CN102980988B - 紫色土坡耕地污染物迁移转化过程模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种紫色土坡耕地污染物迁移转化过程模拟装置，它包括填装有紫色土的倾斜放置的土槽、人工降雨装置和坡上地表来流模拟装置；坡上地表来流模拟装置由蠕动泵向溢流水箱供水使溢流水箱形成溢水模拟坡上地表来流；人工降雨装置的输水管上设有若干喷头，喷头相对土槽表面均匀布置；在土槽末端和紫色土侧面设有若干地表径流取样口和壤中流取样口。本装置可模拟降雨、坡上来流、以及降雨和坡上来流的耦合，通过调节各因素，研究多种水文过程对紫色土坡耕地污染物迁移转化的时空分布特性，用于揭示紫色土坡耕地地表径流和壤中流与污染物迁移转化相互作用的机制。

Description

紫色土坡耕地污染物迁移转化过程模拟装置

技术领域

本发明涉及对紫色土坡耕地污染方面的研究，具体涉及一种紫色土坡耕地污染物迁移转化过程模拟装置，属于土壤养分流失、土壤侵蚀和面源污染控制领域。

背景技术

紫色土是一种宝贵的农业土壤资源。三峡库区总耕地面积中约有80%为紫色土，且以坡耕地为主。通常认为坡耕地的污染物或养分主要通过降雨时随地表径流流失，而近年来的研究表明，在有下垫面或不透水层的坡耕地，壤中流也是土壤养分流失的主要途径之一。紫色土由紫色页岩发育而成，具有土层浅薄、孔隙度大，土壤-紫色泥页岩界面渗透性弱等特点。现场实测结果表明：紫色土坡耕地壤中流流量远高于地表径流，占全年总径流的73%，壤中流对氮素流失的贡献为88%，而泥沙的贡献为8%，地表径流的贡献为4%；壤中流对磷素流失的贡献为8%，地表径流的贡献为14%，泥沙的贡献为78%。由此可见，研究紫色土坡耕地污染物随壤中流的流失规律具有重要的意义。

目前，土壤侵蚀以及养分或污染物流失的实验研究方法主要有室外原位田块、径流小区人工降雨或天然降雨实验；室内土柱淋溶实验和室内人工降雨土槽实验。

室外原位田块或径流小区实验一般用边梗将田块或径流小区隔离，以防止降雨时田块或径流小区以外的径流流入。与室内实验相比，室外原位实验避免因土壤搬动而导致的与实际情况不完全一致的情况发生，但由于实验条件不能人为控制而难以获得具有普遍意义的结果，以及进行不同情况的对比。人工模拟降雨实验与天然降雨实验相比，克服了降雨的不可控，有助于对不同雨量、雨强、降雨历时等因素影响作用的研究与分析。室外原位田块或径流小区实验由于边梗的作用，无法实现对坡上地表来流、以及坡上地表来流与降雨径流两水文过程耦合作用对坡耕地土壤侵蚀以及养分或污染物流失的研究。

室内土柱淋溶实验，通常采用蠕动泵向土柱顶部注水来模拟降雨，研究壤中流的垂向一维运动和养分或污染物沿垂向的迁移。土柱淋溶装置无法研究有下垫面或不透水层的坡耕地中壤中流以及养分或污染物流失沿坡向的流动。

室内人工降雨土槽实验虽然可以研究坡耕地的地表径流和壤中流，但现有的装置及方法，主要针对黄土、红壤土等无下垫面或下垫面透水的坡耕地，而针对有渗透性极弱的下垫面或不透水层的紫色土坡耕地的养分及污染物随地表径流和壤中流流失过程的装置和方法鲜见报道。此外，现有的有关的装置及其方法，基本上没有考虑降雨时坡上地表来流与降雨-径流的耦合对养分及污染物流失的影响，也未涉及研究降雨和坡上来流两水文过程耦合作用下，紫色土坡耕地地表径流和壤中流养分与污染物迁移转化的过程。

