一种模拟极端气候条件下大气-植被-土体试验系统

1.本发明涉及土工试验技术领域，尤其是一种集极端气候环境模拟、植被-土体试验研究、数据采集于一体的试验系统，能够开展极端气候条件下大气-植被-土体相互作用有关研究。


背景技术：

2.受全球气候变化的影响，极端干旱、超强暴雨、严寒酷暑等极端气候事件频发，且多年来有逐渐加剧的趋势。联合国环境规划署(unep)2017年度报告中指出，极端气候事件的频繁发生，随之带来的是一系列工程地质灾害与环境工程地质问题。
3.政府间气候变化专门委员会(ipcc)在2019年的报告中特别强调了增加植被种植对应对全球气候变化的重要性。植物护坡不仅有利于边坡稳定、生态恢复、水土保持，并且具有低投入、易养护、绿色环保、生态美观等优点，在国内外引起了高度关注，因此加强极端气候条件下大气-植被-土体相互作用机制的认知对指导极端气候环境下的工程实践具有重要意义。
4.近年来，针对极端气候条件下大气-植被-土体相互作用的问题，学术界开展了一系列研究。然而申请人发现，现有的系统研究存在一些问题；申请号为“cn110927363a”的中国专利公布了一种室内干湿循环条件下植被边坡监测模拟装置，用于研究反复干旱、降雨过程中的边坡稳定性问题，该发明能够实现边坡稳定性的监测，但由于大气条件是复杂多变的，时空分布具有不确定性，该装置仅能维持某一特定温度、湿度及降雨条件，缺乏短时间内的可调性；申请号为“cn110186831a”的中国专利公布了一种可控制及模拟大气自然环境的大气-植被-土体实验系统，能够对非饱和土质覆盖层或边坡的水-力耦合影响问题进行研究。然而，该发明无法模拟未来可能出现的极端气候环境条件，且针对植物生命活动对大气变化的响应从而导致土体水分场、应力场、温度场变化方面的数据采集还不充分，忽略了试验过程中植物个体本身对极端气候的响应(光合作用、蒸腾作用)以及对土体的反馈作用(影响土体水力学性质)；综上所述可以发现，现有的实验系统在试验条件、试验方法以及理论分析等方面具有一定局限性，存在数据测量单一，精度低等问题。


技术实现要素：

5.本发明公开了一种模拟极端气候条件下大气-植被-土体试验系统，目的在于克服现有技术存在的瓶颈，解决现有的实验系统在试验条件、试验方法以及理论分析等方面具有一定局限性，存在数据测量单一，精度低等问题。
6.本发明采用的技术方案是：
7.一种模拟极端气候条件下大气-植被-土体试验系统，包括极端气候模拟系统、植被-土体试验系统、数据采集系统；
8.所述极端气候模拟系统包括步入式模拟箱以及安装在所述步入式模拟箱内的温度控制装置、湿度控制装置、光照控制装置、二氧化碳浓度控制装置与安全保护装置；
9.所述植被-土体试验系统包括安装于所述步入式模拟箱内的pvc模型箱、向pvc模型箱内模拟降雨过程的自动喷洒装置、设置于步入式模拟箱顶部的可扩展和分层设计的聚合物透光薄膜以及设置于pvc模型箱一侧的水槽；
10.所述数据采集系统包括安装在步入式模拟箱内温度传感器与湿度传感器；用于监测植物生命活动以及环境光强的光合作用测定仪；用于监测植物生长情况以及土体表面裂隙演化过程的相机；安装在pvc模型箱内的基于ofdr分布式光纤监测装置、土体含水率传感器数据采集仪、土体吸力传感器数据采集仪与解调仪；以及用于收集数据的计算机。
11.可选的，所述温度控制装置包括制冷机组与加热机组，制冷机组由半封闭压缩机、风冷翅片式冷凝器、蒸发器构成；加热机组由加热电极管、ptc加热片、压缩机构成，所述温度控制装置的温度调节范围为-20℃～80℃。
12.可选的，所述光照控制装置包括多组具有透明特性的太阳能光伏电池组件、定时器与环境光照控制器，太阳能光伏电池组件包括多种不同颜色的太阳能光伏电池，且均安装于步入式模拟箱顶部，用以提供不同的光照颜色，定时器用于控制光照时长，环境光照控制器包括波长确定单元、植物种类确定单元、生长区域确定单元以及光敏元件，波长确定单元用于根据所培植物生长阶段确定合适的光照强度。
