CN111489628A - 气候变化下的第三极环境监测模拟实验室 - Google Patents

Abstract

本发明涉及气候变化下的第三极环境监测模拟实验室，它由温度测控单元、人工降水控制单元、气体配比测控单元、多元可调山川模型、水文与水质监测单元、智能控制单元、光照与风生成单元共同构成，丰富的组成可满足多种实验要求。可以模拟第三极地区寒冷、低压、冰封的环境以及二氧化碳浓度对温度的影响作用，其中的人工降水控制单元和光照与风生成单元还能模拟降雨、风、光照等条件。本发明具有丰富的组件，能解决现有技术中功能较为单一的问题；同时结构合理，可操控性强，解除恶劣天气与地理条件对实验的束缚。为科学人员在预测气候变化条件下的冰川融化规律提供思路与参考。

Description

气候变化下的第三极环境监测模拟实验室

技术领域

本发明属于水文与环境监测模拟领域，特别是涉及一种气候变化下的第三极环境监测模拟实验室。

背景技术

二氧化碳通过吸收从地面反射的长波辐射影响红外线往太空发散，就像一口大锅罩在地球表面，从而引起全球温度的升高。第三极地区指的是以青藏高原和喜马拉雅山脉为中心面积大于五百万平方公里的地区，是地球上除南北极以外最寒冷的地区。受到全球变暖的影响，第三极地区每年冰雪消融速率在不断增加，从而导致洪水频繁。然而人们目前尚不清楚二氧化碳对大气温度的影响规律，从而无法推测第三级地区冰川退缩的速率，此外第三极地区的冰川地处偏远，高海拔及恶劣的天气使得人们想要在实地进行研究观测变得异常困难。

目前，人们通过建立模型或仿真实验室对特定内容进行模拟与实验，经检索发现，中国专利申请201811605504.0提出“气候仿真实验室”，中国专利申请201510583720.X提出“南极低温低压环境模拟舱”，中国专利申请201911271809.7提出“高原低温低压环境实验模拟箱”，中国专利申请201822213565.4提出“具有模拟多种自然环境的气候仿真实验室”具有结合多种实际因素，模拟多种环境状况的能力，为实验室模型类装置提供了较为广阔的基础，但现有技术中鲜有就二氧化碳对冰的融化影响提出专门探究方案。

二氧化碳含量虽然占大气含量较少，却是全球气候变暖的重要因素，而温度上升则会引起如第三极地区冰川的消融，给人类生存带来潜在威胁。因此，研制监测二氧化碳对冰融化影响的模拟实验室能使人们更好地预测温度升高与冰川融化，同时为人们提供相对安全的环境进行实验模拟。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足而提供气候变化下的第三极环境监测模拟实验室，其通过对比不同二氧化碳浓度下温度的变化对冰融化的影响，探究二氧化碳对冰川的影响规律，同时可模拟多种气候环境，通过不同温度、光照条件下吹风、降水功能的耦合改善此类模型实验室功能较为单一的问题。

一种气候变化下的第三极环境监测模拟实验室，其特征在于：由温度测控单元、人工降水控制单元、气体配比测控单元、多元可调山川模型、水文与水质监测单元、智能控制单元、光照与风生成单元构成；其中，温度测控单元由屋顶、保温控压墙、制冷机、制冰机和滑槽组成；人工降水控制单元由水泵、输水管、喷水头和电磁阀组成；气体配比测控单元由空气密度监测仪、二氧化碳测量仪、二氧化碳制备器和气体交换机、气动定值器组成；多元可调山川模型由软质塑料、金属薄片、多级微调升降梯、液压杆、集水槽、融冰体积测量仪组成；水文与水质监测单元由多参数水质监测仪、流速仪、气象观测站、土壤水分监测仪组成；智能控制单元由操控室、计算机、操控台、调控线路组成；光照与风生成单元由鼓风机、植物补光灯、弧形轨道组成；智能控制单元设于实验室主体外的小隔间内；

由温度测控单元中的保温控压墙与屋顶围成实验室主体；屋顶下设有光照与风生成单元；实验室内设有多元可调山川模型；温度测控单元中制冰机的出冰口连接有滑槽，滑槽末端下方为多元可调山川模型；人工降水控制单元设于多元可调山川模型上方；水文与水质监测单元设于多元可调山川模型的底部。

所述的气候变化下的第三极环境监测模拟实验室，其特征在于：温度测控单元中的保温控压墙内层为承重墙体，外层为保温材料层；所述屋顶也包含有保温材料层；其中保温材料为酚醛树脂、聚乙烯、聚苯乙烯泡沫、或聚苯乙烯。

