专利名称：移动式水土流失实验室的制作方法
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。
背景技术：
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 观'J。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
4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、配电拒、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。
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l.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i裏)，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.^: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.配电拒，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,
7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—睑)，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 —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4巴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~ 170ram/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;
91.0 mm/h; 、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3 ml/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 为一2. 00-16. 0;温度为0-IO(TC，②精度pH为土O. 01;温度为土O. 5。C。
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。
权利要求
1、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(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)。
2、 根据权利要求1所述的移动式水土流失实验室，其特征在于 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)通过管道连接水 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。
3、 根据权利要求2所述的移动式水土流失实验室，其特征在于降雨器摆动装置(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)。
4、 根据权利要求1所述的移动式水土流失实验室，其特征在于 所述试验控制室(38)内还包括土壤分析仪(42),供水控制器(43)、配 电拒(45)、变坡控制器(44)、电子天平(46)、降雨控制器(35)。
5、 根据权利要求2所述的移动式水土流失实验室，其特征在于 所述液压杆(36)与实验槽(24)之间的角度变化范围为0-30° 。
全文摘要
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。
文档编号G01N33/24GK101514911SQ200910061200
公开日2009年8月26日 申请日期2009年3月20日 优先权日2009年3月20日
发明者丁文峰, 孙厚才, 哲 师, 张平仓, 王一峰, 健 赵 申请人:长江水利委员会长江科学院