13.可选的，所述二氧化碳浓度控制装置包括二氧化碳气瓶、气泵、二氧化碳浓度监测传感器、控制处理模块、传感变送模块与驱动控制模块，二氧化碳气瓶布置在步入式模拟箱外部，气泵的一端安装在气瓶口，气泵的另一端通过气管向步入式模拟箱内提供二氧化碳气体，二氧化碳浓度监测传感器安装在步入式模拟箱内，并与控制处理模块和驱动控制模块信号连接。
14.可选的，所述pvc模型箱包括箱体，所述箱体的两侧均沿竖直方向开设有四个检测孔，所述箱体的底部的中部开设有透水孔，水槽与透水孔通过水管相连接，水管上安装有用于测定流量的超声波流量计。
15.可选的，所述自动喷洒装置包括四个沿竖直方向设置的钢管，钢管的上端安装有悬挂式喷头洒水器，所述喷头洒水器外接水管一端，水管另一端连接水箱及水泵，在连接水泵前端布置变频器及流量表，用于控制给水流量及降雨强度。
16.可选的，所述pvc模型箱的一侧安装有钢管支架，所述相机安装在所述钢管支架的上端。
17.可选的，基于ofdr分布式光纤监测装置包括若干个基于ofdr分布式光纤，若干个所述基于ofdr分布式光纤安装在所述检测孔内，基于ofdr分布式光纤与解调仪信号连接。
18.可选的，温度传感器、湿度传感器、光合作用测量仪、基于ofdr分布式光纤监测装置、土体含水率传感器数据采集仪与土体吸力传感器数据采集仪均与解调仪信号连接，解调仪与计算机信号连接。
19.可选的，所述步入式模拟箱还外接有向步入式模拟箱内送风的空调系统，所述步入式模拟箱的底面铺设有涂覆有防腐油漆的钢板，所述钢板的外表面布置有三层硅酸铝复合保温涂料。
20.本发明具有如下有益效果：
21.1、本发明中温度控制器由制冷机组与电极式加热机组组成，能够实现在温度范围为-20℃-80℃之间自由调控，可满足试验所需高温或严寒的条件，并且在2h内达到稳定状
态，具有方便、快捷、稳定、精确的特点。
22.2、本发明中温湿度控制及安全保护装置，由微电脑全自动控制，具有高低压保护、过载保护、欠相、相序、欠电压、过电压及各种温度湿度保护等优点，能够保障无人值守时的试验安全性。
23.3、本发明中采用的可扩展和分层设计的聚合物透光薄膜顶可以根据植物生长阶段以及需求过滤无用波长光，提供所需波长光源，加快植物生长进程，此外布设高精度照相机，用于监测植物生长情况以及土体表面裂隙演化过程。
24.4、本发明中采用基于ofdr技术分布式光纤、土体含水率传感器、土体吸力传感器、流量计，可实现大气-植被-土体相互作用的点-线-面-体多维度多参量自动监测。
25.5、本发明中将计算机与极端环境模拟系统的参数调节、光照控制装置参数调节以及传感器数据采集仪终端共同连接，从而实现了计算机宏观调控、自动采集一体化。
附图说明：
26.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步详细的说明：
27.附图1是本发明的一种模拟极端气候条件下大气-植被-土体试验系统的示意图；
28.附图2是极端气候模拟系统的构造示意图：
29.附图3是植被-土体试验系统的构造示意图；
30.附图4是自动喷洒装置的构造示意图；
31.附图5是pvc模型箱的侧视图；
32.附图6是数据采集系统的连接示意图。
33.图中：1、步入式模拟箱；2、制冷机组与制热机组；3、温度传感器；4、湿度传感器；5、第一继电保护器；6、湿气生成装置；7、光照传感器；8、太阳能光伏电池组件；9、二氧化碳气瓶；10、第二继电保护器；11、二氧化碳浓度监测传感器；12、安全保护装置；13、pvc模型箱；14、悬挂式喷头洒水器；15、可扩展和分层设计的聚合物透光薄膜；16、光合作用测定仪；17、相机；18、水槽；19、超声波流量计；20、基于ofdr分布式光纤；21、土体含水率传感器；22、土体吸力传感器；23、解调仪；24、计算机；25、水箱；26、水泵；27、变频器；28、流量表；29、硅酸铝复合保温涂料；100、极端气候模拟系统；131、检测孔；132、透水孔；133、透水石层；200、植被-土体试验系统；300、数据采集系统。
