CN203658350U - 复合极端气象条件下坡面水土流失实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种复合极端气象条件下坡面水土流失实验装置，所述实验装置包括实验台、复合极端环境模拟单元、控制系统单元，所述实验台包括底部基座、坡面底板、下游挡板、土壤块标件与实验台调节装置；所述复合极端环境模拟单元包括降雨模拟设备、风场模拟设备、冻雨模拟设备、降雪模拟设备、日照模拟设备、气温模拟设备和地表漫流模拟设备；所述控制系统单元包括供电系统、供水系统和信号采集处理系统。本实用新型实现了对暴雨、雨雪、冻雨、洪水、干旱、高温等单一或复合极端气象条件下的坡面水体流失情况室内模拟与测量，结果精确可靠，可广泛用于复杂变化气象条件下的水土流失监控、规律分析和治理。

Description

复合极端气象条件下坡面水土流失实验装置

技术领域

本实用新型涉及水土流失测量技术领域，尤其涉及一种复合极端气象条件下坡面水土流失实验装置。

背景技术

地表土壤在降雨、径流、冲刷、风力等外力作用下会发生侵蚀、移动、堆积与流失等破坏现象，其中水土流失特指土壤在水流作用下遭受的侵蚀与破坏现象。水土流失问题既产生于陆地水循环过程，反之又会对水循环过程造成影响，因此是当前水文水资源研究领域中的热点问题。目前全球有超过30%的陆地正受到水土流失的威胁，每年流失的优质土壤达250亿吨。我国是世界上水土流失较为严重的国家之一，约360万km2的陆地遭受水土流失的破坏，占国土总面积的37%。水土流失会造成两方面的严重影响：土壤被侵蚀流失后自身肥力减退，威胁到人类粮食、林业以及畜牧业的安全保障；另一方面，土壤流失进入水体后形成淤积影响河道稳定，同时大量氮、磷、钾等营养物质被挟带进入水体，破坏了水生态环境健康。我国大江大河上游地区往往是水土流失的重灾区，在高强度人类活动（如水利水电工程建设）的影响下，原地表及岩土层受到强烈干扰，人为加速了水土流失现象。尤为严重的是，随着全球气候的变化，暴雨、干旱、台风、洪水、冻雨、暴雪等极端天气现象频发，进一步加剧了水土流失的强度与广度，也为开展水土治理保护造成了诸多障碍。

小尺度闭合集水区作为独立的自然集水区，是水土流失及其次生灾害治理的基础单元，治理水土流失首先是获取基础数据并进行规律性分析，但现有的观测技术存在着明显缺陷：

（1）现场野外观测方法操作复杂且运行成本很高，尤其在极端气象条件下很难保证测量数据的可靠性；近年来卫星遥感技术被引入大尺度的水土流失分析中，但遥感影像的时间分辨率较粗，难以满足小尺度闭合集水区水土流失动态规律分析的需求，在极端气象条件下遥感数据的获取也存在着实际困难；

（2）通过室内物理模型实验方法对集水区水土流失进行模拟与测量是当前最具可操作性的途径，常规水土流失模型实验需在室内制作人工坡面，通过模拟自然降雨后测量人工土壤的侵蚀流失，经过比尺转换测算出实际的水土流失量；如专利申请号为2006101559070、名称为《水土保持半比尺模型试验的实现方法》的中国实用新型专利公开了一种在室内模拟降雨后流域地貌相对演变程度的比尺模型试验方法。专利申请号为2009100612007、名称为《移动式水土流失实验室》的中国实用新型专利公开了一种用于水土流失模拟和监测的移动实验室，通过自带电源和水源对可变坡实验槽进行人工降雨后的水土流失实验；但现有的室内水土流失实验装置均存在着两个明显问题：不能模拟复杂气象条件下的水土流失、不能模拟复杂地形（坡面）的水土流失。

造成水土流失的成因除了降雨之外，还受到冻雨、降雪、风场、日照、漫流等多种环境因素的影响。现有水土流失模型实验方法及技术只能观测单一的、理想化降雨条件下的平顺坡面水土流失整体变化，不能模拟复杂环境下的、复杂坡面（如山区、消落带等）的实际水土流失情况。由于上述缺陷，常规实验方法采集的数据与实际情况往往存在较大的误差，例如，室内实验中人工降雨常设为均匀雨强，忽略了现实中降雨所受的变风场影响，此时实验所采集的水土流失空间信息就会明显偏离了实际情况，导致难以得出水土流失的动态规律。随着当前极端天气的频繁发生，急需一种可以模拟复合极端气象条件下的水土流失实验装置，为解决更复杂的环境条件下水土流失保护提供可靠的技术解决方案。

公开于该实用新型背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本实用新型的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有技术的不足，提供一种针对在复合极端气象条件下的坡面水土流失的室内模拟技术方案，通过实用新型一种包括实验台、复合极端环境模拟装置和控制系统单元，精确模拟和测量复杂坡面土壤在极端降雨、冻雨、暴雪、强风、洪水、温差等单一的或者复合的极端气象条件下复杂坡面冲刷、侵蚀、移动、堆积与流失等破坏现象，为流域水文水资源观测与监控提供准确数据。

