CN113075249B - 一种研究坡地冻土融化和雨雪转化特征的实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种研究坡地冻土融化和雨雪转化特征的实验装置与方法，包括坡式冻土冻融试验槽和用于向其内部进行洒水的人工模拟降雨部件和用于对冻土冻融试验槽进行冷冻的单向制冷部件以及用于对冻土冻融试验槽中冻土进行解冻的单向光辐射加热部件，本发明提供的研究坡地冻土融化和雨雪转化特征的试验装置，将降雨、降雪和冻土融化的水分输入都考虑在内来研究壤中流的变化，对人们更全面地研究坡地降雨输出特征很有作用。

Description

一种研究坡地冻土融化和雨雪转化特征的实验装置及方法

技术领域

本发明涉及实验设备技术领域，具体是一种研究坡地冻土融化和雨雪转化特征的实验装置与方法。

背景技术

青藏高原东缘的地形急变带是气候变化的敏感区域，旱季存在季节性冻土，雨季降水较充沛，且该地区具有基岩破碎、地表以粗颗粒为主，包气带大孔隙十分发育的特点，壤中流发育而成为水文循环中的重要环节。

然而受到地形复杂、空间变异性高，以及野外坡地地下隐蔽性高和难以进行原位监测的影响和现有的实验条件的限制，坡地冻土融化和雨雪转化和地下输出机制还不清楚。因此，建立一种可以在室内利用的研究坡地冻土融化和雨雪转化特征的试验装置很有必要，为研究青藏高原东缘地形急变带土壤水文过程提供一些帮助。

发明内容

本发明的目的在于提供一种研究坡地冻土融化和雨雪转化特征的实验装置与方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种研究坡地冻土融化和雨雪转化特征的实验装置，包括坡式冻土冻融试验槽和用于向其内部进行洒水的人工模拟降雨部件和用于对冻土冻融试验槽进行冷冻的单向制冷部件以及用于对冻土冻融试验槽中冻土进行解冻的单向光辐射加热部件。

作为本发明进一步的方案：所述冻土冻融试验槽包括支撑架和设置在其上端带有保温层的不锈钢槽体，所述支撑架用于调节不锈钢槽体的倾斜角度，所述不锈钢槽体中填充有土壤层，所述土壤层自下而上依次包括砾石层、低有机质矿质土、高有机质表土，砾石层、低有机质矿质土和高有机质表土中分别设有检测器，所述检测器包括土壤水分传感器和土壤温度传感器，砾石层、低有机质矿质土和高有机质表土所在的不锈钢槽体较低一侧分别设有地表径流出水口、侧向壤中流出水口、渗漏水出水口，每个出水口处都设有一个集流槽，集流槽与自记翻斗计相连接，以监测产流量。

作为本发明进一步的方案：所述支撑架包括一个用于支撑不锈钢槽体底部的底板和设置在底板左右两端的支撑柱，左右两侧的支撑柱之间通过定位杆连接固定，右侧的支撑柱的高度高于左侧的支撑柱高度，所述不锈钢槽体左侧与左侧的支撑柱转动连接，其右端与右侧设有用于插入右侧支撑柱表面定位孔中的插销，所述定位孔的数量设有若干个，且等间距分布在支撑柱表面，这样就可以通过插销与定位孔的配合来实现对不锈钢槽体倾斜角度进行锁定。

作为本发明进一步的方案：所述人工模拟降雨部件包括设置在冻土冻融试验槽上方的供水水管道，所述供水水管道下侧面设有若干个用于喷水的喷嘴，所述供水水管道的一端连接水泵的出水端，所述水泵的进水端与水箱的出水端连接，所述供水水管道上设有用于节流的阀门。