所述的气候变化下的第三极环境监测模拟实验室，其特征在于：温度测控单元中制冰机的出冰口连接有滑槽，滑槽末端下方为山体模型。

所述的气候变化下的第三极环境监测模拟实验室，其特征在于：所述的人工降水控制单元中水泵、输水管、电磁阀、喷水头依次相连。

所述的气候变化下的第三极环境监测模拟实验室，其特征在于：气体配比测控单元中气体交换机设于保温控压墙上，气动定值器安装在气体交换机侧边，所述的二氧化碳制备仪、空气密度监测仪、二氧化碳测定仪均通过调控线路受智能控制单元控制。

所述的气候变化下的第三极环境监测模拟实验室，其特征在于：软质塑料和金属薄片贴合形成山川模型，下方连接多级微调升降梯和液压杆；集水槽分为两段坡度不同的部分，前半段坡度较缓，处于山脚位置，后半段坡度较陡，模拟河道；集水槽末端连接融冰体积测量仪，底部设置柱子支撑山体模型；所述的融冰体积测量仪包含装水的容器和称重仪。

所述的气候变化下的第三极环境监测模拟实验室，其特征在于：所述的水文与水质监测单元中的多参数水质监测仪、流速仪、气象站、土壤水分监测仪均通过调控线路受智能控制单元控制；所述的土壤水分监测仪含有多条探针，埋置于山体模型底部，探针所测数据通过数据线传入计算机；气象站内置有气压计、温度表、风速风向计。

所述的气候变化下的第三极环境监测模拟实验室，其特征在于：所述的智能控制单元中的操控室处于模拟实验室的一侧小隔间，中间由玻璃间隔，可实时监测实验室内情况，操控室配备有计算机，计算机起着控制枢纽作用，实验模拟所需的条件受计算机控制，模拟所得数据也由计算机接收。

所述的气候变化下的第三极环境监测模拟实验室，其特征在于：所述的光照与风生成单元中的4台鼓风机安装于实验室4个角落，所述的植物补光灯安装于弧形轨道上。

本发明实现的原理为：二氧化碳吸收地表发出的短波辐射后使得大气温度上升，进而加速冰川的消融，影响冰融化的因素有很多，包括温度的变化、气流的影响等。作为实施例，本发明在于模拟观测二氧化碳的浓度对冰融化的影响情况，同时可结合不同温度和不同光照条件下在刮风、降水等气候环境中进行多种因素的模拟实验。从而减少实地实验测量的成本，提高实验的准确性和降低实验的危险指数。

本发明具体实现过程为：工作人员通过计算机操控制冷机、气体交换机，并调整山体模型高度与坡度，同时使得室内温度与气压达到实验要求的初始条件，并开启制冰机进行制冰，冰块制好后自动从滑槽滑落至山体模型；开启植物补光灯并沿着轨道缓慢移动，接着向室内添加二氧化碳，在规定的时间内获取流入融冰体积测量仪内水的体积，多次试验不同浓度的二氧化碳，从而得到温度、融水体积等随二氧化碳浓度变化的数据；与此同时，水文与水质监测单元可监测水质参数、流速、水分湿度；此外为丰富实验室的功能，在不同实验中，还可进行诸如不同风速、降水等工况下的探究。

本发明的显著优点在于：

一是实验室功能多样化、内容丰富。人工降水控制单元可实现降雨模拟，温度测控单元可实现对冰的制作以及模拟寒冷环境，气体配比测控单元可实现二氧化碳的生成以及能满足高原地区低压要求，多元可调山川模型可实现山体高度和坡度的变化，水文与水质监测单元可获取水质参数、温度、流速、水分湿度等数值，光照与风生成单元实现对风与太阳光照的模拟，多样的功能实现了实验室的充分利用。

二是可控性较强、操作简便。在进行实验时，工作人员只需在操控室内设定实验的初始条件，执行实验所需程序步骤，即可完成目标实验得到需要的数据，无须进入实验室，提高效率同时还能降低对实验的干扰。

