CN109580915A - 一种水力侵蚀运移过程物理模拟装置及模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水力侵蚀运移过程物理模拟装置，包括底座、设于底座上的沟道系统、设于沟道系统中的定向动力驱动装置、以及设于沟道系统上部的过程降雨模拟装置，所述沟道系统由多条沟道组成闭合循环回路，相邻沟道形成弧形沟道连接处，外侧弧形沟道处设置定向动力驱动装置，所述过程降雨模拟装置按规程固定安装在任一沟道上，用于人工模拟降雨。本发明还涉及使用该水力侵蚀运移过程物理模拟装置进行模拟的方法，使用该方法能够模拟自然条件下径流‑泥沙运移特征以及运移过程中降雨对径流‑泥沙体系的协同作用，克服了自然条件下对水力侵蚀运移过程参数进行有效观测的不确定性，进而为水力侵蚀运移过程相关机理研究提供了有效方法。

Description

一种水力侵蚀运移过程物理模拟装置及模拟方法

技术领域

本发明涉及土壤侵蚀过程及其环境效应观测技术领域，具体是一种水力侵蚀运移过程物理模拟装置及模拟方法。

背景技术

土壤水力侵蚀不仅造成水土资源流失，而且其带来的面源污染已成为破坏水生态环境的重要污染物来源。然而，由于自然水文过程的复杂性和不确定性，自然条件下实现对土壤水力侵蚀运移过程的精准观测变得十分困难，尤其涉及到土壤水力侵蚀运移过程中微观环境要素及其效应的观测，现阶段基本无法获得可靠精准的数据，从而导致土壤水力侵蚀运移过程相关机理层面的研究因研究方法和技术工具的局限而受到限制，进而给现阶段水生态环境保护及区域碳循环过程控制与管理造成理论支撑上的瓶颈。鉴于此，研发一种基于自然过程的物理模拟模型装置以实现精准有效的观测成为必要。

发明内容

本发明的目的在于为了克服自然条件下实现对土壤水力侵蚀运移过程参数进行有效观测的不确定性，提供一种水力侵蚀运移过程物理模拟装置及模拟方法。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

一种水力侵蚀运移过程物理模拟装置，包括底座、设于底座上的沟道系统、设于沟道系统中的定向动力驱动装置、以及设于沟道系统上部的过程降雨模拟装置，所述沟道系统由多条沟道组成闭合循环回路，相邻沟道形成弧形沟道连接处，外侧弧形沟道处设置定向动力驱动装置，所述定向动力驱动装置用于提供水力侵蚀径流-泥沙体系在沟道内运移的驱动力，所述过程降雨模拟装置按规程固定安装在任一沟道上，用于人工模拟降雨。

进一步的，所述定向动力驱动装置包括固定于外侧弧形沟道壁板上边缘的电动机固定板、固定于电动机固定板的电动机、搅拌叶片，所述搅拌叶片位于电动机固定板下方，固定安装在所述电动机的传动轴上形成搅拌涡轮。

进一步的，所述底座包括平面底板及安装在平面底板下部四角的支脚。

进一步的，所述沟道为顶部不设盖板的明渠沟道。

进一步的，所述沟道系统由至少六条沟道组成闭合循环回路，分别是依次平行相连设置的第一沟道、第二沟道、第三沟道、第四沟道、第五沟道、第六沟道，相邻沟道共形成五个弧形沟道连接处，其中内侧两个，外侧三个，所述沟道系统的最外侧两条沟道，即第一沟道和第六沟道，连通形成外侧连通边沟。

进一步的，所述最外侧沟道的外壁板设置有流速测量刻度线和径流泥沙采集管阵列，所述流速测量刻度线设置在所述沟道最外侧两条沟道的外壁板外侧，且位于所述径流泥沙采集管阵列上方；所述径流泥沙采集管阵列由多根管径垂直于最外侧沟道外壁板排列的径流泥沙采集管组成。

进一步的，所述径流泥沙采集管阵列由四根竖向排列的径流泥沙采集管组成，采样管自下而上长度逐渐增加。

进一步的，所述过程降雨模拟装置为不设盖板的长方体水槽，内部宽度与所述沟道内宽相当，材质为透明硬质材料，所述过程降雨模拟装置底部设置降雨模拟孔阵列，所述过程降雨模拟装置底部设置固定卡槽，用于将所述过程降雨模拟装置固定在所述沟道上。

