CN107255600A - 便携式野外土壤风蚀原位检测试验装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明便携式野外土壤风蚀原位检测试验装置与方法，包括风力装置，风力装置活动的坐落在安装座上，所述安装座的下端能够固定在地面里；还包括数个风蚀盘，所述风蚀盘分别放置在待测地区的地面上和支架上，风力装置模拟地表风蚀作用，将风蚀盘内的土壤颗粒吹走或吹拂起的地表物质进入风蚀盘内。本发明结构简单，方便携带。
Description
技术领域
本发明属于野外水土流失及土地退化、沙化等相关测试技术领域，涉及便携式野外土壤风蚀原位检测试验装置与方法。
背景技术
水土流失和土地退化是高寒地区生态环境恶化的主要原因之一，随着风力侵蚀的持续影响，高寒退化草地表层土壤颗粒不断发生迁移和堆积，对生态环境保护和植被资源保护等带来一定的影响。近年来，越来越多的专家学者开展了土地退化、沙化和水土流失等相关领域的试验研究，因高寒地区特殊的气候条件和复杂的地形地貌，涉及草地退化的原位风力侵蚀试验和方法遇到诸多的问题和困难。针对野外天然退化草地，适宜的试验装置、风力大小的掌控、土壤颗粒在时间和空间上的运移规律是开展野外风力侵蚀试验的关键技术问题，是研究风力侵蚀作用的重要指标，也是有待进一步解决的问题之一。
经查阅大量文献资料及市场调查表明，目前国内外有关风蚀测试系统相对较多，而大部分试验均为室内模拟试验，部分试验装置也主要是测试自然气候条件下地表土壤颗粒随时间的迁移特征，但是解决风力侵蚀的整体规律、揭示风蚀作用下土壤退化的机理，必须要掌握不同风力、风速、风向条件下退化草地土壤颗粒随水平方向和垂直风向的运移规律，而在野外对这些影响因素的掌控和测试，现有的试验装置和研究方法相对单薄。
根据目前掌握的资料，风蚀作用较强的地区多分布在高寒地区气候条件恶劣的侵蚀山区，其地形条件复杂多变，交通不便，且缺乏电源等。为进一步掌控风速、风向条件，在野外原位检测单位时间、单位面积内地表土壤颗粒随水平方向和垂直方向上的运移规律，探讨风蚀作用下高寒地区土壤侵蚀特征和土地退化机理，需要采用适宜野外复杂地形和气候的便携式原位测试装置，而现有的测试装置和测试方法因野外种种原因不能满足试验要求，这也是设计该测试装置和试验方法的主要目的。
发明内容
本发明的目的在于提供便携式野外土壤风蚀原位检测试验装置与方法，根据野外天然边坡、土壤退化区开展风力侵蚀试验的实际情况，综合考虑其影响试验结果的各项因素，为达到既方便携带和试验，又能确保试验结果真实性与准确性的目的，结合野外实地调查和对现有试验装置的了解，需要开展原位测试试验，掌握不同侵蚀区土壤颗粒的时空运移规律，随时随地观测和评价风力侵蚀与草地土壤退化的关系。如果借助便携式野外土壤风蚀原位检测试验装置，可以有效掌握单位时间、单位面积内土壤颗粒的空间运移规律，并结合天然风力侵蚀作用，评价风蚀作用对土壤侵蚀的物理力学作用，也避免了室内模拟试验等带来的误差，从而使试验结果更加符合实际。该装置同时可以实现模拟风蚀测试，可以根据风蚀作用前后风蚀盘内的土壤重量差异，计算和评价某一风速条件下单位时间、单位面积内的土壤颗粒流失量和风蚀强度。
实现上述目的的技术方案如下：
便携式野外土壤风蚀原位检测试验装置，包括风力装置，风力装置活动的坐落在安装座上，所述安装座的下端能够插入在地面里，用于固定风力装置；
还包括数个风蚀盘，所述风蚀盘分别放置在待测地区的地面上和支架上，风力装置模拟地表风蚀作用，将吹拂起的地表物质吹进风蚀盘内，或者将风蚀盘内的土壤颗粒吹走，风力装置与支架都是安装在待测地区的地面上，而风蚀盘沿吹风方向安置在待测地区的地面上。本发明中吹拂的地表物质为土壤，同时也可以在风蚀盘内均匀放置已称重的土层，然后模拟地表风蚀作用后测量风蚀盘内剩余土壤重量，测定某一风速条件下单位时间、单位面积内的土壤颗粒流失量和风蚀强度。
本发明结构简单，方便携带，测量参数准确。