三是实验安全、节约成本。对于高原寒冷低压的恶劣环境来说，如果进行实地实验存在较大风险，所需成本也十分高昂，因此建立合理的模拟实验室能大大降低风险，节约成本。

附图说明

图1为本发明提出的气候变化下的第三极环境监测模拟实验室轮廓图；

图2为本发明提出的气候变化下的第三极环境监测模拟实验室立面图；

图3为本发明提出的气候变化下的第三极环境监测模拟实验室三维图A；

图4为本发明提出的气候变化下的第三极环境监测模拟实验室三维图B；

图5为本发明提出的气候变化下的第三极环境监测模拟实验室平面布置图；

图6为本发明提出的气候变化下的第三极环境监测模拟实验室山川模型结构图。

其中：温度测控单元1、人工降水控制单元2、气体配比测控单元3、多元可调山川模型4、水文与水质监测单元5、智能控制单元6、光照与风生成单元7、

保温控压墙8、制冷机9、制冰机10、水泵11、输水管12、喷水头13、电磁阀14、空气密度监测仪15、二氧化碳测量仪16、二氧化碳制备器17、气体交换机18、气动定值器19、软质塑料20、金属薄片21、多级微调升降梯22、液压杆23、集水槽24、融冰体积测量仪25、多参数水质监测仪26、流速仪27、气象观测站28、土壤水分监测仪29、操控室30、计算机31、操控台32、调控线路33、鼓风机34、植物补光灯35、弧形轨道36。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

本发明提出的气候变化下的第三极环境监测模拟实验室，其中温度测控单元1由保温控压墙8、制冷机9、制冰机10组成；人工降水控制单元2由水泵11、输水管12、喷水头13、电磁阀14组成；气体配比测控单元3由空气密度监测仪15、二氧化碳测量仪16、二氧化碳制备器17、气体交换机18、气动定值器19组成；多元可调山川模型4由软质塑料20、金属薄片21、多级微调升降梯22、液压杆23、集水槽24、融冰体积测量仪25组成；水文与水质监测单元5由多参数水质监测仪26、流速仪27、气象观测站28、土壤水分监测仪29组成；智能控制单元6由操控室30、计算机31、操控台32、调控线路33组成；光照与风生成单元7由鼓风机34、植物补光灯35、弧形轨道36组成。气候变化下的第三极环境监测模拟实验室具有密闭性，能保持一定的温度和压力。

具体来说所述的温度测控单元1中的保温控压墙8构成实验室框架，内层为承重墙体，外层贴有保温材料，保温材料可选用酚醛树脂、聚乙烯、聚苯乙烯泡沫、聚苯乙烯等材料，屋顶也包含有保温材料，保温材料的添加可防止实验室冷量的散失。

所述的制冷机9安装于实验室内部一侧，采用单级压缩制冷，使环境温度达到实验目标温度，制冷剂可选用R717、R12或R22等；所述制冰机10为山体模型提供冰块，所用类型为颗粒制冰机，制冰机10出口经过改装，连接有滑槽，滑槽末端下方为山体模型，制出冰后，冰块自动从滑槽滑落至山体模型。

所述的人工降水控制单元2中的电磁阀14经过调控线路受集成电路控制，水泵11、输水管12、电磁阀14、喷水头13依次相连，水泵11为小型抽水泵，将外来水源泵入输水管12，输水管12为硬质PVC塑料管，电磁阀14控制喷水头13喷水时间及喷水速率，喷水头13通过输水管12支撑悬空于多元可调山川模型4上方。

所述的气体配比测控单元3中的空气密度监测仪15、二氧化碳测量仪16固定于实验室墙壁上，并连接数据线向操控室30中的计算机31传送数据，二氧化碳制备器17为市售受电磁阀控制类型，接通电源即可制备二氧化碳，其上设置有定时器，通过定时器控制二氧化碳的制备量。

所述的气体交换机18安装于墙体，气动定值器19是一种精度较高的压力定值装置，安装于气体交换机18侧边，气体交换机18可排出室内气体，当实验室内压力达到实验要求值时，使用气动定值器19将其压力值与室内压力保持一致，并关闭气体交换机18开口防止气体进出，实现气压保持一致。

所述的多元可调山川模型4中的软质塑料20与金属薄片21贴合在一起，由于金属薄片21具有屈伸定型特性，即弯折后能定型，而软质塑料20虽然柔软，由于与金属薄片21贴合在一起，因此也具有定型能力，其表面具有一定粗糙度，模拟自然山体的表面，金属薄片21的添加使得山体模型具有改变其高度和坡度的能力。金属薄片21和软质塑料20贴合体预先弯折成大致的山体形状再与液压杆23和多元微调升降梯22相连。