具体实施方式：
34.下面结合附图和具体实施实施方式对本发明作进一步详细的说明。
35.如图1-6所示，一种模拟极端气候条件下大气-植被-土体试验系统，包括极端气候模拟系统100、植被-土体试验系统200、数据采集系统300；
36.极端气候模拟系统100包括步入式模拟箱1以及安装在步入式模拟箱1内的温度控制装置、湿度控制装置、光照控制装置、二氧化碳浓度控制装置与安全保护装置12；
37.植被-土体试验系统200包括安装于步入式模拟箱1内的pvc模型箱13、向pvc模型箱13内模拟降雨过程的自动喷洒装置、设置于步入式模拟箱1顶部的可扩展和分层设计的聚合物透光薄膜15以及设置于pvc模型箱13一侧的水槽18；
38.数据采集系统300包括安装在步入式模拟箱1内温度传感器3与湿度传感器4；用于
监测植物生命活动以及环境光强的光合作用测定仪16；用于监测植物生长情况以及土体表面裂隙演化过程的相机17；安装在pvc模型箱13内的基于ofdr分布式光纤20监测装置、土体含水率传感器21数据采集仪、土体吸力传感器22数据采集仪与解调仪23；以及用于收集数据的计算机24，从而实现计算机24宏观调控、自动采集一体化。
39.具体的说，温度控制装置包括制冷机组与加热机组，制冷机组由半封闭压缩机、风冷翅片式冷凝器、蒸发器构成；加热机组由加热电极管、ptc加热片、压缩机构成，可以实现短时间内快速精准升、降温需求。温度调控范围为-20℃～80℃，可满足试验所需高温或严寒的条件，并且在2h内达到稳定状态，具有方便、快捷、稳定、精确的特点。
40.湿度控制通过向步入式模拟箱1内部注入由湿气生成装置6产生的气体，从而改变环境箱内部相对湿度。在步入式模拟箱1内外布置两个湿度传感器4，当湿度传感器4示数相差
±
2％时，认为相对湿度已经达到平衡，此时通过联控第一继电保护器5，保证湿度的相对稳定。
41.在一种实施方式中，光照控制装置包括多组具有透明特性的太阳能光伏电池组件8、定时器与环境光照控制器，太阳能光伏电池组件8包括多种不同颜色的太阳能光伏电池，且均安装于步入式模拟箱1顶部，用以提供不同的光照颜色，定时器用于控制光照时长，环境光照控制器包括波长确定单元、植物种类确定单元、生长区域确定单元以及光敏元件，波长确定单元用于根据所培植物生长阶段确定合适的光照强度。
42.在一种实施方式中，二氧化碳浓度控制装置包括二氧化碳气瓶9、气泵、二氧化碳浓度监测传感器11、控制处理模块、传感变送模块与驱动控制模块，二氧化碳气瓶9布置在步入式模拟箱1外部，气泵的一端安装在气瓶口，气泵的另一端通过气管向步入式模拟箱1内提供二氧化碳气体，二氧化碳浓度监测传感器11安装在步入式模拟箱1内，并与控制处理模块和驱动控制模块信号连接，安装第二继电保护器10并通过继电保护的形式维持室内二氧化碳浓度恒定。
43.安全保护装置12由微电脑全自动控制，具有高低压保护、过载保护、欠相、相序、欠电压、过电压及各种温度湿度保护等。
44.可选的，pvc模型箱13包括箱体，尺寸为600mm
╳
600mm
╳
600mm，箱体的两侧均沿竖直方向开设有四个检测孔131，检测孔131由底部50mm处开始，每个检测孔131间隔40mm，检测孔131的直径为10mm，箱体的底部的中部开设有透水孔132，透水孔132的直径为8mm，透水孔132上方与土体底面之间布置透水石层133，水槽18与透水孔132通过水管相连接，水管上安装有用于测定流量的超声波流量计19。
45.可选的，自动喷洒装置包括四个沿竖直方向设置的钢管，钢管的上端安装有悬挂式喷头洒水器14，喷头洒水器外接水管一端，水管另一端连接水箱25及水泵26，在连接水泵26前端布置变频器27及流量表28，用于控制给水流量及降雨强度。