进一步的，所述过程降雨模拟装置的侧壁设有水量刻度线，用来记录模拟降雨量。

一种应用上述水力侵蚀运移过程物理模拟装置对水力侵蚀运移过程进行人工模拟观测的方法，包括如下步骤：

步骤一、实验前检查所述水力侵蚀运移过程物理模拟装置，确保设备摆放平稳，同时确保所述径流泥沙采集管出口由橡皮塞封好；

步骤二、从野外采集土壤样品，根据实验设计，对土壤样品进行过筛；在所述沟道内平铺装填上述土壤样品(团聚体)；轻度压实土壤样品，并控制土壤容重和初始含水量在实验设计的范围内；

步骤三、从所述外侧连通边沟处缓慢注入实验所需量的水，构建水-沙(土壤)两相体系，确保构建的水-沙(土壤)两相体系在外力驱动下可以形成径流-泥沙运移体系；

步骤四、根据实验设计，选取与设计降雨强度对应孔径的过程降雨模拟装置，将所述过程降雨模拟装置的固定卡槽对准所述沟道，将所述过程降雨模拟装置固定安装在任一沟道上；

步骤五、打开所述电动机，启动定向动力驱动装置，根据实验设计设置电动机转速，实现径流-泥沙运移动态体系，开始水力侵蚀运移过程模拟实验，同时记录实验开始时间；

步骤六、根据实验设计，向所述过程降雨模拟装置内注入实验需求量的水，开始向所述沟道内泥沙运移体系中施加人工模拟降雨，同时记录人工模拟降雨开始时间，根据实验设计适时终止人工模拟降雨实验，记录人工模拟降雨结束时间，结合所述水量刻度线记录模拟降雨量；

步骤七、观察所述沟道中径流-泥沙运移动态体系，一旦运移速度持续稳定，对照所述流速测量刻度线，采用水面浮动标识物法测量径流-泥沙运移体系流速，结合记录的运移时间，测算径流-泥沙体系迁移的距离；

步骤八、根据实验设计确定的采样时间，适时打开所述径流泥沙采集管的橡皮塞，开展径流、泥沙样品采集，其中所述径流泥沙采集管阵列从下至上可实现分层采样；

步骤九、实验结束，关闭所述电动机，清理所述沟道系统、所述定向动力驱动装置的搅拌叶片以及所述径流泥沙采集管阵列。

本发明具有以下积极效果：操作方便，模拟精度高，克服了自然条件下实现对土壤水力侵蚀运移过程参数进行有效观测的不确定性，实现了对土壤水力侵蚀运移过程的有效模拟和精准观测，尤其实现了对土壤水力侵蚀运移过程中微观环境要素及其效应的观测，为土壤水力侵蚀运移过程相关机理层面的研究提供了有效的方法；通过控制定向搅拌动力输出、模拟降雨量和降雨强度以及采样时间等，能够模拟自然条件下不同地形地貌驱动下径流-泥沙迁移速度、距离以及运移过程中降雨击溅对径流-泥沙体系的协同影响，进而为水力侵蚀运移过程中径流泥沙两相作用、土壤团聚体破碎及其内部物质释放、面源污染物降解矿化等研究提供可靠手段，应用范围极为广泛。

附图说明

图1为本发明水力侵蚀运移过程物理模拟装置的俯视图；

图2为图1中A-A剖视图；

图3(a)为本发明中沟道系统的俯视图，图3(b)为本发明中沟道系统的侧视图，图3(c)为本发明中沟道系统的左视图；

图4为本发明电动机固定板的结构示意图；

图5为本发明定向动力驱动装置的结构示意图；

图6(a)为本发明过程降雨模拟装置的俯视图，图6(b)为本发明过程降雨模拟装置的侧视图，图6(c)为本发明过程降雨模拟装置的左视图；

图7为本发明水力侵蚀运移过程物理模拟装置的立体结构示意图。

图中：1—径流泥沙采集管阵列；2—螺孔；3—外侧连通边沟；4—流速测量刻度线；5—电动机；6—电动机固定板；7—搅拌叶片；8—电动机动力传动孔；9—固定孔；10—降雨模拟孔阵列；11—固定卡槽；12—水量刻度线，101—第一沟道，102—第二沟道，103—第三沟道，104—第四沟道，105—第五沟道，106—第六沟道，100—沟道系统，200—定向动力驱动装置，300—定向动力驱动装置，400—底座，410—平面底板，420—支脚。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1和图7所示，为本发明一种水力侵蚀运移过程物理模拟装置其中一个实施例，包括底座400、沟道系统100(图3)、定向动力驱动装置200(图4和图5)、过程降雨模拟装置300(图6)。

