CN102854300A

CN102854300A - 研究坡面径流和地下孔裂隙流产流产沙规律的测量方法

Info

Publication number: CN102854300A
Application number: CN2012103918552A
Authority: CN
Inventors: 戴全厚; 王佩将; 胡奕
Original assignee: Guizhou University
Current assignee: Guizhou University
Priority date: 2012-10-16
Filing date: 2012-10-16
Publication date: 2013-01-02

Abstract

一种研究坡面径流和地下孔裂隙流产流产沙规律的测量方法，设施包括：人工降雨设备，自制实验装置，塑料小桶，标有刻度的塑料大桶，采样瓶，量筒，烧杯；测量方法为以下各项：A、基岩裸露率设置及测定；B、地下孔裂隙度测定；C、雨强拟定；D、径流样及产沙样采集；E、径流量测定；F、产沙量测定，包括悬移质测定和推移质测定；G、土壤养分流失测定；H、泥沙养分含量测定；I、径流养分含量测定。本发明结合既可以调节坡度，又可以调节孔裂隙度的人工模拟降雨自制实验装置，研究喀斯特地区地表径流和地下径流的产流产沙规律，为加快研究喀斯特地区的土壤侵蚀机理提供了有效的方法。

Description

研究坡面径流和地下孔裂隙流产流产沙规律的测量方法

技术领域

本发明属于环境科学、土壤学研究领域，涉及一种研究喀斯特地表径流和地下径流的产流产沙规律的新型测量方法。

背景技术

水和土是极为重要的自然资源, 是人类赖以生存发展的基础。西南喀斯特岩溶地区是继北方沙漠化和黄土高原水土流失比较严重的地区之一，形成的石漠化严重制约了当地的经济发展。由于喀斯特地区土层浅薄且成土速度慢，结合长期强烈的岩溶作用造成地表、地下双层空间构造，降雨径流关系复杂，降雨经岩溶裂隙、漏斗、落水洞等流入地下，使得土壤流失严重，地表基岩裸露，土被不连续，所以研究喀斯特地区的地下孔（裂）隙的水土流失情况具有十分重要的意义。目前，国内外对地表径流对土壤侵蚀影响的研究其方法主要有标准径流小区法和人工模拟降雨法两种。由于采用人工模拟降雨方法可以设定降雨因子，可在短期内得到不同条件下地表径流和土壤侵蚀的相关数据，与采用标准径流小区法具有速度快、易控制、适应性强等优点，所以近年来受到广泛的重视和应用。但是由于喀斯特环境二元结构本身的特殊性和复杂性,以前的成果大多偏向于对其地表土壤侵蚀现状的研究，所以以前的装置大多是用于研究地表径流，如中国专利00128153.4公开了一种“地表径流测量设施及其测量方法”，而对地下孔（裂）隙流侵蚀缺乏研究，特别是针对地表、地下双层地质构造空间格局所采取的全面研究更是鲜见报道。因此需要结合既可以调节坡度，又可以调节孔（裂）隙度的试验装置，研究一种可以同时测量地表径流和地下径流的产流产沙规律的新型测量方法，对喀斯特地区的水土流失规律进行详尽研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种研究坡面径流和地下孔（裂）隙流的产流产沙规律的新型测量方法，针对喀斯特地区地下裂隙广为分布，是喀斯特地区水土流失的主要途径，本方法结合既可以调节坡度，又可以调节孔（裂）隙度的人工模拟降雨自制实验装置，研究喀斯特地区地表径流和地下径流的产流产沙规律，为加快研究喀斯特地区的土壤侵蚀机理提供了有效的方法。

本发明的构成：一种研究坡面径流和地下孔裂隙流产流产沙规律的测量方法，测量设施包括：人工降雨设备，自制实验装置，塑料小桶，标有刻度的塑料大桶，采样瓶，量筒，烧杯。

所述的人工降雨设备由雨量计、降雨器、水泵及控制器四部分组成。要求雨滴终点速度与天然降雨相近，降雨历时任意可调，雨强可通过控制器自控或手动调节，调节变化时间<30s，调节精度7mm/h，连续变化范围10-200mm/h，降雨有效范围6.5m×6.5m，均匀度>85。

