CN109613171A - 一种森林山地土壤原位火烧模拟试验装置及其试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种森林山地土壤原位火烧模拟试验装置及其试验方法，提供了一种可以在现场原位测量不同火烈度下不同深度的土壤物理及水理性质指标变化的试验装置，试验装置包括三部分：下部为检测系统，中部为火烧模拟系统，上部为降雨模拟系统。本发明安装使用测量方便，可在保证原状土结构最小扰动的同时，进行不同火烧温度和持续时间的原位火烧试验、火烧后土壤不同降雨强度和持续时间的原位降雨模拟试验，并实现不同深度土壤受到烧焙过程中的温度和含水率变化以及烧培后不同深度土壤在降雨模拟过程中的含水率和孔隙水压力变化的实时可测；同时相应部件可进行适当的拆卸，便于携带，在火后泥石流的成灾机理及防治研究方面具有很高的推广价值。

Description

一种森林山地土壤原位火烧模拟试验装置及其试验方法
技术领域
本发明涉及火后泥石流成灾机理及防治研究的试验技术领域，具体涉及一种森林山地土壤原位火烧模拟试验装置及其试验方法。
背景技术
火后泥石流是指林火发生后火烧迹地附近发生的、与林火紧密联系的泥石流，通常发生过森林火灾的火烧迹地有极高的概率会发生火后泥石流。相对于非火后泥石流，其物源起动与林下土壤受到植被燃烧过程中的高温烧焙而致的物理及水理特征改变密切相关。而由于森林火灾发生的不确定性，现有的野外测试手段又难以监测火灾过程中土壤物理及水理特性的变化情况，所以针对林火对土壤性质改变的土壤火烧模拟试验研究就显得尤为重要。但目前，现有的火烧模拟试验设备仍存在一些不足：
其一，现有的火烧模拟试验装置多为局限于室内开展的重塑土火烧试验装置，难以应用于现场开展原状土的火烧试验，且其中以明火火烧的试验装置占比较少，因而存在较大的试验误差。
其二，现有的火烧模拟试验装置难以实现火烧温度与持续时间可控的试验研究。
其三，现有的火烧模拟试验装置难以实时监测不同深度土壤受到烧焙过程中的温度和含水率变化。
其四，现有的火烧模拟试验装置，其室内试验尺度较小，受尺寸效应的影响较大，且原状土取样难度大，通常导致试验样品数量不足。
发明内容
本发明提供了一种森林山地土壤原位火烧模拟试验装置及其试验方法，通过火烧模拟试验对原状土被火烧后的土壤性质改变进行针对性研究。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
一种森林山地土壤原位火烧模拟试验装置，包括从下到上依次连接的检测系统、火烧模拟系统和降雨模拟系统；
检测系统包括用于盛装试验土芯的圆筒状下机箱，圆筒状下机箱无底无盖；圆筒状下机箱的侧壁上开设有多个预设小孔，传感器的探针穿过预设小孔后设于圆筒状下机箱的内部；
火烧模拟系统包括圆筒状上机箱，圆筒状上机箱无底无盖，圆筒状上机箱与圆筒状下机箱同轴心设置；环形气管设于圆筒状上机箱内部的下部，环形气管上均匀安装有多个可喷火的喷火头；
降雨模拟系统包括安装于圆筒状上机箱顶部的机箱顶盖；机箱顶盖上设置有通风口和喷水器。
根据上述方案，所述预设小孔在圆筒状下机箱的侧壁上从下到上分多层设置；每层预设小孔均位于同一水平高度且沿圆筒状下机箱的周向均匀分布，相邻两层预设小孔之间的间距相等；所述传感器包括温度传感器、湿度传感器和孔隙水压力传感器；每层预设小孔内均设置有温度传感器、湿度传感器和孔隙水压力传感器。
