一种用于乔木植被冠层截留监测的试验装置及方法

技术领域

本发明涉及植被冠层截留监测试验装置技术领域，具体涉及一种用于乔木植被冠层截留监测的试验装置及方法。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

植被冠层的降雨截留作用对于维护生态平衡和可持续发展至关重要。首先，植被冠层可以有效减缓雨水的冲击力，防止土壤侵蚀和水土流失的发生，维护生态系统的稳定性。其次，植被冠层能够促进雨水的渗透和滞留，补充地下水资源，维持水文循环的平衡。此外，植被冠层还通过截留雨水中的污染物，净化水质，保护水生生态系统的健康。

降雨过程中，穿过植被冠层的雨水被分为三部分，一部分雨水被树木的枝叶吸收或吸附于枝叶表面(冠层截留量)；一部分雨水沿着树木的枝干流入地表(枝干径流量)；其余的雨水则穿过枝叶间隙降落至地表(穿透雨量)。由于植被冠层截留量不易直接测量，因此，冠层的降雨截留雨量通常采用水量平衡法计算得到，即：冠层截留量＝总降雨量-穿透雨量-枝干径流量。目前，基于水量平衡法的原理，提出了一些对于小型乔木植被冠层截留监测的试验装置和方法，但多是对植被有破坏性的，如CN103076250A中所公开的装置和方法，需要对乔木冠层进行逐层剪枝；这些技术方法不仅对植被造成破坏，而且各参数不是在植被自然生长状态下测得的，导致结果存在较大误差。降雨结束后，部分吸附于枝叶表面的雨水在自身重力或外界环境影响下，容易从枝叶表面滑落至地表，称为滴落雨量。由于滴落雨量监测较为困难，且滴落雨量体积较少，现有研究中经常忽略了滴落雨量，导致冠层截留监测结果偏大。可见，现有的一些乔木植被冠层截留监测试验装置和方法都存在着一定不足。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种用于乔木植被冠层截留监测的试验装置及方法，能够对植被进行无破坏试验，而且能够监测滴落雨量，测量结果更加精确。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明的实施例提供了一种用于乔木植被冠层截留监测的试验装置，包括试验箱，试验箱内部设有隔板，隔板与套筒连接，套筒顶部具有用于待测植被树干穿过的顶部开口，顶部开口直径大于待测植被树干直径设定值以使得只有枝干径流雨水能够进入套筒，套筒底部具有底部开口，底部开口设有密封件以与待测植被的树干密封连接，套筒外周设有穿透雨水收集组件，套筒底端通过输水管与第一雨量监测元件连接，穿透雨水收集组件通过输水管与第二雨量监测元件连接，试验箱内顶部设有降雨喷头，降雨喷头与供水机构连接。

可选的，所述套筒包括筒体，筒体的顶端铰接有多个第一开合片，第一开合片一端与套筒顶端铰接，多个第一开合片的另一端形成用于待测植被树干穿过的顶部开口。

可选的，所述套筒包括筒体，筒体的底端铰接有多个第二开合片，第二开合片的一端与套筒底端铰接，多个第二开合片的另一端设有橡胶密封条并形成用于待测植被树干穿过的底部开口。

可选的，穿透雨水收集组件包括固定在套筒外周的支撑架，支撑架上铺设有防水布；

进一步的，所述支撑架包括多个沿环向分布在套筒外周的支撑杆，支撑杆一端与套筒铰接，支撑杆的另一端设有集水段，集水段的外端部向上折弯，支撑杆还与伸缩杆的一端铰接，伸缩杆的另一端与套筒铰接以带动支撑杆转动，多个支撑杆的上表面铺设有防水布。