所述的自制实验装置为专利号为2010105456027的《一种用于研究坡面径流和地下孔裂隙流的模拟实验装置》，长4m，宽1.5m，深35cm，坡度0-45°任意可调，底板均匀打有297个直径5cm的孔，孔隙度0-8%任意可调，钢槽下端分别设有地表，地下孔裂隙流集流槽。

利用本测量设施，其测量方法为：

A、基岩裸露率设置及测定

试验前先选定合格的岩石块（>30cm），然后根据试验设计模拟的基岩裸露率水平将测量标记出30cm 以上部分露头面积的碳酸盐岩石随机排列在试验钢槽中，然后按野外自下而上实测的土壤紧实度平均值分层回填土，回填土上表面与碳酸盐岩石上标记的露头线水平，填土表面用特制木板拨平，填土边界用手压实减小边缘效应影响。最后对坡面垂直摄像并对照片进行矢量化测算校核基岩裸露率。借此研究不同基岩裸露率下的径流及土壤流失规律。

B、地下孔（裂）隙度测定

采用游标卡尺多次重复测量自制实验装置底板单个孔隙半径和直径，后根据圆弧的面积公式计算单个孔隙面积，最后计算总水平投影面积与自制实验装置地板水平投影面积的百分率。

Figure 2012103918552100002DEST_PATH_IMAGE001

式中：S 孔为地下孔（裂）隙水平投影面积（m²），S 底为钢槽地板水平投影面积（m²），A 为地下孔（裂）隙度（%），θ为坡度（°），π为常数3.14，r 为底板圆孔半径（m），x 为测定的地下孔（裂）隙半径的均值（m），y 为测定的地下孔（裂）隙直径的均值（m）。

C、雨强拟定

雨强拟定采用雨量筒，在土槽两侧各放置两个雨量筒，求其平均值即为本次试验雨强。

D、径流样及产沙样采集

试验设计自地表或地下开始产流便开始计时，后在设定的单位时间内，首先用塑料小桶在集流槽出水口下方收集径流泥沙样，后转移至测定并标记有刻度的塑料大桶内，用于计算累积径流量、径流率、径流系数与累积产沙量、输沙率、土壤侵蚀模数。径流系数和土壤侵蚀模数的计算公式具体如下：

径流系数=累积径流量/（降雨强度*降雨时间*降雨投影面积）

土壤侵蚀模数=累积产沙量/(降雨时间*降雨投影面积)

E、径流量测定

以地表为界面，将坡面径流划分为在地表流动的地表径流和由地下孔（裂）隙流出的地下孔（裂）隙流两部分。地表径流、地下孔（裂）隙流先用塑料小桶收集，后转入标有刻度的塑料大桶内并记录各场降雨不同时段的径流量。

F、产沙量测定

a\悬移质测定

地表、地下孔（裂）隙流侵蚀产生的悬移质，首先把大桶内水样搅匀，然后用用水样瓶在大桶内取搅匀的水样500ml，到实验室后用量筒量取水样瓶中摇匀的水样50ml及时转移至已知重量的100ml干净烧杯中，并放入105℃烘箱烘干，每个样3个重复，最后用精度为0.0001 的电子天平称重。

b\推移质测定

地表径流冲刷搬运的推移质，在取完悬移质水样后倒出浑水，将沉积在桶底的推移质转入塑料袋沉淀风干，最后将风干的推移质收集于100ml 烧杯中，放入105℃烘箱烘干称重。地下孔（裂）隙流侵蚀产生的较少的推移质，在取完悬移质水样后，倒出上清液，将桶底的泥沙转入烧杯中于105℃烘箱中烘至恒重，称量。