进一步的，所述预设小孔每层均设置有九个；所述温度传感器、湿度传感器和孔隙水压力传感器在每层预设小孔内各设置三个，且温度传感器、湿度传感器和孔隙水压力传感器在每层预设小孔内均匀间隔设置；同一类型的三个传感器分别设于圆筒状下机箱的轴心处、圆筒状下机箱的1/2半径处和圆筒状下机箱内靠近内壁的位置。
根据上述方案，所述环形气管共设有三个，且从下到上依次间隔设于圆筒状上机箱内部的下部；每个环形气管都均匀安装有多个喷火头；三个环形气管均与液化燃气罐连接。
进一步的，所述液化燃气罐自带有油压计；所述喷火头处设置有电子打火器，电子打火器通过绝缘导线与设置在圆筒状上机箱外壁上的点火按钮连通。
根据上述方案，所述圆筒状上机箱内设置有圆筒形的石棉隔热层；所述环形气管设于石棉隔热层与圆筒状上机箱之间，环形气管的喷火头则穿过石棉隔热层后指向轴心设置。
根据上述方案，所述喷水器的注水接口通过水管外接入水箱内的小型水泵，水管中安装有流量计；直流电池组充当水泵电源。
一种森林山地土壤原位火烧模拟试验装置的试验方法，包括以下步骤：
S1、野外选取地面相对较平整的试验点，将圆筒状下机箱锤击入地面至圆筒状下机箱上缘与地表平行；再沿着圆筒状下机箱外侧挖土，挖出一圈环形沟壑，直至圆筒状下机箱外侧表面完全出露，将圆筒状下机箱内部的试验土芯与周边土壤孤立出来；
S2、沿着圆筒状下机箱外侧的预设小孔，先掏孔再水平插入温度传感器、湿度传感器、孔隙水压力传感器，传感器的探针分层且均匀地分布于试验土芯内，检测系统准备就绪；
S3、圆筒状上机箱与圆筒状下机箱连接，液化燃气罐与圆筒状上机箱内预设高度的一组环形喷火头相连，调节液化燃气至预设气压，火烧模拟系统准备就绪；
S4、打开液化燃气罐的阀门，同时开启点火按钮，火烧试验开始；试验中温度传感器和湿度传感器可实时记录整个试验过程中试验土芯不同土壤深度的温度及含水率值的变化；
S5、火烧至预设时间后，关闭液化燃气罐阀门；静待一段时间，待试验土芯温度降下至常温，再开启降雨模拟系统；湿度传感器和孔隙水压力传感器可实时记录整个试验过程中试验土芯中不同深度的含水率和孔隙水压力值的变化；
S6、调整液化燃气罐输气管头连接圆筒状上机箱内壁上不同高度的喷火头，调整火烧时间，再重复S1～S4操作可测试不同火烧温度、不同火烧持续时间下的不同火烧深度的土壤性质变化；
S7、调整控制水泵的直流电源电池组的接入组数及通电持续时间，再重复S1～S5操作可测试火烧后不同降雨强度、不同降雨时间下试验土芯的不同土壤深度的土壤性质变化。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：安装使用测量方便，可在保证原状土结构最小扰动的同时，进行不同火烧温度和持续时间的、较大尺度的森林山地土壤原位火烧试验，并实现不同深度土壤受到烧焙过程中的温度和含水率变化实时可测；本发明配套有降雨模拟系统，可对烧焙后的原状土壤进行原位降雨模拟，并实现不同深度土壤在降雨模拟过程中的含水率和孔隙水压力变化实时可测；火烧试验后可及时取得新鲜烧培土样本，用以室内土工试验测试烘培土的其它各项物理指标；相应部件可进行适当的拆卸，便于携带，在火后泥石流的成灾机理及防治研究方面具有很高的推广价值。
附图说明
图1为本发明的正视结构示意图；
图2为本发明的俯视结构示意图；
图3为本发明中检测系统的结构示意图；
图4为本发明中火烧模拟系统的结构示意图；