附图说明
图1为本发明整体示意图
图2为本发明侧视图
图3为某一风速条件下单位面积内的土壤颗粒流失规律分析样图。
附图序号说明：风蚀盘1、电机2、聚风箱3、风扇4、风速转换器5、底座6、连杆一7、连杆二8、锚钉9、主杆10、阻钉11、螺栓12、
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细的说明。
图中，便携式野外土壤风蚀原位检测试验装置包括风力装置、数个风蚀盘1，风力装置活动的坐落在安装座上，风力装置提供风力，模拟地表的风蚀效果，所述安装座的下端能够插入在地面里，用于固定风力装置；所述风蚀盘1分别放置在待测地区的地面上和插入在待测地区的地面支架上，风力装置吹拂起的地表物质进入风蚀盘1内。风力装置的启动可以通过外置的动力装置提供动力能源，动力装置与风力装置之间通过导线电连接，动力装置可以是电机2、控压发电机，电机2启动后，风力装置转动产生风力或气流。
下面对每个部件进行详细的说明：
所述风力装置包括聚风箱3，聚风箱3内安装扇叶或风扇4，扇叶和风扇4用于产生风力和气流，本发明中以风扇4为例进行说明，聚风箱3用于将风力和气流聚拢，避免风力和气流的损失。进一步的风扇4可以选取四叶风扇，四叶风扇可以在短时间内产生风力和气流。所述聚风箱3的截面为梯形结构，其整体为前端敞开、后端封闭的等腰梯形结构的聚风框，四叶风扇通过螺丝连接并固定在聚风箱3后端内，采用梯形结构的聚风框，在聚拢风力的同时，可以将风力快速散出，四叶风扇的直径可以采取40cm×40cm的尺寸。
风扇4连接风速转换器5，风速转换器5可以固定在聚风箱3的后端，风速转换器5调节风扇4的转速或风速，转速的调节可以适应不同的环境，本发明中，可调风速量程可以为0.3～10.0m/s，通过可控发电机和四叶风扇的调速档进行控制。
所述安装座用于支撑风力装置，并且将风力装置进行固定，具体的安装座包括底座6、支撑杆，支撑杆可以选取直径3～4cm的不锈钢杆，这种材质耐腐蚀，不易尚秀，适合野外各种环境，其中，支撑杆的两端分别连接底座与风力装置，支撑杆可以装卸，方便本装置的收纳，更具体的所述支撑杆包括连杆一7、连杆二8，所述连杆一7与风力装置连接，连杆一7可以是风扇自带的杆件，也可以是单独的杆件与风扇4或聚风箱3连接，连杆二8与底座6连接，连接的结构可以是在底座6上设置插孔，连杆二8插入在插孔内，也可以是插孔内设置内螺纹，连杆二8的下端设置外螺纹，内外螺纹适配连接。而连杆一7与连杆二8的自由端分别设置连接孔，连接孔内穿过螺栓12，连杆一7与连杆二8通过螺栓12连接在一起，连杆一7与连杆二8的连接关系可以调整风力装置的吹风角度。当然，连杆二8的自由端还可以设置凹槽，连杆一7的自由端插入在凹槽内，之后两部件再通过螺栓连接在一起，凹槽的设置可以进一步稳固连杆一7与风力装置的连接。
连杆一7和连杆二8之间活动连接，因此连杆一7与连杆二8之间的角度可以在0-180度之间进行变换，根据地形的需要或者吹风角度的需要，连杆一7与连杆二8之间需要形成夹角的时候，连杆一7可以事先摆置到位，之后再旋紧连杆一7与连杆二8，吹风角度得到变换。
本发明中底座6用于支撑整个风力装置，由此底座6上设置插孔，底座6的四个角可以分别设置直径0.5cm的孔洞，插孔内适配的插入锚钉9，锚钉9能够快速的插入在地面里，或者插孔内设置内螺纹，锚钉9的上部设置外螺纹。锚钉9与插孔通过内外螺纹进行配合。所述底座6可以选取50cm×50cm，厚度1cm的不锈钢板制作，锚钉9可通过插孔将底座8及整个风力装置固定在任意地面上，锚钉9的长度为30～40cm。
所述支架包括主杆10，主杆10上间隔且水平的设置数根横杆，横杆上水平的搁置风蚀盘1，主杆10是垂直插置在底座上，因此主杆10与风蚀盘1也叫垂直风蚀盘，主杆10的下端与另一底座6连接，底座6上也设置插孔，插孔内放置锚钉9，锚钉9能够插入在地面里，本发明中放置在待测地区大的地面上的风蚀盘为水平风蚀盘，本发明中两个底座的结构相同，在此不再具体的赘述。