作为本发明进一步的方案：所述单向制冷部件包括设置在冻土冻融试验槽上方的蒸发器，蒸发器的冷媒进口与制冷机组冷媒出口连通，所述蒸发器外侧设有制冷顶盖。

作为本发明进一步的方案：所述单向光辐射加热部件包括设置在冻土冻融试验槽上方的固定架，固定架上分布有若干个加热灯，所述加热灯串联有电源和开关。

作为本发明再进一步的方案：利用人工模拟降雨装置对土壤进行预降雨，结束后将土壤静置于室内，当土壤水分状况达到预设状态时开始试验，模拟坡地冻土冻结和融化过程的水分转化时，首先将单向制冷装置的制冷顶盖盖在不锈钢槽体上方对土壤进行降温，直至表层土壤温度降到0℃以下形成设计厚度的冻土并且保持表层土壤的冷冻状态，当形成预设深度的冻土后停止制冷，移开制冷顶盖并在土壤表面覆盖10cm厚的人工雪，同时将不锈钢槽体与电源连接使保温层正常工作，随后打开单向光辐射加热装置按照设定的升温速率对不锈钢槽体内的填装物进行加热升温，直至覆雪与冻土完全消失后停止，以此研究坡地冻土融化过程中水分的转化特征，模拟坡地降雨转化时，按照试验设计的降雨强度对不锈钢槽体内的土壤进行人工模拟降雨，实验过程中，产生的地表径流、侧向壤中流和渗漏水将分别从地表径流出水口、侧向壤中流出水口和渗漏水出水口流出，并经过集水槽和自记翻斗计收集并记录出流量，进而通过计算得到坡地冻土融化和雨雪的转化特征。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供的研究坡地冻土融化和雨雪转化特征的试验装置，将降雨、降雪和冻土融化的水分输入都考虑在内来研究壤中流的变化，对人们更全面地研究坡地降雨输出特征很有作用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中不锈钢槽侧面结构示意图。

图3为本发明中不锈钢槽正面结构示意图。

图4为本发明中出水口局部砾石透水层示意图。

其中：支撑柱1、保温层2、不锈钢槽体3、地表径流出水口4、侧向壤中流出水口5、渗漏水出水口6、集流槽7、土壤水分传感器8、土壤温度传感器9、定位孔10、水泵11、供水水管道12、喷嘴13、阀门14、加热灯15、开关16、电源17、制冷机组18、制冷顶盖19、蒸发器20、自记翻斗计21、高有机质表土22、低有机质矿质土23、砾石层24、局部砾石透水层25。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请参阅图1-4，本发明实施例中，一种研究坡地冻土融化和雨雪转化特征的实验装置，该试验装置包括有人工模拟降雨部件、单向光辐射加热部件和单向制冷部件和坡式冻土冻融试验槽，坡式冻土冻融试验槽包括支撑柱1和底面、侧面带有保温层2的不锈钢槽体3，槽体3坡度可调节。槽体3的长×宽×深为1m×0.5m×0.6m，也可以根据实际情况对尺寸进行调整；支撑柱1与槽体3底部的四角相连，且一侧的支撑柱1上设置有多个定位孔10，通过连接不同的定位孔10以实现槽体3的倾斜来模拟坡地环境，本实施例中槽体 3的倾斜坡度为10°。在槽体3较低一侧的侧壁上土壤表面位置设置地表径流出水口4，不同土层分层处设置侧向壤中流出水口5，砾石层底部位置设置渗漏水出水口6，每个流出水口的宽度为5-6mm，长度为0.5m，出水口处需设置局部砾石透水层25以防止出水口堵塞或土壤流失，出水口处设置集流槽7，集流槽7与自记翻斗计21相连接，以监测产流量。地表径流出水口至少距槽体3下侧壁顶端10-15cm。

试验时，将试验所用的砾石层24、低有机质矿质土23和高有机质表土22由下往上依次装填到槽体3内，砾石层铺设厚度为5cm，填装的土量根据土壤容重计算，实施例中由下往上填装厚30cm的低有机质矿质土层和厚10cm的有机质表土层，土壤装填时应注意槽体边壁的压实和土壤表面的整平，每个土层填装完毕后需刮毛表面再填装下一个土层。

槽体3内土壤填装完毕后，从土层表面以10cm为间隔安装土壤水分传感器8和土壤温度传感器9，用于获取和调节槽体内土壤的温度及水分状况。

试验槽上方设置人工模拟降雨部件，包括水泵11，水泵11经供水水管道12与喷嘴13连接，供水管道上设有阀门14，试验槽上方设置单向光辐射加热部件，包括有可调节加热灯15，可调节加热灯15通过开关16与电源连接。

设置可移动的单向制冷部件，包括制冷机组18和带内置蒸发器的制冷顶盖19。

试验开始前，利用人工模拟降雨部件对土壤进行预降雨，结束后将土壤静置于室内，当土壤水分状况达到预设状态时开始试验。模拟坡地冻土冻结和融化过程的水分转化时，首先将单向制冷部件的制冷顶盖19盖在不锈钢槽体3上方对土壤进行降温，直至表层土壤温度降到0℃以下形成设计厚度的冻土并且保持表层土壤的冷冻状态，当形成预设深度的冻土后停止制冷，移开制冷顶盖并在土壤表面覆盖10cm厚的人工雪，同时将不锈钢槽体3与电源连接使保温层2正常工作，随后打开单向光辐射加热部件按照设定的升温速率对不锈钢槽体3内的填装物进行加热升温，直至覆雪与冻土完全消失后停止，以此研究坡地冻土融化过程中水分的转化特征。模拟坡地降雨转化时，按照试验设计的降雨强度对不锈钢槽体3内的土壤进行人工模拟降雨。实验过程中，产生的地表径流、侧向壤中流和渗漏水将分别从地表径流出水口4、侧向壤中流出水口5和渗漏水出水口6流出，并经过集水槽7和自记翻斗计21收集并记录出流量，进而通过计算得到坡地冻土融化和雨雪的转化特征。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种研究坡地冻土融化和雨雪转化特征的实验方法，包括坡式冻土冻融试验槽和用于向其内部进行洒水的人工模拟降雨部件和用于对冻土冻融试验槽进行冷冻的单向制冷部件以及用于对冻土冻融试验槽中冻土进行解冻的单向光辐射加热部件；

