CN113433019B - 植被护坡冲刷渗透实验模拟装置及模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种植被护坡冲刷渗透实验模拟装置及模拟方法，所述植被护坡冲刷渗透实验模拟装置包括机架、箱体组件、传感器单元、模拟降雨装置和控制器；箱体组件包括从上到下依次设置的模型箱、渗透水收集箱和溢水收集箱，所述传感器单元包括数个与控制器相连的温度传感器、湿度传感器和位移传感器，用于采集温度数据、湿度数据、和位移数据送入控制器中；所述模拟降雨装置设置在机架上并位于模型箱上方。本发明装置及方法能对植被护坡进行模拟，且能通过模拟实验，判断植被是否具有防冲刷、防渗透、改变土体的滞水的能力。能在前人已经提出的理论基础上，将成果定量化，直观反映植被的护坡及水土保持效应。

Description

植被护坡冲刷渗透实验模拟装置及模拟方法

技术领域

本发明涉及一种实验模拟装置，尤其涉及一种植被护坡冲刷渗透实验模拟装置及模拟方法。

背景技术

对于植被在护坡及水土保持方面的效应，国内外学者的研究有限，一般采用的分析方法为：一般选择直接观测定性评价法，但都停留于定性评价方面、和理论阶段。对植被在护坡及水土保持方面的分析，仅仅为定性的分析及描述，几乎无定量的验证。

对于很多对植被在护坡及水土保持方面的研究，数据的获得来源于现场的实测数据，这就具有很多局限性和不确定性，例如：数据不准确，数据获取不及时导致数据丢失，数据获取时间长、导致实验过程较长、效率低下等。

发明内容

本发明的目的就在于提供一种解决上述问题的，能将植被在护坡及水土保持方面的效应成果定量化，直观反映植被的护坡及水土保持效应的植被护坡冲刷渗透实验模拟装置及模拟方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种植被护坡冲刷渗透实验模拟装置，包括机架、箱体组件、传感器单元、模拟降雨装置和控制器；

所述机架中下部设有一水平的支撑架；

所述箱体组件包括从上到下依次设置的模型箱、渗透水收集箱和溢水收集箱，三者均为上方敞口的长方体形，且同轴设置；

所述模型箱包括两长侧板、两短侧板和底板，其中，两长侧板与底板固定连接，两短侧板能向下从模型箱上抽出，模型箱用于装入土壤层，底板上设有渗水孔；

所述渗透水收集箱顶部与模型箱底部卡接，渗透水收集箱侧壁上方设有透气孔，底部通过角度调节器与支撑架可拆卸连接；

所述溢水收集箱位于支撑架下方，且尺寸大于渗透水收集箱；

所述传感器单元包括数个与控制器相连的温度传感器、湿度传感器和位移传感器，用于采集温度数据、湿度数据、和位移数据送入控制器中；其中，温度传感器、湿度传感器布设在土壤层中，位移传感器布设在模型箱外侧壁；

所述模拟降雨装置设置在机架上并位于模型箱上方。

作为优选：所述土壤层从上到下分为数个水平层，温度传感器和湿度传感器均匀分布在每一水平层内，位移传感器为四个，分别设置在模型箱四个侧壁的外表面变形最大处。

作为优选：所述模拟降雨装置包括压力水泵、输水导管、喷洒组件，所述压力水泵位于模型箱外一侧，其出水口经输水导管连接喷洒组件，所述喷洒组件位于模型箱正上方，且竖直向下喷洒，所述输水导管上设有流量计和流量控制阀，所述流量计和流量控制阀连接控制器，所述控制器用于根据流量计的流量数据，控制流量控制阀的开合度。

作为优选：所述支撑架上还安装一量角器，用于测量渗透水收集箱倾斜的角度；所述模型箱、渗透水收集箱和溢水收集箱侧壁均设有刻度层。

作为优选：所述模型箱采用有机玻璃制成，所述渗透水收集箱和溢水收集箱均采用透明材质制成。

一种植被护坡冲刷渗透实验模拟方法，使用所述的植被护坡冲刷渗透实验模拟装置，包括以下步骤；

（1）确定N种植株，标记为第一种植株到第N种植株，构建数个植被护坡冲刷渗透实验模拟装置，分为N+1组，一组为对照组，其余分别标记为第一实验组到第N实验组；

（2）选择一待测的目标地，从目标地中获取土壤、分析目的地的坡度；

（3）在所有模型箱中铺设土壤，并布设传感器单元，形成土壤层；在第一实验组到第N实验组的模型箱中，分别种植第一种植株到第N种植株；并使所有模型箱中土壤层的土壤环境相同；