所述风蚀盘1的主体为一板状结构，板状结构的边缘向上延伸2～3cm，使风蚀盘1的截面大体形成一U型结构，当然风蚀盘1可以是盘状结构，U型结构的风蚀盘避免盘内的物质掉落，风蚀盘1的内端面上密布直径0.5cm、高度1cm的阻钉11，阻钉11间的平均间距为2～3cm，阻钉11在风蚀盘10内呈梅花桩式排列。阻钉11的主要作用是模拟实际地面的植被或其他粗糙程度。
本发明中支架上的风蚀盘1可以设置5～10层，分层间垂直间距为30cm，当然也可以根据实际需要进行层数的增加，沿吹风方向安置在地面上的风蚀盘可以设置数排，增加接收风吹物质的面积。
便携式野外土壤风蚀原位检测试验方法，包括以下步骤：
步骤(1)、将风扇、聚风箱、风速转换器和支撑杆固定好，组装好风力装置；
步骤(2)、将控压发电机和风力装置由电源线连接，并与风速转换器连接；
步骤(3)、将风力装置与支撑杆、底座固定好，并根据试验要求调整吹风角度；
步骤(4)、将底座的4个角用锚钉固定在地面上；
步骤(5)、将风蚀盘固定在待测地区的地面上(任何地形均可，视测试空间选择安置水平风蚀盘和垂直风蚀盘，待测区以外的区域用布或其他物件盖住)；
步骤(6)、调整好发电机的输出电压及风扇转速；
步骤(7)、启动发电机及风扇，模拟地表风蚀效果，并开始计时；
步骤(8)、按试验要求定时收集水平风蚀盘或垂直风蚀盘的土壤颗粒；
步骤(9)、将收集的土壤颗粒带回实验室进行土壤粒级、数量的测试和计算；
步骤(10)、根据试验数据分析和总结单位时间、单位面积地表土壤颗粒随水平和垂直方向的运移规律，得出试验结果。
本发明还可以通过如下步骤进行测试：
步骤(1)、组装风力装置；
步骤(2)、将电机和风力装置电连接；
步骤(3)、根据试验要求调整风力装置的吹风角度；
步骤(4)、将底座使用锚钉固定在地面上；
步骤(5)、按测试需求将风蚀盘固定在地面上，并在风蚀盘内均匀放置已称重的土层；
步骤(6)、调整好发电机的输出电压及风扇转速；
步骤(7)、启动发电机及风扇，模拟地表风蚀，并开始计时；
步骤(8)、按试验要求定时测量风蚀盘内剩余土壤重量；
步骤(9)、根据风蚀作用前后风蚀盘内的土壤重量差异，计算和评价某一风速条件下单位面积内的土壤颗粒流失量和风蚀强度。
本发明通过如下公式进行测试与分析应用：
(1)模拟风蚀试验中某一风速条件下土壤风蚀量，即土壤颗粒
流失量计算公式：
M---单位面积的土壤风蚀量(g)；
m1---风蚀作用前风蚀盘内土壤质量(g)；
m2---风蚀作用后风蚀盘内土壤质量(g)；
A---风蚀作用面积(风蚀盘覆土总面积，m2)。
(2)天然风蚀或某一模拟风速条件下待测试验区土壤风蚀量概算公式：
M---单位面积的土壤风蚀量(g)；
m---进入风蚀盘内的土壤质量(g)；
A---风蚀作用面积(待测区以外用布或其他物件覆盖，m2)；
i---风蚀盘数量，取值为最后一个风蚀盘内无土颗粒为止，
i＝1,2,3…n)。
(3)某一风速条件下单位面积土壤风蚀强度计算公式：
Q---土壤风蚀强度(g/(m2·s))；
m---单位面积的土壤风蚀量(g)；
A---风蚀作用面积(m2)；
t---风蚀作用时间(s)。
(4)原位风蚀试验中某一风速条件下单位面积内的土壤颗粒流失规律分析样图，如图图3所示：
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)、本试验装置将发电机和风力装置连接到一起，聚风箱可使风直接吹向待测地面，且风力装置、连接杆、支撑杆和底座相连接，由锚钉将装置固定在任何形状的地面(边坡)上，在任何地区均能开展野外原位风蚀试验。
(2)本试验装置中的风蚀调节可设定在0.3～10.0m/s，试验时可根据试验要求调解风速，可实现微风到大风吹蚀作用下的土壤风蚀试验。
