一种用于土壤-植被-大气连续体系模型试验的人工气候系统

摘要

本发明涉及一种人工气候系统，特别涉及一种用于土壤-植被-大气连续体系模型试验的人工气候系统，属环境岩土工程领域。该人工系统可模拟刮风、降雨、光照、温度、湿度等气候环境自然变化。人工气候系统由人工气候箱箱体、箱体内胆、光源、人工降雨装置、智能控制系统、多通道转化器、气流循环系统、雨水循环系统、温度湿度调控系统、CO2和O2调控系统、气候参数传感器组、数字成像系统构成。可实现降雨强度、光照方向和强度、风速风向以及温湿度的自动反馈调控。同时采用顶部旋转式降雨光照联合装置，解决了降雨装置与光照装置位置重叠问题，确保了水平面内光照强度与降雨强度的均匀性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种人工气候系统，特别涉及一种用于土壤-植被-大气连续体系模型试验的人工气候系统，属环境岩土工程领域。该人工系统可模拟刮风、降雨、光照、温度、湿度等气候环境自然变化。

背景技术

随着我国土木水利工程建设的加大，气候环境变化(如：暴雨、高温干旱、季节性干湿交替、冻融循环)而引发的工程地质灾害等问题(如：泥石流、山体滑坡、工程体开裂等)逐渐被暴露，已严重威胁到我国人民生命财产的安全。近年来，植被因其根系的加筋锚固作用，以及其空气净化功能被广泛应用于岩土体防护中，对于抑制气候环境变化而引发泥石流、山体滑坡等地质灾害问题作用明显，有关土壤-植被-大气相互作用的研究已成为环境岩土领域的一个热点。室内模型试验是土壤-植被-大气相互作用研究的有效手段之一，一个稳定的、均匀的、程序可控的气候环境是开展该研究的关键。

人工气候箱是一种根据试验需要人为调控箱内气候参数的设备。目前国内外根据各领域需要开发了多种人工气候箱，主要应用于植物的生长和组织培养，微生物的培养实验，昆虫以及小动物的饲养实验，水质监测的BOD测定，材料的抗腐蚀及使用寿命等的测定，以及其他用途的人工气候试验。异同于现有人工气候箱，为土壤-植被-大气连续体系相关的岩土工程模型试验提供人工气候环境的气候箱，首先必须实现室内风速风向、降雨光照强度、温湿度、CO₂和O₂等气候参数的自动调控，同时确保试验箱内各类气候参数的均匀性，使试验模型体具有相同的外界条件，降低非确定性环境因素对模型试验产生的误差。现有人工气候箱试验箱对于温湿度控制、CO₂和O₂调节技术已较为成熟，但对太阳光照模拟多采用数个竖立于箱门上或箱顶的荧光灯作为光源，其无法调整光线入射角随时间的变化且均匀性较差，而能实现人工降雨的人工气候箱还少见报道。目前模拟降雨的人工降雨设备主要采用顶部等间距均布旋转喷头或者采用矩形盛水箱顶部均布滴水针管，但旋转喷头产生雨滴的均匀性存在明显的尺寸效应，不适用于对小尺寸范围内降雨均匀性要求过高的岩土体模型实验。而矩形盛水箱顶部均布滴水针管虽然降雨均匀性较好，但体积较大不能直接应用于人工气候箱，同时矩形盛水箱顶部均布滴水针管与同需置于箱顶的光源存在位置冲突问题。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于土壤-植被-大气连续体系模型试验的人工气候系统，该人工系统可模拟刮风、降雨、光照、温度、湿度等气候环境自然变化。