（4）根据土壤层的高度，向下抽动短侧板，使短侧板的顶部与土壤层顶部平齐，固定短侧板，调整位移传感器位置至模型箱四个侧壁的外表面变形最大处，调整角度调节器角度，使模型箱坡度与目标地坡度相同；

（5）植株培育实验数据采集：

将实验组和对照组置于相同实验环境中进行植株培育，培育过程中定期获取传感器单元的数据；

（6）冲刷实验数据采集：

利用模拟降雨装置，将对照组和实验组进行相同的降雨模拟，并在降雨结束后分别对第一实验组到第N实验组、对照组进行实验记录，记录内容包括：

土壤层表面形成的冲刷路径数量、冲刷出的沟槽深度和宽度；

模型箱、渗透水收集箱和溢水收集箱内水的体积；

冲刷至溢水收集盒内土壤的体积。

作为优选：步骤（3）中，在模型箱中种植植株包括以下三种方法：

方法一：在模型箱内播种培育至成熟状态；

方法二：在模型箱内栽入未成熟的植株植，并培养至成熟状态；

方法三：在目标地，切取数块包含相同株数植株的土壤层置于模型箱中。

本发明中整体为植被护坡冲刷渗透实验模拟装置，其中，模拟降雨装置用于模拟降雨，模拟降雨装置，且受控制器控制其流量，也就是控制降雨量。

箱体组件中，模型箱、渗透水收集箱、溢水收集箱从上到下依次设置。其中：

模型箱内部用于布设土壤层，模拟植被根系所在的土壤结构，模型箱的两短侧板能向下从模型箱上抽出，可根据模型箱内土壤层的高度向下抽动短侧板，从而控制短侧板顶部高度与土壤层顶部平齐，利于冲刷实验中水的流散，其次方便在实验做完后的清土。模型箱的底板上设有渗水孔，降下的雨水会先滞留一部分在模型箱的土壤层，多余的部分才会顺着渗水孔向下流。

渗透水收集箱位于模型箱正下方，顶部与模型箱底部卡接成一个整体，为了使渗透水收集箱内外气压相同利于水的渗透，在渗透水收集箱侧壁上方设有透气孔，透气孔不易太大，要防止水份的蒸发。渗透水收集箱底部通过角度调节器与支撑架可拆卸连接，可以通过角度调节器，使渗透水收集箱和模型箱形成的整体倾斜，模拟边坡的坡度。角度调节器可以选用电动机构或手动机构，通过量角器可直接观察其倾斜角度。

溢水收集箱位于渗透水收集箱正下方，专用于收集模型箱内冲刷流散的水，还能收集冲刷实验时，从模型箱表面流失的水分及土壤层中的土壤颗粒。

最终，模型箱内土壤层中滞留的水、渗透水收集箱和溢水收集箱中的水的总量，等于降雨量。

传感器单元：安装在模型箱处，其中温度传感器、湿度传感器用于探测土壤层的温度数据和湿度数据，用于记录土壤的温度及水份；位移传感器用于记录土壤体的膨胀变形。

模拟降雨装置可根据实验条件模拟降雨，例如模拟小雨、中雨、大雨等，机架用于安装本发明中各部件。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明能对植被护坡进行模拟，且能通过模拟实验，判断植被是否具有防冲刷、防渗透、改变土体的滞水的能力。相对于现有技术中没有模拟装置和模拟方法，只能通过经验评价及定性描述，本发明可在前人已经提出的理论基础上，将成果定量化，直观反映植被的护坡及水土保持效应。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为图1中支架的立体图；

