CN109709305A - 一种坡地壤中流模拟装置及模拟壤中流的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种坡地壤中流模拟装置及模拟壤中流的方法，解决了现有壤中流模拟装置难以真实反映壤中流实际运移情况的问题。该装置包括基槽和坡度控制槽；坡度控制槽位于基槽的上方，并套设在基槽的外侧；基槽与坡度控制槽之间设置有密封件；坡度控制槽的左端与基槽左侧面板的顶部铰接，右弧面板与基槽右侧面板相适配，前扇面板和后扇面板分别与基槽的前表面板和后表面板相适配；坡度控制槽在角度调节装置的作用下可绕转动轴在基槽的外侧上下运动，进而调节模拟坡度；两个槽均采用透明硬质材料，其上均设置有观测刻度网。采用本装置填装的土体结构与实际坡面相同，呈现出坡地上部土层厚、下部土层薄的结构，可真实反映壤中流实际运移情况。

Description

一种坡地壤中流模拟装置及模拟壤中流的方法

技术领域

本发明属于土壤水分运移研究技术领域，具体涉及了一种坡地壤中流模拟装置及模拟壤中流的方法。

背景技术

壤中流，是一种多孔介质中的水流运动，是在土壤表层或分层土层内的界面上侧向流动的水流，是径流的重要组成部分；因土壤水分受自然环境的影响，变化较为复杂，而壤中流对流域径流调节、水源涵养、泥沙迁移、养分流失以及流域水文循环计算都具有非常重要的作用，因此，对壤中流的研究尤为关键。

关于壤中流的监测方法，最早在水文和水文地质学领域，主要是通过不同降雨过程径流量的变化而进行推测计算，建立了一些数学模型；近几十年来，随着坡地壤中流动态过程及携带污染物强度研究的深入，壤中流监测手段有所改变，主要是采用在径流小区下方土壤与岩石或母质界面处建立单层次的壤中流汇流测定系统，收集测定整个径流小区的壤中流；然而由于天然降水的不可控制性，目前多采用人工模拟降雨控制下进行试验的研究方式。

但现有壤中流的模拟仍存在以下问题：1)模拟装置整体土层厚度基本一致，模拟装置的底部会影响坡地上部壤中流的实际运移情况；2)进行不同坡度调节时，会导致整个土槽倾斜，土槽上部挡板及下部挡板发生相应的倾斜，整个土体结构会受到倾斜力，也会影响坡地壤中流的运移情况；3)缺乏壤中流形成过程中对土体水分及壤中流运移过程的动态监测。以上问题均会对本领域技术人员模拟壤中流的真实度产生较大的影响，研究结果的参考性较差。

发明内容

本发明的目的在于现有壤中流模拟装置难以真实反映壤中流实际运移情况的不足，而提供了一种坡地壤中流模拟装置及模拟壤中流的方法。

为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：

一种坡地壤中流模拟装置，其特殊之处在于，包括基槽和坡度控制槽，坡度控制槽位于基槽的上方，并套设在基槽的外侧；基槽与坡度控制槽之间设置有密封件；所述基槽为顶面开口的箱体，其包括底面板、前表面板、后表面板、左侧面板和右侧面板；其中，底面板、前表面板、后表面板以及左侧面板均为平面板，且前表面板与后表面板的形状和尺寸相同，所述右侧面板为弧面板；所述前表面板、后表面板、左侧面板均与底面板垂直，且前表面板、后表面板均与左侧面板垂直；所述坡度控制槽包括平行设置的形状和尺寸均相同的前扇面板和后扇面板；所述前扇面板和后扇面板的弧形端通过右弧面板固连，前扇面板和后扇面板的圆心端通过转动轴设置在所述基槽左侧面板的顶部；所述坡度控制槽的右弧面板与基槽的右侧面板相适配，前扇面板和后扇面板分别与基槽的前表面板和后表面板相适配；所述坡度控制槽的右弧面板上设置有角度调节装置；坡度控制槽在角度调节装置的作用下可绕转动轴在基槽的外侧上下运动；所述左侧面板沿竖直方向设置多个用于收集水体的导流组件，位于左侧面板顶部的导流组件为表面径流导流板，其余导流组件均为壤中流导流板；所述基槽和坡度控制槽均采用透明硬质材料制成，其上均设置有观测刻度网，便于监测记录土壤水分及壤中流运移情况(该观测刻度网优选可移除式观测刻度网，便于坡度控制槽角度发生变化时，人为进行调整)。