所述的液压杆23数量可根据山体模型大小实际情况确定，液压杆23一端与山体模型底面，即金属薄片21层连接，另一端与集水槽24前段部分相连，调控线路33可在集水槽24槽体下挖空穿过，调节液压杆23长度，可使山体模型的坡度具有一定的变化率；所述的多级微调升降梯22沿着山体模型山顶点处以下安装，用于调节山体模型的高度。

所述的集水槽24由柱子支撑，为硬质塑料，前段处于模型山脚位置坡度较缓，金属薄片21与该段面紧密贴合；后段坡度较陡，模拟河道部分，使得融水能由集水槽24流向融冰体积测量仪25；所述融冰体积测量仪25置放于地面上，承接集水槽24末端水流，融冰体积测量仪25包含容器和称重仪，对流入容器的水进行称量并传入计算机31，计算机31根据水密度与重量的关系从而换算出流入容器中的体积。

所述的水文与水质监测单元5主要测量融水水质和进行实验所需条件参数与记录实验温度等数据，多参数水质监测仪26和流速仪27安装于集水槽24侧边，可记录DO、pH、Eh、流速等参数；气象观测站28内置有气压计、温度表、风速风向计，可测量气压、温度、风速与风向，其内存储数据也通过数据线传至计算机31；土壤水分监测仪29含有多条探针与数据线相连、埋置于山体模型下方，可实时测量多点湿度的数值。

所述的智能控制单元6中的操控室32与模拟实验室通过玻璃间隔，操控室30与模拟实验室之间的互动通过计算机31与调控线路33完成，实验人员可通过玻璃实时观测实验室内部情况，操控台32上除了放置计算机31，也放置有控制二氧化碳制备仪16、液压杆23等开关操控按钮；所述操控线路33由各仪器与计算机31和操控开关的线路组成的集体总称。

所述的光照与风生成单元7中的四台鼓风机34安装在实验室四个角落，开启不同角度的鼓风机34与调节风力大小可实现不同风速与不同风向的模拟。所述的弧形轨道36吊装于屋顶处，植物补光灯35加装滑轮并嵌进轨道内防止掉落，弧形结构模拟太阳的活动轨迹，植物补光灯36可发射可见光、紫外线与红外线，能模拟真实的太阳光照。

以下结合示意图，进一步说明本发明的具体操作步骤：

本发明所提出的气候变化下的第三极环境监测模拟实验室，它包括温度测控单元1、人工降水控制单元2、气体配比测控单元3、多元可调山川模型4、水文与水质监测单元5、智能控制单元6和光照与风生成单元7。

步骤一：对墙体添加保温材料程序较为复杂，主要为现有技术这里不再赘述，添加保温材料后可再添加修饰层进行装饰；接着对有缝隙处进行密封处理，确保冷量和压力不会散失。

步骤二：制冷机9可安装于室内靠墙壁处，控制制冷机9制冷温度可用遥控器；对于制冷机9，由于冰块出口应高于山顶，因此可用物体将制冷9垫高，将市售制冰机出口改装，加装滑槽，在适宜位置制冰机9并接通电源。

步骤三：将抽水泵11与输水管12承接入外来水源，输水管12为多段水管连接成直立悬空型，并连接电磁阀14与喷水头13，喷水头13大致对应模型山顶部分。

步骤四：安装空气密度监测仪15、二氧化碳测量仪16于实验室墙壁上，通过墙壁连接数据线于计算机31，二氧化碳制备器17置放于实验室一处，接通电源。

步骤五：在实验室墙壁上打孔安装气体交换机18，洞口直径与气体交换机18相等，将气体交换机18嵌入洞口，缝隙处密封处理，在气体交换机18旁边安装气动定值器19。

步骤六：安装集水槽24，将柱子固定于地面，在安装液压杆23与多级微调升降梯22位置打孔用于穿过电线线路，两段集水槽24连接处用胶水粘结；最后将融冰体积测量仪25置放于集水槽24末端位置。

步骤七：裁剪适宜大小的金属薄片21与相等大小的软质塑料20，将两者紧密贴合，将金属薄片21和软质塑料20贴合体预先弯压成山体大致形状后，与液压杆23和多元微调升降梯22粘结在一起，液压杆23与多元微调升降梯22固定于集水槽24，土壤水分监测仪29置于山体模型下方，线路穿过打孔位置，最后将山脚位置的金属薄片21粘结于集水槽24，避免缝隙的出现。