图3为箱体组件内模型箱、渗透水收集箱和溢水收集箱的相对位置关系图；

图4为传感器单元布设图；

图5为本发明控制器连接示意图。

图中：1、机架；2、支撑架；3、模型箱；4、渗透水收集箱；5、溢水收集箱；6、土壤层；7、温度传感器；8、湿度传感器；9、位移传感器；10、输水导管；11、流量计；12、流量控制阀；13、量角器；14、刻度层；15、渗水孔；16、透气孔；17、短侧板。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：参见图1到图5，一种植被护坡冲刷渗透实验模拟装置，包括机架1、箱体组件、传感器单元、模拟降雨装置和控制器；

所述机架1中下部设有一水平的支撑架2；

所述箱体组件包括从上到下依次设置的模型箱3、渗透水收集箱4和溢水收集箱5，三者均为上方敞口的长方体形，且同轴设置；

所述模型箱3包括两长侧板、两短侧板17和底板，其中，两长侧板与底板固定连接，两短侧板17能向下从模型箱3上抽出，模型箱3用于装入土壤层6，底板上设有渗水孔15；

所述渗透水收集箱4顶部与模型箱3底部卡接，渗透水收集箱4侧壁上方设有透气孔16，底部通过角度调节器与支撑架2可拆卸连接；

所述溢水收集箱5位于支撑架2下方，且尺寸大于渗透水收集箱4；

所述传感器单元包括数个与控制器相连的温度传感器7、湿度传感器8和位移传感器9，用于采集温度数据、湿度数据、和位移数据送入控制器中；其中，温度传感器7、湿度传感器8布设在土壤层6中，位移传感器9布设在模型箱3外侧壁；

所述模拟降雨装置设置在机架1上并位于模型箱3上方。

本实施例中，温度传感器7的布设方法为：将土壤层6从上到下分为数个水平层，温度传感器7、和湿度传感器8均匀分布在每一水平层内，位移传感器9为四个，分别设置在模型箱3四个侧壁的外表面变形最大处。

所述模拟降雨装置包括压力水泵、输水导管10、喷洒组件，所述压力水泵位于模型箱3外一侧，其出水口经输水导管10连接喷洒组件，所述喷洒组件位于模型箱3正上方，且竖直向下喷洒，所述输水导管10上设有流量计11和流量控制阀12，所述流量计11和流量控制阀12连接控制器，所述控制器用于根据流量计11的流量数据，控制流量控制阀12的开合度。

所述支撑架2上还安装一量角器13，用于测量渗透水收集箱4倾斜的角度；所述模型箱3、渗透水收集箱4和溢水收集箱5侧壁均设有刻度层14。

所述模型箱3采用有机玻璃制成，所述渗透水收集箱4和溢水收集箱5均采用透明材质制成。

一种植被护坡冲刷渗透实验模拟方法，使用上述植被护坡冲刷渗透实验模拟装置，包括以下步骤：

（1）确定N种植株，标记为第一种植株到第N种植株，构建数个植被护坡冲刷渗透实验模拟装置，分为N+1组，一组为对照组，其余分别标记为第一实验组到第N实验组；

（2）选择一待测的目标地，从目标地中获取土壤、分析目的地的坡度；

（3）在所有模型箱3中铺设土壤，并布设传感器单元，形成土壤层6；在第一实验组到第N实验组的模型箱3中，分别种植第一种植株到第N种植株；并使所有模型箱3中土壤层6的土壤环境相同；这里，在模型箱3中种植植株包括以下三种方法：

方法一：在模型箱3内播种培育至成熟状态；

方法二：在模型箱3内栽入未成熟的植株植，并培养至成熟状态；

方法三：在目标地，切取数块包含相同株数植株的土壤层6置于模型箱3中。

（4）根据土壤层6的高度，向下抽动短侧板17，使短侧板17的顶部与土壤层6顶部平齐，固定短侧板17，调整位移传感器9位置至模型箱3四个侧壁的外表面变形最大处，调整角度调节器角度，使模型箱3坡度与目标地坡度相同；