图5为本发明中降雨模拟系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明，图中各标号的释义为：圆筒状下机箱11，预设小孔12，试验土芯13，温度传感器141，湿度传感器142，孔隙水压力传感器143，周边土壤15，圆筒状上机箱21，气管接头22，喷火头23，液化燃气罐24，点火按钮251，绝缘导线252，电子打火器253，环形气管26，石棉隔热层27，喷水器31，机箱顶盖32，通风口33，把手34，注水接口35。
如图1和图2所示，本发明主要包括从下到上依次设置的检测系统、火烧模拟系统和降雨模拟系统。
如图3所示，检测系统包括圆筒状下机箱11、试验土芯13和传感器。圆筒状下机箱11无底无盖，其下缘设置为刀刃状结构以便于插入到泥土；其侧面每竖向间隔1cm沿环向设置一圈预设小孔12以便于插入传感器的探针；其上缘加厚且筒壁外侧设置有螺纹结构。圆筒状下机箱11内部为圆柱体试验土芯13，传感器的探针插入到试验土芯13内部。检测系统中的传感器包含温度传感器141、湿度传感器142、孔隙水压力传感器143。传感器的探针分层沿着圆筒状下机箱11侧面不同高度的预设小孔12水平插入。每一层预设小孔12中均插入三个不同类型的传感器，即温度传感器141、湿度传感器142、孔隙水压力传感器143各插入三个。同一类型的三个传感器分别设于圆筒状下机箱11的轴心处、圆筒状下机箱11的1/2半径处和圆筒状下机箱11内靠近内壁的位置，即使得传感器的探针均匀分布于试验土芯13中。
如图4所示，火烧模拟系统包括圆筒状上机箱21、石棉隔热层27、液化燃气罐24、气管接头22、环形气管26、喷火头23、绝缘导线251、电子打火器252。圆筒状上机箱21无底，其下缘筒壁内侧设置有与圆筒状下机箱11筒壁外侧相配套的配套螺纹结构，方便两者螺旋组装。圆筒状上机箱21内壁设置一圈石棉隔热层27，石棉隔热层27与圆筒状上机箱21之间靠近底部处从下到上固定设置有三层由耐高温材料制成的环形气管26，每层环形气管26上均均匀连接多个喷火头23和一个气管接口22。圆筒状上机箱21外壁设置点火按钮251。火烧模拟系统中的环形气管26上等距串连8个喷火头23并同时指向圆筒状上机箱21的中轴线，使得火焰水平均匀分布于圆筒状上机箱21内部空间的某一位面。喷火头23端部设置有电子打火器253，通过绝缘导线252连接至机箱外壁的点火控制按钮251，以方便点火。气管接头22一端连接环形气管26，另一端连接一带有油压计的液化燃气罐24，通过液化燃气罐24连接圆筒状上机箱21外壁上不同高度的气管接头22，以控制不同的火烧试验温度。圆筒状上机箱21内设置石棉隔热层27可在一定程度上降低试验中高温对环形气管26及圆筒状上机箱21的影响。试验前每层环形气管26设置于圆筒状上机箱21下缘的高度，可通过地表安装温度传感器进行不同预设火烧温度的火烧试验来调整，试验中通过调节液化燃气罐24的气压，可十分方便且精确地控制火焰燃烧形成的地表温度。
如图5所示，降雨模拟系统包括设置于圆筒状上机箱21顶部的透明玻璃钢机箱顶盖32。机箱顶盖32设置有两个通风口33。机箱顶盖32上表面设置有把手34，内表面安装一可控流量莲蓬式模拟喷水器31，喷水器31的注水接口35通过水管外接入水箱内的小型水泵，水管中安装有流量计。降雨模拟系统中的莲蓬状喷水器31连接装有流量计的水管，水管外接入小型水箱内的小功率水泵，直流电池组充当水泵电源。通过控制水泵的直流电源电池组的接入组数可十分方便且精确地控制水泵的输出功率，进而控制降雨模拟试验中的降雨强度。