可选的，所述隔板与安装在试验箱底部的升降机构可拆卸连接。

可选的，所述套筒由第一半圆筒和第二半圆筒拼接构成，相应的，所述隔板包括由第一板部和第二板部拼接构成，第一板部与第一半圆筒固定，第二板部与第二半圆筒固定。

可选的，所述试验箱内部设有风扇以对待测植被施加风荷载。

可选的，所述试验箱内部还设有圆环形导轨，风扇与圆环形导轨滑动连接以从不同方向向待测的植被施加风荷载。

可选的，所述供水机构包括蓄水箱，蓄水箱通过输水管与流量泵连接，流量泵通过输水管与降雨喷头连接。

第二方面，本发明的实施例提供了一种第一方面所述的用于乔木植被冠层截留监测的试验装置的方法，包括以下步骤：

套筒通过顶部开口和底部开口套在试验箱内放置的待测植被的树干外周，其中待测植被为盆栽自然生长状态下的植被，底部开口通过密封件与待测植被的树干密封连接；

供水机构向降雨喷头通水，降雨喷头向待测植被喷水以模拟降雨过程；

套筒通过顶部开口收集待测植被的枝干径流雨水并通过第一雨量监测元件实时获取枝干径流量；

穿透雨水收集组件收集待测植被的穿透雨水并通过第二雨量监测元件实时获取穿透雨量；

供水机构停止工作，穿透雨水收集组件收集滴落雨水，并通过第二雨量监测元件获取滴落雨量；

通过供水机构的工作时间和流量获取总降雨量，根据总降雨量、枝干径流量、穿透雨量和滴落雨量获取待测植被的冠层截留量。

本发明的有益效果如下：

1.本发明的试验装置和方法，设有套筒，套筒设有顶部开口和底部开口，能够套在待测植被的树干外周，套筒外周通过支撑架连接有防水布，试验箱顶部设有降雨喷头，降雨喷头与供水机构连接，供水机构及降雨喷头能够模拟降雨过程，套筒能够通过顶部开口收集枝干径流雨水，防水布能够收集穿透雨水和滴落雨水，并通过第一雨量监测元件和第二雨量监测元件进行测量，进而得到冠层截留量，套筒套在待测植被树干外周，整个试验过程无需对待测植被进行破坏，植被能够在自然生长状态下进行试验，测量结果更加准确。

2.本发明的试验装置和方法，降雨喷头停止降雨后，通过防水布能够继续对滴落雨水进行收集，并检测滴落雨量，进一步提高了冠层截留量检测结果的准确性。

3.本发明的试验装置和方法，通过多个第一开合片形成顶部开口，通过多个第二开合片形成底部开口，而且支架的覆盖范围能够通过伸缩杆调节，进而防水布的覆盖范围能够调节，同时套筒和隔板能够通过升降机构进行高度调节，满足了不同大小乔木植物的试验需求，提高了整个试验装置的适用性。

4.本发明的试验装置和方法，风扇与环形导轨滑动连接，能够模拟不同方向对待测植被的风荷载，进一步提高了整个试验装置的适用性。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实施例1整体结构示意图；

图2是本发明实施例1整体结构剖视图；

图3是本发明实施例1套筒、支撑架和防水布装配示意图；

图4是本发明实施例1隔板结构示意图；

图5是本发明实施例1风扇与圆环形导轨装配示意图；

其中，1.试验箱，2.待测植被，3.电动升降杆，4.隔板，5.筒体，6.第一开合片，7.第二开合片，8.防水布，9.支撑杆，10.伸缩杆，11.第一输水管，12.第一雨量计，13.第二输水管，14.第二雨量计，15.箱盖，16.降雨喷头，17.第三输水管，18.蓄水箱，19.流量泵，20.圆环形导轨，21.风扇，22.固定环。

具体实施方式

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”字样，仅表示与附图本身的上、下方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1

本实施例提供了一种用于乔木植物冠层截留监测的试验装置，如图1-图2所示，包括顶部敞口设置的试验箱1，试验箱1内用于放入盆栽的自然生长状态下的乔木植物作为待测植被2。

所述试验箱1内部设置有多个升降机构，升降机构固定在试验箱1的底部箱壁上表面，本实施例中，所述升降机构采用现有的电动升降杆3即可。

多个升降机构与隔板4固定连接，隔板4将试验箱1内部空间分隔为上层和下层，升降机构能够带动隔板4进行升降运动，进而调节上层和下层的体积。

隔板4中同轴穿过有套筒，隔板4与套筒固定连接，所述套筒用于设置在待测植被的树干外周。

本实施例中，为了适配待测植被的树干，所述套筒采用圆柱型套筒，为了方便将树干设置在套筒内部，所述套筒由第一半圆形筒和第二半圆形筒通过螺栓拼接构成，且在拼接面处设置有密封条，以对第一半圆形筒和第二半圆形筒的拼接面进行密封。

相应的，如图4所示，所述隔板4由第一板部和第二板部拼接构成，第一板部在拼接面处设有半圆槽，第二板部在拼接面处设置半圆槽，两个半圆槽拼接后形成套筒穿过的通孔。

所述第一板部和第二板部均通过螺栓与对应的电动升降杆3的升降部可拆卸固定连接。

第一半圆形筒与第一板部的半圆槽直接固定，第二半圆形筒与第二板部的半圆槽直接固定或者，为了提高固定强度，所述第一半圆形筒与第一固定半圆环内环面固定，第一半圆固定环与第一板部的上表面通过螺栓可拆卸固定，第二半圆形筒与第二固定半圆环内环面固定，第二固定半圆环与第二板部上表面通过螺栓可拆卸固定。

