CN108088787A - 一种坡面持续饱和渗水的土壤侵蚀的模拟装置和模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种坡面持续饱和渗水的土壤侵蚀模拟装置和模拟方法，通过在侵蚀槽外侧设置能够持续供水的供水单元，供水单元每隔预设距离设有供水管，供水管下端与渗水单元连接处的高度高于侵蚀槽底面，水源经输水管并通过供水管持续给侵蚀槽供水，侵蚀槽内铺设供试土壤至高度与供水管的上端接口高度齐平，通过检测供试土壤表面是否有水渗出来调节供水单元高度和流量，保持稳定的供水流量并调节侵蚀槽的升降调节单元使侵蚀槽与水平方向处于预设的夹角，进行坡面持续饱和渗水的土壤侵蚀的模拟试验；从而在土壤侵蚀试验中，不仅能模拟预设角度的坡面，还能保持坡面土壤持续饱和渗水状态，达到了较好地坡面持续饱和渗水的土壤侵蚀的模拟试验的效果。

Description

一种坡面持续饱和渗水的土壤侵蚀的模拟装置和模拟方法

技术领域

本发明涉及土壤侵蚀技术领域，更具体地，涉及一种坡面持续饱和渗水的土壤侵蚀的模拟装置和模拟方法。

背景技术

土壤侵蚀是土壤在水力、风力、冻融、重力等外营力作用下，被剥蚀、破坏、分离、搬运和沉积的过程；根据外营力的种类，可将土壤侵蚀划分为水力侵蚀、风力侵蚀、冻融侵蚀、重力侵蚀、淋溶侵蚀、山洪侵蚀、泥石流侵蚀及土壤坍陷等。有犁底层的农耕地、下伏冻土的融冻侵蚀土壤堆积区及具有坡面构型为A-C层的土壤，它们的下层土壤密度和强度较大而渗透性较低，由于降雨与融水的输入使得表层土壤饱和，土壤结构差而强度低，更容易产生严重的水力侵蚀，对生态及生产、生活和工程设施产生严重影响。

当坡面表层土壤饱和后，在地表水流作用下，土壤颗粒间粘聚力减小，加之浮力作用土壤抗侵蚀能力降低，使得坡地土壤更易受到冲刷，侵蚀加剧；坡面对水流摩擦阻力降低，水流通道更平滑而流速增大，导致坡面输沙量的增加。通过侵蚀现象定量试验研究，才可能认识这些与侵蚀过程相关因素作用机理的实质，因此研究饱和土壤坡面侵蚀产沙具有重要意义。

目前国内外进行了大量坡面土壤侵蚀的试验研究，但很少关注持续饱和渗水条件下的土壤侵蚀过程的研究，也缺乏完善的坡面持续饱和渗水的土壤侵蚀的试验装置和研究方法。

发明内容

为了克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明提供一种坡面持续饱和渗水的土壤侵蚀的模拟装置和模拟方法。

根据本发明的一个方面，提供一种坡面持续饱和渗水的土壤侵蚀的模拟装置，包括：侵蚀槽和供水单元；侵蚀槽为顶部开口的空腔，侵蚀槽设有升降调节单元，升降调节单元用于调节侵蚀槽的两端的高度；供水单元包括输水管、供水管和渗水管；输水管沿侵蚀槽的长度方向设置在侵蚀槽的外侧，输水管的一端连接至水源，输水管的另一端设有溢流孔；每隔预设距离沿垂直于侵蚀槽的底面设有供水管，供水管设有阀门，供水管的上端接口连接至输水管；平行于侵蚀槽的底面且垂直于侵蚀槽的侧壁设有渗水管，渗水管的一端穿过侵蚀槽的一个侧壁连接至供水管的下端接口，渗水管的另一端穿过侵蚀槽的另一个侧壁并密封，渗水管的管壁设有若干渗水孔，渗水孔位于侵蚀槽的内部。

其中，该装置还包括渗水单元；渗水单元包括第一渗水层和第二渗水层，第一渗水层与侵蚀槽的底面接触，第二渗水层位于第一渗水层每隔预设距离设置的凹槽内，以使渗水管位于第二渗水层内；第一渗水层填充有第一填充物，第二渗水层填充有第二填充物；由第一渗水层的上端面与第二渗水层的上端面组成的渗水单元的上端面平行于侵蚀槽的底面，渗水单元的上端面的高度低于供水管的上端接口的高度；第一填充物的饱和导水率小于供试土壤的饱和导水率，第二填充物的饱和导水率大于供试土壤的饱和导水率。

