移动式水土流失实验室

摘要

移动式水土流失实验室，它包括动力及移动牵引车(2)、可变坡实验槽(3)、下喷式降雨器(4)、供水系统(5)、水土流失监测系统(6)，所述的动力及移动牵引车(2)包括动力牵引车(7)、车载发电机(8)和外接电源(9)，动力牵引车(7)包括驾驶室(47)和车厢(22)，以及位于驾驶室(47)和车厢(22)之间的试验控制室(38)，车载发电机(8)和外接电源(9)位于动力牵引车(7)上。它克服了现有各种野外水土流失试验方法和实验设备移动性差，控制复杂，试验费时、费力的缺点。本发明方便移动于各种野外试验现场，测控系统对降雨强度以及变坡实验槽进行调控，使用操作方便，测控精度高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于水土流失基础研究和水土流失区动态监测的移动式水土流失实验室，它是一种车载使用自带电源、自带供水和循环系统、全自动调控降雨器、水土流失试验监测系统的综合装置。

技术背景

水土流失是我国面临的一个重要的生态环境问题，水土保持基础研究和水土流失区的动态监测必须进行大量的野外现场科学试验观测。坡面土壤侵蚀的实验和观测是水土保持的基础内容，为此需要一种快速现场降雨侵蚀实验及结果测量综合试验平台装置，它可以使各个不同实验现场(包括原状土、扰动土)水土保持科学试验达到准确、快速、方便、全自动一体化。

传统的水土流失预测方法是在野外建立不同坡度、不同植被覆盖条件下的径流小区，利用天然降雨对坡面土壤侵蚀过程进行观测，这种方法周期长、资金和人力投入高。目前国内外基本采用人工模拟自然降雨，通过测定降雨强度、土壤侵蚀量，研究其雨型、下垫面条件和不同地表处理的土壤侵蚀规律，从而正确确定水土流失量，建立侵蚀模型，实现对水土流失区的动态监测。常用野外作业的模拟降雨器需要动力输出和大型运输设备，不便携带，移动性差，组合及装卸非常不便。降雨强度等指标需要在现场率定。实验操作和试验成果获取及后期处理周期长、工作量大，因此使用受到较大限制。

发明内容

为了克服现有各种野外水土流失试验方法和实验设备移动性差，控制复杂，试验费时、费力的缺点。本发明提供了一种移动式水土流失实验室。

本发明的目的是通过如下措施来达到的：移动式水土流失实验室，其特征在于它包括动力及移动牵引车、可变坡实验槽、下喷式降雨器、供水系统、水土流失监测系统，所述的动力及移动牵引车包括动力牵引车、车载发电机和外接电源，动力牵引车包括驾驶室和车厢，以及位于驾驶室和车厢之间的试验控制室，车载发电机和外接电源位于动力牵引车上；可变坡实验槽位于车厢内，下喷式降雨器固定在可变坡实验槽上，供水系统与下喷式降雨器连接，水土流失监测系统位于试验控制室内；水土流失监测系统包括分流器、泥沙流量变送器、数据采集管理器；分流器与可变坡实验槽上的出水口连接，泥沙流量变送器与分流器连接，数据采集管理器连接泥沙流量变送器。

在上述技术方案中，所述可变坡实验槽由液压油缸和实验槽组成，液压油缸包括液压杆和液压立杆，液压杆的一端固定在车厢底板上，液压杆的另一端位于实验槽的中部位置，液压立杆位于实验槽的外周两侧并对称布置；下喷式降雨器由降雨喷头、压力控制器、降雨器摆动装置和回水系统组成；供水系统包括水箱、水泵；水泵通过管道连接水箱，水箱内通出的导管连接分水器，分水器上有压力控制器，分水器与活动横杆连接，降雨喷头固定在活动横杆上，降雨喷头上有余水回收器通过回水管通入水箱，分水器与回水管连接，回水管与水箱连接。

在上述技术方案中，所述降雨器摆动装置包括依次顺序连接的调频器、电机、曲轴、连杆、摇臂，降雨控制器的一端连接降雨喷头，降雨控制器的另一端连接调频器，调频器连接电源。

