CN107228953B - 一种土壤近地表水流流速测定系统及方法 - Google Patents

一种土壤近地表水流流速测定系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于近地表水流测速技术领域，公开了一种土壤近地表水流流速测定系统及方法，所述土壤近地表水流流速测定系统设置有：透明有机玻璃槽底部均匀间隔安装六根通水管道；透明有机玻璃槽右端开设排水通道；通水管道通过供水管连接恒定蠕动泵；恒定蠕动泵连接弹性输送软管。本发明为土壤近地表水流流速测定装置，通过该装置可以测定近地表水流的流速，进而补充在此研究领域的空白，为水土流失预测和预报模型、定量评价水土流失和水土保持效益提供更加精确的数据，从而减少水土流失给人类生产和生活带来的严重影响。

Description

一种土壤近地表水流流速测定系统及方法
技术领域
本发明属于近地表水流测速技术领域，尤其涉及一种土壤近地表水流流速测定系统及方法。
背景技术
目前国内尚没有一种广泛使用的测量近地表水流流速的实验仪器，国内外的众多研究机构更多的是关注如何测定地表径流的流量及流速。然而近地表水流对于农田土壤侵蚀过程和地表径流形成有很大影响。众多实验表明土壤坡面径流来自于地表径流和近地表水流两个方面，近地表水流在土壤侵蚀中起到了相当重要的触发作用，远远高于片蚀、沟蚀等坡面侵蚀形式。近地表水流流速是所有土壤侵蚀过程模型的必要参数，如果近地表水流流速不能准确的获得，即使侵蚀总量预测是准确的，也将造成侵蚀过程的错误预测。因此探求一种新的可以有效测量近地表水流流速的方法或仪器就显得尤为重要。
综上所述，现在的技术存在的问题是：国内没有测量近地表水流流速的实验仪器，无法准确测量近地表水流流速。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种土壤近地表水流流速测定系统及方法。
本发明是这样实现的，一种土壤近地表水流流速测定方法，所述土壤近地表水流流速测定方法包括以下步骤：
步骤一：将试验槽放置移动式液压升降车之上，坡度范围为0-30°，坡度调节步长为5°；
步骤二：试验土槽全长3m，每1m设置1个近地表水流供水单元，共布设3个供水单元；
步骤三：蠕动泵泵管一端分别插入3根供水管中模拟水流分层运动，泵管另一端分别插入相应颜色的供水容器中；
步骤四：利用照相机每十分钟拍照，记录每一层水流经过时间段内通过的相应距离计算孔隙水流流速，同时测定不同颜色水层的厚度计算达西流速；
步骤五：计算水流流速和达西流速。
进一步，所述步骤二具体包括：在碎石层和黏土层之上装填供土样，并在碎石与土样之间用孔隙大小均匀的纱布隔离，在每一段碎石层前端均插入供水管；将土均匀的填放于水槽内，填土高度为30cm；填土完毕后，利用移动式液压升降车将试验槽升至不同坡度，经坡度测定系统测定读数后；打开试验槽下部放水口，静置试验槽直至无明显出水时用标准环刀在坡面上、中、下三个部位分别采样，在试验室中采用烘干法测定沙样含水率、容重，采用干土测量法测定土样的比重，计算得到土样的孔隙率的基础数据。
进一步，所述步骤五计算达西流速公式为：
UD＝AQ/(WH)
其中，UD代表达西流速，cm s-1；Q代表水流给定流量，L h-1；W代表试验槽宽度，cm；H代表水层厚度，cm；A代表单位转换系数。
进一步，所述步骤五计算土层孔隙水流流速公式为：
VM＝S/dt；
其中，VM代表沙层孔隙水流流速，cm h-1；S代表水流流过的距离，cm；dt代表流过S距离的时间，h。
本发明的另一目的在于提供一种所述土壤近地表水流流速测定系统设置有：
