CN109085023A - 一种喀斯特地区岩土界面流高效收集方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种喀斯特地区岩土界面流高效收集方法及装置，步骤是：1)测钎探测土壤厚度分布：用钢筋制成测钎，插入底层基岩，用水彩笔标记测钎插入土层深度，再用量尺测量插入深度，找到一个坡面相对土壤层较厚的地方；2)预测岩土界面处的瞬时产流潜力方程：土壤层与岩石层直接接触形成岩土界面，岩土界面产流的水来自坡面方向侧向流动的重力水，岩土界面与纱网相连，围水梗与水泥砂浆相连，PVC管分别与围水梗、储水池相连。通过产流潜力预测方程得到喀斯特坡地某处岩土界面瞬时产流大小，进而确定修建岩土界面流收集装置的最佳位置，方法易行，操作简便高效。

Description

一种喀斯特地区岩土界面流高效收集方法及装置

技术领域

本发明属于水文、生态、土壤侵蚀和水土保持领域，更具体涉及一种喀斯特地区岩土界面流高效收集的方法，同时还涉及一种喀斯特地区岩土界面流高效收集的装置，它适应于直接指导喀斯特区高效利用有限水资源的生产实践，缓解喀斯特地区工程性缺水和干旱的问题。

背景技术

西南喀斯特地区虽降雨充沛，但因土层浅薄、岩石渗漏性强，水文过程迅速，地表水大量渗漏，地下水深埋，岩溶干旱和洼地内涝频发。因此，认识喀斯特地区水文过程，研发水资源高效调蓄模式，是实现该区精准脱贫和可持续发展的关键。“土在楼上、水在楼下”的水土不匹配格局，导致目前该区坡地水资源调蓄模式存在两大问题：坡面地表径流少，地表无水可调；地下水埋藏深，打井费时费力成本高。能否找到低成本、简单易行、能够应用于喀斯特坡地的水资源调蓄模式，克服该区地表无水可调、地下水开采成本高等技术难题，一直是水文水资源科技工作者思考和研究的方向。

近期，环江站科研人员通过在开挖断面上模拟降雨发现，喀斯特峰丛坡地降雨快速下渗，地表径流占比少于10％，超过70％的水分进入地下，一部分在土岩界面横向运移(20％-45％)，一部分则透过基岩垂直补给地下水(25％-50％)。土岩界面横向产流可能普遍存在，传统意义上认为的喀斯特坡地以垂直补给为主的坡面产流理论可能需要进一步地细化。从开发利用土岩界面径流的可行性考虑，峰丛坡地土壤浅薄，虽然土岩接触面极其不规则，但是土岩界面清晰且普遍埋藏浅(一般不超过50cm)，施工难度和集水设施布设成本低，具有开发潜力。因此，针对以上问题，本发明提出了一种研发低成本、简单易行、适用于喀斯特地区岩土界面流高效收集方法，缓解或克服该区地表无水可调、地下水开采成本高等技术难题。以期为该地区有限水资源的合理利用、植被配置布局、农田水利建设等方面提供技术支持。

发明内容

本发明的目的是在于提供了一种适用于喀斯特地区岩土界面流高效收集方法，方法易行，操作简便高效，根据测钎装置探测土壤厚度分布，找到了一个坡面的下坡位相对土壤层较厚的地方，该方法操作简单，仅需简单测钎插入土壤就能直接测出其土壤厚度，具有快速性、方便性。

本发明的另一个目的是在于提供了一种下坡断面土层厚度相对较厚的地方修建岩土界面流收集装置，结构简单，使用方便，非常高效的收集岩土界面产流，本发明侧重预测喀斯特地区岩土界面上任一点处的瞬时产流潜力方程，通过野外测量方程的一些参数，得到此处的瞬时产流大小，根据此处产流大小估测收集岩土界面流的位置，修建岩土界面流的收集装置，缓解喀斯特地区缺水和干旱的问题。