在上述技术方案中，所述试验控制室内还包括土壤分析仪，供水控制器、配电柜、变坡控制器、电子天平、降雨控制器。

在上述技术方案中，所述液压杆与实验槽之间的角度变化范围为0-30°。

本发明移动式水土流失实验室，提供一种车载的、可移动并使用自带电源、自带供水和循环系统、全自动调控摇摆下喷式降雨器和水土流失自动监测系统。它可以在车载和自带动力(发电机和水泵)情况下，方便移动于各种野外试验现场，测控系统对降雨高度、降雨强度以及变坡实验槽进行调控，使用操作方便，测控精度高，对观测测量结果进行实时测量、存储。降雨强度连续变化范围大，雨滴大小控制范围宽，降雨均匀度系数较高，可任意降雨历时。该系统首先采用自动测控系统，可现场实时在线显示存储模拟降雨器的动态变化及曲线，节省大量率定和验证时间。

附图说明

图1为本发明移动式水土流失实验室组成框图。

图2为本发明系统工作原理逻辑框图。

图3为本发明整体结构示意图。

图4为本发明工作状态结构图(支撑状态)。

图5为本发明中储水和供水部分的连接结构图。

图6为本发明中降雨器摆动装置的结构图。

图7为本发明中试验控室内的装置示意图。

图中1.移动式水土流失实验室，2.动力及移动牵引车，3.可变坡实验槽，4.下喷式降雨器，5.供水系统，6.水土流失监测系统，7.动力牵引车，8.车载发电机，9.外接电源，10.液压油缸，11.实验槽(内装待测土壤)，12.降雨喷头(或称喷头)，13.压力控制器，14.降雨器摆动装置，15.回水系统，16.水箱，17.水泵，18.分流器，19.泥沙流量变送器，20.数据采集管理器，21.车体，22.车厢，23.液压立杆，24.实验槽，25.出水口，26.分水器，27.回水管，28.余水回收器，29.电源，30.调频器，31.电机，32.曲轴，33.连杆，34.摇臂，35.降雨控制器，36.液压杆，37.活动横杆，38.控制室(或称试验控制室)，39.连接板，40.转动轴，41.固定板，42.土壤分析仪，43.供水控制台，44.变坡控制器，45.配电柜，46.电子天平，47.驾驶室。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已，同时通过说明本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。

参阅附图可知：本发明移动式水土流失实验室，它包括动力及移动牵引车2、可变坡实验槽3、下喷式降雨器4、供水系统5、水土流失监测系统6，所述的动力及移动牵引车2包括动力牵引车7、车载发电机8和外接电源9，动力牵引车7包括驾驶室47和车厢22，以及位于驾驶室47和车厢22之间的试验控制室38，车载发电机8和外接电源9位于动力牵引车7上；可变坡实验槽3位于车厢22内，下喷式降雨器4固定在可变坡实验槽3上，供水系统5与下喷式降雨器4连接，水土流失监测系统6位于试验控制室38内；水土流失监测系统6包括分流器18、泥沙流量变送器19、数据采集管理器20；分流器18与可变坡实验槽3上的出水口25连接，泥沙流量变送器19与分流器18连接，数据采集管理器20连接泥沙流量变送器19(如图1、图2所示)。

可变坡实验槽3由液压油缸10和实验槽11组成，液压油缸10包括液压杆36和液压立杆23，液压杆36的一端固定在车厢22底板上，液压杆36的另一端位于实验槽11的中部位置，液压立杆23位于实验槽11的外周两侧并对称布置；下喷式降雨器4由降雨喷头12、压力控制器13、降雨器摆动装置14和回水系统15组成；供水系统包括水箱16、水泵17；水泵17通过管道通入水箱16，水箱16内通出的导管连接分水器26，分水器26上有压力控制器13，分水器26与活动横杆37连接，降雨喷头12固定在活动横杆37上，降雨喷头12上有余水回收器28通过回水管27通入水箱16，分水器26与回水管27连接，回水管27与水箱16连接(如图3、图4、图5所示)。

降雨器摆动装置14包括依次顺序连接的调频器30、电机31、曲轴32、连杆33、摇臂34，降雨控制器35的一端连接降雨喷头12，降雨控制器35的另一端连接调频器30，调频器30连接电源29(如图6所示)。

试验控制室38内还包括土壤分析仪42，供水控制器43、配电柜45、变坡控制器44、电子天平46、降雨控制器35(如图7所示)。

液压杆36和实验槽24之间的角度变化范围为0-30°。

本发明的动力来源包括动力牵引车7的动力、车载发电机8、外接电源9等三个部分，它通过电力、液压油缸和水泵为液压杆36、液压立杆23、供水系统5以及水土流失监测系统6等提供动力保障。