透明有机玻璃槽；
供水蠕动泵通过供水管连接注水管的一端，所述注水管贴合在所述透明有机玻璃槽的内壁上；
所述注水管的另一端插入近地表水流供水单内，所述近地表水流供水单元的一侧铺有水位平衡单元。
进一步，所述水位平衡单元、近地表水流供水单元的一侧铺设有黏土防渗层。
进一步，测量标尺粘结在所述透明有机玻璃槽的侧壁外侧。
进一步，计时装置粘结在所述透明有机玻璃槽的内侧侧壁上。
进一步，所述透明有机玻璃槽每1m设置1个近地表水流供水单元，共布设3个近地表水流供水单元；在3m长的透明有机玻璃槽底部填入3cm厚的黏土防渗层。
进一步，所述透明有机玻璃槽分为1m长的3段后，在每一段的上游端30cm的长度上铺上粒径为1cm的碎石；下游70cm的长度上，填充2cm厚的黏土；
所述水位平衡单元在碎石下游与黏土连接处布设，为20cm×30mm×2mm不锈钢片，上端制成平直的刀刃装，水位平衡单元布置与水槽水流方向垂直。
本发明的优点及积极效果为：可以测定近地表水流的流速，进而补充在此研究领域的空白，为水土流失预测和预报模型、定量评价水土流失和水土保持效益提供更加精确的数据，从而减少水土流失给人类生产和生活带来的严重影响。
附图说明
图1是本发明实施例提供的土壤近地表水流流速测定系统结构示意图；
图2是本发明实施例提供的近地表水流发生器示意图；
图中：1、供水蠕动泵；2、供水管；3、注水管；4、测量标尺；5、水位平衡单元；6、近地表水流供水单元；7、黏土防渗层；8、计时装置；9、透明有机玻璃槽。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。
下面结合附图对本发明的结构作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的土壤近地表水流流速测定装置包括:透明有机玻璃槽9、供水蠕动泵1、供水管2、注水管3、测量标尺4、水位平衡单元5、近地表水流供水单元6、黏土防渗层7、计时装置8。
供水蠕动泵1通过供水管2连接注水管3的一端，注水管3贴合在透明有机玻璃槽9的内壁上，注水管3的另一端插入近地表水流供水单元6内，近地表水流供水单元6的一侧铺有水位平衡单元5，水位平衡单元5、近地表水流供水单元6的一侧铺设有黏土防渗层7，测量标尺4粘结在透明有机玻璃槽9的侧壁外侧，计时装置8粘结在透明有机玻璃槽9的内侧侧壁上。
透明有机玻璃槽采用厚度为1.5cm的透明有机玻璃板制成，以便视觉直接观察水流的运移情况，测定水流的运移距离与水流深度，透明有机玻璃槽规格为3×0.2×0.4m(长×宽×深)，透明有机玻璃槽下端设有排水孔，在排水孔处布设过滤网，装填透明有机玻璃槽时，排水孔处于封闭状态，防止土壤随水流流失。在透明有机玻璃槽出水口布设排水栅板，栅板厚度15mm，高0.4m，栅板安装在距离出水口3m的位置。在透明有机玻璃槽侧面不同部位放置铅直及水平方向设置标尺，用于测量水深及水流行径的距离，分别布设在每供水处上方铅直和透明有机玻璃槽的底部水平方向；在透明有机玻璃槽侧面布设计时装置，以便及时观察、测定和记录数据。
试验供水系统包括供水蠕动泵1，供水管2，注水管3。供水蠕动泵1采用恒定供水蠕动泵(BT100-02/DG-6(6))，为可控流量供水装置，通过对泵的弹性输送软管交替进行挤压和释放来泵送水流，调节供水蠕动泵转速调整供水流量。供水蠕动泵转速范围为0.1～100rpm，速度分辨率为0.1rpm，流量设定范围为0.0025～48ml min-1，设定该改型号的供水蠕动泵为可以六通道同时供水。