为了实现上述的目的，本发明采取以下技术方案：

一种喀斯特地区岩土界面流高效收集方法，其步骤是：

1)测钎探测土壤厚度分布：可用多根(3至9根)长约30至40cm的粗钢筋制成简单测钎(本领域的普通技术人员均可制备)，根据实地坡面面积，在坡面下坡位按每隔60cm分上中下，左中右纵横三排，插入土层直至底层基岩，用水彩笔标记好测钎插入土层深度，再将测钎拔出，用量尺测量插入土壤的深度并记录，用这种方法即可快速得到土层大概厚度分布，找出测钎插入深度最深的位置，即可找到一个坡面的下坡位相对土壤层较厚(量尺测量记录得到土层深度最大的数据)的地方。该方法操作简单直接，仅需测量插入深度就可以得到所需选取的地方。

2)预测岩土界面处的产流潜力方程：地表以下的土壤层接受上层土壤的包气带排水，土壤含水量逐渐增加，在土壤含水量增加到超过田间持水量后，开始产生自由重力水，就随之产生沿着坡面方向侧向流动的重力水和沿着基岩裂隙深层渗漏的水。而岩土界面产流的水来自坡面方向侧向流动的重力水，在岩土界面任一点处瞬时产流潜力预测方程为：

k_s(h)＝k_*hⁿ (2)

式中,q_x(h)为岩土界面任一点处瞬时产流量；h为土层厚度；k_s(h)为土壤渗透系数；α为局部地表坡度；sin为正弦函数，dz为土层厚度变化量；代表对土层厚度从0到h深度的定积分；k_*、n为经验系数。

通过上述二个步骤的技术措施，解决了在喀斯特地区无法直接找到岩土界面流的最佳位置的问题和高效收集岩土界面流的难点，其中k_s决定于土壤质地，k_*、n为经验系数，同一坡位下k_*、n均为固定数值，在公式(3)中，需要的最重要的数据为土层厚度h、坡度α，土层厚度h、坡度α值可由现场测量直接获得。通过以上参数就能简单预测岩土界面某处的产流潜力，得到的瞬时产流大小。即结合步骤1)，将获得的土壤厚度h，现场测得的坡度α带入方程即可得到此点瞬时产流大小，比较瞬时产流的大小，找到瞬时产流最大时所在的坡位位置，这点即是收集岩土界面流的最优位置，在此处修建岩土界面流收集装置可达到最佳效果，通过以上步骤可以估测处在何处去开挖修建集水装置比较合适。

一种喀斯特地区岩土界面流高效收集的装置，它由土壤层、岩石层、岩土界面、岩土界面流、下坡位、围水梗、纱网、水泥砂浆、软性填充纱网大孔PVC管、硅酮胶、储水池组成，其特征在于：岩土界面上层为土壤层下层为岩石层，在岩土界面中存在岩土界面流，在土壤层与岩石层和岩土界面存在有下坡位，岩土界面与纱网相连，围水梗与水泥砂浆相连，软性填充纱网大孔PVC管分别与围水梗、储水池相连，用硅酮胶将软性填充纱网大孔PVC管密封连接处的缝隙。基于测钎探测出土壤层厚度分布，选择一个坡面下坡位土壤相对较厚的地方，在下坡坡脚较为低洼处开挖土层，裸露出部分基岩，在基岩上方的非土层断面处用水泥砂浆砌筑围水梗，围水梗高10cm,在开挖土层侧布设纱网，纱网布设高度略高于土层厚度，纱网与围水梗用水泥砂浆平滑相连，并用水泥砂浆填平围水梗范围内的凹槽裂隙。在岩土界面流汇集处上开2cm的孔口，孔口与软性填充纱网的大孔PVC水管相连并通过硅酮胶密封连接处的缝隙，水管能够根据岩土界面的起伏灵活的弯曲布设，水管另一端连接储水池，储水池大小可根据当地情况修建，在坡脚低洼处开挖储水池，四周及底部用水泥砂浆填充抹平以堵塞岩石裂隙，防止渗漏。本装置的关键部件是岩土界面、岩土界面流、下坡位、围水梗与软性填充纱网大孔PVC管，岩土界面处的岩土界面流经由围水梗围堵，再由软性填充纱网的大孔PVC管引流，将岩土界面流接入储水池。