发明内容

针对现有坡耕地养分流失及水土侵蚀研究中各因素(降雨、坡上来流、坡度等)难以综合有效控制、定量分析的不足，本发明的目的提供一种模拟不同水文过程下养分和污染物在紫色土坡耕地迁移转化的装置，本装置能够模拟降雨产生的地表径流、坡上地表来流、以及它们两者的耦合对有极弱透水层的紫色土坡耕地养分及污染物随地表径流和壤中流的流失和流失过程。

本发明实现上述目的的技术解决方案如下：

紫色土坡耕地污染物迁移转化过程模拟装置，它包括填装有紫色土的土槽、人工降雨装置和坡上地表来流模拟装置；土槽由底板和四周围板构成，土槽倾斜放置使前端高、末端低；坡上地表来流模拟装置包括水源、蠕动泵和溢流水箱，溢流水箱位于土槽前端，紫色土填装高度与溢流水箱出水口高度一致，由蠕动泵向溢流水箱供水使溢流水箱形成溢水模拟坡上地表来流；人工降雨装置包括水源、输水管和将水送到输水管的水泵，输水管有部分通过支撑架悬空布置在土槽上端，输水管上设有若干喷头，喷头相对土槽表面均匀布置；在土槽末端分别设有地表径流流量测量设备、地表径流取样口、壤中流流量测量设备、壤中流取样口；在紫色土侧面沿径流方向也分别设有若干地表径流取样口和壤中流取样口。所有取样口和紫色土之间设有过滤用滤网。

为了模拟不同的紫色土坡耕地坡度，在土槽底板下设有倾角调节机构，倾角调节机构包括固定支座和千斤顶，固定支座通过转轴连接在土槽底板一端，千斤顶顶在土槽底板另一端。通过启动千斤顶，即可改变土槽倾角，即模拟不同的紫色土坡耕地坡度。

在土槽底板上设有1个直径3cm排水口，使得该装置底部能达到极弱透水效果，排水口和紫色土之间设有过滤用滤网。

所述支撑输水管的支撑架高度可调，以达到模拟天然降雨条件以及降雨的均匀度。

所述输水管上设有流量计以控制降雨强度，在土槽中间放置雨量筒来测定降雨强度。

本装置可模拟的水文过程包括：降雨、坡上来流、以及降雨和坡上来流的耦合，通过调节各因素，研究多种水文过程对紫色土坡耕地污染物迁移转化的时空分布特性，用于揭示紫色土坡耕地地表径流和壤中流与污染物迁移转化相互作用的机制。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、将降雨装置、径流水箱和土槽相结合，实现了在不同降雨条件（降雨强度、降雨历时、降雨的滴溅效应）下，降雨地表径流、坡上地表来流以及两者耦合的水文情景的模拟。将地表径流和壤中流流量和污染物浓度分别测量，实现了降雨地表径流、坡上地表来流以及两者耦合的水文过程下养分和污染物随地表径流和壤中流迁移规律的研究。

2、通过将土槽底部设为极弱的透水层，实现了降雨时紫色土坡耕地水文过程的模拟。通过底部固定支座的活动转轴、底侧的千斤顶控制坡耕地坡度，能方便地模拟和研究不同坡度下坡耕地土壤养分及污染物迁移转化的研究。

3、土槽侧面沿程设有地表径流取样口和壤中流取样口，实现了降雨地表径流、坡上地表来流以及两者耦合的水文过程下紫色土坡耕地地表径流、壤中流和污染物沿程迁移过程的定量分析。

附图说明

图1为本发明模拟装置立体结构示意图。

图2为本模拟装置的正面视图。

图3为装置各取样口和土壤示意图。

图4为壤中流侧面取样口分布图。

图5为壤中流末端取样口分布图。

具体实施方式

本发明的目的是为了更深入的研究紫色土坡耕地土壤养分迁移转化的时空分布规律，研究降雨径流、坡上地表来流、以及它们的耦合对紫色土坡耕地养分及污染物随地表径流和壤中流的流失和流失过程的影响，揭示紫色土坡耕地地表径流和壤中流与养分迁移转化相互作用的机制，解决坡耕地养分流失及水土侵蚀中各因素(降雨、坡度等)难以综合有效控制、定量分析的问题，而发明的一种模拟不同水文过程下养分和污染物在紫色土坡耕地迁移转化的装置。