与现有技术相比，本发明针对喀斯特地区地下裂隙广为分布，是喀斯特地区水土流失的主要途径，结合既可以调节坡度，又可以调节孔（裂）隙度的人工模拟降雨自制实验装置，研究喀斯特地区地表径流和地下径流的产流产沙规律，为加快研究喀斯特地区的土壤侵蚀机理提供了有效的方法。

附图说明

图1是专利号为2010105456027的《一种用于研究坡面径流和地下孔裂隙流的模拟实验装置》的示意图，

图2是地下孔（裂）隙示意图，

图3是具体实施方式中地表及地下孔（裂）隙流产流过程图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例，对本发明的研究坡面径流和地下孔裂隙流产流产沙规律的测量方法详细说明如下。

一种研究坡面径流和地下孔裂隙流产流产沙规律的测量方法，

测量设施包括：人工降雨设备，自制实验装置，塑料小桶，标有刻度的塑料大桶，采样瓶，量筒，烧杯。

所述的人工降雨设备由雨量计、降雨器、水泵及控制器四部分组成。要求雨滴终点速度与天然降雨相近，降雨历时任意可调，雨强可通过控制器自控或手动调节，调节变化时间<30s，调节精度7 mm/h，连续变化范围10-200 mm/h，降雨有效范围6.5 m×6.5 m，均匀度>85。

所述的自制实验装置为专利号为2010105456027的《一种用于研究坡面径流和地下孔裂隙流的模拟实验装置》，长4 m，宽1.5 m，深35 cm，坡度0-45°任意可调，底板均匀打有297个直径5 cm的孔，孔隙度0-8%任意可调，钢槽下端分别设有地表，地下孔裂隙流集流槽。

实验地点：贵州大学苗圃降雨大厅，供试土壤：黄壤。

本次实施实例，设计在基岩裸露率为20%，地下孔（裂）隙度为3%，坡度为20°，雨强为80mm/h等4个因子水平下，测定降雨历时为90 min的一场降雨在坡面所产生的地表及地下孔（裂）隙流的累积径流量、径流系数、径流率、地表径流侵蚀产生的悬移质和推移质的质量、地下孔（裂）隙流侵蚀产生的悬移质和推移质的质量、地表径流总产沙量, 地下孔（裂）隙流总产沙量、地表及地下径流总侵蚀量、地表径流土壤侵蚀模数、地下孔（裂）隙流土壤侵蚀模数、地表及地下孔（裂）隙流总侵蚀模数等表征坡面径流和地下孔(裂)隙流的产流产沙规律的重要指标。利用本测量设施，其测量方法包括如下步骤：

步骤一、基岩裸露率设置及测定

试验设置基岩裸露率为20%，具体设置方法为：试验前先选定大小在30 cm以上的碳酸盐岩石块，然后根据试验设计模拟的岩石裸露率水平，将已测量标记出30 cm 以上部分露头面积的碳酸盐岩石随机排列在试验钢槽中，最后按野外自下而上实测的土壤紧实度平均值按每层10 cm厚度分三层回填土，回填土的总土层厚度平均为30 cm，且土表面与碳酸盐岩石上标记的露头线水平，填土表面用特制木板拨平，填土边界用手压实减小边缘效应影响。最后对坡面垂直摄像并对照片进行矢量化测算校核基岩裸露率。借此研究不同基岩裸露率下的径流及土壤流失规律。