本发明达到了一种简单方便、快速高效的判别和收集岩土界面处的岩土界面流的技术效果，解决了现有技术方案下无法直接确定岩土界面流最佳产流位置的关键性问题，与现有的喀斯特地区蓄水工程技术相比，本技术方案有益效果还侧重于岩土界面流的收集与利用，喀斯特地区蓄水工程也不再局限于岩面流等单一收集利用装置，填补了收集岩土界面流方法与装置的空白，为后人深入研究岩土界面流收集与利用提供帮助和指导。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

1、本发明操作简单，具有高效、可靠性，满足了在喀斯特地区评价蓄水工程修建位置适合度的相关装置的实际需求；

2、设备采用PVC管材，能够最小限度减少埋设设备对土体和土壤结构的破坏，保证试验结果真实可靠。

3、本发明可预测岩土界面任一点处的瞬时产流潜力，根据瞬时产流大小估测收集岩土界面流的位置，修建岩土界面流的收集装置，缓解喀斯特地区缺水和干旱问题；

4、本发明首次提出的一种喀斯特地区岩土界面流收集方法丰富了喀斯特地区蓄水工程建设的内容，为后人研究岩土界面流的收集提供了一定的经验和借鉴意义。

附图说明

图1为一种喀斯特地区岩土界面流高效收集的装置示意图；

图2为一种修建岩土界面流收集装置示意图。

其中：1－土壤层、2－岩石层、3－岩土界面、4－岩土界面流、5－下坡位、6－围水梗、7－纱网、8－水泥砂浆、9－软性填充纱网大孔PVC管、10－硅酮胶、11－储水池。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的工作原理做进一步描述：

实施例1：

一种喀斯特地区岩土界面流高效收集方法，其步骤是：

A、喀斯特坡地土层浅薄，用简单的测钎即可估测土层厚度，可用多根(9根)长约30至40cm的粗钢筋制成简单测钎，根据实地坡面面积，在坡面下坡位按每隔60cm分上中下，左中右纵横三排，插入土层直至底层基岩，用水彩笔标记好测钎插入土层深度，再将测钎拔出，用量尺测量插入土壤的深度并记录，用这种方法即可得到土层大概厚度分布，找出测钎插入深度最深的位置，即可找到一个坡面的下坡位相对土壤层较厚(量尺测量记录得到土层深度最大的数据)的地方，该方法操作简单直接，测量插入深度就可以得到所需选取的地方。

B、预测岩土界面处的产流潜力方程：地表以下的土壤层接受上层土壤的包气带排水，土壤含水量逐渐增加，在土壤含水量增加到超过田间持水量后，开始产生自由重力水，就随之产生沿着坡面方向侧向流动的重力水和沿着基岩裂隙深层渗漏的水，而岩土界面产流的水来自坡面方向侧向流动的重力水，在岩土界面任一点处瞬时产流潜力预测方程为：

k_s(h)＝k_*hⁿ (2)

式中,q_x(h)为岩土界面任一点处瞬时产流量；h为土层厚度；k_s(h)为土壤渗透系数；α为局部地表坡度；sin为正弦函数，dz为土层厚度变化量；代表对土层厚度从0到h深度的定积分。

k_s决定于土壤质地，k_*、n为经验系数，α值可由现场测量直接获得。通过以上参数就能简单预测岩土界面某处的瞬时产流潜力，得到的产流潜力大小。结合A步骤，将获得的土壤厚度，现场测得的坡度带入方程即可得到此点瞬时的产流大小，比较瞬时产流的大小，找到瞬时产流最大时所在的坡位位置，这点即是收集岩土界面流的最优位置，在此处修建岩土界面流收集装置可达到最佳效果，通过以上步骤可以估测处在何处去开挖修建集水装置比较合适。