步骤八：将多参数水质监测仪26和流速仪27安装于集水槽24侧边，线路连向计算机31，当融水流过，记录水质与流速数值。气象观测站28为一体化小型气象站，电源供电，在需要实验降水时，也可安装雨量计；气象观测站28主机用防水箱罩住防止进水。

步骤九：安装四台鼓风机34于四个角落处并接通电源，吊装弧形轨道36并将植物补光灯35固定在轨道上，可遥控控制滑轮的移动。

步骤十：操控室置放操控台32和计算机31等部件，并用线路将各部件连接，实验准备就绪。

以上具体实施方式是对应用本发明提出的气候变化下的第三极环境监测模拟实验室的技术思想的具体支持，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均仍属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (9)

1.一种气候变化下的第三极环境监测模拟实验室，其特征在于：由温度测控单元、人工降水控制单元、气体配比测控单元、多元可调山川模型、水文与水质监测单元、智能控制单元、光照与风生成单元构成；其中，温度测控单元由屋顶、保温控压墙、制冷机、制冰机和滑槽组成；人工降水控制单元由水泵、输水管、喷水头和电磁阀组成；气体配比测控单元由空气密度监测仪、二氧化碳测量仪、二氧化碳制备器和气体交换机、气动定值器组成；多元可调山川模型由软质塑料、金属薄片、多级微调升降梯、液压杆、集水槽、融冰体积测量仪组成；水文与水质监测单元由多参数水质监测仪、流速仪、气象观测站、土壤水分监测仪组成；智能控制单元由操控室、计算机、操控台、调控线路组成；光照与风生成单元由鼓风机、植物补光灯、弧形轨道组成；智能控制单元设于实验室主体外的小隔间内；

由温度测控单元中的保温控压墙与屋顶围成实验室主体；屋顶下设有光照与风生成单元；实验室内设有多元可调山川模型；温度测控单元中制冰机的出冰口连接有滑槽，滑槽末端下方为多元可调山川模型；人工降水控制单元设于多元可调山川模型上方；水文与水质监测单元设于多元可调山川模型的底部。

2.根据权利要求1所述的气候变化下的第三极环境监测模拟实验室，其特征在于：温度测控单元中的保温控压墙内层为承重墙体，外层为保温材料层；所述屋顶也包含有保温材料层；其中保温材料为酚醛树脂、聚乙烯、聚苯乙烯泡沫、或聚苯乙烯。

3.根据权利要求1所述的气候变化下的第三极环境监测模拟实验室，其特征在于：温度测控单元中制冰机的出冰口连接有滑槽，滑槽末端下方为山体模型。

4.根据权利要求1所述的气候变化下的第三极环境监测模拟实验室，其特征在于：所述的人工降水控制单元中水泵、输水管、电磁阀、喷水头依次相连。

5.根据权利要求1所述的气候变化下的第三极环境监测模拟实验室，其特征在于：气体配比测控单元中气体交换机设于保温控压墙上，气动定值器安装在气体交换机侧边，所述的二氧化碳制备仪、空气密度监测仪、二氧化碳测定仪均通过调控线路受智能控制单元控制。

6.根据权利要求1所述的气候变化下的第三极环境监测模拟实验室，其特征在于：软质塑料和金属薄片贴合形成山川模型，下方连接多级微调升降梯和液压杆；集水槽分为两段坡度不同的部分，前半段坡度较缓，处于山脚位置，后半段坡度较陡，模拟河道；集水槽末端连接融冰体积测量仪，底部设置柱子支撑山体模型；所述的融冰体积测量仪包含装水的容器和称重仪。

7.根据权利要求1所述的气候变化下的第三极环境监测模拟实验室，其特征在于：所述的水文与水质监测单元中的多参数水质监测仪、流速仪、气象站、土壤水分监测仪均通过调控线路受智能控制单元控制；所述的土壤水分监测仪含有多条探针，埋置于山体模型底部，探针所测数据通过数据线传入计算机；气象站内置有气压计、温度表、风速风向计。

8.根据权利要求1所述的气候变化下的第三极环境监测模拟实验室，其特征在于：所述的智能控制单元中的操控室处于模拟实验室的一侧小隔间，中间由玻璃间隔，可实时监测实验室内情况，操控室配备有计算机，计算机起着控制枢纽作用，实验模拟所需的条件受计算机控制，模拟所得数据也由计算机接收。

9.根据权利要求1所述的气候变化下的第三极环境监测模拟实验室，其特征在于：所述的光照与风生成单元中的4台鼓风机安装于实验室4个角落，所述的植物补光灯安装于弧形轨道上。

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