀特性的研究，以及在不同环境下植物的生长情况；通过检测或控制浆液泵压、渗透深度、浆液喷洒高低、浆液喷洒频率、降雨强度、泥沙量等主要参数，达到模拟室外环境的目的，并获取浆液胶结土体后植被恢复、抗降雨侵蚀能力，进而评价浆液的性能，也可用于判定不同地层土质；同时在室内装置中植物在喷施浆液与未喷施浆液条件下，模拟室外生长环境的对照试验，可用来评价降雨对浆液喷施胶结后土样的降雨侵蚀、评价不同地区降雨环境；土壤的降雨侵蚀、降雨径流，可用于降雨特性研究；模拟室外植物生长环境的室内实验研究，可评价土壤沙化修复情况。
71.提供一种治沙浆液的制备方法，其中治沙浆液的黏度设置为15
‑
30p之间，治沙浆液是由羟乙基纤维素羧甲基纤维素钠复合水溶液、聚丙烯酰胺聚丙烯酸钠复合水溶液和氯化钾溶液在室温条件下按比例混合的0.45
‑
1.25％有机高分子聚合物溶液，其制备方法包括以下步骤：
72.s1.预先配制1
‑
2.5％浓度羟乙基纤维素羧甲基纤维素钠复合水溶液；
73.s2.再预溶0.2
‑
0.5％浓度聚丙烯酰胺聚丙烯酸钠复合水溶液；
74.s3.再加入0.3
‑
0.5％氯化钾水溶液，得到喷施治沙浆液。
75.其中，羟乙基纤维素羧甲基纤维素钠具有粘合、增稠、增强、乳化、保水等作用；聚丙烯酰胺聚丙烯酸钠可有效的改善土壤结构，增加大团聚体数目，降低土壤容重，提高渗透率，增加土壤的含水量，提高土壤抗蚀能力，进而提高作物产量；氯化钾可调节治沙浆液的流变性，增加土壤中入渗深度，增加胶结范围。
76.优选地，本方案的全光谱植物生长灯3采用贵翔wega型全光谱植物生长led灯，温
湿度传感器4采用锦睿智诚jrth424d2型温湿度传感器，二氧化碳浓度检测器5采用高品ngp5
‑
nox型二氧化碳浓度检测器，光照强度传感器6采用精讯畅通的jxct
‑
3001
‑
gzd型光照度传感器，电磁阀8采用科威纳二通式单向电磁阀，编码器19采用光电旋转编码器，电子涡轮流量计21采用lwgy型液体涡轮流量计，电缸29采用dytz型直式电液推杆，换向阀32采用百仪q614/5f
‑
16p型三通换向球阀。
77.综上所述，本方案的装置体积占用空间小，在实验室范围内能够实现浆液喷洒和降雨的模拟，通过对喷洒高度调节、泵压、泵送频率等参数的调节，能够模拟室外浆液喷施过后土壤的胶结情况、降雨对胶结土体的侵蚀情况以及在不同环境下植物的生长情况。