本发明创新点体现在可由简单的工具和简洁的操作就可以找到收集岩土界面流的最优位置。结合现场测得的一些简单数据带入方程，就可得到此点的瞬时产流大小，根据瞬时产流大小，就能找到修建岩土界面流收集装置的最佳位置，即可达到修建岩土界面流高效收集装置的技术效果。

实施例2：

申请者根据实施例1的方法设计了野外实验，根据预测方程(3)得到计算结果如表1。

表1试验数据

注：表中计算k_*、n为经验系数，k_*取值为2.0057m/h，n取值为2.73。

根据当地地形情况，选取了坡度分别为5°、10°、15°、20°、25°，土层深度分别约为0.05m、0.1m、0.15m、0.2m、0.25m、0.3m的区域作为野外试验场地。由表可知在同坡度下，土层越厚的地方瞬时产流越大，在坡度为5°时，土层深度0.3m处的瞬时产流为0.00052543m³/h，远大于土层深度为0.05m处是顺时候产流0.00000066m³/h。在同土层厚度下，坡度越大处瞬时产流也越大，在0.05m厚的土层下，坡度25°处瞬时产流量0.00000319m³/h，远大于坡度为5°时的产流量。结合野外试验数据，可以更简单方便的找到收集岩土界面流的最优位置，即在此处修建岩土界面流收集装置可以达到最佳效果。

其实施步骤与实施例1相同。

实施例3：

根据图1、图2可知，一种喀斯特地区岩土界面流高效收集的装置，它由土壤层1、岩石层2、岩土界面3、岩土界面流4、下坡位5、围水梗6、纱网7、水泥砂浆8、软性填充纱网大孔PVC管9、硅酮胶10、储水池11组成，其特征在于：岩土界面3上层为土壤层1下层为岩石层2，在岩土界面3中存在岩土界面流4，在土壤层1与岩石层2和岩土界面3存在有下坡位5，岩土界面3与纱网7相连，围水梗6与水泥砂浆8相连，软性填充纱网大孔PVC管9分别与围水梗6、储水池11相连，用硅酮胶10将软性填充纱网的大孔PVC管9密封连接处的缝隙。在岩土界面3处使用测钎探测土壤厚度分布情况，主要是由简单的测钎装置完成，根据坡面面积，按每隔60cm分上中下，左中右纵横三排，插入土层直至底层基岩，用水彩笔标记好测钎插入土层深度，再将测钎拔出，用量尺测量插入土壤的深度并记录，用这种方法即可得到土层大概厚度分布，找出测钎插入深度最深的位置，即可找到一个坡面的下坡位相对土壤层较厚(量尺测量记录得到土层深度最大的数据)的地方。该方法操作简单直接，测量插入深度就可以得到所需选取的地方。在上伏土壤层1和下伏岩石层2收集岩土界面3处岩土界面流4，基于测钎探测出土壤层厚度分布情况，预测出某处产流潜力方程，根据方程带入所测得的土层厚度大小、坡度大小，得到此点的瞬时产流大小，根据此点瞬时产流大小确定一个坡面下坡位5最佳产流位置，在此处坡脚较为低洼处开挖土层，裸露出部分基岩，在基岩上方的非土层断面处用水泥砂浆砌筑围水梗6，围水梗6高10cm,在开挖土层侧布设纱网7，纱网7布设高度略高于土层厚度，纱网7与围水梗6用水泥砂浆平滑相连，并用水泥砂浆8填平围水梗范围内的凹槽裂隙；在岩土界面3流汇集处上开2cm的孔口，孔口与软性填充纱网大孔PVC管9相连并通过硅酮胶10密封连接处的缝隙，水管能够根据岩土界面的起伏灵活的弯曲布设，软性填充纱网大孔PVC水管9另一端连接储水池11，储水池大小可根据当地情况修建，在坡脚低洼处开挖储水池，四周及底部用水泥砂浆填充抹平以堵塞岩石裂隙，防止渗漏。