其中，溢流孔的开口方向垂直于侵蚀槽的底面向上。

其中，渗水管包裹有土工织物。

其中，渗水孔的开口方向垂直于侵蚀槽的底面向上。

其中，第一渗水层与第二渗水层的交界面与渗水管的外壁相接触。

其中，渗水单元的上端面的表面铺设有土工织物，该土工织物用于隔离渗水单元的填充物与供试土壤。

其中，第一填充物为粘土，第二填充物为粗砂或者细石。

根据本发明的一个方面，提供一种坡面持续饱和渗水的土壤侵蚀的模拟方法，包括：将土壤侵蚀模拟装置水平放置，将供试土壤铺设于侵蚀槽内，并使供试土壤的上端面的高度与供水管的上端接口的高度齐平；打开水源，调节供水流量，使供试土壤表面有水渗出；调节侵蚀槽的升降调节单元，使土壤侵蚀模拟装置的连接至水源的一端高于另一端，且使土壤侵蚀模拟装置与水平面保持预设夹角；保持供水流量，在预设时间后检测供试土壤的侵蚀情况。

其中，调节侵蚀槽的升降调节单元，使土壤侵蚀模拟装置的连接至水源的一端高于另一端，且使土壤侵蚀模拟装置与水平面保持预设夹角之后，还包括：若供试土壤的表面发生管涌现象，则调节对应的阀门，以减小管涌位置上游的供水管的供水流量。

本发明提供的一种坡面持续饱和渗水的土壤侵蚀的模拟装置和模拟方法，通过在侵蚀槽外侧设置能够持续供水的供水单元，供水单元每隔预设距离设有供水管，供水管的上端接口的高度高于侵蚀槽的底面，水源通过供水管持续给侵蚀槽供水，侵蚀槽内铺设供试土壤至供试土壤的高度与供水管的上端接口的高度齐平，通过检测供试土壤表面是否有水渗出来调节供水流量，保持稳定的供水流量并调节侵蚀槽的升降调节单元使侵蚀槽与水平方向保持预设的夹角，进行坡面持续饱和渗水的土壤侵蚀的模拟试验；从而在土壤侵蚀试验中，通过结构简单、价格低廉的土壤侵蚀模拟装置，不仅能模拟预设角度的坡面，还能保持坡面土壤持续饱和渗水状态，达到了较好的坡面持续饱和渗水的土壤侵蚀的模拟试验的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据本发明实施例的坡面持续饱和渗水的土壤侵蚀的模拟装置的正视图；

图2为根据本发明实施例的水平放置的坡面持续饱和渗水的土壤侵蚀的模拟装置的侧视剖面图；

图3为根据本发明实施例的坡面持续饱和渗水的土壤侵蚀的模拟装置的俯视图；

图4为根据本发明实施例的坡面持续饱和渗水的土壤侵蚀的模拟方法的流程图；

图5为根据本发明实施例的保持预设倾角的坡面持续饱和渗水的土壤侵蚀的模拟装置的侧视剖面图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的一个实施例中，参考图1，提供一种坡面持续饱和渗水的土壤侵蚀的模拟装置，包括：侵蚀槽1和供水单元；侵蚀槽1为顶部开口的空腔，侵蚀槽1设有升降调节单元，升降调节单元用于调节侵蚀槽的两端的高度；供水单元包括输水管2、供水管3和渗水管4；输水管2沿侵蚀槽1的长度方向设置在侵蚀槽1的外侧，输水管2的一端连接至水源，输水管2的另一端设有溢流孔5；每隔预设距离沿垂直于侵蚀槽1的底面设有供水管3，供水管3设有阀门6，供水管3的上端接口连接至输水管2；平行于侵蚀槽1的底面且垂直于侵蚀槽1的侧壁设有渗水管4，渗水管4的一端穿过侵蚀槽1的一个侧壁连接至供水管3的下端接口，渗水管4的另一端穿过侵蚀槽1的另一个侧壁并密封，渗水管4的管壁设有若干渗水孔7，渗水孔7位于侵蚀槽1的内部。