(3)、发电机、风力装置、支撑杆和底座等的连接方式，使得该装置易拆卸，搬运方便，固定稳定，可适用于各种复杂地形；
(4)、风力装置底端的连接杆与支撑杆之间的夹角可实现180度调节，即可进行任意斜风向的土壤风蚀测试；
(5)、此装置的风蚀盘内设置阻钉，可模拟野外天然地表因植被覆盖等的粗糙度，使土壤颗粒运移特征更贴近实际状况；
(6)、此装置的风蚀盘可以检测天然风蚀试验，也可以测试某一风速条件下地面水平方向和垂直方向上土壤颗粒的时空运移规律；在任何地区可以开展临近地面或坡面的风蚀作用，也可根据测试高度要求调整支撑杆的长度，满足相应高度的风力测试试验。
(7)、本试验装置可以测试土壤颗粒运移的距离和颗粒大小随风源的空间分布规律，可根据试验要求增加水平方向和垂直方向的风蚀盘数量，可满足测试空间的试验需求。
(8)本试验装置还可按测试需求将风蚀盘固定在地面上，并在风蚀盘内均匀放置已称重的土层，模拟地表风蚀作用后根据风蚀作用前后风蚀盘内的土壤重量差异，计算和评价某一风速条件下单位时间、单位面积内的土壤颗粒流失量。
以上仅为本发明实施例的较佳实施例而已，并不用以限制本发明实施例，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明实施例的保护范围内。
Claims (10)
1.便携式野外土壤风蚀原位检测试验装置，其特征在于：包括风力装置，风力装置活动的坐落在安装座上，所述安装座的下端能够插入在地面里；
还包括数个风蚀盘，所述风蚀盘分别放置在待测地区的地面上和支架上，支架垂直固定在待测地区的地面，风力装置模拟地表风蚀作用，将吹拂起的地表物质分别吹入风蚀盘内，地面上的风蚀盘和支架上的风蚀盘分别形成水平风蚀盘和垂直风蚀盘；
同时也能够在风蚀盘内均匀放置已称重的地表物质，然后模拟地表风蚀作用后测量风蚀盘内剩余地表物质的重量，测定某一风速条件下单位时间、单位面积内的地表物质颗粒流失量和风蚀强度。
2.根据权利要求1所述的便携式野外土壤风蚀原位检测试验装置其特征在于：所述风力装置包括聚风箱，聚风箱内安装风扇，聚风箱用于聚拢气流；
其中，所述聚风箱为中空的等腰梯形结构，聚风箱的下底为开放式结构，风扇安装在聚风箱的下底内。
3.根据权利要求1所述的便携式野外土壤风蚀原位检测试验装置，其特征在于：还包括动力装置，所述动力装置与风力装置电连接，动力装置为风力装置的启动提供能源。
4.根据权利要求2所述的便携式野外土壤风蚀原位检测试验装置，其特征在于：所述风扇连接有风速转换器，风速转换器调节风扇的转速与风速。
5.根据权利要求1所述的便携式野外土壤风蚀原位检测试验装置，其特征在于：所述安装座包括底座、支撑杆，其中，支撑杆的两端分别连接底座与风力装置，底座上设置插孔，插孔内插入锚钉，锚钉能够插入在地面里，用于固定风力装置。
6.根据权利要求5所述的便携式野外土壤风蚀原位检测试验装置，其特征在于：所述支撑杆包括连杆一、连杆二，所述连杆一与风力装置连接，连杆二与底座连接，连杆一与连杆二的自由端分别设置连接孔，连接孔内穿过螺栓，连杆一与连杆二通过螺栓连接在一起。
7.根据权利要求1所述的便携式野外土壤风蚀原位检测试验装置与，其特征在于：所述支架包括主杆，主杆上间隔且水平的设置数根横杆，横杆上搁置风蚀盘，主杆的下端插入在另一底座上，底座上也设置插孔，插孔内放置锚钉，锚钉能够插入在地面里，用于固定支架。
8.根据权利要求1所述的便携式野外土壤风蚀原位检测试验装置，其特征在于：
其中，模拟风蚀试验中某一风速条件下土壤风蚀量计算公式如下：
<mrow>
<mi>M</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msub>
<mi>m</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>m</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