为了实现上述目的，其技术解决方案为：一种用于土壤-植被-大气连续体系模型试验的人工气候系统，包括人工气候箱箱体、箱体内胆、光源、人工降雨装置、智能控制系统、多通道转化器、气流循环系统、雨水循环系统、温度湿度调控系统、CO2和O2调控系统、气候参数传感器组、数字成像系统，其特征在于：在所述箱体内胆顶部内设置有三台由人工降雨器、光源和旋转装置构成的旋转式降雨光照联合装置，各旋转式降雨光照联合装置相互平行，其中，人工降雨器由承压分水箱、滴水针管组成，滴水针管均布在承压分水箱上表面，光源由全光谱灯管、平行光反射镜和矩形防水罩组成，矩形防水罩固定在承压分水箱下表面，全光谱灯管与平行光反射镜均位于矩形防水罩内并固定在矩形防水罩侧壁，旋转装置由定轴、密封止水装置、旋转齿轮组成，定轴为中空状，定轴的管壁上设有均匀分布的透水孔，定轴平行于旋转式降雨光照联合装置，定轴贯通承压分水箱且两端均固定在箱体内胆上，定轴和承压分水箱的连接处设置密封止水装置，旋转齿轮活动套装在定轴一端并固定在承压分水箱上，三台旋转式降雨光照联合装置上的旋转齿轮上连接有履带，履带连接数控式动力设备，数控式动力设备与多通道转化器导线连接，定轴一端为密封状，另一端通过供水管道与设置在人工气候箱箱体和箱体内胆之间的雨水循环系统中的承压供水箱和非承压回水箱底部连通，雨水循环系统由承压供水箱、非承压回水箱、气压调控设备、抽水机、温度调控设备、供水管道、回水管道、气压管道、大气连通管道和阀门组成，承压供水箱和非承压回水箱分别为密封体，且相互平行排列，雨水收集箱位于箱体内胆底部，回水管道一端与雨水收集箱连通，另一端分别与承压供水箱和非承压回水箱顶部连接，回水管道中设有抽水机和控制阀，气压管道一端与气压调控设备连通，另一端与承压供水箱和非承压回水箱顶部连通，气压管道中设有控制阀，大气连通管道一端延伸至人工气候箱箱体外，另一端与承压供水箱和非承压回水箱顶部连通，大气连通管道中设有控制阀，数字成像系统位于旋转式降雨光照联合装置下方，数字成像系统由数控摄像头、移动轨道、第一移动装置、固定轨道、第二移动装置组成，固定轨道固定在箱体内胆两侧壁上，移动轨道通过第二移动装置活动安装在固定轨道上，数控摄像头通过第一移动装置活动安装在移动轨道，气流循环系统由数控式轴流风扇、循环风道组成，箱体内胆内壁对称开有出风口和回风口，数控式轴流风扇位于出风口处，循环风道一端与回风口连接，另一端与数控式轴流风扇连接，雨水收集箱上方设置有滑行轨道，滑行轨道与固定轨道平行，滑行轨道上设置有承载平台。

所述的温度湿度调控系统、CO2和O2调控系统位于雨水收集箱与人工气候箱箱体底部之间。

所述的气候参数传感器组固定在箱体内胆的内壁上。

所述的多通道转化器位于数控式轴流风扇上方，多通道转化器一端与智能控制系统导线连接，另一端与旋转式降雨光照联合装置、雨水循环系统、气流循环系统、温度湿度调控系统、CO2和O2调控系统、数字成像系统导线连接。