所述冻土冻融试验槽包括支撑架和设置在其上端带有保温层（2）的不锈钢槽体（3），所述支撑架用于调节不锈钢槽体（3）的倾斜角度；

所述不锈钢槽体（3）中填充有土壤层，所述土壤层自下而上依次包括砾石层（24）、低有机质矿质土（23）、高有机质表土（22），砾石层（24）、低有机质矿质土（23）和高有机质表土（22）中分别设有检测器，所述检测器包括土壤水分传感器（8）和土壤温度传感器（9）；

砾石层（24）、低有机质矿质土（23）和高有机质表土（22）所在的不锈钢槽体（3）较低一侧分别设有地表径流出水口（4）、侧向壤中流出水口（5）、渗漏水出水口（6）；

每个出水口处都设有一个集流槽（7），集流槽（7）与自记翻斗计（21）相连接，以监测产流量；

其特征在于，利用人工模拟降雨装置对土壤进行预降雨，结束后将土壤静置于室内，当土壤水分状况达到预设状态时开始试验，模拟坡地冻土冻结和融化过程的水分转化时，首先将单向制冷装置的制冷顶盖（19）盖在不锈钢槽体（3）上方对土壤进行降温，直至表层土壤温度降到0℃以下形成设计厚度的冻土并且保持表层土壤的冷冻状态，当形成预设深度的冻土后停止制冷，移开制冷顶盖（19）并在土壤表面覆盖10 cm厚的人工雪，同时将不锈钢槽体（3）与电源连接使保温层（2）正常工作，随后打开单向光辐射加热装置按照设定的升温速率对不锈钢槽体（3）内的填装物进行加热升温，直至覆雪与冻土完全消失后停止，以此研究坡地冻土融化过程中水分的转化特征，模拟坡地降雨转化时，按照试验设计的降雨强度对不锈钢槽体（3）内的土壤进行人工模拟降雨，实验过程中，产生的地表径流、侧向壤中流和渗漏水将分别从地表径流出水口（4）、侧向壤中流出水口（5）和渗漏水出水口（6）流出，并经过个集流槽（7）和自记翻斗计（21）收集并记录出流量，进而通过计算得到坡地冻土融化和雨雪的转化特征。

2.根据权利要求1所述的研究坡地冻土融化和雨雪转化特征的实验方法，其特征在于，所述支撑架包括一个用于支撑不锈钢槽体（3）底部的底板和设置在底板左右两端的支撑柱（1），左右两侧的支撑柱（1）之间通过定位杆连接固定，右侧的支撑柱（1）的高度高于左侧的支撑柱（1）高度，所述不锈钢槽体（3）左侧与左侧的支撑柱（1）转动连接，其右端与右侧设有用于插入右侧支撑柱（1）表面定位孔（10）中的插销，所述定位孔（10）的数量设有若干个，且等间距分布在支撑柱（1）表面，这样就可以通过插销与定位孔（10）的配合来实现对不锈钢槽体（3）倾斜角度进行锁定。

3.根据权利要求1所述的研究坡地冻土融化和雨雪转化特征的实验方法，其特征在于，所述人工模拟降雨部件包括设置在冻土冻融试验槽上方的供水水管道（12），所述供水水管道（12）下侧面设有若干个用于喷水的喷嘴（13），所述供水水管道（12）的一端连接水泵（11）的出水端，所述水泵（11）的进水端与水箱的出水端连接，所述供水水管道（12）上设有用于节流的阀门（14）。

4.根据权利要求1所述的研究坡地冻土融化和雨雪转化特征的实验方法，其特征在于，所述单向制冷部件包括设置在冻土冻融试验槽上方的蒸发器（20），蒸发器（20）的冷媒进口与制冷机组（18）冷媒出口连通，所述蒸发器（20）外侧设有制冷顶盖（19）。

5.根据权利要求1所述的研究坡地冻土融化和雨雪转化特征的实验方法，其特征在于，所述单向光辐射加热部件包括设置在冻土冻融试验槽上方的固定架，固定架上分布有若干个加热灯（15），所述加热灯（15）串联有电源（17）和开关（16）。

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