（5）植株培育实验数据采集：

将实验组和对照组置于相同实验环境中进行植株培育，培育过程中定期获取传感器单元的数据；

（6）冲刷实验数据采集：

利用模拟降雨装置，将对照组和实验组进行相同的降雨模拟，并在降雨结束后分别对第一实验组到第N实验组、对照组进行实验记录，记录内容包括：

土壤层6表面形成的冲刷路径数量、冲刷出的沟槽深度和宽度；

模型箱3、渗透水收集箱4和溢水收集箱5内水的体积；

冲刷至溢水收集盒内土壤的体积。

在这里，支架、模型箱3、渗透水收集箱4和溢水收集箱5的尺寸，可根据实际情况进行设定，不局限与某一具体尺寸。

实施例2：参见图1、图2，为了更好的说明本发明效果，我们给出一种具体参数的实施例2，在本实施例中，支架为80*80*80的长方体形框架，在支架中下部，焊接一水平的支撑架2。支撑架2整体为长方形，四个顶角处与支架连接，支撑架2内还设有两根连接梁，用于放置渗透水收集箱4。

本实施例中，模型箱3长*宽*高为30*30*30cm，渗透水收集箱4高为10cm，长度和宽度满足与模型箱3卡接，但不影响其短侧板17的运动。渗透水收集箱4箱长*宽*高为57*57*16cm。所有箱子要求都不能漏水。其余结构与实施例1相同。

在本实施例2中，我们给出N=2种植株的条件下，利用本发明装置进行的模拟方法如下：

（1）确定本次实验用到高羊毛、狗牙根这两种植株，则N=2种，标记为将高羊毛标记为第一种植株、狗牙根标记为第二种植株；在构建数个植被护坡冲刷渗透实验模拟装置时，我们至少构建9个植被护坡冲刷渗透实验模拟装置，并将其分为三组，每组三个。将其中一组标记为对照组，把即将种植高羊毛的一组标记为第一实验组，即将种植狗牙根的一组标记为第二实验组；这里每组都是三个，后续读取数据的时候用于在获取实验结果时取三个的平均值，减小偶然误差。

（2）选择一待测的目标地，从目标地中获取土壤、分析目的地的坡度；本实施例中选取的目的地土壤为红层土，坡度为30度，红层土厚度为30cm。

（3）在所有模型箱3中铺设土壤，并布设传感器单元，形成土壤层6；具体方法为：先在模型箱3内的底部布设一层温度传感器7和湿度传感器8；再铺设10cm的红层土，再布设一层温度传感器7和湿度传感器8，铺设10cm的红层土，依此类推，布设30cm厚的土壤层6及四层温度传感器7和湿度传感器8；每层温度传感器7和湿度传感器8各三个，最终我们取对应传感器的平均值来进行下一步的分析。

（4）向下抽动短侧板17，使其顶部与土壤层6顶部平齐后固定，调整位移传感器9至模型箱3四个侧壁的外表面变形最大处，调整角度调节器角度，使模型箱3坡度与目标地坡度相同，也是30度；

（5）植株培育实验数据采集：

将实验组和对照组置于相同实验环境中进行植株培育，培育过程中定期获取传感器单元的数据，我们可以将培育过程中获取到的传感器单元的数据，按组分别记录，制成表格，用于后续研究。在这里：

温度数据用来判断植被对土体温度的影响；

湿度数据用来间接反应其蒸腾作用的强弱；

位移数据用来说明土体是否膨胀，结合对照组，判断植被根系对土体膨胀的贡献大小。

（6）冲刷实验数据采集：

利用模拟降雨装置，将对照组和实验组进行相同的降雨模拟，并在降雨结束后分别对第一实验组、第二实验组、对照组进行实验记录，记录内容包括：

土壤层6表面形成的冲刷路径数量、冲刷出的沟槽深度和宽度；

模型箱3、渗透水收集箱4和溢水收集箱5内水的体积；

冲刷至溢水收集盒内土壤的体积。

基于这些数据，可以综合判断所测植被的防冲刷、防渗透、改变土体的滞水的能力，改善土体的水土保持能力。

实施例3：本实施例中，选用的植株为三种。分别为高羊毛、狗牙根、香根草。用到12个植被护坡冲刷渗透实验模拟装置，分为四组，每组三个。其中一组为对照组，其余分别用于栽种三种植株，分别标记为第一实验组、第二实验组、第三实验组，需模拟的土壤层6厚度为40cm，坡度为25°，其余与实施例2相同。

实际上，土壤层6不局限于红层土，植株也不限于上述三种，我们可以用市面上多种水土保持的草本植物来进行实验，进而选择出最适合在此土壤中生长，最适宜的水土保持的植被。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种植被护坡冲刷渗透实验模拟装置，其特征在于：包括机架、箱体组件、传感器单元、模拟降雨装置和控制器；