所述底座400包括平面底板410及安装在平面底板410下部四角的支脚420，所述平面底板410采用硬质平面底板，材质为PVC塑料或轻质金属，所述支脚420为硬质塑料，通过强力胶粘剂外加螺丝安装固定在所述平面底板410下表面四角。所述沟道系统100设置在底座400的上表面，所述沟道系统100的投影面积和所述底座面积相当，所述沟道系统100与所述底座400之间可通过强力胶粘剂胶结固定安装。

如图3(a)-3(c)所示，优选地，所述沟道系统100由六条沟道组成闭合循环回路，分别是依次平行相连设置的第一沟道101、第二沟道102、第三沟道103、第四沟道104、第五沟道105、第六沟道106，沟道壁板材质为5mmPVC透明塑料，沟道内宽为100mm，深度为300mm。所述沟道均为顶部不设盖板的明渠沟道，长度1000mm，相邻两个沟道通过半径为102.5mm的弧形沟道连通，相邻沟道共形成五个弧形沟道连接处，其中内侧两个，外侧三个。所述外侧弧形沟道处设置定向动力驱动装置200，所述定向动力驱动装置200用于提供水力侵蚀径流-泥沙体系在沟道内运移的驱动力。所述定向动力驱动装置200包括电动机固定板6、电动机5及设于电动机5输出轴的搅拌叶片7，本实施例中定向动力驱动装置200有三个。

所述电动机5通过螺丝固定在电动机固定板6上方；所述电动机固定板6材质为10mm硬质PVC塑料板，电动机固定板6上设置电动机动力传动孔8、固定孔9(如图4所示)，所述外侧弧形沟道壁板上边缘设置有螺孔2，所述电动机固定板6上的固定孔9与螺丝孔2一一对应，安装时通过螺钉穿过固定孔9锁固于螺孔2，从而将电动机固定板6固定在外侧弧形沟道壁板，然后三个电动机5间隔安装在电动机固定板6上，位置与三个外侧弧形沟道对应，即如图1所示，第一个电动机5位于第一沟道101、第二沟道102的外侧弧形沟道之间，第二个电动机5位于第三沟道103、第四沟道104的外侧弧形沟道之间，第三个电动机5位于第五沟道105、第六沟道106的外侧弧形沟道之间。所述电动机5传动轴穿过所述电动机动力传动孔8与搅拌叶片7连接(如图5所示)；所述搅拌叶片7位于电动机固定板6下方，固定安装在所述电动机5的传动轴上形成搅拌涡轮。

所述沟道系统100的最外侧两条沟道(即第一沟道101和第六沟道106)连通形成外侧连通边沟3，其外壁板设置有流速测量刻度线4和径流泥沙采集管阵列1。所述流速测量刻度线4设置在所述沟道最外侧两条沟道的外壁板3外侧，且位于所述径流泥沙采集管阵列1上方，以醒目颜色做标记。所述径流泥沙采集管阵列1由四根直径为15mm的竖向排列的径流泥沙采集管组成，管径垂直于最外侧沟道外壁板排列，采样管间距为30mm，采样管自下而上长度逐渐增加，例如分别为10mm、20mm、30mm和40mm，其中最底部径流泥沙采集管与沟道底面相切。所述径流泥沙采集管由PVC透明管和橡皮塞组成。径流泥沙采集管的管口使用橡皮塞密封，采集时将橡皮塞打开即可。

请结合参考图6(a)-6(c)，所述沟道上方根据模拟实验需要安装过程降雨模拟装置300，所述过程降雨模拟装置300通过自身底部设置的固定卡槽11与所述沟道上设置的插接沟槽固定。