具体的，坡面持续饱和渗水的土壤侵蚀的模拟装置包括侵蚀槽1和供水单元，侵蚀槽1内部为空腔，仅顶部开口，四周的侧壁和底面围成的空间用于盛装供试土壤，顶部开口方便于填装供试土壤，例如侵蚀槽1可选用截面为“U”型的长沟槽，侵蚀槽1设有升降调节单元，用于调节侵蚀槽1与水平方向的夹角，以模拟对应夹角的坡面；供水单元包括输水管2、供水管3和渗水管4，供水单元用于给侵蚀槽1持续供水，输水管2沿侵蚀槽1的长度方向设置在侵蚀槽1的外侧，输水管2的一端连接至水源，输水管2的另一端设有溢流孔5，溢流孔5用于根据其出水量调节水源的供水流量，并降低输水管2内的水压；每隔预设距离沿垂直于侵蚀槽1的底面设有供水管3，供水管3的上端接口连接至输水管2，可通过调整供水管3的长度来调整供水管3的上端接口与侵蚀槽1的底面之间的高度差，以适应于铺设于侵蚀槽1内的由试验要求所决定的供试土壤的不同厚度的需求，多个供水管3将输水管2内的水导入侵蚀槽1，每隔预设距离设置一个供水管，有利于保持侵蚀槽1内不同位置上的供试土壤尽可能具有相同的渗水程度；供试土壤的质地和饱和导水率不同，在试验前，可根据供试土壤质地的不同来设置对应的预设距离，以满足不同土壤试验的需求，在供试土壤中粘粒含量大、土壤导水率低的情况下，水流在其中运动较慢接近于静水压力，则预设距离需设置较短；若供试土壤中砂粒含量大，水流在其中运动较快，快速的水流运动需更长的距离消耗水的压力带来的能量，以降低沿坡面增加的水压，即预设距离可以设置较长。供水管3设有阀门6，阀门可调节对应的供水管的供水流量，以便于在试验中根据实际情况调节对应位置的渗水情况；供水管3的下端接口连接有渗水管4，渗水管4的一端的接口连接至供水管3，另一端的接口密封，渗水管4上设有若干渗水孔7，渗水孔可均匀分布在渗水管上，有利于保持渗水的均匀性，渗水管4平行于侵蚀槽1的底面且垂直于侵蚀槽1的侧壁，渗水管4的两端分别穿过侵蚀槽1的两个侧壁，渗水管4以此固定在侵蚀槽1上，并保证渗水孔7均在侵蚀槽1的内部。

其中，溢流孔5的开口方向垂直于侵蚀槽1的底面向上。

其中，渗水管4包裹有土工织物。土工织物具有良好的透水性，且能避免土壤颗粒进入渗水管4堵塞渗水孔7。

其中，渗水孔7的开口方向垂直于侵蚀槽1的底面向上。渗水孔7的开口方向垂直于侵蚀槽1的底面向上有利于水流快速渗透至供试土壤。

本实施例通过在侵蚀槽外侧设置能够持续供水的供水单元，供水单元每隔预设距离设有供水管，供水管的上端接口的高度高于侵蚀槽的底面，水源通过供水管持续给侵蚀槽供水；在进行坡面持续饱和渗水的土壤侵蚀的模拟试验时，侵蚀槽内铺设供试土壤至供试土壤的高度与供水管的上端接口的高度齐平，通过检测供试土壤表面是否有水渗出来调节供水流量，保持稳定的供水流量并调节侵蚀槽的升降调节单元使侵蚀槽与水平方向保持预设的夹角；从而在土壤侵蚀试验中，不仅能模拟预设角度的坡面，还能保持坡面土壤持续饱和渗水状态，达到了较好的坡面持续饱和渗水的土壤侵蚀的模拟试验的效果。

基于以上实施例，参考图2和图3，该装置还包括渗水单元；渗水单元包括第一渗水层8和第二渗水层9，第一渗水层8与侵蚀槽的底面接触，第二渗水层9位于第一渗水层8每隔预设距离设置的凹槽内，以使渗水管4位于第二渗水层9内；第一渗水层8填充有第一填充物，第二渗水层9填充有第二填充物；由第一渗水层8的上端面与第二渗水层9的上端面组成的渗水单元的上端面平行于侵蚀槽的底面，渗水单元的上端面的高度低于供水管的上端接口的高度；第一填充物的饱和导水率小于供试土壤的饱和导水率，第二填充物的饱和导水率大于供试土壤的饱和导水率。

具体的，实际的土壤层具有多层结构，为了更接近于实际的土壤层，侵蚀槽的底部设置渗水单元，渗水单元包括第一渗水层8和第二渗水层9，第一渗水层8直接与侵蚀槽的底面接触，用于模拟实际的表层土壤之下的一层弱透水层，第一渗水层8填充的第一填充物的饱和导水率应小于供试土壤的饱和导水率；第二渗水层9设置于渗水管4的周围，并包裹整个渗水管4，第二渗水层9的作用是促进水流的渗透速度，使水能更快的渗透至供试土壤，第二渗水层9填充的第二填充物的饱和导水率应大于供试土壤的饱和导水率；其中，由第一渗水层8的上端面与第二渗水层9的上端面组成的渗水单元的上端面平行于侵蚀槽的底面，以保证有较好的模拟效果；渗水单元的上端面的高度低于供水管的上端接口的高度，在这两个高度差内用于填充供试土壤10，供水后，在土壤中的水流入渗方向如图3中的箭头。