如图2所示，近地表水流发生器主要包括注水管3、近地表水流供水单元6与水位平衡单元5，透明有机玻璃槽全长3m，每1m设置1个近地表水流供水单元6，共布设3个近地表水流供水单元6。在3m长的透明有机玻璃槽底部填入3cm厚的黏土防渗层7，压实以模拟不透水层，防止水流渗漏。再将透明有机玻璃槽分为1m长的3段后，在每一段的上游端30cm的长度上铺上粒径约为1cm的碎石，作为近地表水流供水段。在其下游70cm的长度上，填充约2cm厚的黏土，以抬高近地表水流供水段的水位，便于供水。依次装填3段，形成3个近地表水流观测段。水位平衡单元5即在碎石下游与黏土连接处布设的水位平衡单元，其规格为20cm×30mm×2mm不锈钢片，上端制成平直的刀刃装，水位平衡单元5布置与水槽水流方向垂直。未设刀刃的一侧插入土壤约10mm，刀刃的上缘比黏土层略高(1～2mm)，比碎石层略低。水位平衡单元5的作用，是通过调节其量测高度，将由注水管3供入碎石层中的水流均匀稳定地供入其下游的土层中。
本发明的实验方法包括以下步骤：
步骤一：固定透明有机玻璃槽。将透明有机玻璃槽放置移动式液压升降车之上，该仪器可以调节坡度，坡度范围为0-30°，坡度调节步长为5°。
步骤二：透明有机玻璃槽装土。透明有机玻璃槽全长3m，每1m设置1个近地表水流供水单元，共布设3个供水单元。在3m长的透明有机玻璃槽底部填入3cm厚的黏土，压实以模拟不透水层，防止水流渗漏。再将透明有机玻璃槽分为1m长的3段后，在每一段的上游端30cm的长度上铺上粒径约为1cm的碎石，作为近地表水流供水段。在其下游70cm的长度上，填充约2cm厚的黏土，以抬高近地表水流供水段的水位，便于供水。在已经填充好的碎石层和黏土层之上覆盖土工布，之后，分层装填土样。填土完毕后，利用移动式液压升降车将透明有机玻璃槽升至不同坡度，经坡度测定系统测定读数后。打开透明有机玻璃槽下部放水口，静置透明有机玻璃槽直至无明显出水时用标准环刀在坡面上、中、下三个部位分别采样，在试验室中测定土样含水率、容重，采用干土测量法测定土样的比重，从而计算得到土样的孔隙率等基础数据。
步骤三：试验供水准备。将一组3根蠕动泵出水管分别插入一个土槽中的3根供水管中，在3处分别同时向土层供水，水泵进水口水管分别插入盛有不同颜色的供水容器中，以向三处供给不同颜色的水流。试验中，上层供水采用黄色染料，中层供水采用紫色染料，下层供水采用红色染料。
步骤四：供水流量标定。将与水泵相连接的导水管放置在相应的供水部位，对不同供水位置的供水流量进行标定，试验中每一个位置的供水流量一致。
步骤五：试验过程。启动水泵，以标定的流量向土层供水，试验开始计时。试验开始后，设定照相机每隔十分钟拍照，利用土槽上的标尺记录数据，包括：每一层水流推进的距离，用于计算水流的孔隙流速；同时测定不同颜色水层的厚度，以计算过水单面的面积，用于计算达西流速。上层黄色水流运移全程为3m，中层紫色水流运移全程为2m，下层红色水流运移全程为1m。
步骤六：计算方法与公式
(1)达西流速(入渗流速)
达西流速是指采用满足达西公式定义的条件，采用相应的测量方法和计算方法(公式)得到的流速。其计算公式如下：
UD＝AQ/(WH)
其中，UD代表达西流速，cm s-1；Q代表水流给定流量，L h-1；W代表透明有机玻璃槽宽度，cm；H代表水层厚度，cm；A代表单位转换系数。
(2)土层孔隙水流流速
孔隙水流流速，是指水在土层中流动实际单位时间运动的距离，用下式计算：
VM＝S/dt
其中，VM代表沙层孔隙水流流速，cm h-1；S代表水流流过的距离，cm；dt代表流过S距离的时间，h。
(3)孔隙水流流速和达西流速的关系
实际孔隙流速与达西流速受土壤含水量或有效孔隙的控制，实际上具有确定的比例关系。理论上，二者的关系为：
