CN108362858A - 一种模拟黄土地区土壤侵蚀特性的实验装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟黄土地区土壤侵蚀特性的实验装置，它包括实验水槽，所述实验水槽铰接安装在支架的顶部，所述实验水槽上设置有进水口和出水口，所述实验水槽内部设置有土样盛放槽，所述土样盛放槽内部有实验土壤，所述实验水槽的一端设置有调节室，所述调节室与供水装置相连。通过模型模拟实际工程的条件，从侵蚀过程出发，分析不同的黄土种类、土坡倾斜度和坡面植被情况下坡面径流对坡面的作用机制，探究各影响因素之间的相互作用关系，对以后的黄土地区边坡治理进行指导。

Description

一种模拟黄土地区土壤侵蚀特性的实验装置与方法

技术领域

本发明涉及一种模拟黄土地区土壤侵蚀特性的实验装置与方法，特别涉及土壤侵蚀特性研究领域。

背景技术

随着社会的发展与技术的进步，人类改造自然的能力越来越强，对环境的破坏也越来越严重，自然植被破坏、土地荒漠化、水土流失愈演愈烈。我国是世界上水土流失最为严重的国家之一，水土流失面广大。据第一次全国水利普查成果，我国现有水土流失面积294.91万平方公里。严重的水土流失，是我国生态恶化的集中反映，威胁国家生态安全、饮水安全、防洪安全和粮食安全。而黄土高原由于其特殊的地质气候条件，水土流失尤为严重。

黄土指的是在干燥气候条件下形成的多孔性具有柱状节理的黄色粉性土，黄土主要分布于世界大陆比较干燥的中纬度地带。我国的黄土分布广泛，面积达54万平方公里，占全国土地面积的百分之六。我国西北的黄土高原是世界上规模最大的黄土高原。但随着人口的增加，对自然的破坏不断加剧，坡面植被被大量破坏，遇到暴雨时，降雨强度超过土壤入渗强度，产生地表（超渗）径流，由于没有植被的保护，地表径流对地表产生冲刷侵蚀。为有效抑制水土流失，国家在黄土高原地先后实施了许多保护工程，其中植被作为生态修复工程中的重要手段，可有效抑制坡面水土流失。但是，黄土在地表径流作用下侵蚀机制十分复杂，目前有部分学者提出了部分理论探究不同植被覆盖、坡降条件下的侵蚀特性，但依然有很多不够完善的部分。

例如专利CN201610851714.2公开了基于遥感技术的黄土冲沟溯源侵蚀范围预测方法，其特点在于通过高分辨率遥感影像、数字高程数据及降水量资料，提取多期黄土冲沟沟头的侵蚀边界线，计算多期黄土冲沟溯源侵蚀范围，建立黄土冲沟溯源侵蚀范围预测模型，侧重于宏观层面的黄土冲沟侵蚀范围预测，但该技术并未对黄土侵蚀的作用机制进行探究，且成本较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟黄土地区土壤侵蚀特性的实验装置与方法，通过模型模拟实际工程的条件，从侵蚀过程出发，分析不同的黄土种类、土坡倾斜度和坡面植被情况下坡面径流对坡面的作用机制，探究各影响因素之间的相互作用关系，对以后的黄土地区边坡治理进行指导。

为了解决上述技术问题，本发明提出以下技术方案：一种模拟黄土地区土壤侵蚀特性的实验装置，它包括实验水槽，所述实验水槽铰接安装在支架的顶部，所述实验水槽上设置有进水口和出水口，所述实验水槽内部设置有土样盛放槽，所述土样盛放槽内部有实验土壤，所述实验水槽的一端设置有调节室，所述调节室与供水装置相连。

所述实验水槽的底部一端支撑安装有坡度调节装置。

所述供水装置包括水箱，所述水箱上连通有给水管，所述水箱的顶部设置有溢流板，所述溢流板的外围设置有溢流槽，所述溢流槽的底部连通有溢流管。

所述水箱的侧壁上连通有出水管，所述出水管上安装有截止阀，所述出水管的另一端设置在调节室的顶部，所述调节室内部设置有溢流堰。

所述出水口和实验水槽之间设置有挡板，所述出水口的出水口正下方设置有收集装置。

所述溢流堰采用平滑过渡方式与土样盛放槽相对接。

所述坡度调节装置采用螺杆高度调节机构或液压升降调节机构。

所述土样盛放槽内部盛放有实验土壤，所述实验土壤是依照所模拟的黄土制作而成，所述土样盛放槽的尺寸小于实验水槽的尺寸，两者采用嵌入式或抽拉式的可拆卸连接；所述土样盛放槽内部种植有植被。