其中，第一渗水层8与第二渗水层9的交界面与渗水管4的外壁相接触。第一渗水层8中的填充物的作用是模拟实际的表层土壤之下的一层弱透水层，第二渗水层9中的填充物的作用是加快渗水速度，第一渗水层8与第二渗水层9的交界面与渗水管4的外壁相接触，可在保证快速渗水的基础上尽量减小第二渗水层9与供述土壤的接触面积，增加第一渗水层8与供述土壤的接触面积，以保证第一渗水层8的最佳的模拟效果。

其中，渗水单元的上端面的表面铺设有土工织物，该土工织物用于隔离渗水单元的填充物与供试土壤10。土工织物透水性良好，其长度、宽度与侵蚀槽的长度、宽度对应相同，可较好地隔离其下部渗水单元与上部供试土壤10，以保证更换供试土壤10过程中不会影响下部渗水单元的渗水性能。

其中，第一填充物为粘土，第二填充物为粗砂或者细石。对于普通的供试土壤，粘土的饱和导水率小于供试土壤的饱和导水率，粗砂或者细石的饱和导水率大于供试土壤的饱和导水率，满足试验的要求，且无成本。

本实施例通过在侵蚀槽的底部设置渗水单元，渗水单元的第一渗水层用于模拟实际的表层土壤之下的一层弱透水层，渗水单元的第二渗水层用于提高导水的速率，以更快的使供试土壤达到饱和渗透；从而使土壤侵蚀模拟试验更接近实际情况，并更容易达到持续饱和渗水的效果。

作为本发明的又一个实施例，参考图4，提供一种坡面持续饱和渗水的土壤侵蚀的模拟方法，包括：S41，将土壤侵蚀模拟装置水平放置，将供试土壤铺设于侵蚀槽内，并使供试土壤的上端面的高度与供水管的上端接口的高度齐平；S42，打开水源，调节供水流量，使供试土壤表面有水渗出；S43，调节侵蚀槽的升降调节单元，使土壤侵蚀模拟装置的连接至水源的一端高于另一端，且使土壤侵蚀模拟装置与水平面保持预设夹角；S44，保持供水流量，在预设时间后检测供试土壤的侵蚀情况。

其中，调节侵蚀槽的升降调节单元，使土壤侵蚀模拟装置的连接至水源的一端高于另一端，且使土壤侵蚀模拟装置与水平面保持预设夹角之后，还包括：若供试土壤的表面发生管涌现象，则调节对应的阀门，以减小管涌位置上游的供水管的供水流量。

具体的，首先将土壤侵蚀模拟装置水平放置，将供试土壤铺设于侵蚀槽内，并使供试土壤的上端面的高度与供水管的上端接口的高度齐平；打开水源，调节供水流量，来自水源的水流进入装置的输水管内，控制供水流量小于输水管的输水能力，可通过渗流孔的出水情况来判断供水流量是否适当，这样就使得输水管中水流处于非加压状态；由于连通器原理，水流在输水管侧相对于侵蚀槽内侧有一个水头水压，水流会通过供水管进入渗水管，在渗水孔流出，并向土壤入渗；如果在侵蚀槽底设置了渗水单元，待水流将第二渗水层渗满达到与供试土壤接触时，由于第二渗水层填充的第二填充物的饱和导水率大于供试土壤的饱和导水率，在供试土壤与第二填充物的接触面会产生一个供试土壤对水的吸力，在水头压力与供试土壤对水的吸力的双重作用下，水快速渗入供试土壤，加快了水渗入供试土壤的速度，待供试土壤表面有水渗出，保持供水流量稳定；调节侵蚀槽的升降调节单元，使土壤侵蚀模拟装置的连接至水源的一端高于另一端，且使土壤侵蚀模拟装置与水平面保持预设夹角；保持稳定的供水流量，在预设时间后检测供试土壤的侵蚀情况。

