CN117949640A - 一种冻土退化过程的室内模拟试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及冻土退化试验技术领域，公开了一种冻土退化过程的室内模拟试验装置，包括内部装有地下水的外槽和两侧搭接在外槽内的内槽，内槽的内部通过螺丝可拆卸安装有两块隔板，两块隔板将内槽分隔成三个装土空间；还包括：安装在每个装土空间顶部的土壤筛，三组土壤筛的筛孔大小不同，本发明提供的装置能够模拟多年冻土和季节性冻土发育地区的土壤和地下水冻融状态，并通过设置不同的气候情景，模拟并量化气候变暖对多年冻土水热状态的影响，进而研究冻土退化的过程和机制；同时该模拟***有助于深入地理解冻土区域对气候变化的响应，并能够为预测和评估未来冻土退化趋势提供重要数据支持，给制定有效的环境保护和气候变化应对策略提供科学依据。
Description
技术领域
本发明涉及冻土退化试验技术领域，具体为一种冻土退化过程的室内模拟试验装置。
背景技术
在气候变化的背景下，多年冻土的显著退化对气候***、生态水文过程乃至全球水碳循环变化产生了深刻影响。多年冻土是指温度常年保持在冰点以下的土壤或岩石，而多年冻土之上通常发育季节性冻土，即冬季冻结而夏季融化的土壤。多年冻土广泛分布在环北极和高山地区，随着全球气温的升高，冻土区域正经历着加速退化的过程。这主要是由于全球气温升高，导致冻土层温度上升，季节性冻土厚度增加，部分多年冻土融化。在此过程中，冻土融水直接补给了地下水量，并间接影响着地表-地下水连通性，进而改变了区域水文过程，影响了河流径流量和水质；同时，冻土退化也会导致土壤结构破坏和稳定性下降，影响基础设施建设的安全性和可控性；此外，多年冻土退化还可能释放大量之前被冻结的温室气体，如甲烷和二氧化碳，进而加速全球气候变化。然而，由于多年冻土发育地区面积广泛且气候环境相对恶劣，难以直接对其进行检测。加之多年冻土地区的土壤和地下含冰率等条件具有较强的时空异质性，多年冻土的退化过程涉及复杂的地理和环境因素，使得多年冻土退化机制研究和模拟难度较大。为此，我们提出一种冻土退化过程的室内模拟试验装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种冻土退化过程的室内模拟试验装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种冻土退化过程的室内模拟试验装置，包括内部装有地下水的外槽和两侧搭接在所述外槽内的内槽，所述内槽的内部通过螺丝可拆卸安装有两块隔板，两块所述隔板将所述内槽分隔成三个装土空间；还包括：安装在每个所述装土空间顶部的土壤筛，三组所述土壤筛的筛孔大小不同，所述内槽的底部通过螺丝可拆卸安装有用于外部地下水自动渗入到所述内槽中的渗滤膜，所述内槽的顶部上方设有对称分布的两个温控顶仓，其用于对所述内槽的空间进行温度调控，模拟空气温度变化；安装在所述温控顶仓两侧的转换机构，其用于满足所述土壤筛和所述温控顶仓之间的便捷转换。
优选的，所述转换机构包括转动连接在所述温控顶仓前后两侧的主动摆杆，所述主动摆杆的底部通过销轴与所述内槽的外壁转动连接，所述主动摆杆的底部一侧与其同轴固定有扇齿轮，所述主动摆杆的一侧还平行设有两个从动摆杆，所述从动摆杆的顶部与所述温控顶仓转动连接，且所述从动摆杆的底部通过销轴与所述内槽的外壁转动连接，所述扇齿轮对称设有两组，两组所述扇齿轮之间设有驱动件，利用转换机构可以便捷打开温控顶仓，从而快速将土壤筛暴露在使用者的视野，避免人员进行装土时需要拆卸温控设备，满足所述土壤筛和所述温控顶仓之间的便捷转换。
优选的，所述驱动件包括呈竖直状态分布的竖板，所述竖板的两侧均固定有齿条，两个所述齿条分别与所述扇齿轮啮合连接，所述竖板的顶部固定有第一T型杆，所述竖板上开设有条形槽，所述条形槽内滑动连接有限位柱，所述限位柱的一端与所述内槽的外壁固定连接，利用驱动件便于使用者使用往上方向的外力来打开温控顶仓。
优选的，所述竖板的底部固定有配重块，所述配重块的质量大于所述竖板和所述齿条的质量之和，且所述配重块在所述温控顶仓处于关闭状态时与所述外槽的内底部相接触，通过配重块便于两个温控顶仓的自动归位。