本发明的紫色土坡耕地污染物迁移转化过程模拟装置，参见图1和图2，它包括填装有紫色土的土槽1、人工降雨装置和坡上地表来流模拟装置。土槽1由底板和四周围板构成，土槽倾斜放置使前端高、末端低。土槽用硬PVC板制得，PVC板厚2cm，外面用角钢包裹。土槽中的紫色土既可以来自天然土壤，也可以取自实验室，分别由上层的土壤层2、中间层的泥岩3和底层的砂岩4构成。为了模拟不同的紫色土坡耕地坡度，在土槽底板下设有倾角调节机构，倾角调节机构包括固定支座5和千斤顶6，固定支座5通过转轴7连接在土槽1底板一端，固定支座同时用螺栓固定在地面上，千斤顶6顶在土槽1底板另一端。通过调节千斤顶上升或下降的高度，即可改变土槽倾角，即模拟不同的紫色土坡耕地坡度。本发明坡度调节范围在5°～45°之间，完全能满足三峡库区紫色土坡耕地不同坡度的研究。

坡上地表来流模拟装置包括水源、蠕动泵8和溢流水箱9，溢流水箱9位于土槽1前端，溢流水箱出水口高度与紫色土填装高度一致，由蠕动泵通过水管向溢流水箱供水使溢流水箱形成溢水进入土槽。通过溢流，形成较均匀的出流，用于模拟坡上地表来流这一水文过程对污染物迁移转化的影响。通过调节蠕动泵流量来控制和调节坡上地表来流流量。

人工降雨装置包括水源、输水管10和将水源泵送到输水管的水泵11（潜水泵），输水管10有部分通过支撑架13悬空布置在土槽1上端，输水管10上设有若干喷头12，喷头相对土槽表面均匀布置。所述支撑输水管的支撑架13用镀锌钢管制成且高度可调，或者输水管可以放置在支撑架不同高度上，以达到模拟天然降雨条件以及降雨的均匀度。同时在土槽中间放置雨量筒来测定降雨强度，在输水管上设有流量计，通过雨量筒并结合流量计可以对潜水泵进行控制以达到控制降雨强度的目的。

本发明人工降雨装置的水源和坡上地表来流模拟装置的水源为同一套水源装置，可以通过雨水收集器14进行天然雨水的收集，也可以直接采用自来水。

土槽末端和侧面围板上设有若干地表径流和壤中流取样口，取样口和紫色土之间设有过滤用滤网（如纱布），以防止泥沙堵塞。在土槽底板右下侧上设有1个直径3cm排水口，排水口和紫色土之间也设有过滤用的纱布，以排除在降雨过程中壤中流以下土壤入渗水，达到极弱透水效果，同时起着通气作用。在土槽末端同时设有地表径流流量测量设备、壤中流流量测量设备和污染物取样口。在紫色土侧面沿径流方向也分别设有若干壤中流取样口和地表径流取样口。壤中流取样设备的取样点在紫色土末端端面距土壤表层以下20cm处和侧面距土壤表层以下20cm处。上述各种设备用于收集降雨过程中各种水样，分析污染物浓度的沿程变化。图3、图4和图5反映了收集分析壤中流的情况和取样点的设置。地表径流取样设备为土槽末端与土壤上端平齐的导流槽15，导流槽槽口逐渐收缩以方便取样和测量流量。壤中流取样设备可以为插入土壤中的开口朝上的管子，即可将水引出。地表径流流量测量设备和壤中流流量测量设备为流量计或检测流量的传感器。