下面是利用上述森林山地土壤原位火烧模拟试验装置的试验方法，包括如下步骤：
S1、野外选取地面相对较平整的试验点，将圆筒状下机箱11锤击入地面至圆筒状下机箱11上缘与地表平行。再沿着圆筒状下机箱11外侧挖土，挖出一圈环形沟壑(约10cm宽，方便传感器的布置)，直至圆筒状下机箱11外侧表面完全出露，将圆筒状下机箱11内部的试验土芯13与周边土壤15孤立出来。
S2、沿着圆筒状下机箱11外侧的预设小孔12，先掏孔再水平插入温度传感器141、湿度传感器142、孔隙水压力传感器143，传感器的探针分层且均匀地分布于试验土芯13内，检测系统准备就绪。
S3、圆筒状上机箱21与圆筒状下机箱11螺旋连接，液化燃气罐24与圆筒状上机箱21内预设高度的一组环形喷火头23的气管接头22相连，调节液化燃气至预设气压，火烧模拟系统准备就绪。
S4、打开液化燃气罐24的阀门，同时开启点火按钮25，火烧试验开始。试验中温度传感器141和湿度传感器142可实时记录整个试验过程中试验土芯13不同土壤深度的温度及含水率值的变化。
S5、火烧至预设时间后，关闭液化燃气罐24阀门。静待一段时间，待试验土芯13温度降下至常温，再开启降雨模拟系统(室内试验取样可在移去上部圆筒状上机箱21后，直接在试验土中标准环刀取样)。湿度传感器142和孔隙水压力传感器143可实时记录整个试验过程中试验土芯13中不同深度的含水率和孔隙水压力值的变化。
S6、调整液化燃气罐24输气管头连接圆筒状上机箱21内壁上不同高度的气管接头22，调整火烧时间，再重复S1～S4操作可测试不同火烧温度、不同火烧持续时间下的不同火烧深度的土壤性质变化。
S7、调整控制水泵的直流电源电池组的接入组数及通电持续时间，再重复S1～S5操作可测试火烧后不同降雨强度、不同降雨时间下试验土芯13的不同土壤深度的土壤性质变化。

Claims (8)

1.一种森林山地土壤原位火烧模拟试验装置，其特征在于：包括从下到上依次连接的检测系统、火烧模拟系统和降雨模拟系统；
检测系统包括用于盛装试验土芯13的圆筒状下机箱(11)，圆筒状下机箱(11)无底无盖；圆筒状下机箱(11)的侧壁上开设有多个预设小孔(12)，传感器的探针穿过预设小孔(12)后设于圆筒状下机箱(11)的内部；
火烧模拟系统包括圆筒状上机箱(21)，圆筒状上机箱(21)无底无盖，圆筒状上机箱(21)与圆筒状下机箱(11)同轴心设置；环形气管(26)设于圆筒状上机箱(21)内部的下部，环形气管(26)上均匀安装有多个可喷火的喷火头(23)；
降雨模拟系统包括安装于圆筒状上机箱(21)顶部的机箱顶盖(32)；机箱顶盖(32)上设置有通风口(33)和喷水器(31)。
2.根据权利要求1所述的一种森林山地土壤原位火烧模拟试验装置，其特征在于：所述预设小孔(12)在圆筒状下机箱(11)的侧壁上从下到上分多层设置；每层预设小孔(12)均位于同一水平高度且沿圆筒状下机箱(11)的周向均匀分布，相邻两层预设小孔(12)之间的间距相等；所述传感器包括温度传感器(141)、湿度传感器(142)和孔隙水压力传感器(143)；每层预设小孔(12)内均设置有温度传感器(141)、湿度传感器(142)和孔隙水压力传感器(143)。
3.根据权利要求2所述的一种森林山地土壤原位火烧模拟试验装置，其特征在于：所述预设小孔(12)每层均设置有九个；所述温度传感器(141)、湿度传感器(142)和孔隙水压力传感器(143)在每层预设小孔(12)内各设置三个，且温度传感器(141)、湿度传感器(142)和孔隙水压力传感器(143)在每层预设小孔(12)内均匀间隔设置；同一类型的三个传感器分别设于圆筒状下机箱(11)的轴心处、圆筒状下机箱(11)的1/2半径处和圆筒状下机箱(11)内靠近内壁的位置。