所述的智能控制系统位于多通道转化器上方。

由于采用了以上技术方案，本发明的用于土壤-植被-大气连续体系模型试验的人工气候系统采用旋转式降雨光照联合装置以及气压控制式雨水循环系统，由全光谱灯管发射的散射光线经由平行光反射镜反射后变成平行光线，并可通过智能控制中心发给全光谱灯管和数控式动力设备的指令，调整旋转式降雨光照联合装置发出的平行光线的强度和入射角，实现太阳光照的高仿真模拟以及降雨和光照的交替变化，解决了太阳光模拟装置与人工降雨装置位置重叠问题，承压分水箱底部均布的滴水针管可高仿真模拟降雨，且可确保雨水的均匀性，降雨强度可通过调整承压供水箱中的气压进行调节，降雨由雨水收集箱收集，然后抽至非承压回水箱，雨水事先在承供水箱和承压回水箱中调整温度，可大大提高工作室内气候的稳定性和均匀性，通过调整供水管道、气压管道、回水管道、大气连通管道与压供水箱和非承压回水箱的连通状态，可将承压供水箱和非承压回水箱进行角色互换，实现雨水的循环利用，气流循环系统采用左进右出循环式风道，轴流风机可提供最高8m/s的风速，可实现0到4级自然风的高仿真模拟，旋转式降雨光照联合装置、雨水循环系统、气流循环系统、温度湿度调控系统、CO2和O2调控系统、数字成像系统均通过智能控制系统经由多通道转化器发来的指令工作，并通过气候参数传感器组返回的气候参数信息进行反馈调节。

附图说明

附图1是本发明的结构示意图

附图2是旋转式降雨光照联合装置结构示意图

附图3是图2的剖视图

附图4是图2侧视图

附图5是雨水循环系统结构示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步详细描述：见附图

一种用于土壤-植被-大气连续体系模型试验的人工气候系统，人工气候系统由人工气候箱箱体1、箱体内胆2、光源、人工降雨装置、智能控制系统4、多通道转化器5、气流循环系统、雨水循环系统6、温度湿度调控系统7、CO2和O2调控系统8、气候参数传感器组9、数字成像系统构成。箱体内胆2顶部内设置有三台由人工降雨器、光源和旋转装置构成的旋转式降雨光照联合装置3，各旋转式降雨光照联合装置3相互平行，其中，人工降雨器由承压分水箱32、滴水针管25组成，承压分水箱32为封闭状矩形箱体，滴水针管25均布在承压分水箱32上表面并与承压分水箱32连通，承压分水箱32经由滴水针管25滴出的水滴与雨水水滴相似且在小尺寸范围内分布均匀，实行了对降雨的高仿真的模拟。

光源由全光谱灯管29、平行光反射镜30和矩形防水罩31组成，矩形防水罩31固定在承压分水箱32下表面，全光谱灯管29与平行光反射镜30均位于矩形防水罩31内并固定在矩形防水罩31侧壁，全光谱灯管29经由多通道转换器5与智能控制系统4导线连接，由全光谱灯管29发出的散射光线经由平行光反射镜30反射后变成平行光线，实行了对太阳光线的高仿真模拟。

旋转装置由定轴27、密封止水装置28、旋转齿轮26组成，定轴27为中空状，定轴27的管壁上设有均匀分布的透水孔，定轴27平行于旋转式降雨光照联合装置3，定轴27贯通承压分水箱32且两端均固定在箱体内胆2上，定轴27和承压分水箱32的连接处设置密封止水装置28，旋转齿轮26活动套装在定轴27一端并固定在承压分水箱24上，三台旋转式降雨光照联合装置3上的旋转齿轮26上连接有履带10，履带10连接数控式动力设备11，数控式动力设备(11)与多通道转化器(5)导线连接，定轴27一端为密封状，另一端通过供水管道39与设置在人工气候箱箱体1和箱体内胆2之间的雨水循环系统6中的承压供水箱33和非承压回水箱34底部连通，供水管道39与承压供水箱33和非承压回水箱34连接处设有控制阀，承压供水箱33经由供水管道39进入中空状的定轴27中，再经由定轴27侧壁的均布的透水孔进入承压分水箱32，数控式动力设备11经由多通道转换器5与智能控制系统4导线连接，通过智能控制中心4发给数控式动力设备11的旋转指令可带动旋转式降雨光照联合装置3绕定轴27旋转，可调整旋转式降雨光照联合装置3发出的平行光线的入射角，并实现降雨和光照的交替变化，解决了降雨装置与光源位子重叠的问题。