为了达到上述目的，本实用新型提供一种复合极端气象条件下坡面水土流失实验装置，包括实验台、复合极端环境模拟单元与控制系统单元，所述实验台包括底部基座、坡面底板、下游挡板、多个土壤块标件与实验台调节装置，所述坡面底板覆盖设置于所述底部基座上，所述下游挡板设置于所述底部基座的一端并且所述下游挡板与所述坡面底板滑动连接，所述土壤块标件放置于所述坡面底板上，所述实验台调节装置与底部基座相连用于调节所述实验台的倾斜角度，所述土壤块标件内设有压力传感器与土壤湿度传感器，所述下游挡板上设有水平位移传感器，所述水平位移传感器能够测量上游坡面滑动及土壤流失堆积后下游末端的水平位移；所述复合极端环境模拟单元包括降雨模拟设备、风场模拟设备、冻雨模拟设备、降雪模拟设备、日照模拟设备、气温模拟设备和地表漫流模拟设备中的多个模拟设备，其中所述降雨模拟设备、风场模拟设备、冻雨模拟设备、降雪模拟设备与所述日照模拟设备分别设置于所述实验台的上方，所述气温模拟设备设置于所述实验台四周，所述地表漫流模拟设备设置于所述实验台侧边及下方；所述控制系统单元包括供电系统、供水系统和信号采集处理系统，所述供电系统与所述风场模拟设备、日照模拟设备以及所述气温模拟设备电性连接以提供电源，所述供水系统与所述降雨模拟设备、冻雨模拟设备、降雪模拟设备以及所述地表漫流模拟设备连接以提供水源；所述信号采集处理系统与所述实验台电性连接用于采集所述传感器信号。

优选地，所述实验装置包括顶棚和四周边壁，所述顶棚和四周边壁连接为透明钢化玻璃制成的圆柱形罩体，所述实验台与所述复合极端环境模拟单元设置于所述圆柱形罩体内，所述复合极端环境模拟单元中的模拟设备在所述实验装置的圆柱形罩体内的每个出口均设有启闭阀门。

优选地，所述底部基座为具有空腔的不透水的钢结构部件，所述底部基座内部设有监测和调节内部温度的温控装置，所述实验台调节装置包括液压杆与液压缸，所述液压杆的上端固定在与所述下游挡板相对的所述底部基座的另一端，所述液压杆的下端与所述液压缸相连，所述液压缸设置于所述底部基座下方。

优选地，所述土壤块标件下方设置标件调节器，所述标件调节器布设于所述坡面底板的上方，所述标件调节器包括高度调节杆和托板，所述高度调节杆为Z字型以用于调节高度，所述高度调节杆上端固定连接所述托板，所述土壤块标件放置于所述托板上。

优选地，所述土壤块标件为具有刚性钢丝构接框架的正六边形棱柱结构，所述压力传感器布置在所述土壤块标件底面靠近六个节点处，所述土壤湿度传感器间隔布置在所述土壤块标件的中心，所述托板为一块具有小孔的正六边形钢板，所述托板的上表面是一层可透水粗糙垫层，所述可透水粗糙垫层容许所述土壤块标件的渗流通过，所述下游挡板具有镂空结构，所述下游挡板表面覆盖有一层柔性滤网，容许所述土壤块标件的渗流通过。

优选地，所述信号采集处理系统包括信号放大器、通讯网络及数据存储单元，所述放大器与所述多个压力传感器、所述多个土壤湿度传感器以及所述水平位移传感器电性连接，所述信号放大器通所述通讯网络过与所述数据存储单元电性连接，即所述信号放大器将信号放大后通过所述通讯网络传输到所述数据存储单元进行数据存储。

优选地，所述降雨模拟设备包括安置在所述顶棚的多根水管、上部水箱以及上部水泵，每根所述水管布设多个雨滴发生器，所述水管与所述水箱相连，所述上部水泵与所述上部水箱相连，所述上部水泵装有变频调速装置为所述水管变压供水；所述风场模拟设备包括两根环形轨道与多台移动风机，所述两根环形轨道为上下两层高度能够调节地设置在所述实验台上方，所述多台移动风机安置在所述两根环形轨道上，所述移动风机的出风口风向能够上下左右摆动，用于模拟复杂风场；所述冻雨模拟设备包括多根冷却立管，所述冷却立管设置在所述上部水箱内；所述降雪模拟设备包括安置在所述顶棚外部的人造雪生成装置、安置在所述顶棚的多根送雪管，所述人造雪生成装置与所述上部水箱相连，所述上部水箱为所述人造雪生成装置提供水源；所述日照模拟设备安置在所述顶棚，所述日照模拟设备由多光强可调的光源分布组成，用于发射出可见光、红外线和紫外线模拟日照昼夜变化；所述气温模拟设备包括电热膜与冷却管，所述电热膜布设在所述四周边壁，所述冷却管通过支撑杆安置在所述四周边壁上，所述气温模拟设备安装高度不低于实验台的最高端，所述电热膜的作用是通过红外线辐射向所述圆柱形罩体内进行传热，所述冷却管用于通过冷盐水循环实现所述圆柱形罩体内实验环境快速降温；所述地表漫流模拟设备包括上游蓄水槽、两边集水槽、下游集水槽、下部储水箱与下部水泵，所述上游蓄水槽通过塑料管与所述下部储水箱相连，所述下部水泵与所述下部储水箱连接，所述上游蓄水槽安装在所述实验台与所述下游挡板相对的一端，所述下游集水槽设置在所述试验台靠近所述下游挡板的另一端，所述两边集水槽分别设置于所述试验台的其余两边，所述下游集水槽与所述两边集水槽连通，所述两边集水槽分别通过所述泄洪孔与所述上游蓄水槽连接，所述上游蓄水槽内侧边壁低于外边壁，所述上游蓄水槽与所述两边集水槽以及所述下游蓄水槽的外边壁都高于所述土壤块标件的高度，所述上游蓄水槽与所述两边集水槽以及所述下游蓄水槽的内侧边壁是所述实验台的边壁。