第一半圆固定环和第二半圆固定环组成整个固定环22。

所述套筒的顶部设有顶部开口，顶部开口的直径大于待测植被树干的直径，且顶部开口与待测植被树干的直径差至为设定值以使得顶部开口只允许枝干径流雨水进入套筒而其余的穿透雨水无法进行套筒内部。

所述套筒的底部设有底部开口，底部开口设置有密封件以使得待测植被树干穿过底部开口时，底部开口通过密封件与待测植被树干密封连接。

优选的，所述密封件采用橡胶密封条即可。

为了满足不同植被的试验需求，提高整个试验装置的适用性，如图3所示，所述套筒包括筒体5，筒体两端敞口设置，筒体5的顶部敞口端通过合页铰接有多个第一开合片6，多个第一开合片6闭合后，能够形成圆锥台状结构，第一开合片6的一端通过合页与筒体5顶端铰接，多个第一开合片6的另一端之间形成顶部开口。

转动第一开合片6，能够调节顶部开口的大小。

所述筒体5的底端通过合页铰接有多个第二开合片7，多个第二开合片7闭合后，能够形成倒圆锥台状结构，第二开合片7的一端通过合页与筒体5底端铰接，多个第二开合片7的另一端之间形成底部开口并且固定有橡胶密封条，能够通过橡胶密封条与待测植被2的树干接触。

本实施例中，第一开合片6和第二开合片7均通过合页转轴处的摩擦力进行定位固定。

优选的，所述第一开合片6设置两个，第二开合片7设置两个，可以理解的是，第一开合片6和第二开合片7可以设置四个或其他数量，本领域技术人员根据实际需要设置即可。

所述套筒的外筒面设置有穿透雨水收集组件以收集待测植被的穿透雨水，穿透雨水收集组件包括支撑架，支撑架上铺设有防水布8，防水布8的覆盖范围大于待测植被2冠层的覆盖范围，通过防水布8对待测植被2的穿透雨水进行收集。

本实施例中，所述支撑架包括多个支撑杆9，支撑杆9沿环向等间隔设置，所述支撑杆9的一端与套筒铰接，另一端设有一端集水段，集水段的外端部向上折弯以使得铺设的防水布8在径向外端部也能够向上折弯，进而防止收集的穿透雨水沿防水布8滑落，实现对穿透雨水的收集。

支撑杆9的下方设有伸缩杆10，伸缩杆10的一端与支撑杆9铰接，另一端与套筒铰接，伸缩杆10的伸缩运动能够带动支撑杆转动，进而调节多个支撑杆9的外端部所在圆周的覆盖范围，满足不同待测植被2的试验需求。

伸缩杆10采用现有技术即可，包括固定部和与固定部伸缩连接的伸缩部，固定部设有多个沿轴线方向分布的第一固定孔，伸缩部设有与第一固定孔相匹配的第二固定孔，伸缩部和固定部通过第一固定孔、第二固定孔以及固定螺栓、螺母锁紧固定。

所述支撑杆9的上表面铺设有防水布8，用于对穿透雨水进行收集，防水布8的径向外边缘向上折弯用于防止收集的穿透雨水从防水布上滑落。

其中一个第二开合片7与第一输水管11的一端连接，使得第一输水管11与套筒内部空间连通，第一输水管11的另一端与设置在试验箱内部的第一雨量监测元件连接，本实施例中，第一雨量监测元件采用第一雨量计12，通过第一雨量计12能够实时获取待测植被2的枝干径流量。

所述防水布8位于集水段的区域与第二输水管13的一端连接，第二输水管13的另一端穿过隔板4后与第二雨量监测元件连接，本实施例中，所述第二雨量监测元件采用第二雨量计14，通过第二雨量计14，能够实时获取待测植被2的穿透雨量，停止降雨后，第二雨量计14还能够获取待测植被2的滴落雨量。

