本實用新型屬于凍土模擬測量裝置技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種凍融作用對土壤水運動的模擬裝置。
背景技術(shù)：
地球上受凍融作用的面積約占全球陸地總面積的70%，在我國受凍融作用的面積約占國土陸地總面積的98%，其中，多年凍土的面積約占22%，主要分布在青藏高原、西部高山和東北大、小興安嶺。凍融作用對土壤水分、密度、有機質(zhì)和土壤的機械組成等因素都有不同程度的影響，這些因素的變化對土壤侵蝕都起著十分重要的作用，特別是水分的變化，是造成土壤凍融侵蝕的一個重要因素。
凍融作用使土壤水分由土水勢高的下部向土水勢低的上部遷移，增加了土壤凍結(jié)層的含水量；土壤水分遷移使得下部未凍結(jié)層的土壤含水量降低，其降低程度受下部土壤含水量和淺層地下水埋深的影響；凍結(jié)過程中土壤水分遷移導(dǎo)致土壤膨脹變形，而土壤的膨脹變形是發(fā)生土壤凍融侵蝕的主要因素。凍融循環(huán)過程能夠影響土壤水分的有效性和再分布。所以對凍融過程中土壤水分的遷移變化進(jìn)行分析，以進(jìn)一步探討凍融作用與土壤水分間的關(guān)系顯得尤為重要。
而現(xiàn)有凍融作用對土壤水運動的模擬裝置，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作繁瑣，且不能實時監(jiān)測土壤水分、溫度和凍土深度的動態(tài)變化過程。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本實用新型的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種凍融作用對土壤水運動的模擬裝置，以解決現(xiàn)有裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜和操作繁瑣，且不能實時監(jiān)測土壤水分、溫度和凍土深度的動態(tài)變化過程的問題。
為達(dá)到上述目的，本實用新型采取的技術(shù)方案是：
一種凍融作用對土壤水運動的模擬裝置，包括人工模擬降雨器、凍融箱、制冷裝置、加熱裝置和凍土測量裝置；人工模擬降雨器設(shè)于凍融箱的正上方；凍土測量裝置埋設(shè)于凍融箱填裝的土壤中，其長度高于土壤深度；制冷裝置和加熱裝置均固定于凍融箱內(nèi)，其高度高于凍土測量裝置；
人工模擬降雨器的面積大于凍融箱上表面面積；
凍融箱底部和側(cè)面均設(shè)有一層保溫材料防護層；
凍土測量裝置為檢測水分、溫度和凍土深度動態(tài)變化的凍土測量傳感器。
優(yōu)選地，凍土測量傳感器包括水分傳感器和溫度傳感器。
優(yōu)選地，凍土測量裝置與外部計算機連接設(shè)置。
優(yōu)選地，人工模擬降雨器為可調(diào)節(jié)降雨強度和降雨高度的降雨器。
優(yōu)選地，凍融箱的長寬高分別為1m×1m×1.5m。
優(yōu)選地，凍融箱為透明、耐熱、耐寒的有機玻璃長方體，凍融箱上設(shè)有蓋體。
優(yōu)選地，土樣深度為60cm。
優(yōu)選地，凍土測量裝置高度為70cm。
優(yōu)選地，制冷裝置和加熱裝置均設(shè)置于距箱底80cm處。。
本實用新型提供的凍融作用對土壤水運動的模擬裝置，具有以下有益效果：
本裝置設(shè)有人工模擬降雨器，模擬降雨，其降雨范圍完全覆蓋下方的凍融箱，并可以自由調(diào)節(jié)降雨強度；其中，凍融箱為透明、耐熱、耐寒的有機玻璃長方體，箱體上方有蓋，底部和側(cè)面均設(shè)有保溫材料防護層，保證箱內(nèi)溫度長期保持在一個穩(wěn)定范圍值內(nèi)，箱體中人工填充有野外采取的原狀土，模擬野外的土壤分層結(jié)構(gòu)。
凍融箱內(nèi)設(shè)有制冷裝置和加熱裝置，制冷裝置用于降低凍融箱的溫度，模擬土壤的凍結(jié)過程；加熱裝置用于升高凍融箱的溫度，模擬凍結(jié)土壤的融化過程。凍土測量裝置其高度高于土壤深度，用于測量土壤剖面含水率、土壤剖面溫度、凍土深度，與外部計算機相連，顯示并記錄凍融實驗設(shè)備的工作參數(shù)和凍融過程中土體不同深度的水分、溫度和凍土深度變化，并將信息輸出記錄。