优选地，所述供水系统包括所述上部水箱、所述上部水泵、所述下部储水箱与所述下部水泵；所述供电系统包括交流电机与控制箱，所述交流电机与所述控制箱电性连接，所述控制箱与所述移动风机、所述光源以及所述电热膜电性连接。

优选地，所述人造雪生成装置包括安置在所述顶棚外部的双进口喷嘴、空压机、低温铁罐与抽气管，所述双进口喷嘴嵌在低温铁罐的底部，双进口喷嘴包含两个进口和一个喷嘴出口，所述喷嘴出口伸入低温铁罐内，所述双进口喷嘴的一个进口与所述上部水箱相连，所述双进口喷嘴的另一个进口与所述空压机相连。

本实用新型的有益效果是：所述降雨模拟设备、风场模拟设备、冻雨模拟设备、降雪模拟设备、日照模拟设备、气温模拟设备和地表漫流模拟设备可以任意单独或者组合开启使用，实现对单一极端天气或者不同复合极端环境的模拟，本实用新型保证了复合极端气象条件下坡面水土流失实验的可靠性与适用性，相较于已有方法有明显的优势。

附图说明

通过说明书附图以及随后与说明书附图一起用于说明本实用新型某些原理的具体实施方式，本实用新型所具有的其它特征和优点将变得清楚或得以更为具体地阐明。

图1为本实用新型所述复合极端气象条件下坡面水土流失实验装置的原理逻辑关系图；

图2为本实用新型所述复合极端气象条件下坡面水土流失实验装置结构示意图；

图3为本实用新型所述实验台结构及降水设备示意图；

图4为本实用新型所述土壤块标件及坡面底板示意图；

图5为本实用新型所述压力传感器与土壤湿度传感器空间布置位置图；

图6为本实用新型所述装置供水循环逻辑关系图；

图7为本发明所述人造雪生成装置结构示意图。

主要符号说明

1   实验台              2   复合极端环境模拟单元

3   控制系统单元

4   底部基座            5   坡面底板

6   下游挡板            7   液压杆

8   土壤块标件          9   标件调节器

10  压力传感器          11  土壤湿度传感器

12  水平位移传感器      13  降雨模拟设备

14  风场模拟设备        15  冻雨模拟设备

16  降雪模拟设备        17  日照模拟设备

18  气温模拟设备        19  地表漫流模拟设备

23  抽气管              24  低温铁罐

25  上部水泵            26  下部水泵

27  上部水箱            28  下部储水箱

29  上游蓄水槽          30  两边集水槽

31  下游集水槽          32  双进口喷嘴

33  空压机。

应当了解，说明书附图并不一定按比例地显示本实用新型的具体结构，并且在说明书附图中用于说明本实用新型某些原理的图示性特征也会采取略微简化的画法。本文所公开的本实用新型的具体设计特征包括例如具体尺寸、方向、位置和外形将部分地由具体所要应用和使用的环境来确定。

在说明书附图的多幅附图中，相同的附图标记表示本实用新型的相同或等同的部分。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

本发明提供一种复合极端气象条件下坡面水土流失实验装置，包括实验台、复合极端环境模拟单元与控制系统单元，所述实验台包括底部基座、坡面底板、下游挡板、多个土壤块标件与实验台调节装置，所述坡面底板覆盖设置于所述底部基座上，所述下游挡板设置于所述底部基座的一端并且所述下游挡板与所述坡面底板滑动连接，所述土壤块标件放置于所述坡面底板上，所述实验台调节装置与底部基座相连用于调节所述实验台的倾斜角度，所述土壤块标件内设有压力传感器与土壤湿度传感器，所述下游挡板上设有水平位移传感器，所述水平位移传感器能够测量上游坡面滑动及土壤流失堆积后下游末端的水平位移；所述复合极端环境模拟单元包括降雨模拟设备、风场模拟设备、冻雨模拟设备、降雪模拟设备、日照模拟设备、气温模拟设备和地表漫流模拟设备中的多个模拟设备，其中所述降雨模拟设备、风场模拟设备、冻雨模拟设备、降雪模拟设备与所述日照模拟设备分别设置于所述实验台的上方，所述气温模拟设备设置于所述实验台四周，所述地表漫流模拟设备设置于所述实验台侧边及下方；所述控制系统单元包括供电系统、供水系统和信号采集处理系统，所述供电系统与所述风场模拟设备、日照模拟设备以及所述气温模拟设备电性连接以提供电源，所述供水系统与所述降雨模拟设备、冻雨模拟设备、降雪模拟设备以及所述地表漫流模拟设备连接以提供水源；所述信号采集处理系统与所述实验台电性连接用于采集所述传感器信号。

所述实验台的底部基座为钢结构的空腔，内部设有监测和调节内部温度的温控装置，用以模拟深层土壤内部温度；底部基座上覆有坡面底板，该底板为一块带孔的矩形光滑钢板，允许土壤渗流由此下漏到底部基座排出。液压杆固定在底部基座的一端，根部与液压缸相连，顶部长度变化时改变杆件与底部基座的夹角，变化范围在0至75度之间，实现对坡面底板的纵向坡度调节；在实验台下游，即液压杆的另一端设置有下游挡板，下游挡板内外面均覆盖有柔性滤网，容许坡面土壤渗流通过，下游挡板与坡面底板滑动连接，下游挡板上设有水平位移传感器，可以测量上游坡面滑动及土壤流失堆积后下游末端的水平位移。