VM＝UD/ne
其中，ne代表为充气孔隙率，％。
以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种土壤近地表水流流速测定方法，其特征在于，所述土壤近地表水流流速测定方法包括以下步骤：
步骤一：将试验槽放置移动式液压升降车之上，坡度范围为0-30°，坡度调节步长为5°；
步骤二：试验土槽全长3m，每1m设置1个近地表水流供水单元，共布设3个供水单元；
步骤三：蠕动泵泵管一端分别插入3根供水管中模拟水流分层运动，泵管另一端分别插入相应颜色的供水容器中；
步骤四：利用照相机每十分钟拍照，记录每一层水流经过时间段内通过的相应距离计算孔隙水流流速，同时测定不同颜色水层的厚度计算达西流速；
步骤五：计算水流流速和达西流速；
所述步骤二具体包括：在3m长的土槽底部填入3cm厚的黏土，压实以模拟不透水层，防止水流渗漏；再将土槽分为1m长的3段后，在每一段的上游端30cm的长度上铺上粒径为1cm的碎石，作为近地表水流供水段；在其下游70cm的长度上，填充2cm厚的黏土，以抬高近地表水流供水段的水位，便于供水；在已经填充好的碎石层和黏土层之上覆盖土工布，之后，分层装填土样；填土完毕后，利用移动式液压升降车将试验槽升至不同坡度，经坡度测定系统测定读数后；打开试验槽下部放水口，静置试验槽直至无明显出水时用标准环刀在坡面上、中、下三个部位分别采样，在试验室中测定土样含水率、容重，采用干土测量法测定土样的比重，计算得到土样孔隙率的基础数据。
2.如权利要求1所述的土壤近地表水流流速测定方法，其特征在于，所述步骤五计算达西流速公式为：
UD＝AQ/(WH)
其中，UD代表达西流速，cms-1；Q代表水流给定流量，Lh-1；W代表试验槽宽度，cm；H代表水层厚度，cm；A代表单位转换系数。
3.如权利要求1所述的土壤近地表水流流速测定方法，其特征在于，所述步骤五计算土层孔隙水流流速公式为：
VM＝S/dt；
其中，VM代表沙层孔隙水流流速，cmh-1；S代表水流流过的距离，cm；dt代表流过S距离的时间，h。
4.一种如权利要求1所述土壤近地表水流流速测定方法的土壤近地表水流流速测定装置，其特征在于，所述土壤近地表水流流速测定装置设置有：
透明有机玻璃槽；
供水蠕动泵通过供水管连接注水管的一端，所述注水管贴合在所述透明有机玻璃槽的内壁上；
所述注水管的另一端插入近地表水流供水单内，所述近地表水流供水单元的一侧铺有水位平衡单元。
5.如权利要求4所述的土壤近地表水流流速测定装置，其特征在于，所述水位平衡单元、近地表水流供水单元的一侧铺设有黏土防渗层。
6.如权利要求4所述的土壤近地表水流流速测定装置，其特征在于，测量标尺粘结在所述透明有机玻璃槽的侧壁外侧。
7.如权利要求4所述的土壤近地表水流流速测定装置，其特征在于，计时装置粘结在所述透明有机玻璃槽的内侧侧壁上。
8.如权利要求4所述的土壤近地表水流流速测定装置，其特征在于，所述透明有机玻璃槽每1m设置1个近地表水流供水单元，共布设3个近地表水流供水单元；在3m长的透明有机玻璃槽底部填入3cm厚的黏土防渗层。
9.如权利要求4所述的土壤近地表水流流速测定装置，其特征在于，所述透明有机玻璃槽分为1m长的3段后，在每一段的上游端30cm的长度上铺上粒径为1cm的碎石；下游70cm的长度上，填充2cm厚的黏土；
所述水位平衡单元在碎石下游与黏土连接处布设，为20cm×30mm×2mm不锈钢片，上端制成平直的刀刃装，水位平衡单元布置与水槽水流方向垂直。
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