优选的，所述土壤筛的内壁固定有水平移动轨道，所述水平移动轨道上滑动连接有移动刷杆，所述移动刷杆的底部与所述土壤筛的筛网上侧相贴合，所述移动刷杆的顶部固定有第二T型杆，由使用者操作移动刷杆在土壤筛内部移动，从而将土壤能够铺平方便土壤快速掉进装土空间内。
优选的，所述土壤筛的两侧活动挂接在所述内槽的顶部，且所述土壤筛的底部安装有振动电机，使得土壤筛具有一定的振动功能，进一步方便土壤的掉落。
优选的，所述外槽的左右两侧分别固定安装有进水管和出水管，所述进水管远离所述外槽的一端固定连接有第一连接管，所述第一连接管远离所述进水管的一端固定安装有增压水泵，所述增压水泵的进水端固定连接有第二连接管，通过此设计使得外槽内部的地下水具有循环使用的功能，以便于对内槽进行清洗。
优选的，所述第二连接管远离所述增压水泵的一端固定连接有泥沙过滤器，所述泥沙过滤器的另一端与所述出水管相连通，设计的泥沙过滤器便于对地下水内残留的泥沙进行过滤，防止循环用水过程中的泥沙淤堵，延长实验设备使用寿命，保证外槽内部的水的纯净度足以通过渗滤膜进入内槽。
优选的，所述内槽和所述外槽的前侧均采用透明材质制成，便于工作人员的观察记录。
优选的，所述内槽的后侧且在每个所述装土空间的后侧壁上均布满有测温探头，所述测温探头呈矩形阵列分布，通过此设计可以测气温和不同位置的土壤温度，方便进行对比试验。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的装置能够模拟多年冻土和季节性冻土发育地区的土壤和地下水冻融状态，并通过设置不同的气候情景，模拟并量化气候变暖对多年冻土水热状态的影响，进而研究冻土退化的过程和机制；同时该模拟***有助于深入地理解冻土区域对气候变化的响应，并能够为预测和评估未来冻土退化趋势提供重要数据支持，给制定有效的环境保护和气候变化应对策略提供科学依据。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明局部结构示意图；
图3为本发明转换机构结构示意图；
图4为本发明驱动件结构示意图；
图5为本发明土壤筛结构示意图；
图6为图5在另一视角下结构示意图；
图7为本发明内槽的内部结构示意图；
图8为本发明外槽的外部结构示意图。
图中：1、外槽；2、内槽；3、隔板；4、装土空间；5、土壤筛；6、渗滤膜；7、温控顶仓；8、转换机构；9、主动摆杆；10、扇齿轮；11、从动摆杆；12、驱动件；13、竖板；14、齿条；15、第一T型杆；16、条形槽；17、限位柱；18、配重块；19、水平移动轨道；20、移动刷杆；21、第二T型杆；22、振动电机；23、进水管；24、出水管；25、第一连接管；26、增压水泵；27、第二连接管；28、泥沙过滤器；29、测温探头。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
请参阅图1-图3，图示中的一种冻土退化过程的室内模拟试验装置，包括内部装有地下水的外槽1和两侧搭接在外槽1内的内槽2，内槽2的内部通过螺丝可拆卸安装有两块隔板3，两块隔板3将内槽2分隔成三个装土空间4；还包括：安装在每个装土空间4顶部的土壤筛5，三组土壤筛5的筛孔大小不同，内槽2的底部通过螺丝可拆卸安装有用于外部地下水自动渗入到内槽2中的渗滤膜6，内槽2的顶部上方设有对称分布的两个温控顶仓7，其用于对内槽2的空间进行温度调控，模拟空气温度变化；安装在温控顶仓7两侧的转换机构8，其用于满足土壤筛5和温控顶仓7之间的便捷转换。
本方案中，设计的三个不同位置的内槽2结构，在内槽2的装土空间4内分别装入不同砂土、壤土和黏土三种质地的土壤，并由土壤筛5进行过滤，最后在三个装土空间4内形成三组对比组，在外槽1内部的地下水会均匀通过渗滤膜6进入到土壤中，并且通过调整入渗水量模拟不同地下水位条件，并且在渗入足够长时间内通过温控顶仓7进行温度调控，从而模拟不同温度下的冻土退化模拟试验。
进一步的，参阅图5，土壤筛5的内壁固定有水平移动轨道19，水平移动轨道19上滑动连接有移动刷杆20，移动刷杆20的底部与土壤筛5的筛网上侧相贴合，移动刷杆20的顶部固定有第二T型杆21，由使用者操作移动刷杆20在土壤筛5内部移动，从而将土壤能够铺平方便土壤快速掉进装土空间4内。
对土壤筛5进行优化，在土壤进行筛选时，土壤的筛孔可能会堵住，此时工作人员可以利用第二T型杆21对移动刷杆20进行移动，移动刷杆20可以对土壤筛5表面进行刷动，加快土壤通过筛孔进入到装土空间4内。