所述坡面底板用于承载人工制成的待模拟复杂坡面，该坡面由若干个一一对应的土壤块标件与标件调节器组成。坡面底板上方逐个布设的标件调节器由高度调节杆和托板组成，高度调节杆为Z字型可调节高度的细钢管，高度调节杆上端焊接有托板，该托板用于托住土壤块标件，托板为一块密布小孔的正六边形钢板，上表面是一层可透水粗糙垫层，可容许上方土壤块标件的渗流通过；土壤块标件与坡面底板之间通过标件调节器连接，土壤块标件为正六边形棱柱结构，边长20cm，高15cm，刚性钢丝构接框架，制作时需在模具内逐层填充土壤而成标准件，每个土壤块标件内均布置有压力传感器、土壤湿度传感器，其中压力传感器布置在土壤块标件底面靠近六个节点处，土壤含水量传感器间隔布置在土壤块标件中心，用于测量土壤水荷载；土壤块标件逐个并排安置在标件调节器上，对照实际地形变化，通过调节每个土壤标件调节器的高度制作出凸凹不平的实际地形以形成待模拟的复杂坡面。

所述复合极端环境模拟单元设有降雨模拟设备，包括安置在密闭空间顶棚的4根水管，每根水管均匀布设8个雨滴发生器，水管与一个外置的专用上部水箱相连，通过变频调速水泵为水管供水，可模拟出雨强范围0.5-30mm/min的人工降雨；风场模拟设备由安置在环形轨道上的多台移动风机组成，环形轨道为上下两层，轨道高度可调，每根环形轨道上布置不少于8台的移动风机，风机进风口设在上部，风通过送风管道从出风口喷出，移动风机出风口风向可上下左右摆动，用于模拟复杂风场；当同时开启降雨模拟设备与风场模拟设备至上限值时，则可模拟极端复合条件下如台风的强降雨过程；冻雨模拟设备包括设置在上述专用上部水箱内的冷却立管10根，当需要模拟冻雨时，向冷却立管内加注载冷剂丙二醇溶液，上部水箱内水体保持循环流动一直到水温降至0度以下后，开启降雨模拟设备的变频调速水泵和雨滴发生器的阀门，可实现模拟寒冷气象条件下的冻雨降水；降雪模拟设备由外置的人造雪生成装置与安置在顶棚的4根送雪管组成，造雪时将上述专用上部水箱内的循环低温水用上部水泵送入双进口喷嘴，同时开启空压机输入高压空气与之混合，向上喷入低温铁罐后形成低温雾化水滴，在低温铁罐内结晶形成人造雪，人造雪经由抽气管持续送入顶棚的4根送雪管，在内外压差的作用下自由飘落至实验台，用于模拟极端降雪气象条件及雪溶解后水土流失情况；日照模拟设备安置在顶棚，由多个模拟太阳光的发光源均匀分布组成，光源发射出可见光、红外线和紫外线，通过电器开关调节光源强弱模拟日照昼夜变化；气温模拟设备由布设在四周边壁的电热膜和安置在边壁支撑杆上的冷却管组成，安装高度不低于实验台顶端，电热膜的作用是通过红外线辐射向密闭空间内传热实现快速升温，冷却管的作用是通过冷盐水循环实现密闭空间内实验环境的快速降温，通过两者交替使用可以模拟出极端冷热交替气温环境；地表漫流模拟设备包括由塑料管与另一个专用储下部储水箱相连的上游蓄水槽，实验台左右两侧壁的两边集水槽，和由下游挡板和围板构成的下游集水槽。上游蓄水槽安装在实验台一端，通过水管和与之相连的水泵及水箱向槽内送水，上游蓄水槽外边壁高于内侧边壁，使得水流向内持续溢流过内边壁，形成坡面的漫流现象；两边集水槽与上游蓄水槽和下游集水槽连通，内外边壁均高10cm，外边壁在模拟洪水过程时可安装加高挡板，两个两边集水槽下端与下游集水槽连通，可允许水流直接通过，两边集水槽上端与上游蓄水槽通过由电器开关控制的可开合泄水孔联通，泄水孔打开时，水流直接流入两边集水槽并可汇入下游集水槽，下游集水槽底部设有电器开关控制的可开合出水口，将水槽中多余的水排出，当关闭出水口，水位不断雍高，即可模拟洪水淹没过程，通过控制上游蓄水槽入水流量和下游蓄水槽出水流量即可模拟水位涨落。

所述控制系统单元的供电系统为风场模拟设备、日照模拟设备、气温模拟设备及实验台提供电源；供水系统中使用一台变频调速水泵与一个专用上部水箱相连，为降雨模拟设备、冻雨模拟设备、降雪模拟设备分别提供不同温度的水源；一台微型交流水泵和一个专用下部储水箱相连，为地表漫流模拟设备提供水源；信号采集处理系统用于采集各类传感器信号，包括土壤块标件内的压力传感器信号、土壤湿度传感器信号、水平位移传感器信号，接收到的信号经信号放大器转换后由通讯网络存储在数据存储单元内。

所述降雨模拟设备、冻雨模拟设备、降雪模拟设备共用一台上部水泵与上部水箱供水，上部水箱内含可控的冷却立管调节水源水温变化，其控制特征为，当启用降雨模拟设备进行常温降雨模拟时不启用冷却立管，当启用冻雨模拟设备进行低温冻雨模拟时开启冷却立管，当启用降雪模拟设备进行降雪模拟时开启冷却立管为制作人造雪提供水源。

下面，结合附图对本实用新型的具体实施例进行描述。请参阅图1至图6所示，本实用新型提供一种复合极端气象条件下坡面水土流失实验装置

如图1所示，本实用新型所述实验装置包括实验台1、复合极端环境模拟单元2、控制系统单元3：

如图2所示，该实验装置设置于透明玻璃钢制成的圆柱形罩体内，所述罩体包括顶棚与四周边壁，所述实验装置的核心操作在一个圆柱体密闭空间内完成，底面半径4.0m，高4.0m，四周边壁及顶棚由透明玻璃制成；实验台1、复合极端环境模拟单元2的出口均安置在该密闭空间内，控制系统单元3及其他辅助设备均安置在该密闭空间的外部：