工作时：可将动力牵引车7行驶至试验场地，选择平整地域停稳，用车载四支支撑油缸支撑调整到水平，保证车体的平衡及稳定。用液压油缸10提供动力，在变坡控制器44的调控下，使液压杆36作用于试验槽24，调整到设定的模拟实验坡度。

车载固定式降雨器4在进行不同坡度的土壤侵蚀试验时，因其固定在侵蚀实验槽24上，可随侵蚀试验槽24调节坡度液压升降系统自动保持垂直并维持给定的降雨高度；下喷式降雨器根据试验坡地的坡度可通过调节液压杆使降雨器4满足试验要求。然后，利用车上自带的水泵17将水抽至水箱16中(若工作地点无水源，可直接利用水箱16中的水进行实验)，水箱16中的水可通过水管流到分水器26中，分水器26中的水再到活动横杆37，活动横杆37上有喷头12，喷头余水回收器28一方面调节喷水面积模拟自然降雨均匀度，另一方面回收喷头余水通过回水管27循环到水箱16。分水器26中的部分水可通过回水管27返回水箱16中，实现循环再利用。

电源29带动电机31工作，电机31(步进电机较好)通过曲轴32、连杆33、摇臂34带动活动横杆37摆动，从而带动喷头12左右摆动，曲轴32与连杆33可将电机31的圆周运动转变成直线运动，并带动摇臂34实现左右均匀摇摆，向实验槽24内实现模拟降雨。喷头12的左右摆动的频率通过降雨控制器35与调频器30来调节和控制，压力控制器13控制喷头12内的水压，从而使降雨强度达到设定的要求(如图5、图6所示)。

为保证降雨强度和降雨量全过程的自动控制，在开始工作前，在设定水压条件和各种摆动频率下，先对不同型号的喷头12率定和验证降雨强度，并把测试结果存储在水土流失监测系统6(图2、图7所示)。在野外正式试验时，水土流失监测系统6运用闭环测控方法，可实时在线控制模拟降雨的动态变化和曲线，降雨过程中始终最大逼近雨强设定值。

实验槽24的下端固定有液压杆36，液压立杆23对称固定在实验槽24的侧面，实验槽24的一端有出水口25，液压杆36支撑实验槽24的角度范围为0-30°，可通过液压杆36的伸缩改变实验槽24的倾斜角度，从而满足各种坡度实验的需要，但液压立杆23始终与车厢内平面垂直(如图4所示)，从而使降雨保持自然的状态。

实验槽24的两侧各对称布置有三根液压立杆36，每个侧面有三根液压立杆23(组成三对液压立杆)，每个电机31固定在其中的一对液压立杆23上，即三对液压立杆23上的喷头12有三个电机31控制，与电机31连接的曲轴32、连杆33、摇臂34也固定在液压横杆37上，液压立杆23可伸缩，从而可调节与实验槽24之间的高度，满足降雨器的工作高度需要和运输要求(如图3、图4所示)。

试验槽24的出水口25在试验中接分流器18，径流泥沙经分流器18后，由进水管进入泥沙流量变送器19开始用数据采集管理器20进行分析，而径流泥沙及流量控制计算机则同步进行可现场实时在线自动测量径流流量及泥沙含量工作，并实时在线显示曲线过程及数据存储。

本发明降雨器的性能参数：①、雨强连续变化范围：20～170mm/h；②、降雨均匀度系数大于0.8；③、雨滴大小调控范围：0.7～3.8mm；④、降雨历时：任意；⑤、降雨测量精度1.0mm/h；⑥、降雨调节精度：7mm/h；⑦、可存储1000hr降雨雨强测量数据。

本发明水土流失自动监测参数：①径流流量：3～6400ml/s；②径流测量误差：3ml/s；泥沙测量范围：0.5～200kg/m³，相对误差小于5％。

本发明随车携带的土壤(理化)分析仪器42与GPS配合用可直接测量潮湿土壤或水的pH值和温度。技术指标：①测量范围：pH为-2.00-16.0；温度为0-100℃，②精度：pH为±0.01；温度为±0.5℃。

为了充分满足水土保持科学研究的需要，本发明实现了一个设备先进、功能完善，达到国内领先水平的水土流失过程试验系统，改进和提高了水土保持科学研究质量和水平。降雨器的车载和可移动，供水、降雨均可自带动力和自动控制，仪器设备集成度高，便于进行各种工况下的野外试验。降雨试验精确度高、工作效率得到了很大的提高，并且可和移动式水土流失实验室其他仪器设备配合使用，开拓了水土流失学科野外试验的新领域，具有较大的推广应用价值。