进一步的，参阅图6，土壤筛5的两侧活动挂接在内槽2的顶部，且土壤筛5的底部安装有振动电机22，使得土壤筛5具有一定的振动功能，进一步方便土壤的掉落。
进一步的，请参阅图1，内槽2和外槽1的前侧均采用透明材质制成，采用此材质的结构可以观察地下水位变化、土壤渗入水量、多年冻土及季节性冻土融水变化，从而便于工作人员的分析观察和记录。
进一步的，参阅图7，内槽2的后侧且在每个装土空间4的后侧壁上均布满有测温探头29，测温探头29呈矩形阵列分布，采用隔网式测温***，可以测土壤上的气温和不同位置的土壤温度，方便进行对比实验。
具体来说，人员在温控顶仓7内设有调温***，该调温***可以模拟四季气温变化和年际气温变化，以模拟土壤上方的空气温度条件，在不同空气温度条件下使得土壤温度产生变化，保证季节性冻土和多年冻土产生不同的冻融变化，更好地实现模拟试验的效果；
除此之外，在外部还可设有电导率仪，将电导率仪的探头伸入渗有地下水的土壤内，可以测得一定温度下土壤的电导率，根据电导率和温度的关系，推算出土壤含水量，给出土壤含水率的模拟数据，能够补充土壤含水层数据，便于模拟不同的多年冻土类型与变化情景。
综上，上述方案能够模拟多年冻土和季节性冻土发育地区的土壤和地下水冻融状态，并通过设置不同的气候情景，模拟并量化气候变暖对多年冻土水热状态的影响，进而研究冻土退化的过程和机制；同时该模拟***有助于深入地理解冻土区域对气候变化的响应，并能够为预测和评估未来冻土退化趋势提供重要数据支持，给制定有效的环境保护和气候变化应对策略提供科学依据。
实施例二
请参阅图3和图4，本实施方式对于实施例一进一步说明，其区别点在于实现温控顶仓7和土壤筛5进行优化。
具体的，转换机构8包括转动连接在温控顶仓7前后两侧的主动摆杆9，主动摆杆9的底部通过销轴与内槽2的外壁转动连接，主动摆杆9的底部一侧与其同轴固定有扇齿轮10，主动摆杆9的一侧还平行设有两个从动摆杆11，从动摆杆11的顶部与温控顶仓7转动连接，且从动摆杆11的底部通过销轴与内槽2的外壁转动连接，扇齿轮10对称设有两组，两组扇齿轮10之间设有驱动件12，利用转换机构8可以便捷打开温控顶仓7，从而快速将土壤筛5暴露在使用者的视野，避免人员进行装土时需要拆卸温控设备，满足土壤筛5和温控顶仓7之间的便捷转换；
同时，驱动件12包括呈竖直状态分布的竖板13，竖板13的两侧均固定有齿条14，两个齿条14分别与扇齿轮10啮合连接，竖板13的顶部固定有第一T型杆15，竖板13上开设有条形槽16，条形槽16内滑动连接有限位柱17，限位柱17的一端与内槽2的外壁固定连接，利用驱动件12便于使用者使用往上方向的外力来打开温控顶仓7。
需要说明的是：在向内槽2中添加土壤的过程中，为了避免人员进行装土时需要拆卸温控设备，可以手动控制第一T型杆15向上移动，第一T型杆15带动齿条14运动，齿条14带动两组扇齿轮10进行方向相反转动，带动与扇齿轮10连接的主动摆杆9转动，主动摆杆9的顶部会对一半的温控顶仓7进行打开，两侧主动摆杆9同时转动，从而对温控顶仓7同步打开，将土壤筛5暴露在视野中，满足土壤筛5和温控顶仓7之间的便捷转换。
同时，值得注意的是，在竖板13的底部固定有配重块18，配重块18的质量大于竖板13和齿条14的质量之和，且配重块18在温控顶仓7处于关闭状态时与外槽1的内底部相接触，在竖板13归位时，可以撤去对第一T型杆15的外力，配重块18的重力向下，将齿条14自动向下带动，进而让扇齿轮10反转，让温控顶仓7自动关闭。
实施例三
请参阅图1和图8，本实施方式对于其它实施例进一步说明，区别点在于对外槽1内的地下水进行优化。
具体的，外槽1的左右两侧分别固定安装有进水管23和出水管24，进水管23远离外槽1的一端固定连接有第一连接管25，第一连接管25远离进水管23的一端固定安装有增压水泵26，增压水泵26的进水端固定连接有第二连接管27，第二连接管27远离增压水泵26的一端固定连接有泥沙过滤器28，泥沙过滤器28的另一端与出水管24相连通，设计的泥沙过滤器28便于对地下水内残留的泥沙进行过滤，防止循环用水过程中的泥沙淤堵，延长实验设备使用寿命，保证外槽1内部的水的纯净度足以通过渗滤膜6进入内槽2。