实验台1的底部基座4为钢结构构成，底部基座底板是一块矩形不透水光滑钢板，尺寸为7m×4.6m，基座内部是高约0.4m的空腔结构，布置有温度调节器，可监测和控制空腔内的温度。底部基座4由两根液压杆7以及脚轮支撑，液压杆7与液压缸相连并固定在下基座靠近上游侧的一端，当改变液压杆7的长度变化时（杆长伸缩范围0-1.87m），液压杆与底部基座4的角度发生变化，角度变化范围为0-75度之间，可以进而调节坡面底板5的纵向坡度，待模拟的坡面模型的坡度的整体可调节范围为0-26.7%；如图3所示，在液压杆7的另一端，即可变坡面的下游处设置有一块下游挡板6，尺寸为4.6m×0.2m，该下游挡板为镂空的木板材质，前后均覆盖有一层柔性滤网，可容许上游土壤的渗流通过，而该下游挡板底部安装在坡面底板上方的导轨上，并由弹簧固定，受到水平推力时可在一定范围内前后滑动，在下游挡板上设有水平位移传感器12，用于测量上游坡面侵蚀后的滑动及堆积的水平位移。

如图3所示，上述的坡面底板5的上方既是用来模拟可能发生水土流失的复杂坡面。由于实际坡面（如，水库岸边消落带、山区小流域等）的地形起伏不定，发生降雨后可能会形成漫流和溪流，传统实验方法通常只针对人工制作的平顺坡面，并不能真实反映实际水土流失情况，因此本实用新型首次提出了一种适用于复杂坡面地形的水土流失坡面制作方法与装置：首先依据实际地形，按比尺效应缩放为室内实验坡面的地形坐标（本例中水平缩放比尺1000:1）；将地形分为多个均匀的网格，网格为正六边形，边长20cm，每个网格内安置一个土壤块标件8，高15cm，放置在一个标件调节器9的托板上；安置好所有土壤块标件8后（本实施例中使用310个），微调每一个标件调节器9的高度与实际地形对应一致，既可准确模拟出实际的凸凹地形。所述土壤块标件8为正六边形棱柱结构，边长20cm，高15cm，采用刚性钢丝构接成结构框架，在制作土壤块标件时首先在标准模具内依据实际下垫面土壤构成，逐层填充土壤制作而成；坡面底板5上焊接的标件调节器9用于支撑土壤块标件8，两两间隔20cm；标件调节器9由高度调节杆和托板组成，高度调节杆为Z字型可调节高度的细钢管，高度调节杆上端焊接有托板，该托板用于托住土壤块标件8，托板为一块密布小孔的正六边形钢板，上表面是一层可透水粗糙垫层，可容许上方土壤块标件8的渗流通过（图4）。如图5所示，上述的土壤块标件内均布置有压力传感器10、土壤湿度传感器11，其中的压力传感器10布置在土壤块标件底面六个节点处，土壤湿度传感器11间隔布置在土壤块标件中心，用于测量土壤水荷载。