整個裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，能夠?qū)崟r監(jiān)測土壤水分、溫度和凍土深度的動態(tài)變化過程。
附圖說明
圖1為凍融作用對土壤水運動的模擬裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
其中，1、人工模擬降雨器；2、凍融箱；3、制冷裝置；4、加熱裝置；5、凍土測量裝置。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本實用新型的技術(shù)方案的實施方式進(jìn)行詳細(xì)地說明：
根據(jù)本申請的一個實施例，如圖1所示，本方案的凍融作用對土壤水運動的模擬裝置，包括人工模擬降雨器1、凍融箱2、制冷裝置3、加熱裝置4和凍土測量裝置5，人工模擬降雨器1設(shè)于凍融箱的正上方，面積大于凍融箱上表面面積，其降雨高度可根據(jù)實驗條件的需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，本實施例優(yōu)選為5m，有效降雨面積為2×2m2，降雨強度為20-150mm/h。
制冷裝置3固定在凍融箱2距箱底80cm處，用于降低凍融箱內(nèi)的溫度，設(shè)置于距箱底80cm處使得溫度的傳遞效果最佳，便于模擬土壤的凍結(jié)過程。
加熱裝置4固定在凍融箱距箱底80cm處，用于升高凍融箱內(nèi)的溫度，設(shè)置于距箱底80cm處使得溫度的傳遞效果最佳，便于模擬凍結(jié)土壤的融化過程。
凍土測量裝置5安裝于凍融箱2箱底，凍土測量裝置5為凍土測量傳感器，凍土測量傳感器包括水分傳感器和溫度傳感器，埋設(shè)在凍融箱2填裝的土壤中，其長度為70cm，用于測量土壤剖面含水率、土壤剖面溫度、凍土深度，與計算機相連，顯示并記錄凍融實驗設(shè)備的工作參數(shù)和凍融過程中土體不同深度的水分、溫度和凍土深度變化，并將信息輸出記錄。
凍融箱2箱體材料為透明、耐熱、耐寒的有機玻璃，長寬高分別為1m×1m×1.5m的長方體，箱頂有蓋，底部和側(cè)面均設(shè)有保溫材料防護層，箱體中人工填充有野外采取的原裝土樣，土樣深度為60cm。
具體流程：
本試驗采取半封閉半開放環(huán)境，即在凍融箱2底部和側(cè)面用保溫材料防護, 保證凍結(jié)和融化過程均由土樣的表層開始，并逐漸向下凍結(jié)和融化，同時在凍結(jié)和融化過程中，可以保持土樣底部有一定的水分供應(yīng)，以模擬淺層水的補給。
實驗時，首先利用人工模擬降雨裝置1將水均勻噴灑在實驗土樣表面上，使其初始含水量均勻。然后開啟制冷裝置3，在24 h內(nèi)將凍融箱內(nèi)溫度由0℃逐漸降低到-20℃，使土樣完全凍結(jié)；隨后開啟加熱裝置4，再經(jīng)過24 h使土樣逐漸完全融化。在土樣凍融的過程中，用凍土測量裝置5測量土體不同深度土壤剖面含水率、土壤剖面溫度、凍土深度的動態(tài)變化過程，并通過外部計算機顯示并記錄凍融實驗設(shè)備的工作參數(shù)和凍融過程中土體不同深度的水分、溫度和凍土深度變化，并將信息輸出記錄。
整個裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，能夠?qū)崟r監(jiān)測土壤水分、溫度和凍土深度的動態(tài)變化過程。
雖然結(jié)合附圖對實用新型的具體實施方式進(jìn)行了詳細(xì)地描述，但不應(yīng)理解為對本專利的保護范圍的限定。在權(quán)利要求書所描述的范圍內(nèi)，本領(lǐng)域技術(shù)人員不經(jīng)創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改和變形仍屬本專利的保護范圍。