通过上述技术措施，可以达到一种修建岩土界面流高效收集方法装置的技术效果。本发明达到了一种简单方便、快速高效的判别和收集岩土界面处的岩土界面流的技术效果，解决了现有技术方案下无法直接确定岩土界面流最佳产流位置的关键性问题，与现有的喀斯特地区蓄水工程技术相比，本技术方案有益效果侧重于岩土界面流的收集与利用，喀斯特地区蓄水工程也不再局限于岩面流等单一收集利用装置，填补了收集岩土界面流方法与装置的空白，为后人深入研究岩土界面流收集与利用提供帮助和指导。

Claims (4)

1.一种喀斯特地区岩土界面流高效收集方法，其步骤是：

1)测钎探测土壤厚度分布：用3至9根长30至40cm的粗钢筋制成简单测钎，根据实地坡面面积，在坡面下坡位按每隔60cm分上中下，左中右纵横三排，插入土层直至底层基岩，用水彩笔标记好测钎插入土层深度，再将测钎拔出，用量尺测量插入土壤的深度并记录，用这种方法得到土层厚度分布，找出测钎插入深度最深的位置，找到一个坡面的下坡位相对土壤层较厚的地方；

2)预测岩土界面处的产流潜力方程：地表以下的土壤层接受上层土壤的包气带排水，土壤含水量逐渐增加，在土壤含水量增加到超过田间持水量后，开始产生自由重力水，就随之产生沿着坡面方向侧向流动的重力水和沿着基岩裂隙深层渗漏的水，岩土界面产流的水来自坡面方向侧向流动的重力水，在岩土界面任一点处瞬时产流潜力预测方程为：

k_s(h)＝k_*hⁿ (2)

式中,q_x(h)为岩土界面任一点处瞬时产流量；h为土层厚度；k_s(h)为土壤渗透系数；α为局部地表坡度；sin为正弦函数，dz为土层厚度变化量；代表对土层厚度从0到h深度的定积分；k_*、n为系数。

2.权利要求1所述一种喀斯特地区岩土界面流高效收集的装置，它由土壤层(1)、岩石层(2)、岩土界面(3)、岩土界面流(4)、下坡位(5)、围水梗(6)、纱网(7)、水泥砂浆(8)、软性填充纱网大孔PVC管(9)、硅酮胶(10)、储水池(11)组成，其特征在于：岩土界面(3)上层为土壤层(1)下层为岩石层(2)，在岩土界面(3)中存在岩土界面流(4)，在土壤层(1)与岩石层(2)和岩土界面(3)存在有下坡位(5)，岩土界面(3)与纱网(7)相连，围水梗(6)与水泥砂浆(8)相连，软性填充纱网大孔PVC管(9)分别与围水梗(6)、储水池(11)相连，用硅酮胶(10)将软性填充纱网大孔PVC管(9)密封连接处的缝隙。

3.根据权利要求2所述一种喀斯特地区岩土界面流高效收集的装置，其特征在于：所述的围水梗(6)高10cm，在开挖土层侧布设纱网(7)，纱网(7)与围水梗(7)用水泥砂浆平滑相连。

4.根据权利要求2所述一种喀斯特地区岩土界面流高效收集的装置，其特征在于：所述的水泥砂浆(8)填平围水梗(6)范围内的凹槽裂隙，在岩土界面(3)流汇集处上开2cm的孔口，孔口与软性填充纱网大孔PVC水管(9)相连并通过硅酮胶(10)密封连接处的缝隙。