所述过程降雨模拟装置300为不设盖板的长方体水槽，内部长宽高分别为180mm、90mm和100mm，材质为5mm厚PVC塑料；所述过程降雨模拟装置300底部设置降雨模拟孔阵列10和固定卡槽11。所述降雨模拟孔阵列10设置在所述过程降雨模拟装置300的底板，由排列整齐、分布均匀的降雨模拟孔组成，所述降雨模拟孔根据实验对降雨强度的需求设置不同孔径，用以控制降雨强度，优选地，降雨模拟孔直径设为5mm；过程降雨模拟装置300的侧壁设有水量刻度线12，用来记录模拟降雨量。

本发明还提供一种应用上述的水力侵蚀运移过程物理模拟装置对水力侵蚀运移过程进行人工模拟观测的方法，包括如下步骤：

步骤一、实验前检查所述水力侵蚀运移过程物理模拟装置，确保设备摆放平稳，同时确保所述径流泥沙采集管出口由橡皮塞封好；

步骤二、从野外采集土壤样品，根据实验设计，对土壤样品进行过筛；在所述沟道内平铺装填上述土壤样品(团聚体)；轻度压实土壤样品，并控制土壤容重和初始含水量在实验设计的范围内；

步骤三、从所述外侧连通边沟处缓慢注入实验所需量的水，构建水-沙(土壤)两相体系，确保构建的水-沙(土壤)两相体系在外力驱动下可以形成径流-泥沙运移体系；

步骤四、根据实验设计，选取孔径为5mm的过程降雨模拟装置，将所述5mm孔径的过程降雨模拟装置按规程固定安装在任一沟道上；

步骤五、打开所述电动机5，启动定向动力驱动装置，根据实验设计设置电动机5转速，实现径流-泥沙运移动态体系，开始水力侵蚀运移过程模拟实验，同时记录实验开始时间；

步骤六、根据实验设计，向所述过程降雨模拟装置内注入实验需求量的水，开始向所述沟道内泥沙运移体系中施加人工模拟降雨，同时记录人工模拟降雨开始时间，根据实验设计适时终止人工模拟降雨实验，记录人工模拟降雨结束时间，结合所述水量刻度线12记录模拟降雨量；

步骤七、观察所述沟道中径流-泥沙运移动态体系，一旦运移速度持续稳定，对照所述流速测量刻度线4，采用水面浮动标识物法测量径流-泥沙运移体系流速，结合记录的运移时间，测算径流-泥沙体系迁移的距离；具体的，待沟道内流速平稳时候，在流速测量刻度线4起始位置处的水面上放一浮动标记物(例如纸屑等)，同时打开秒表，记录起始时刻，待标记物漂到刻度线末端位置，按下秒表，结合这个时间段和刻度线长度，就可以算出流速。

步骤八、根据实验设计确定的采样时间，适时打开所述径流泥沙采集管的橡皮塞，开展径流、泥沙样品采集，其中所述径流泥沙采集管阵列从下至上可实现分层采样；

步骤九、实验结束，关闭所述电动机5，清理所述沟道系统100、所述定向动力驱动装置200的搅拌叶片7以及所述径流泥沙采集管阵列1。

本说明书中未作详细描述的内容均为现有技术。

Claims (10)

1.一种水力侵蚀运移过程物理模拟装置，其特征在于：包括底座、设于底座上的沟道系统、设于沟道系统中的定向动力驱动装置、以及设于沟道系统上部的过程降雨模拟装置，所述沟道系统由多条沟道组成闭合循环回路，相邻沟道形成弧形沟道连接处，外侧弧形沟道处设置定向动力驱动装置，所述定向动力驱动装置用于提供水力侵蚀径流-泥沙体系在沟道内运移的驱动力，所述过程降雨模拟装置按规程固定安装在任一沟道上，用于人工模拟降雨。

2.如权利要求1所述的水力侵蚀运移过程物理模拟装置，其特征在于：所述定向动力驱动装置包括固定于外侧弧形沟道壁板上边缘的电动机固定板、固定于电动机固定板上的电动机、搅拌叶片，所述搅拌叶片位于电动机固定板下方，固定安装在所述电动机的传动轴上形成搅拌涡轮。

