本实用新型属于冻土模拟测量装置技术领域，具体涉及一种冻融作用对土壤水运动的模拟装置。
背景技术：
地球上受冻融作用的面积约占全球陆地总面积的70%，在我国受冻融作用的面积约占国土陆地总面积的98%，其中，多年冻土的面积约占22%，主要分布在青藏高原、西部高山和东北大、小兴安岭。冻融作用对土壤水分、密度、有机质和土壤的机械组成等因素都有不同程度的影响，这些因素的变化对土壤侵蚀都起着十分重要的作用，特别是水分的变化，是造成土壤冻融侵蚀的一个重要因素。
冻融作用使土壤水分由土水势高的下部向土水势低的上部迁移，增加了土壤冻结层的含水量；土壤水分迁移使得下部未冻结层的土壤含水量降低，其降低程度受下部土壤含水量和浅层地下水埋深的影响；冻结过程中土壤水分迁移导致土壤膨胀变形，而土壤的膨胀变形是发生土壤冻融侵蚀的主要因素。冻融循环过程能够影响土壤水分的有效性和再分布。所以对冻融过程中土壤水分的迁移变化进行分析，以进一步探讨冻融作用与土壤水分间的关系显得尤为重要。
而现有冻融作用对土壤水运动的模拟装置，其结构复杂，操作繁琐，且不能实时监测土壤水分、温度和冻土深度的动态变化过程。
技术实现要素：
本实用新型的目的在于针对现有技术的不足，提供一种冻融作用对土壤水运动的模拟装置，以解决现有装置结构复杂和操作繁琐，且不能实时监测土壤水分、温度和冻土深度的动态变化过程的问题。
为达到上述目的，本实用新型采取的技术方案是：
一种冻融作用对土壤水运动的模拟装置，包括人工模拟降雨器、冻融箱、制冷装置、加热装置和冻土测量装置；人工模拟降雨器设于冻融箱的正上方；冻土测量装置埋设于冻融箱填装的土壤中，其长度高于土壤深度；制冷装置和加热装置均固定于冻融箱内，其高度高于冻土测量装置；
人工模拟降雨器的面积大于冻融箱上表面面积；
冻融箱底部和侧面均设有一层保温材料防护层；
冻土测量装置为检测水分、温度和冻土深度动态变化的冻土测量传感器。
优选地，冻土测量传感器包括水分传感器和温度传感器。
优选地，冻土测量装置与外部计算机连接设置。
优选地，人工模拟降雨器为可调节降雨强度和降雨高度的降雨器。
优选地，冻融箱的长宽高分别为1m×1m×1.5m。
优选地，冻融箱为透明、耐热、耐寒的有机玻璃长方体，冻融箱上设有盖体。
优选地，土样深度为60cm。
优选地，冻土测量装置高度为70cm。
优选地，制冷装置和加热装置均设置于距箱底80cm处。。
本实用新型提供的冻融作用对土壤水运动的模拟装置，具有以下有益效果：
本装置设有人工模拟降雨器，模拟降雨，其降雨范围完全覆盖下方的冻融箱，并可以自由调节降雨强度；其中，冻融箱为透明、耐热、耐寒的有机玻璃长方体，箱体上方有盖，底部和侧面均设有保温材料防护层，保证箱内温度长期保持在一个稳定范围值内，箱体中人工填充有野外采取的原状土，模拟野外的土壤分层结构。
冻融箱内设有制冷装置和加热装置，制冷装置用于降低冻融箱的温度，模拟土壤的冻结过程；加热装置用于升高冻融箱的温度，模拟冻结土壤的融化过程。冻土测量装置其高度高于土壤深度，用于测量土壤剖面含水率、土壤剖面温度、冻土深度，与外部计算机相连，显示并记录冻融实验设备的工作参数和冻融过程中土体不同深度的水分、温度和冻土深度变化，并将信息输出记录。
整个装置结构简单，操作方便，能够实时监测土壤水分、温度和冻土深度的动态变化过程。
附图说明
图1为冻融作用对土壤水运动的模拟装置的结构示意图。
其中，1、人工模拟降雨器；2、冻融箱；3、制冷装置；4、加热装置；5、冻土测量装置。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的技术方案的实施方式进行详细地说明：
根据本申请的一个实施例，如图1所示，本方案的冻融作用对土壤水运动的模拟装置，包括人工模拟降雨器1、冻融箱2、制冷装置3、加热装置4和冻土测量装置5，人工模拟降雨器1设于冻融箱的正上方，面积大于冻融箱上表面面积，其降雨高度可根据实验条件的需要进行调节，本实施例优选为5m，有效降雨面积为2×2m2，降雨强度为20-150mm/h。
制冷装置3固定在冻融箱2距箱底80cm处，用于降低冻融箱内的温度，设置于距箱底80cm处使得温度的传递效果最佳，便于模拟土壤的冻结过程。
加热装置4固定在冻融箱距箱底80cm处，用于升高冻融箱内的温度，设置于距箱底80cm处使得温度的传递效果最佳，便于模拟冻结土壤的融化过程。
冻土测量装置5安装于冻融箱2箱底，冻土测量装置5为冻土测量传感器，冻土测量传感器包括水分传感器和温度传感器，埋设在冻融箱2填装的土壤中，其长度为70cm，用于测量土壤剖面含水率、土壤剖面温度、冻土深度，与计算机相连，显示并记录冻融实验设备的工作参数和冻融过程中土体不同深度的水分、温度和冻土深度变化，并将信息输出记录。
冻融箱2箱体材料为透明、耐热、耐寒的有机玻璃，长宽高分别为1m×1m×1.5m的长方体，箱顶有盖，底部和侧面均设有保温材料防护层，箱体中人工填充有野外采取的原装土样，土样深度为60cm。
具体流程：
本试验采取半封闭半开放环境，即在冻融箱2底部和侧面用保温材料防护, 保证冻结和融化过程均由土样的表层开始，并逐渐向下冻结和融化，同时在冻结和融化过程中，可以保持土样底部有一定的水分供应，以模拟浅层水的补给。
实验时，首先利用人工模拟降雨装置1将水均匀喷洒在实验土样表面上，使其初始含水量均匀。然后开启制冷装置3，在24 h内将冻融箱内温度由0℃逐渐降低到-20℃，使土样完全冻结；随后开启加热装置4，再经过24 h使土样逐渐完全融化。在土样冻融的过程中，用冻土测量装置5测量土体不同深度土壤剖面含水率、土壤剖面温度、冻土深度的动态变化过程，并通过外部计算机显示并记录冻融实验设备的工作参数和冻融过程中土体不同深度的水分、温度和冻土深度变化，并将信息输出记录。
整个装置结构简单，操作方便，能够实时监测土壤水分、温度和冻土深度的动态变化过程。
虽然结合附图对实用新型的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。