4.根据权利要求1所述的一种森林山地土壤原位火烧模拟试验装置，其特征在于：所述环形气管(26)共设有三个，且从下到上依次间隔设于圆筒状上机箱(21)内部的下部；每个环形气管(26)都均匀安装有多个喷火头(23)；三个环形气管(26)均与液化燃气罐(24)连接。
5.根据权利要求4所述的一种森林山地土壤原位火烧模拟试验装置，其特征在于：所述液化燃气罐(24)自带有油压计；所述喷火头(23)处设置有电子打火器(253)，电子打火器(253)通过绝缘导线(252)与设置在圆筒状上机箱(21)外壁上的点火按钮(251)连通。
6.根据权利要求1所述的一种森林山地土壤原位火烧模拟试验装置，其特征在于：所述圆筒状上机箱(21)内设置有圆筒形的石棉隔热层(27)；所述环形气管(26)设于石棉隔热层(27)与圆筒状上机箱(21)之间，环形气管(26)的喷火头(23)则穿过石棉隔热层(27)后指向轴心设置。
7.根据权利要求1所述的一种森林山地土壤原位火烧模拟试验装置，其特征在于：所述喷水器(31)的注水接口(35)通过水管外接入水箱内的小型水泵，水管中安装有流量计；直流电池组充当水泵电源。
8.一种森林山地土壤原位火烧模拟试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、野外选取地面相对较平整的试验点，将圆筒状下机箱(11)锤击入地面至圆筒状下机箱(11)上缘与地表平行；再沿着圆筒状下机箱(11)外侧挖土，挖出一圈环形沟壑，直至圆筒状下机箱(11)外侧表面完全出露，将圆筒状下机箱(11)内部的试验土芯(13)与周边土壤(15)孤立出来；
S2、沿着圆筒状下机箱(11)外侧的预设小孔(12)，先掏孔再水平插入温度传感器(141)、湿度传感器(142)、孔隙水压力传感器(143)，传感器的探针分层且均匀地分布于试验土芯(13)内，检测系统准备就绪；
S3、圆筒状上机箱(21)与圆筒状下机箱(11)连接，液化燃气罐(24)与圆筒状上机箱(21)内预设高度的一组环形喷火头(23)相连，调节液化燃气至预设气压，火烧模拟系统准备就绪；
S4、打开液化燃气罐(24)的阀门，同时开启点火按钮(25)，火烧试验开始；试验中温度传感器(141)和湿度传感器(142)可实时记录整个试验过程中试验土芯(13)不同土壤深度的温度及含水率值的变化；
S5、火烧至预设时间后，关闭液化燃气罐(24)阀门；静待一段时间，待试验土芯(13)温度降下至常温，再开启降雨模拟系统；湿度传感器(142)和孔隙水压力传感器(143)可实时记录整个试验过程中试验土芯(13)中不同深度的含水率和孔隙水压力值的变化；
S6、调整液化燃气罐(24)输气管头连接圆筒状上机箱(21)内壁上不同高度的喷火头(23)，调整火烧时间，再重复S1～S4操作可测试不同火烧温度、不同火烧持续时间下的不同火烧深度的土壤性质变化；
S7、调整控制水泵的直流电源电池组的接入组数及通电持续时间，再重复S1～S5操作可测试火烧后不同降雨强度、不同降雨时间下试验土芯(13)的不同土壤深度的土壤性质变化。
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