以上，既为采用本实用新型一种复合极端气象条件下坡面水土流失实验装置进行室内实验时的实验台1。

当不同气象环境条件发生变化，相应的坡面水土流失也会发生变化，这是常规室内水土流失实验方法测量误差过大的主要原因。为克服上述缺陷，本实用新型提供了复合极端环境模拟单元2，用于在密闭空间内模拟出规则的、或极端的、或单一的、或复合的气象和地面环境条件，包括降雨、风场、冻雨、降雪、日照、气温等，此外还提供了地表漫流模拟的功能。如图1所示，降雨模拟设备13包括安置在密闭空间顶棚的4根镀锌水管，管径32mm，每根水管下端均匀布设有8个雨滴发生器，水管与一个专用上部水箱相连，上部水箱尺寸为1.2m×1.2×1.5m，上部水箱27连接一台变频调速上部水泵25（DC-85W-10000L/H-5m），用变频器控制上部水泵为水管恒压供水，无水时自动断电，自动调节雨滴发生器的出流量，模拟雨强的范围为0.5-30mm/min；风场模拟设备14包括安置在上下两根环形轨道上的16台风机（为便于阅读，图1中仅给出一台风机），环形轨道设有驱动装置可上下移动，每条轨道上设置8台可移动风机，出风口在进风口下方1m，出风方向可上下左右摆动，当调整每个出风口的风速大小和角度的时候可在密闭空间内模拟出所需的复杂风场，此外，当同时开启降雨模拟设备13与风场模拟设14备至上限值时，则可模拟极端复合条件下（如台风）的强降雨过程；冻雨模拟设备15包括设置在上述专用上部水箱27内的冷却立管10根，当需要模拟冻雨时，向冷却立管内加注载冷剂丙二醇溶液，上部水箱27内的水体一直保持循环流动避免结冰，当水温降至0度以下后，开启降雨模拟设备的变频调速上部水泵25和雨滴发生器阀门，既可模拟出寒冷气象条件下的冻雨降水，同时启用如下所述气温模拟设备模拟冻雨事件前后的气温变化，可以准确测量冻雨过程对坡面水土流失造成的潜在破坏和影响；降雪模拟设备16由外置的人造雪生成装置（如图7所示）与安置在顶棚的4根送雪管组成。如图7所示，所述人造雪生成装置包括安置在所述顶棚外部的双进口喷嘴32、空压机33、低温铁罐24与抽气管23，所述双进口喷嘴32嵌在低温铁罐24的底部，双进口喷嘴32包含两个进口和一个喷嘴出口，喷嘴出口伸入低温铁罐24内，所述双进口喷嘴32的一个进口与所述上部水箱27相连用于输入低温水，所述双进口喷嘴32的另一个进口与所述空压机33相连用于输入高压气体，同时输入的低温水与高压气体在双进口喷嘴内混合后由所述双进口喷嘴的喷嘴出口向上喷入低温铁罐24内，在所述低温铁罐24内结晶形成人造雪，所述低温铁罐24顶部通过所述抽气管23与所述多根送雪管连接输送制造好的人造雪。人工造雪时首先向专用上部水箱27内向的冷却立管加注载冷剂丙二醇溶液，其后将循环的低温水用上部水泵送入双进口喷嘴，同时开启空压机持续输入高压空气与之混合，向上喷入低温铁罐后形成低温雾化水滴，在低温铁罐内低温雾化水滴结晶形成人造雪，人造雪经由抽气管持续送入顶棚的4根送雪管，在内外压差的作用下自由飘落至实验台，同时启用如下所述气温模拟设备模拟降雪事件前后的气温变化，用于模拟极端降雪气象条件及雪溶解后对水土流失的影响；日照模拟设备17安置在顶棚，由多个模拟太阳光的发光源均匀分布组成，布设密度为4个/m²，光源发射出可见光、红外线和紫外线，通过电器开关调节光源强弱模拟日照昼夜变化；气温模拟设备18由布设在四周边壁的电热膜和安置在边壁支撑杆上的4根冷却管组成，电热膜和冷却管的安装高度均不低于实验台1顶端高度，当需要快速升温的时候，开启电热膜发射红外线进行辐射传热，当需要快速降温的时候，开启阀门向冷却管加注冷盐水循环降温；地表漫流模拟设备19用于模拟流域洪水可能造成的地表漫流过程，该设备系统包括一个专用下部储水箱28，一台微型交流下部水泵26，安置在实验台上游蓄水槽29，试验台左右两侧壁的两边集水槽30，和由下游挡板和围板构成的下游集水槽31，上游蓄水槽通过塑料水管和水泵及水箱相连，通过水泵向槽内送水，上游蓄水槽的内外边壁分别高5cm和8cm，当启用该设备时控制下部水泵流量使得水流向内持续溢流过槽内边壁，形成不同程度的坡面漫流现象；实验台两个侧边分别设有集水槽，两边集水槽与上游蓄水槽和下游集水槽连通，两边集水槽外边壁均高10cm，外边壁在模拟洪水过程时可安装加高挡板，两边集水槽与上游蓄水槽通过电器开关控制的可开合的泄水孔联通，泄水孔打开时，上游蓄水槽水流流入两边集水槽并汇入下游集水槽，水位不断雍高，即可模拟洪水淹没过程，下游集水槽底部设有电器开关控制的可开合出水口，将水槽中多余的水排出，通过调节上游蓄水槽入水流量（即控制下部水泵26）和下游集水槽出水口流量可模拟水位涨落。

以上，既为采用本实用新型一种复合极端气象条件下坡面水土流失实验装置进行室内实验时的复合极端环境模拟单元2。

本实用新型提供了控制系统单元3，包括供电系统20、供水系统21和信号采集处理系统22；供电系统20由交流电机和控制箱组成，为风场模拟设备14、日照模拟设备17、气温模拟设备18提供电源；供水系统21包括变频调速上部水泵25、微型交流下部水泵26、专用上部水箱27和专用下部储水箱28，专用上部水箱27与变频调速上部水泵25相连，为降雨模拟设备13、冻雨模拟设备15、降雪模拟设备16分别提供不同温度的水源，专用下部储水箱28和微型交流下部水泵26相连，为地表漫流模拟设备19提供水源；信号采集处理系统22用于采集各类传感器信号，包括土壤块标件8内的压力传感器10信号、土壤湿度传感器11信号、水平位移传感器12信号，接收到的信号经信号放大器转换后由通讯网络存储在数据存储单元内。

以上，既为采用本实用新型一种复合极端气象条件下坡面水土流失实验装置进行室内实验时的控制系统单元3。

实施例：

使用本实用新型装置对某山区水库支流库湾上游的小闭合集水区开展水土流失室内模拟测量，为研究复合极端气象条件下的水土流失时空变化规律提供基础数据。该闭合集水区地处山区，总面积26.8km2，坡面地形变化复杂，地势高程差异大，垂向气温变化明显，年平均气温为16度，年均降雨量1110mm，但在每年3-10月常有暴雨出现，占年降雨量的70%，同时该流域气温变化剧烈，常在春季出现降雪过程，造成水土流失现象。据现场调研发现，在极端气象条件时水土流失显著加剧，大量泥沙汇集进入水体后淤积，同时向水中带入大量营养物质，明显破坏了水质，时常出现水华现象，因此，开展复合极端气象条件下（暴雨、降雨、强风、冷热交替等）条件下的水土流失室内模拟十分必要。

采用本实用新型装置对2周内连续出现的复合极端天气情形下水土流失变化进行模拟，该极端气象条件为：持续高温2天、持续强风及强降雨3天、持续低温2天、持续降雪3天，持续升温4天。采用本实用新型实施具体实验的步骤如下：

（1）根据实际地形，按照水平缩放比尺1000:1将实际地形缩小为7m×4.6m的坡面室内模型尺寸，将其分为310个大小均匀的正六边形网格，每个网格内放入根据实际土壤组分制作而成的土壤块标件；