具体使用时，地下水内部会残留少量泥沙，通过增压水泵26将地下水抽出，经过泥沙过滤器28过滤后，最后再通过进水管23回流至外槽1内部，可以进行地下水的循环流动，从而提高过滤效果，也起到了冲洗内槽2的效果。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种冻土退化过程的室内模拟试验装置，包括：
内部装有地下水的外槽（1）和两侧搭接在所述外槽（1）内的内槽（2），所述内槽（2）的内部通过螺丝可拆卸安装有两块隔板（3），两块所述隔板（3）将所述内槽（2）分隔成三个装土空间（4）；
其特征在于：还包括：
安装在每个所述装土空间（4）顶部的土壤筛（5），三组所述土壤筛（5）的筛孔大小不同，所述内槽（2）的底部通过螺丝可拆卸安装有用于外部地下水自动渗入到所述内槽（2）中的渗滤膜（6），所述内槽（2）的顶部上方设有对称分布的两个温控顶仓（7），其用于对所述内槽（2）的空间进行温度调控，模拟空气温度变化；
安装在所述温控顶仓（7）两侧的转换机构（8），其用于满足所述土壤筛（5）和所述温控顶仓（7）之间的便捷转换。
2.根据权利要求1所述的一种冻土退化过程的室内模拟试验装置，其特征在于：所述转换机构（8）包括转动连接在所述温控顶仓（7）前后两侧的主动摆杆（9），所述主动摆杆（9）的底部通过销轴与所述内槽（2）的外壁转动连接，所述主动摆杆（9）的底部一侧与其同轴固定有扇齿轮（10），所述主动摆杆（9）的一侧还平行设有两个从动摆杆（11），所述从动摆杆（11）的顶部与所述温控顶仓（7）转动连接，且所述从动摆杆（11）的底部通过销轴与所述内槽（2）的外壁转动连接，所述扇齿轮（10）对称设有两组，两组所述扇齿轮（10）之间设有驱动件（12）。
3.根据权利要求2所述的一种冻土退化过程的室内模拟试验装置，其特征在于：所述驱动件（12）包括呈竖直状态分布的竖板（13），所述竖板（13）的两侧均固定有齿条（14），两个所述齿条（14）分别与所述扇齿轮（10）啮合连接，所述竖板（13）的顶部固定有第一T型杆（15），所述竖板（13）上开设有条形槽（16），所述条形槽（16）内滑动连接有限位柱（17），所述限位柱（17）的一端与所述内槽（2）的外壁固定连接。
4.根据权利要求3所述的一种冻土退化过程的室内模拟试验装置，其特征在于：所述竖板（13）的底部固定有配重块（18），所述配重块（18）的质量大于所述竖板（13）和所述齿条（14）的质量之和，且所述配重块（18）在所述温控顶仓（7）处于关闭状态时与所述外槽（1）的内底部相接触。
5.根据权利要求1所述的一种冻土退化过程的室内模拟试验装置，其特征在于：所述土壤筛（5）的内壁固定有水平移动轨道（19），所述水平移动轨道（19）上滑动连接有移动刷杆（20），所述移动刷杆（20）的底部与所述土壤筛（5）的筛网上侧相贴合，所述移动刷杆（20）的顶部固定有第二T型杆（21）。
6.根据权利要求5所述的一种冻土退化过程的室内模拟试验装置，其特征在于：所述土壤筛（5）的两侧活动挂接在所述内槽（2）的顶部，且所述土壤筛（5）的底部安装有振动电机（22）。
7.根据权利要求1所述的一种冻土退化过程的室内模拟试验装置，其特征在于：所述外槽（1）的左右两侧分别固定安装有进水管（23）和出水管（24），所述进水管（23）远离所述外槽（1）的一端固定连接有第一连接管（25），所述第一连接管（25）远离所述进水管（23）的一端固定安装有增压水泵（26），所述增压水泵（26）的进水端固定连接有第二连接管（27）。
8.根据权利要求7所述的一种冻土退化过程的室内模拟试验装置，其特征在于：所述第二连接管（27）远离所述增压水泵（26）的一端固定连接有泥沙过滤器（28），所述泥沙过滤器（28）的另一端与所述出水管（24）相连通。
9.根据权利要求1所述的一种冻土退化过程的室内模拟试验装置，其特征在于：所述内槽（2）和所述外槽（1）的前侧均采用透明材质制成。
10.根据权利要求1所述的一种冻土退化过程的室内模拟试验装置，其特征在于：所述内槽（2）的后侧且在每个所述装土空间（4）的后侧壁上均布满有测温探头（29），所述测温探头（29）呈矩形阵列分布。
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