46.可选的，pvc模型箱13的一侧安装有钢管支架，相机17安装在钢管支架的上端，用于监测植物生长情况以及土体表面裂隙演化过程。
47.可选的，基于ofdr分布式光纤20监测装置包括若干个基于ofdr分布式光纤20，若干个基于ofdr分布式光纤20安装在检测孔内，基于ofdr分布式光纤20与解调仪23信号连接，基于ofdr分布式光纤20能实现土体应变与土体温度的分布式测量、在土体内部具有多个测点，具有监测数据实时性、空间分辨率高、造价低等特点。
48.可选的，温度传感器3、湿度传感器4、光合作用测量仪、基于ofdr分布式光纤20监测装置、土体含水率传感器21数据采集仪与土体吸力传感器22数据采集仪均与解调仪23信号连接，解调仪23与计算机24信号连接。
49.可选的，步入式模拟箱1还外接有向步入式模拟箱1内送风的空调系统，空气不断由鼓风机鼓入步入式模拟箱1，并通过钻孔金属管进行分流，保证生成气流的均匀性，步入式模拟箱1的底面铺设有涂覆有防腐油漆的钢板，钢板的外表面布置有三层硅酸铝复合保温涂料29，具有保湿、保温、防锈等功效。
50.可扩展和分层设计的聚合物透光薄膜15固定于光照灯下，可以根据植物生长阶段以及需求过滤无用波长光，提供所需波长光源。
51.光合作用测定仪16布置于钢管支架一侧平台架上，用于监测植物生命活动以及环境光强。
52.土体含水率传感器21采用基于时域反射技术(tdr)测量土体介电常数进而获得土体含水率，tdr探针可以长期埋入土中，该方法具有操作简单、能够快速获取数据、误差小、无需标定等优点。
53.土体吸力传感器22采用高性能新型张力计测量土体内部吸力，主要包括多孔陶瓷板、水槽18和测量装置，该仪器在室内试验中表现出良好的性能，具有精度高，易操作等优点，能够快速获得土体内部吸力值，且受环境扰动小。
54.本试验系统的工作过程为：
55.步骤a1、根据试验要求所需，确定用于试验的土体参数测量传感器，按标准将其率定，并按照一定间距将传感器插入pvc模型箱13，在pvc模型箱13中填入目标含水率与目标干密度的土壤，根据实际需求，种植相应的植物，并定期养护；
56.步骤a2、将温度控制装置打开，调节试验所需环境温度；将湿度控制装置打开，调节试验所需环境湿度；将光照控制装置打开，调节试验所需光照时长及光照强度，根据植物生长需求，调节可扩展和分层设计的聚合物透光薄膜15，过滤无用波长，获得植物生长所需光的波长；将二氧化碳控制装置打开，调节试验所需环境二氧化碳浓度，完成以上步骤后将系统置于无试验状态2h，待各试验环境参数稳定；
57.步骤a3将养护后带植物的pvc模型箱13移至步入式模拟箱1内适当位置固定，根据土壤厚度调节相机17竖直高度，并将其与计算机24连接用于定时捕捉土体表面图像；
58.步骤a4、将pvc模型箱13底部透水孔与带有超声波流量计19的水管相连，水管另一端接于水槽18，超声波流量计19与计算机24连接，用于测量土体渗流量；
59.步骤a5、将水箱25、水泵26、变频器、流量计相连，根据需求调节供水压力大小与供水时长，用于满足试验所需降雨强度与降雨时长；
60.步骤a6、将所用传感器与相关数据采集仪相连，并设置初始参数，而后与计算机24相连，实现计算机24数据自动采集与分析一体化，降低了人为因素影响。
61.本实施例模拟了极端气候条件下大气-植被-土体相互作用的水力学特性连续监测试验，利用本试验系统具有测试数据连续性好、精度高、人为扰动小、操作简单等优点，可为开展大气-植被-土体相互作用有关试验研究及理论分析提供模拟水、气、光、热多方面耦合的极端复杂环境条件(高温、严寒、干旱、洪涝、温室效应等)，同时可实现大气-植被-土体相互作用的点-线-面-体多维度多参量自动监测。
62.所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
63.本发明旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。