所述溢流堰的高度小于实验水槽两端的高度。

任意一项模拟黄土地区土壤侵蚀特性的实验装置的实验方法，它包括以下步骤：

第一步，实验前准备，依据所需模拟的流域坡面的实际，配置土样，土样的种类、密实度、含水率等指标各不相同，实验土壤表面若覆盖有植被，则应提前在土样盛放槽内种植植被，植被的种类、密度、生长期各不相同；

第二步，将装置进行连接组装，将土样盛放槽放入实验水槽之中，拧紧螺栓固定，将土样盛放槽下部的铝合金挡板换为钢丝网挡板，打开水泵向水箱中注水，再开启出水管上截止阀的同时，连续向水箱中注水，至水流始终能漫出溢流板，以保持水箱中水位的恒定；

第三步，按照实验要求使保持截止阀一定的开度，阀门调节到一定开度，然后保持不变，待溢流堰开始溢流后，开始计时，并使用相应的测流设备观察水流在实验水槽实验段的流动状况，测量并记录水流的深度、流速、流量；

第四步，结果分析，采用曼宁糙率公式计算坡面糙率：

n=（1/v）R^2/3J^1/2

式中：v为水流平均速度，单位：m/s；

R为水力半径，单位：m；

J为水力坡度；

n为曼宁糙率系数；

收集装置内的泥水混合物静置沉淀24小时，吸出沉淀物表面的清水，将沉积物在105摄氏度下烘干三小时，称量沉积物的干质量。

本发明有如下有益效果：

1、模拟黄土地区土壤侵蚀、搬运、堆积状况及侵蚀量，为黄土在地表径流作用下侵蚀规律研究提供基础；

2、可作不同坡度下地表的流失土壤对比；

3、可作不同种类、密实度、含水率的黄土在地表径流作用下的流失土壤对比。

4、可作不同植被配置模式下地表径流的流失土壤对比。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明整体结构示意图。

图中：1.给水管，2.水箱，3.溢流管，4.溢流槽，5.溢流板，6.截止阀，7.出水管，8.调解室，9.溢流堰，10.土样盛放槽，11.植被，12.实验土壤，13.实验水槽，14.挡板，15.出水口，16. 收集装置，17.支架，18.坡度调节装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

实施例1：

如图1，包括实验水槽13，实验水槽13设置有水槽出水口、水槽进水口。植被种植于实验土壤12之中，实验土壤12置于土样盛放槽10之中，实验水槽13通过支架17支撑，坡度调节装置18可改变实验水槽13的坡度。供水装置包括水箱2，给水管1、出水管15连接于水箱。供水装置包括溢流槽4，溢流管3连接于溢流槽4。

进一步的，所述坡度调节装置18包括液压油缸；液压油缸的上端连接实验水槽13主体结构。此处设计的优点是，利用了液压油缸的特性，结构更紧凑，控制精确。在工作时，液压油缸的上端升降时带动实验水槽13主体结构，模拟不同角度的边坡。

进一步的，实验水槽13还包括可拆卸式三角钢架，可拆卸式三角钢架设置于实验水槽底部，三角钢架为桁架结构，三角钢架用以保护实验水槽，防止实验水槽13变形，实验水槽13与三角钢架可拆卸连接，可根据不同试验需求更换不同规格的实验水槽13通用性高。

进一步的，实验水槽13还包括支架17，支架17安装于三角钢架下部，安装方式为铰接，支架17和三角钢架之间可以相对转动，模拟不同角度的边坡。且支架17位于三角钢架下方重心位置，可承受三角钢架和实验水槽的大部分重量。支架17为铸铁结构，具有较大的质量，较高的结构强度，对实验装置起到有效的支撑作用。

进一步的，实验水槽13还包括出水口15，出水口15材料为为不锈钢，焊接于实验水槽13的末端，出水口截面尺寸小于实验水槽截面尺寸，可保证实验尾水能有效排入收集装置中。