本发明结构简单、能耗低、成本低、占地面积小，适合于室内研究，能将各因素的影响处于可控状态。

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

按图1进行本模拟装置的构建，其中土槽设计尺寸为1m×0.5m×0.5m(长，宽，高)。如图3所示依次向土槽中填入10cm砂岩、10cm泥岩、以及过5毫米筛的30cm紫色土，供试紫色土取自重庆西南大学国家紫色土肥性研究基地，土壤为灰棕土系。灰棕紫色土剖面发育浅，粘砂比例适中，耕层为粒状结构。土壤水分较好，保水力强，并有一定的回润性，是紫色土中抗旱力最强的。供试紫色土基本性质为有机质1.21%，容重1.36g/cm³，PH值7.2，全氮0.078%，全磷0.049%。土槽表面约5cm紫色土中均匀混入10.39gKNO₃以及3.23gKH₂PO₄作为施肥用量，紫色土装填高度与径流出水口一致。通过千斤顶调节土槽坡度为15°，通过人工降雨装置使土壤浸湿达到刚好饱和产流。向溢流水箱中填满雨水，然后调试蠕动泵，控制其出水流量在200ml/min。根据当地降雨资料中大暴雨的雨强水平，结合实验需求，设计雨强80mm/h。待一切准备就绪之后，进行降雨和坡上来流两水文过程下紫色土坡耕地中N、P的迁移转化模拟实验。

降雨以及降雨上方来流启动开始后，记录地表径流、正面壤中流、侧面壤中流开始出水时间。坡面产流开始后，每3min采集一次该时段内的全部径流泥沙样，降雨历时12min后，每5min采集一次该时段内的全部径流泥沙样。壤中流水文条件下，产流开始后，每5min采集一次该时段的全部径流泥沙样。收集的地表径流样品静置3h后，取上清液用于测定地表径流相中的N、P含量（包括溶解态氮和悬浮颗粒态氮），同时收集径流沉积物，用于测定径流中沉积物相N、P含量。壤中流的沉积物极少，仅测定水相N、P含量。将径流水相分为两部分，一部分直接用于TN、TP测定，另一部分经0.45um滤膜过滤后用于溶解态N、P测定。降雨结束后立即采集各径流段的径流滤100mL。滤液储存在4℃的冰箱中，24h后进行分析。泥沙样在55℃条件下烘干。同时在降雨过程中，收集100～200mL雨水用于测定背景值。

使用上述装置可开展降雨、坡上地表来流以及降雨和坡上地表来流的耦合这三种水文过程下紫色土坡耕地中N、P的迁移转化规律的研究。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.紫色土坡耕地污染物迁移转化过程模拟装置，其特征在于：它包括填装有紫色土的土槽（1）、人工降雨装置和坡上地表来流模拟装置；所述紫色土从上往下依次包括土壤层、泥岩和砂岩；土槽由底板和四周围板构成，土槽底板右下侧上设有1个直径3cm排水口，排水口和紫色土之间设有过滤用滤网；土槽倾斜放置使前端高、末端低；坡上地表来流模拟装置包括水源、蠕动泵（8）和溢流水箱（9），溢流水箱（9）位于土槽（1）前端，紫色土填装高度与溢流水箱出水口高度一致，由蠕动泵向溢流水箱供水使溢流水箱形成溢水模拟坡上地表来流；人工降雨装置包括水源、输水管（10）和将水送到输水管的水泵（11），输水管（10）有部分通过支撑架（13）悬空布置在土槽（1）上端，输水管（10）上设有若干喷头（12），喷头相对土槽表面均匀布置；在土槽末端分别设有地表径流流量测量设备、地表径流取样口、壤中流流量测量设备和壤中流取样口；在紫色土侧面沿径流方向也分别设有若干地表径流取样口和壤中流取样口，所有取样口和紫色土之间设有过滤用滤网；地表径流取样设备为土槽末端与土壤上端平齐的导流槽，导流槽槽口逐渐收缩以方便取样和测量流量；

所述土槽底板下设有倾角调节机构，倾角调节机构包括固定支座（5）和千斤顶（6），固定支座（5）通过转轴（7）连接在土槽（1）底板一端，千斤顶（6）顶在土槽（1）底板另一端。

2.根据权利要求1所述的紫色土坡耕地污染物迁移转化过程模拟装置，其特征在于：所述支撑输水管的支撑架（13）高度可调。

3.根据权利要求1所述的紫色土坡耕地污染物迁移转化过程模拟装置，其特征在于：所述输水管上设有流量计以控制降雨强度，并在土槽中间放置雨量筒来测定降雨强度。