所述机架中的下部设有一水平的支撑架；

所述箱体组件包括从上到下依次设置的模型箱、渗透水收集箱和溢水收集箱，三者均为上方敞口的长方体形，且同轴设置；

所述模型箱包括两长侧板、两短侧板和底板，其中，两长侧板与底板固定连接，两短侧板能向下从模型箱上抽出，模型箱用于装入土壤层，底板上设有渗水孔；

所述渗透水收集箱顶部与模型箱底部卡接，渗透水收集箱侧壁上方设有透气孔，底部通过角度调节器与支撑架可拆卸连接；

所述溢水收集箱位于支撑架下方，且尺寸大于渗透水收集箱；

所述传感器单元包括数个与控制器相连的温度传感器、湿度传感器和位移传感器，用于采集温度数据、湿度数据、和位移数据送入控制器中；其中，温度传感器、湿度传感器布设在土壤层中，位移传感器布设在模型箱外侧壁；

所述模拟降雨装置设置在机架上并位于模型箱上方；

所述土壤层从上到下分为数个水平层，温度传感器和湿度传感器均匀分布在每一水平层内，位移传感器为四个，分别设置在模型箱四个侧壁的外表面变形最大处。

2.根据权利要求1所述的植被护坡冲刷渗透实验模拟装置，其特征在于：所述模拟降雨装置包括压力水泵、输水导管、喷洒组件，所述压力水泵位于模型箱外一侧，其出水口经输水导管连接喷洒组件，所述喷洒组件位于模型箱正上方，且竖直向下喷洒，所述输水导管上设有流量计和流量控制阀，所述流量计和流量控制阀连接控制器，所述控制器用于根据流量计的流量数据，控制流量控制阀的开合度。

3.根据权利要求1所述的植被护坡冲刷渗透实验模拟装置，其特征在于：所述支撑架上还安装一量角器，用于测量渗透水收集箱倾斜的角度；所述模型箱、渗透水收集箱和溢水收集箱侧壁均设有刻度层。

4.根据权利要求1所述的植被护坡冲刷渗透实验模拟装置，其特征在于：所述模型箱采用有机玻璃制成，所述渗透水收集箱和溢水收集箱均采用透明材质制成。

5.一种植被护坡冲刷渗透实验模拟方法，使用如权利要求1所述的植被护坡冲刷渗透实验模拟装置，其特征在于：包括以下步骤；

(1)确定N种植株，标记为第一种植株到第N种植株，构建数个植被护坡冲刷渗透实验模拟装置，分为N+1组，一组为对照组，其余分别标记为第一实验组到第N实验组；

(2)选择一待测的目标地，从目标地中获取土壤、分析目的地的坡度；

(3)在所有模型箱中铺设土壤，并布设传感器单元，形成土壤层；在第一实验组到第N实验组的模型箱中，分别种植第一种植株到第N种植株；并使所有模型箱中土壤层的土壤环境相同；

(4)根据土壤层的高度，向下抽动短侧板，使短侧板的顶部与土壤层顶部平齐，固定短侧板，调整位移传感器位置至模型箱四个侧壁的外表面变形最大处，调整角度调节器角度，使模型箱坡度与目标地坡度相同；

(5)植株培育实验数据采集：

将实验组和对照组置于相同实验环境中进行植株培育，培育过程中定期获取传感器单元的数据；

(6)冲刷实验数据采集：

利用模拟降雨装置，将对照组和实验组进行相同的降雨模拟，并在降雨结束后分别对第一实验组到第N实验组、对照组进行实验记录，记录内容包括：

土壤层表面形成的冲刷路径数量、冲刷出的沟槽深度和宽度；

模型箱、渗透水收集箱和溢水收集箱内水的体积；

冲刷至溢水收集盒内土壤的体积。

6.根据权利要求5所述的植被护坡冲刷渗透实验模拟方法，其特征在于：步骤(3)中，在模型箱中种植植株包括以下三种方法：

方法一：在模型箱内播种培育至成熟状态；

方法二：在模型箱内栽入未成熟的植株植，并培养至成熟状态；

方法三：在目标地，切取数块包含相同株数植株的土壤层置于模型箱中。

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