3.如权利要求1所述的水力侵蚀运移过程物理模拟装置，其特征在于：所述底座包括平面底板及安装在平面底板下部四角的支脚。

4.如权利要求1所述的水力侵蚀运移过程物理模拟装置，其特征在于：所述沟道为顶部不设盖板的明渠沟道。

5.如权利要求1所述的水力侵蚀运移过程物理模拟装置，其特征在于：所述沟道系统由至少六条沟道组成闭合循环回路，分别是依次平行相连设置的第一沟道、第二沟道、第三沟道、第四沟道、第五沟道、第六沟道，相邻沟道共形成五个弧形沟道连接处，其中内侧两个，外侧三个，所述沟道系统的最外侧两条沟道，即第一沟道和第六沟道，连通形成外侧连通边沟。

6.如权利要求5所述的水力侵蚀运移过程物理模拟装置，其特征在于：所述最外侧沟道的外壁板设置有流速测量刻度线和径流泥沙采集管阵列，所述流速测量刻度线设置在所述沟道最外侧两条沟道的外壁板外侧，且位于所述径流泥沙采集管阵列上方；所述径流泥沙采集管阵列由多根管径垂直于最外侧沟道外壁板排列的径流泥沙采集管组成。

7.如权利要求6所述的水力侵蚀运移过程物理模拟装置，其特征在于：所述径流泥沙采集管阵列由四根竖向排列的径流泥沙采集管间隔排列组成，采样管自下而上长度逐渐增加。

8.如权利要求1所述的水力侵蚀运移过程物理模拟装置，其特征在于：所述过程降雨模拟装置为不设盖板的长方体水槽，内部宽度与所述沟道内宽相当，材质为透明硬质材料，所述过程降雨模拟装置底部设置降雨模拟孔阵列，所述过程降雨模拟装置底部设置固定卡槽，用于将所述过程降雨模拟装置固定在所述沟道上。

9.如权利要求8所述的水力侵蚀运移过程物理模拟装置，其特征在于：所述过程降雨模拟装置的侧壁设有水量刻度线，用来记录模拟降雨量。

10.一种应用如权利要求1-9中任一项所述的水力侵蚀运移过程物理模拟装置对水力侵蚀运移过程进行人工模拟观测的方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一、实验前检查所述水力侵蚀运移过程物理模拟装置，确保设备摆放平稳，同时确保所述径流泥沙采集管出口由橡皮塞封好；

步骤二、从野外采集土壤样品，根据实验设计，对土壤样品进行过筛；在所述沟道内平铺装填上述土壤样品(团聚体)；轻度压实土壤样品，并控制土壤容重和初始含水量在实验设计的范围内；

步骤三、从所述外侧连通边沟处缓慢注入实验所需量的水，构建水-沙(土壤)两相体系，确保构建的水-沙(土壤)两相体系在外力驱动下可以形成径流-泥沙运移体系；

步骤四、根据实验设计，选取与设计降雨强度对应孔径的过程降雨模拟装置，将所述过程降雨模拟装置的固定卡槽对准所述沟道，将所述过程降雨模拟装置固定安装在任一沟道上；

步骤五、打开所述电动机，启动定向动力驱动装置，根据实验设计设置电动机转速，实现径流-泥沙运移动态体系，开始水力侵蚀运移过程模拟实验，同时记录实验开始时间；

步骤六、根据实验设计，向所述过程降雨模拟装置内注入实验需求量的水，开始向所述沟道内泥沙运移体系中施加人工模拟降雨，同时记录人工模拟降雨开始时间，根据实验设计适时终止人工模拟降雨实验，记录人工模拟降雨结束时间，结合所述水量刻度线记录模拟降雨量；

步骤七、观察所述沟道中径流-泥沙运移动态体系，一旦运移速度持续稳定，对照所述流速测量刻度线，采用水面浮动标识物法测量径流-泥沙运移体系流速，结合记录的运移时间，测算径流-泥沙体系迁移的距离；

步骤八、根据实验设计确定的采样时间，适时打开所述径流泥沙采集管的橡皮塞，开展径流、泥沙样品采集，其中所述径流泥沙采集管阵列从下至上可实现分层采样；

步骤九、实验结束，关闭所述电动机，清理所述沟道系统、所述定向动力驱动装置的搅拌叶片以及所述径流泥沙采集管阵列。