进一步的，实验水槽13包括土样盛放槽10，土样盛放槽10用于盛放实验土壤。土样盛放槽10材料为不锈钢，为薄壁结构，具有较轻的重量和一定的结构强度，且土样盛放槽10底部设有小孔，小孔上有钢丝网，可防止土样盛放土样的损失，实验设置对照组会在土样上种植植物，小孔可保证种植植物期间浇水时多余的水能从小孔内渗出，保证植被的正常免于水涝，能按照实验要求培养。

进一步的，土样盛放槽10外围尺寸小于实验水槽13内部尺寸，土样盛放槽10可嵌入或者抽出实验水槽13，土样盛放槽10嵌入实验水槽13后可由螺栓固定，防止土样盛放槽10实验水槽13发生相对移动。上述设置可方便实验时能根据实验的要求更换不同特性的土样盛放槽10，便于实验时设置多组对照试验。

进一步的，土样盛放槽10包括挡板14，土样盛放槽10水流尾水区的上边缘包括插槽，插槽略大于挡板14的厚度，挡板14可插入插槽之中，且不会脱落。所述挡板14包括钢丝网挡板14和铝合金挡板，所述钢丝网又包括铝不锈钢框架和钢丝网，钢丝网焊接于不锈钢框架之上。

进一步的，土样盛放槽10正常安装后上测边缘接触溢流堰下边缘，土样盛放槽10与溢流堰9可平滑过渡，水流流过溢流堰后流入土样盛放槽10上表面，土样盛放槽10与溢流堰9可平滑过渡可保证水流的连续性，防止在接触处发生水跃等水力现象。

进一步的，模拟黄土地区土壤侵蚀特性的实验装置还包括供水装置，供水装置为独立结构，具有较高的支架支撑。

进一步的，供水装置包括水箱为材料为有机玻璃模压制作而成，水箱通过螺栓固定于支架上。

进一步的，供水装置包括给水管，给水管安装于水箱的底部，且给水管为可拆卸结构。给水管连接水泵，给水管具有较大的直径，给水管中水流在满足实验要求流量的要求下具有较低的流速。

进一步的，供水装置包括出水管，出水管一端安装于水箱侧壁，另一端接入调解室。所述出水管材料为聚碳酸酯透明塑料管。出水管包括截止阀，截止阀可起到调节水流流量的作用。

进一步的，供水装置包括供水装置包括溢流板，溢流板位于水箱上部。

进一步的，供水装置包括溢流槽4，溢流槽4安装于水箱2外部，水箱2内水位高于溢流板5高度，从溢流板5溢出，溢出的水流入溢流槽4之中，最终水流从溢流槽4下部的溢流管3流出。

进一步的，供水装置包括调解室8和溢流堰9，调解室8一端连接出水管，另一端连接于溢流堰9上部，溢流堰9下边缘连接土样盛放槽10。水流通过出水管流入调解室8。

实施例2：

任意一项模拟黄土地区土壤侵蚀特性的实验装置的实验方法，它包括以下步骤：

第一步，实验前准备，依据所需模拟的流域坡面的实际，配置土样，土样的种类、密实度、含水率等指标各不相同，实验土壤表面若覆盖有植被，则应提前在土样盛放槽内种植植被，植被的种类、密度、生长期各不相同；

第二步，将装置进行连接组装，将土样盛放槽放入实验水槽之中，拧紧螺栓固定，将土样盛放槽下部的铝合金挡板换为钢丝网挡板，打开水泵向水箱中注水，再开启出水管上截止阀的同时，连续向水箱中注水，至水流始终能漫出溢流板，以保持水箱中水位的恒定；

第三步，按照实验要求使保持截止阀一定的开度，阀门调节到一定开度，然后保持不变，待溢流堰开始溢流后，开始计时，并使用相应的测流设备观察水流在实验水槽实验段的流动状况，测量并记录水流的深度、流速、流量；

第四步，结果分析，采用曼宁糙率公式计算坡面糙率：

n=（1/v）R^2/3J^1/2

式中：v为水流平均速度，单位：m/s；

R为水力半径，单位：m；

J为水力坡度；

n为曼宁糙率系数；

收集装置内的泥水混合物静置沉淀24小时，吸出沉淀物表面的清水，将沉积物在105摄氏度下烘干三小时，称量沉积物的干质量。

通过上述的说明内容，本领域技术人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改都在本发明的保护范围之内。本发明的未尽事宜，属于本领域技术人员的公知常识。