如图5所示，在调节土壤侵蚀模拟装置与水平面具有预设夹角后，在土壤中的水流入渗方向如图5中的箭头，供试土壤10覆盖在第一渗水层8和第二渗水层9之上，随着供试土壤10表层高度沿坡长向下而降低，供试土壤10中水流的水头压力沿坡面向下呈增加趋势，但水的渗出降低了水的压力，并结合适当的供水管之间的预设距离，使水压降低到一定程度，在供水流量适当的条件下能使坡面的土壤持续保持饱和渗水状态，加之下一个渗水管4的渗水孔连接到大气，使供水水位在下一渗水管处回到由供水管高度相同的位置；若输水管中供水流量偏大，末端溢流孔可向外排水，可据此调节供水流量；若供试土壤10的表面某处发生管涌现象，则调节对应的阀门，以减小管涌位置上游的供水管的供水流量，消除管涌现象。

本实施例通过在水平状态下向侵蚀槽内铺设供试土壤至供试土壤的高度与供水管的上端接口的高度齐平，供水后通过检测供试土壤表面是否有水渗出来调节供水流量，保持稳定的供水流量并调节侵蚀槽的升降调节单元使侵蚀槽与水平方向保持预设的夹角，在保持稳定的供水流量和夹角的情况下进行持续饱和渗水的土壤侵蚀模拟试验；从而在土壤侵蚀试验中，不仅能模拟预设角度的坡面，还能保持持续饱和渗水状态，达到了较好的坡面持续饱和渗水的土壤侵蚀的模拟试验的效果。

最后说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种坡面持续饱和渗水的土壤侵蚀的模拟装置，其特征在于，包括：侵蚀槽和供水单元；

所述侵蚀槽为顶部开口的空腔，所述侵蚀槽设有升降调节单元，所述升降调节单元用于调节所述侵蚀槽的两端的高度；

所述供水单元包括输水管、供水管和渗水管；所述输水管沿所述侵蚀槽的长度方向设置在所述侵蚀槽的外侧，所述输水管的一端连接至水源，所述输水管的另一端设有溢流孔；每隔预设距离沿垂直于所述侵蚀槽的底面设有所述供水管，所述供水管设有阀门，所述供水管的上端接口连接至所述输水管；平行于所述侵蚀槽的底面且垂直于所述侵蚀槽的侧壁设有所述渗水管，所述渗水管的一端穿过所述侵蚀槽的一个侧壁连接至所述供水管的下端接口，所述渗水管的另一端穿过所述侵蚀槽的另一个侧壁并密封，所述渗水管的管壁设有若干渗水孔，所述渗水孔位于所述侵蚀槽的内部。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括渗水单元；

所述渗水单元包括第一渗水层和第二渗水层，所述第一渗水层与所述侵蚀槽的底面接触，所述第二渗水层位于所述第一渗水层每隔所述预设距离设置的凹槽内，以使所述渗水管位于所述第二渗水层内；所述第一渗水层填充有第一填充物，所述第二渗水层填充有第二填充物；由所述第一渗水层的上端面与所述第二渗水层的上端面组成的所述渗水单元的上端面平行于所述侵蚀槽的底面，所述渗水单元的上端面的高度低于所述供水管的上端接口的高度；所述第一填充物的饱和导水率小于供试土壤的饱和导水率，所述第二填充物的饱和导水率大于所述供试土壤的饱和导水率。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述溢流孔的开口方向垂直于所述侵蚀槽的底面向上。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述渗水管包裹有土工织物。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述渗水孔的开口方向垂直于所述侵蚀槽的底面向上。

6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第一渗水层和所述第二渗水层的交界面与所述渗水管的外壁相接触。

7.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述渗水单元的表面铺设有土工织物，所述土工织物用于隔离所述渗水单元的填充物与所述供试土壤。

8.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第一填充物为粘土，所述第二填充物为粗砂或者细石。

9.一种基于权利要求1-8任一所述的装置的坡面持续饱和渗水的土壤侵蚀的模拟方法，其特征在于，包括：

将土壤侵蚀模拟装置水平放置，将供试土壤铺设于侵蚀槽内，并使所述供试土壤的上端面的高度与供水管的上端接口的高度齐平；

打开水源，调节供水流量，使所述供试土壤表面有水渗出；

调节所述侵蚀槽的升降调节单元，使所述土壤侵蚀模拟装置的连接至水源的一端高于另一端，且使所述土壤侵蚀模拟装置与水平面保持预设夹角；

保持所述供水流量，在预设时间后检测所述供试土壤的侵蚀情况。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述调节所述侵蚀槽的升降调节单元，使所述土壤侵蚀模拟装置的连接至水源的一端高于另一端，且使所述土壤侵蚀模拟装置与水平面保持预设夹角之后，还包括：

若所述供试土壤的表面发生管涌现象，则调节对应的阀门，以减小管涌位置上游的供水管的供水流量。