步骤二、地下孔（裂）隙度设置

以地下孔（裂）隙水平投影面积占钢槽底板总面积的百分数为标准，对变坡钢槽孔（裂）隙进行调节，设置试验的地下孔（裂）隙度为3%。

步骤三、坡度设置

对变坡钢槽坡度进行调节，设置试验坡度为20°。

步骤四、水分控制

开始试验前利用人工降雨设备先降30mm/h雨强的湿润降雨，至地表开始产流后即停止降雨，待雨强调节到试验雨强时再降雨开始正式试验。

步骤五、雨强控制及拟定

对人工降雨设备的雨强进行调节，并采用雨量筒进行雨强拟定，设置试验雨强为80 mm/h。

步骤六、径流量的测定

试验设计自地表或地下开始产流便开始计时，以10分钟为单位间隔，每场降雨历时90分钟。地表径流、地下孔（裂）隙流先用塑料小桶收集，后转入标有刻度的塑料大桶内。试验记录本场降雨在不同时段的地表径流量依次为：33 L,37 L,45 L,51 L,53 L,60 L,61 L,59 L,57 L；由径流率计算公式：径流率=径流量/降雨时间，计算得到不同时段的地表径流率分别为：3.3 L/min,3.7 L/min,4.5L/min,5.1 L/min,5.3 L/min,6.0 L/min,6.1 L/min,5.9 L/min,5.7 L/min；并由不同时间段径流量之和得到本场降雨累计径流量为456 L；由径流系数的计算公式：径流系数=累积径流量/（降雨强度*降雨时间*降雨投影面积），把降雨强度为80 mm/h、降雨时间为1.5 h、降雨投影面积为4m*1.5m*cos20°和上面测量出的降雨累计径流量为456L一同代入计算公式，计算得出本场降雨地表径流系数为0.67。试验记录本场降雨在不同时段的地下孔（裂）隙流径流量依次为：31 L,28 L,29 L,26 L,23 L, 23 L,20 L,18 L,16L，按同上的计算公式计算得到地下径流率分别为：3.1 L/min,2.8 L/min,2.9 L/min,2.6 L/min,2.3 L/min, 2.3 L/min,2.0 L/min,1.8 L/min,1.6 L/min，累计径流量为214L，径流系数为0.32。本次试验由不同时段的地表及地下孔（裂）隙流径流率，可测定出地表径流量随时间变化呈依次增大的变化规律，而地下孔（裂）隙流则随时间变化呈依次减小的变化规律。如附图3。

步骤七、产沙量的测定

（1）悬移质测定

地表、地下孔（裂）隙流侵蚀产生的悬移质，首先把大桶内水样搅匀，然后用用水样瓶在大桶内取搅匀的水样500ml，到实验室后用量筒量取水样瓶中摇匀的水样50ml及时转移至已知重量的100ml干净烧杯中，并放入105℃烘箱烘干，每个样3个重复，最后用精度为0.0001 的电子天平称重。试验测得本次试验地表径流悬移质含沙量为0.4056g/L，地下孔（裂）隙流的悬移质含沙量为0.5703L。再由含沙量与以上测得的累积径流量的乘积得地表径流悬移质量为184.95g，地下孔（裂）隙流的悬移质量为122.04g。

（2）推移质测定

地表径流冲刷搬运的推移质，在取完悬移质水样后倒出浑水，将沉积在桶底的推移质转入塑料袋沉淀风干，最后将风干的推移质收集于100ml 烧杯中，放入105℃烘箱烘干称重。试验测得本场降雨地表径流产生的推移质为490.05g。地下孔（裂）隙流侵蚀产生的较少的推移质，在取完悬移质水样后，倒出上清液，将桶底的泥沙转入烧杯中于105℃烘箱中烘至恒重，称量，得出本场降雨地下孔（裂）隙流侵蚀产生的推移质为0g。

（3）总产沙量测定

由以上测得的地表径流、地下孔（裂）隙流的悬移质和推移质的总量分别相加即得到本场降雨的地表径流产沙量为675g, 地下孔（裂）隙流产沙量为122g, 地表及地下径流总侵蚀量为797g。由土壤侵蚀模数的计算公式：土壤侵蚀模数=累积产沙量/(降雨时间*降雨投影面积) ，把降雨时间为1.5h、降雨投影面积为4m*1.5m*cos20°以及试验已测出的地表径流产沙量675 g、地下孔（裂）隙流产沙量122g,分别代入计算公式得到，地表径流土壤侵蚀模数为79.81 g/m²*h；地下孔（裂）隙流土壤侵蚀模数为14.43 g/m²*h，地表及地下径流总侵蚀模数为94.24 g/m²*h。