雨水循环系统6由承压供水箱33、非承压回水箱34、气压调控设备35、抽水机36、温度调控设备37、供水管道39、回水管道40、气压管道38、大气连通管道41和阀门组成，承压供水箱33和非承压回水箱34分别为密封体，且相互平行排列，雨水收集箱24位于箱体内胆2底部，回水管道40一端与雨水收集箱24连通，另一端分别与承压供水箱33和非承压回水箱34顶部连接，回水管道40与承压供水箱33和非承压回水箱34连接处设有控制阀，回水管道40中设有抽水机36，回水管道40与抽水机36连接处设有控制阀，气压管道38一端与气压调控设备35连通，另一端与承压供水箱33和非承压回水箱34顶部连通，气压管道38与承压供水箱33和非承压回水箱34连接处设有控制阀，大气连通管道41一端延伸至人工气候箱箱体1外，另一端与承压供水箱33和非承压回水箱34顶部连通，大气连通管道41与承压供水箱33和非承压回水箱34连接处设有控制阀，供水管道39、回水管道40、气压管道38、大气连通管道41中设置的控制阀可控制各管道与承压供水箱33和非承压回水箱34的连通状态，承压供水箱33与供水管道39和气压管道38连通，与回水管道40和气连通管道41断开，非承压回水箱34与供水管道39和气压管道38断开，与回水管道40和气连通管道41连通，通过转换各控制阀的开闭状态可将承压供水箱转变成非承压回水箱，同时将非承压回水箱转变成承压供水箱，实现雨水的循环利用，气压调控设备35、抽水机36和温度调控设备37经由多通道转换器5分别与智能控制系统4导线连接，通过智能控制中心4发给气压调控设备35和温度调控设备37指令可调整承压供水箱33中的温度以及调整承压供水箱33中的气压实行对雨强的调控。

数字成像系统位于旋转式降雨光照联合装置3下方，数字成像系统由数控摄像头12、移动轨道14、第一移动装置15、固定轨道16、第二移动装置17组成，数控摄像头12带有防护外壳13，可防止光、热、水对数控摄像头12的损坏，固定轨道16固定在箱体内胆2两侧壁上，移动轨道14通过第二移动装置17活动安装在固定轨道16上，数控摄像头12通过第一移动装置15活动安装在移动轨道14，数控摄像头12、第一移动装置15和第二移动装置17经由多通道转换器5分别与智能控制系统4导线连接，通过智能控制中心4发给第一移动装置15和第二移动装置17的指令可调整数控摄像头12的位子，实现对承载平台21上的试验模型的全范围监控。

气流循环系统由数控式轴流风扇18、循环风道21组成，箱体内胆2内壁对称开有出风口19和回风口20，数控式轴流风扇18位于出风口19处，循环风道21一端与回风口20连接，另一端与数控式轴流风扇18连接，出风口19、回风口20安有导风叶片，可控制风的方向，轴流风扇18经由多通道转换器5与智能控制系统4导线连接，轴流风扇18可提供最高8m/s的风速，可实现0到4级自然风的高仿真模拟。

雨水收集箱24上方设置有滑行轨道20，滑行轨道20与固定轨道16平行，滑行轨道20上设置有承载平台21。温度湿度调控系统7、CO2和O2调控系统8位于雨水收集箱24与人工气候箱1底部之间，气候参数传感器组9固定在箱体内胆2的内壁上，多通道转化器5位于数控式轴流风扇18上方，智能控制系统4位于多通道转化器5上方，温度湿度调控系统7、CO2和O2调控系统8、气候参数传感器组9分别经由多通道转换器5与智能控制系统4导线连接。旋转式降雨光照联合装置3、雨水循环系统6、气流循环系统、温度湿度调控系统7、CO2和O2调控系统8、数字成像系统均通过智能控制中心4经由多通道转化器(10)发来的指令工作，并通过气候参数传感器组9返回的气候参数信息进行反馈调节。