Claims (10)

1.一种模拟黄土地区土壤侵蚀特性的实验装置，其特征在于：它包括实验水槽（13），所述实验水槽（13）铰接安装在支架（17）的顶部，所述实验水槽（13）上设置有进水口和出水口（15），所述实验水槽（13）内部设置有土样盛放槽（10），所述土样盛放槽（10）内部有实验土壤（12），所述实验水槽（13）的一端设置有调节室（8），所述调节室（8）与供水装置相连。

2.根据权利要求1所述的一种模拟黄土地区土壤侵蚀特性的实验装置，其特征在于：所述实验水槽（13）的底部一端支撑安装有坡度调节装置（18）。

3.根据权利要求1所述的一种模拟黄土地区土壤侵蚀特性的实验装置，其特征在于：所述供水装置包括水箱（2），所述水箱（2）上连通有给水管（1），所述水箱（2）的顶部设置有溢流板（5），所述溢流板（5）的外围设置有溢流槽（4），所述溢流槽（4）的底部连通有溢流管（3）。

4.根据权利要求3所述的一种模拟黄土地区土壤侵蚀特性的实验装置，其特征在于：所述水箱（2）的侧壁上连通有出水管（7），所述出水管（7）上安装有截止阀（6），所述出水管（7）的另一端设置在调节室（8）的顶部，所述调节室（8）内部设置有溢流堰（9）。

5.根据权利要求1所述的一种模拟黄土地区土壤侵蚀特性的实验装置，其特征在于：所述出水口（15）和实验水槽（13）之间设置有挡板（14），所述出水口（15）的出水口正下方设置有收集装置（16）。

6.根据权利要求4所述的一种模拟黄土地区土壤侵蚀特性的实验装置，其特征在于：所述溢流堰（9）采用平滑过渡方式与土样盛放槽（10）相对接。

7.根据权利要求2所述的一种模拟黄土地区土壤侵蚀特性的实验装置，其特征在于：所述坡度调节装置（18）采用螺杆高度调节机构或液压升降调节机构。

8.根据权利要求1所述的一种模拟黄土地区土壤侵蚀特性的实验装置，其特征在于：所述土样盛放槽（10）内部盛放有实验土壤，所述实验土壤是依照所模拟的黄土制作而成，所述土样盛放槽（10）的尺寸小于实验水槽（13）的尺寸，两者采用嵌入式或抽拉式的可拆卸连接；所述土样盛放槽（10）内部种植有植被（11）。

9.根据权利要求4所述的一种模拟黄土地区土壤侵蚀特性的实验装置，其特征在于：所述溢流堰（9）的高度小于实验水槽（13）两端的高度。

10.采用权利要求1-9任意一项模拟黄土地区土壤侵蚀特性的实验装置的实验方法，其特征在于它包括以下步骤：

第一步，实验前准备，依据所需模拟的流域坡面的实际，配置土样，土样的种类、密实度、含水率等指标各不相同，实验土壤表面若覆盖有植被，则应提前在土样盛放槽内种植植被，植被的种类、密度、生长期各不相同；

第二步，将装置进行连接组装，将土样盛放槽放入实验水槽之中，拧紧螺栓固定，将土样盛放槽下部的铝合金挡板换为钢丝网挡板，打开水泵向水箱中注水，再开启出水管上截止阀的同时，连续向水箱中注水，至水流始终能漫出溢流板，以保持水箱中水位的恒定；

第三步，按照实验要求使保持截止阀一定的开度，阀门调节到一定开度，然后保持不变，待溢流堰开始溢流后，开始计时，并使用相应的测流设备观察水流在实验水槽实验段的流动状况，测量并记录水流的深度、流速、流量；

第四步，结果分析，采用曼宁糙率公式计算坡面糙率：

n=（1/v）R^2/3J^1/2

式中：v为水流平均速度，单位：m/s；

R为水力半径，单位：m；

J为水力坡度；

n为曼宁糙率系数；

收集装置内的泥水混合物静置沉淀24小时，吸出沉淀物表面的清水，将沉积物在105摄氏度下烘干三小时，称量沉积物的干质量。