（2）对应实际地形，调节液压杆7长度，使坡面整体坡度变化率为5.6%，再微调每一个标件调节器9的高度与实际地形对应一致，既可准确模拟出实际的凸凹地形；

（3）常温下（取平均气温16度），基座温度调节器只进行温度监测，打开降雨模拟设备并设置雨强0.4mm/d，持续至少1小时后，待土壤完全打湿，关闭降雨模拟设备，记录压力传感器10信号、土壤湿度传感器11信号直至土壤含水量下降至40%，得到一组土壤块标件内压力和对应含水量的初始数据；

（4）开启气温模拟设备18的电热膜发射红外线进行快速升温至30度后，开启日照模拟设备17模拟昼夜太阳光变化，持续2个模拟天；

（5）开启降雨模拟设备13与风场模拟设备14同时工作，模拟出强风情况下的强降雨过程，此时风速大小8m/s至20m/s线性变化过程；风向为北风至南风匀速转向过程，一天内降雨强度变化为0至6mm/hr线性变化过程，持续3个模拟天；实时采集土壤块标件8内的压力传感器10信号、土壤湿度传感器11信号、水平位移传感器12信号，接收到的信号经信号放大器转换后由通讯网络存储在数据存储单元内；

（6）关闭降雨模拟设备13与风场模拟设备14，开启气温模拟设备18向冷却管加注冷盐水循环快速降温至5度后关闭气温模拟设备18，持续2个模拟天；实时采集土壤块标件8内的压力传感器10信号、土壤湿度传感器11信号、水平位移传感器12信号，接收到的信号经信号放大器转换后由通讯网络存储在数据存储单元内；

（7）开启降雪模拟设备16进行人工降雪模拟，降雪量大小为5mm/d，持续3个模拟天；实时采集土壤块标件8内的压力传感器10信号、土壤湿度传感器11信号、水平位移传感器12信号，接收到的信号经信号放大器转换后由通讯网络存储在数据存储单元内；

（8）关闭降雪模拟设备16，开启气温模拟设备18的电热膜发射红外线缓慢升温，在4个模拟天内将温度匀速升至20度；实时采集土壤块标件8内的压力传感器10信号、土壤湿度传感器11信号、水平位移传感器12信号，接收到的信号经信号放大器转换后由通讯网络存储在数据存储单元内。

通过分析选定时段与相同土壤湿度对应的初始数据组压力传感器10的记录数值，可得到坡面模型水土流失量的二维分布；通过分析指定区域内土壤湿度和压力传感器的记录数值，可得到该区域水土流失随时间的变化情况；通过分析水平位移传感器记录数值，可得到各时段坡面土体的稳定情况。

本实施例中对降雨模拟设备、风场模拟设备、冻雨模拟设备、降雪模拟设备、日照模拟设备、气温模拟设备和地表漫流模拟设备可以任意单独或者组合开启使用，实现了对单一极端天气或者不同复合极端环境的灵活准确地模拟，保证了复合极端气象条件下坡面水土流失实验的可靠性与适用性，相较于已有方法有明显的优势。

上述实施例是用于例示性说明本实用新型的原理及其功效，但是本实用新型并不限于上述实施方式。本领域的技术人员均可在不违背本实用新型的精神及范畴下，在权利要求保护范围内，对上述实施例进行修改。因此本实用新型的保护范围，应如本实用新型的权利要求书覆盖。

Claims (9)

1.一种复合极端气象条件下坡面水土流失实验装置，包括实验台（1）、复合极端环境模拟单元（2）与控制系统单元（3），其特征在于： 

所述实验台（1）包括底部基座（4）、坡面底板（5）、下游挡板（6）、多个土壤块标件（8）与实验台调节装置，所述坡面底板（5）覆盖设置于所述底部基座（4）上，所述下游挡板（6）设置于所述底部基座（4）的一端并且所述下游挡板（6）与所述坡面底板（5）滑动连接，所述土壤块标件（8）放置于所述坡面底板（5）上，所述实验台调节装置与底部基座（4）相连用于调节所述实验台的倾斜角度，所述土壤块标件（8）内设有压力传感器（10）与土壤湿度传感器（11），所述下游挡板（6）上设有水平位移传感器（12），所述水平位移传感器（12）能够测量上游坡面滑动及土壤流失堆积后下游末端的水平位移； 

所述复合极端环境模拟单元（2）包括降雨模拟设备（13）、风场模拟设备（14）、冻雨模拟设备（15）、降雪模拟设备（16）、日照模拟设备（17）、气温模拟设备（18）和地表漫流模拟设备（19）中的多个模拟设备，其中所述降雨模拟设备（13）、风场模拟设备（14）、冻雨模拟设备（15）、降雪模拟设备（16）与所述日照模拟设备（17）分别设置于所述实验台的上方，所述气温模拟设备（18）设置于所述实验台四周，所述地表漫流模拟设备（19）设置于所述实验台侧边及下方； 

所述控制系统单元（3）包括供电系统（20）、供水系统（21）和信号采集处理系统（22），所述供电系统（20）与所述风场模拟设备（14）、日照模拟设备（17）以及所述气温模拟设备（18）电性连接以提供电源，所述供水系统（21）与所述降雨模拟设备（13）、冻雨模拟设备（15）、降雪模拟设备（16）以及所述地表漫流模拟设备（19）连接以提供水源；所述信号采集处理系统（22）与所述实验台（1）电性连接用于采集所述传感器信号。 

2.根据权利要求1所述的复合极端气象条件下坡面水土流失实验装置，其特征在于：所述实验装置包括顶棚和四周边壁，所述顶棚和四周边壁连接为透明钢化玻璃制成的圆柱形罩体，所述实验台（1）与所述复合极端环境模拟单元（2）设置于所述圆柱形罩体内，所述复合极端环境模拟单元（2）中的模拟设备在所述实验装置的圆柱形罩体内的每个出口均设有启闭阀门。 