以上实施例仅对基岩裸露率、降雨强度、坡度及地下孔（裂）隙度等4个坡面产流产沙的影响因子设置了一个水平进行试验，试验测定的表征产流产沙规律的指标也不够丰富，目的只是帮助对本发明的理解，具体实施时可根据个人不同的试验目的，选择不同的因子水平进行交叉试验，以期得到更有意义、更全面的试验数据。

Claims

1. 一种研究坡面径流和地下孔裂隙流产流产沙规律的测量方法，测量设施包括：人工降雨设备，自制实验装置，塑料小桶，标有刻度的塑料大桶，采样瓶，量筒，烧杯，所述自制实验装置为专利号为2010105456027的《一种用于研究坡面径流和地下孔裂隙流的模拟实验装置》，长4m，宽1.5m，深35cm，坡度0-45°任意可调，底板均匀打有297个直径5cm的孔，孔隙度0-8%任意可调，钢槽下端分别设有地表，地下孔裂隙流集流槽；

其特征是：其测量方法为以下各项：

A、基岩裸露率设置及测定

试验前先选定合格的30cm以上的岩石块，然后根据试验设计模拟的基岩裸露率水平将测量标记出30cm 以上部分露头面积的碳酸盐岩石随机排列在自制实验装置中，然后按野外自下而上实测的土壤紧实度平均值分层回填土，回填土上表面与碳酸盐岩石上标记的露头线水平，填土表面用特制木板拨平，填土边界用手压实减小边缘效应影响，最后对坡面垂直摄像并对照片进行矢量化测算校核基岩裸露率，借此研究不同基岩裸露率下的径流及土壤流失规律；

B、地下孔裂隙度测定

采用游标卡尺多次重复测量自制实验装置底板单个孔隙半径和直径，后根据圆弧的面积公式计算单个孔隙面积，最后计算总水平投影面积与自制实验装置地板水平投影面积的百分率；

C、雨强拟定

雨强拟定采用雨量筒，在自制实验装置的钢槽两侧各放置两个雨量筒，求其平均值即为本次试验雨强；

D、径流样及产沙样采集

试验设计自地表或地下开始产流便开始计时，后在设定的单位时间内，首先用塑料小桶在集流槽出水口下方收集径流泥沙样，后转移至测定并标记有刻度的塑料大桶内，用于计算累积径流量、径流率、径流系数与累积产沙量、输沙率、土壤侵蚀模数;

E、径流量测定

以地表为界面，将坡面径流划分为在地表流动的地表径流和由地下孔裂隙流出的地下孔裂隙流两部分,地表径流、地下孔裂隙流先用塑料小桶收集，后转入标有刻度的塑料大桶内并记录各场降雨不同时段的径流量;

F、产沙量测定，包括

a、悬移质测定

地表、地下孔裂隙流侵蚀产生的悬移质，首先把大桶内水样搅匀，然后用用水样瓶在大桶内取搅匀的水样500ml，到实验室后用量筒量取水样瓶中摇匀的水样50ml及时转移至已知重量的100ml干净烧杯中，并放入105℃烘箱烘干，每个样3个重复，最后用精度为0.0001 的电子天平称重；

b、推移质测定

地表径流冲刷搬运的推移质，在取完悬移质水样后倒出浑水，将沉积在桶底的推移质转入塑料袋沉淀风干，最后将风干的推移质收集于100ml烧杯中，放入105℃烘箱烘干称重,地下孔裂隙流侵蚀产生的较少的推移质，在取完悬移质水样后，倒出上清液，将桶底的泥沙转入烧杯中于105℃烘箱中烘至恒重，称量。

2.如权利要求1所述的研究坡面径流和地下孔裂隙流产流产沙规律的测量方法，其特征是：人工降雨设备由雨量计、降雨器、水泵及控制器四部分组成，要求雨滴终点速度与天然降雨相近，降雨历时任意可调，雨强可通过控制器自控或手动调节，调节变化时间<30s，调节精度7mm/h，连续变化范围10-200mm/h，降雨有效范围6.5m×6.5m，均匀度>85。