</mrow>
<mi>A</mi>
</mfrac>
</mrow>
M---单位面积的土壤风蚀量(g)；
m1---风蚀作用前风蚀盘内土壤质量(g)；
m2---风蚀作用后风蚀盘内土壤质量(g)；
A---风蚀作用面积(风蚀盘覆土总面积，m2)；
其中，天然风蚀或某一模拟风速条件下待测试验区土壤风蚀量概算公式如下：
<mrow>
<mi>M</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msub>
<mi>m</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>m</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>m</mi>
<mn>3</mn>
</msub>
<mo>+</mo>
<mn>....</mn>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>m</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
</mrow>
<mi>A</mi>
</mfrac>
</mrow>
M---单位面积的土壤风蚀量(g)；
m---进入风蚀盘内的土壤质量(g)；
A---风蚀作用面积(待测区以外用布或其他物件覆盖，m2)；
i---风蚀盘数量，取值为最后一个风蚀盘内无土颗粒为止，
i＝1,2,3…n)。
其中，某一风速条件下单位面积土壤风蚀强度计算公式如下：
<mrow>
<mi>Q</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mi>m</mi>
<mrow>
<mi>A</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>t</mi>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
Q---土壤风蚀强度(g/(m2·s))；
m---单位面积的土壤风蚀量(g)；
A---风蚀作用面积(m2)；
t---风蚀作用时间(s)。
9.便携式野外土壤风蚀原位检测试验装置的检测方法，其特征在于：
步骤(1)、组装风力装置；
步骤(2)、将电机和风力装置电连接；
步骤(3)、根据试验要求调整风力装置的吹风角度；
步骤(4)、将底座使用锚钉固定在地面上；
步骤(5)、将风蚀盘固定在待测地区的地面上，待测区以外的区域用遮盖物盖住，避免其他区域的运移而影响测试结果；
步骤(6)、调整好发电机的输出电压及风扇转速；
步骤(7)、启动发电机及风扇，模拟地表风蚀，并开始计时；
步骤(8)、按试验要求定时收集水平风蚀盘或垂直风蚀盘的土壤颗粒；
步骤(9)、将收集的土壤颗粒带回实验室进行土壤粒级、数量的测试和计算；
步骤10、根据试验数据分析和总结单位时间、单位面积地表土壤颗粒随水平和垂直方向的运移规律，得出试验结果。
10.便携式野外土壤风蚀原位检测试验装置的检测方法，其特征在于：
步骤(1)、组装风力装置；
步骤(2)、将电机和风力装置电连接；
步骤(3)、根据试验要求调整风力装置的吹风角度；
步骤(4)、将底座使用锚钉固定在地面上；
步骤(5)、按测试需求将风蚀盘固定在地面上，并在风蚀盘内均匀放置已称重的土层；
步骤(6)、调整好发电机的输出电压及风扇转速；
步骤(7)、启动发电机及风扇，模拟地表风蚀，并开始计时；
步骤(8)、按试验要求定时测量风蚀盘内剩余土壤重量；
步骤(9)、根据风蚀作用前后风蚀盘内的土壤重量差异，计算和评价某一风速条件下单位时间、单位面积内的土壤颗粒流失量和风蚀强度。
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