第一雨量计12和第二雨量计14放置在试验箱的底部箱壁上。

进一步的，为了满足第二开合片7以及防水布8的调节需求，所述第一输水管11和第二输水管12均采用柔性管，例如透明硅胶管或橡胶管等。

所述试验箱1顶部敞口处通过螺栓可拆卸的固定有箱盖15，箱盖15通过螺栓可拆卸的固定有降雨喷头16，箱盖15固定在试验箱1后，降雨喷头16位于试验箱1内部空间的顶部，用于向试验箱1内的待测植被2喷水，模拟降雨过程。

通过更换不同布置形式和/或密度的降雨喷头16以模拟不同降雨状态即降雨覆盖范围。

所述降雨喷头16的覆盖范围覆盖待测植被2的整个冠层。

所述降雨喷头16与第三输水管17的一端连接，第三输水管17的另一端与蓄水箱18连接，第三输水管17上设置有流量泵19，通过调节流量泵19的流速的大小以及抽水时间控制不同的降雨强度和降雨量。

流量泵19的流量预先确定，通过抽水时间即可得到待测植被2的总降雨量。

如图5所示，所述试验箱1内部隔板4上方还设有一个圆环形导轨20，圆环形导轨20与试验箱1的内侧面固定连接，圆环形导轨20上滑动连接有风扇21，风扇21用于向待测植被2施加风荷载，风扇21沿圆形导轨20滑动，能够调节风扇21与待测植被2的相对位置，以模拟从不同方向向待测植被2施加风荷载，进一步提高了整个试验装置的适用性。

实施例2

本实施例提供了一种实施例1所述的用于乔木植被冠层截留监测的试验装置的方法，包括以下步骤：

步骤1：搭建好试验箱1，并根据试验的风向要求调节风扇21至试验所需的设定位置。

步骤2：将待测植被2放入试验箱1内部，其中待测植被2为盆栽自然生长状态下的乔木植被。

步骤3：在待测植被2树干外周安装套筒，并在试验箱内底部放置第一雨量计12和第二雨量计14，将第一雨量计12通过第一输水管11与第二开合片7连接，将第二雨量计14通过第二输水管13与防水布8连接。

步骤4：将套筒通过固定环22与隔板4固定连接，然后将隔板4与电动升降杆3固定连接，通过电动升降杆3将隔板4和套筒升高至设定高度。

步骤5：转动第一开合片6，调节套筒顶部开口的大小，使得顶部开口直径与待测植被2树干直径差值达到设定值，设定值为雨滴直径的1.2-1.5倍，优选的为2mm-5mm，然后在多个第一开合片6外周缠绕封闭胶带，将相邻第一开合片6之间的缝隙进行密封，转动第二开合片7，使得第二开合片7底端的橡胶密封条与待测植被2的树干紧密贴合，然后在多个第二开合片7外周缠绕封闭胶带，将相邻第二开合片7之间的缝隙进行密封。

步骤6：调节伸缩杆10的长度，使得防水布的张开范围能够覆盖待测植被2的整个冠层。

步骤7：将箱盖8安装在试验箱1的顶部敞口处，此时降雨喷头16位于待测植被2的正上方，连接好第三输水管17、流量泵16和蓄水箱18，

步骤8：根据试验所需的风速要求，设定好风扇的工作风速，然后设定好流量泵的流速。

步骤9：启动流量泵16和风扇21，风扇21对待测植被2施加风荷载，流量泵16驱动蓄水箱18内的水通过第三输水管17流入降雨喷头16并通过降雨喷头16向待测植被2喷洒，模拟降雨过程。

降雨过程中，待测植被2的枝干径流雨水通过套筒顶部开口进入套筒内部，利用套筒进行收集并通过第一雨量计12实时获取枝干径流量，待测植被2的穿透雨水进入防水布8，利用防水布8进行收集并通过第二雨量计14实时获取穿透雨量。

关闭流量泵16，停止降雨，通过第一雨量计12和第二雨量计14能够获取整个降雨过程中的枝干径流量和穿透雨量，通过流量泵16的工作时间和流量能够获取总降雨量。

降雨停止后，继续监测第二雨量计14收集的雨量，此时监测的雨量为滴落雨量，当第二雨量计14收集的雨量不再随时间发生变化时，停止试验，获取最终的滴落雨量。

则待测植被的冠层截留量＝总降雨量-穿透雨量-枝干径流量-滴落雨量。

本实施例的试验装置和方法，整个试验过程无需破坏待测植被，待测植被在自然生长状态下进行试验，而且计算冠层截留量时，考虑了滴落雨量，测量结果更加准确，而且监测为实时监测，可以获取待测植被冠层截留量随时间的动态变化过程。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。