3.根据权利要求1所述的复合极端气象条件下坡面水土流失实验装置，其特征在于：所述底部基座（4）为具有空腔的不透水的钢结构部件，所述底部基座（4）内部设有监测和调节内部温度的温控装置，所述实验台调节装置包括液压杆（7）与液压缸，所述液压杆（7）的上端固定在与所述下游挡板（6）相对的所述底部基座（4）的另一端，所述液压杆（7）的下端与所述液压缸相连，所述液压缸设置于所述底部基座（4）下方。 

4.根据权利要求1所述的复合极端气象条件下坡面水土流失实验装置，其特征在于：所述土壤块标件（8）下方设置标件调节器（9），所述标件调节器（9）布设于所述坡面底板（5）的上方，所述标件调节器（9）包括高度调节杆和托板，所述高度调节杆为Z字型以用于调节高度，所述高度调节杆上端固定连接所述托板，所述土壤块标件（8）放置于所述托板上。 

5.根据权利要求4所述的复合极端气象条件下坡面水土流失实验装置，其特征在于：所述土壤块标件（8）为具有刚性钢丝构接框架的正六边形棱柱结构，所述压力传感器（10）布置在所述土壤块标件（8）底面靠近六个节点处，所述土壤湿度传感器（11）间隔布置在所述土壤块标件（8）的中心，所述托板为一块具有小孔的正六边形钢板，所述托板的上表面是一层可透水粗糙垫层，所述可透水粗糙垫层容许所述土壤块标件（8）的渗流通过，所述下游挡板（6）具有镂空结构，所述下游挡板（6）表面覆盖有一层柔性滤网，容许所述土壤块标件（8）的渗流通过。 

6.根据权利要求1所述的复合极端气象条件下坡面水土流失实验装置，其特征在于：所述信号采集处理系统（22）包括信号放大器、通讯网络及数据存储单元，所述放大器与所述多个压力传感器（10）、所述多个土壤湿度传感器（11）以及所述水平位移传感器（12）电性连接，所述信号放大器通所述通讯网络过与所述数据存储单元电性连接，即所述信号放大器将信号放大后通过所述通讯网络传输到所述数据存储单元进行数据存储。 

7.根据权利要求2所述的复合极端气象条件下坡面水土流失实验装置，其特征在于： 

所述降雨模拟设备（13）包括安置在所述顶棚的多根水管、上部水箱（27）以及上部水泵（25），每根所述水管布设多个雨滴发生器，所述水管与所述水箱（27）相连，所述上部水泵（25）与所述上部水箱（27）相连，所述上部水泵（25）装有变频调速装置； 

所述风场模拟设备（14）包括两根环形轨道与多台移动风机，所述两根环形轨道为上下两层高度能够调节地设置在所述实验台（1）上方，所述多台移动风机安置在所述两根环形轨道上，所述移动风机的出风口风向能够上下左右摆动； 

所述冻雨模拟设备（15）包括多根冷却立管，所述冷却立管设置在所述上部水箱（27）内； 

所述降雪模拟设备（16）包括安置在所述顶棚外部的人造雪生成装置和安置在所述顶棚的多根送雪管，所述人造雪生成装置与所述上部水箱（27）相连，所述上部水箱（27）为所述人造雪生成装置提供水源； 

所述日照模拟设备（17）安置在所述顶棚，所述日照模拟设备（17）由多光强可调的光源分布组成； 

所述气温模拟设备（18）包括电热膜与冷却管，所述电热膜布设在所述四周边壁，所述冷却管通过支撑杆安置在所述四周边壁上，所述气温模拟设备（18）安装高度不低于实验台（1）的最高端； 

所述地表漫流模拟设备（19）包括上游蓄水槽（29）、两边集水 槽（30）、下游集水槽（31）、下部储水箱（28）与下部水泵（26），所述上游蓄水槽通过塑料管与所述下部储水箱（28）相连，所述下部水泵（26）与所述下部储水箱（28）连接，所述上游蓄水槽安装在所述实验台（1）与所述下游挡板（6）相对的一端，所述下游集水槽设置在所述实验台靠近所述下游挡板（6）的另一端，所述两边集水槽分别设置于所述实验台的其余两边，所述下游集水槽与所述两边集水槽连通，所述两边集水槽分别通过泄洪孔与所述上游蓄水槽连接，所述上游蓄水槽内侧边壁低于外边壁，所述上游蓄水槽与所述两边集水槽以及所述下游蓄水槽的外边壁都高于所述土壤块标件（8）的高度，所述上游蓄水槽与所述两边集水槽以及所述下游蓄水槽的内侧边壁是所述实验台的边壁。 

8.根据权利要求7所述的复合极端气象条件下坡面水土流失实验装置，其特征在于：所述供水系统（21）包括所述上部水箱（27）、所述上部水泵（25）、所述下部储水箱（28）与所述下部水泵（26）；所述供电系统（20）包括交流电机与控制箱，所述交流电机与所述控制箱电性连接，所述控制箱与所述移动风机、所述光源以及所述电热膜电性连接。 

9.根据权利要求7所述的复合极端气象条件下坡面水土流失实验装置，其特征在于：所述人造雪生成装置包括安置在所述顶棚外部的双进口喷嘴、空压机、低温铁罐与抽气管，所述双进口喷嘴嵌在低温铁罐的底部，双进口喷嘴包含两个进口和一个喷嘴出口，所述喷嘴出口伸入低温铁罐内，所述双进口喷嘴的一个进口与所述上部水箱（27）相连，所述双进口喷嘴的另一个进口与所述空压机相连。 

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