进一步地，还包括设置有刻度的径流收集装置和多个壤中流收集装置；所述表面径流导流板通过管路将表面径流排至径流收集装置内；每个壤中流导流板通过管路将各层壤中流分别排至与其对应的壤中流收集装置内，便于操作人员快速测算出表面径流和壤中流的流速，节约时间。

进一步地，还包括水分监测探针，所述基槽和坡度控制槽上均设置有探针孔；所述水分监测探针通过探针孔插入模拟装置中；该探针孔可以开设多个，分别设置在基槽和坡度控制槽的不同位置、不同深度，用于监测壤中流形成过程土壤水分含量的空间变化及动态变化；该水分检测探针可使用TRD探针。

进一步地，为了便于操作人员观测，所述坡度控制槽右弧面板的顶部设置有示踪剂投放口。

进一步地，所述角度调节装置为液压泵，液压泵的液压杆端与右弧面板铰接，另一端安装在地面上；使用液压泵来调节角度，稳定可靠，操作方便，省时省力且成本低。当然也可采用现有其他形式的角度调节装置。

进一步地，所述基槽的底部长90cm～110cm，宽45cm～55cm，高38cm～42cm，顶部长104cm～110cm；所述基槽左侧面板的顶部与底部之间每隔8cm～12cm设置一个壤中流导流板；所述坡度控制槽前扇面板半径为105cm～111cm，圆心角为20°～25°，体积小，变异便于携带、搬运。

进一步地，基槽下方还设置有支撑组件，该支撑组件可以为支撑架，液压泵的另一端也可以安装在支撑架上，方便整体搬运模拟装置。

进一步地，所述导流组件处还设置有滤网，在左侧面板安装导流组件开口较大时，可用于阻挡过多的土壤随水流出；开口较小时，可不必使用滤网；所述密封件为橡胶密封条；所述基槽和坡度控制槽均采用有机玻璃，轻便、安全、使用寿命长。

本装置可不必设计专用的降雨装置，直接在现有的人工降雨模拟环境中进行试验即可。

本发明还提供了利用上述模拟装置模拟壤中流的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤1)填装基槽

根据模拟坡地的土体结构，利用观测刻度网分层填装基槽，填装基槽时按照实际地层特点控制容重、分层界面坡度及不同质地结构；分层界面下部为与模拟区域下层相同质地的土壤或砾石，上部为与模拟区域上部土壤相同质地的土壤；基槽填装时，可采用不同介质由下至上依次填装，按照刻度网设置不同介质分层界面坡度；更加真实地模拟坡地的土体结构；

步骤2)调节坡度控制槽

按照模拟坡地的地形条件，通过角度调节装置调节坡度控制槽的位置，使模拟装置的整体坡度达到模拟要求；

步骤3)填装坡度控制槽

在调节好的坡度控制槽中继续填装上部土壤，完成土体填装；使模拟装置中的土体结构与待模拟坡地的土体结构尽可能的相近似，减少因土体结构因素导致模拟结果不真实；

步骤4)试验观测

按照设计的降水量进行人工降雨开始试验并计时，通过观测刻度网记录模拟装置中湿润锋的变化情况、观测水流的运移情况；记录开始产生壤中流的时间、以及不同时段壤中流产生的体积；

步骤5)试验测算

待壤中流产生后，通过径流收集装置和各个壤中流收集装置收集产生的径流和壤中流，测算土壤不同深度及介质分层界面处产生的壤中流的量。

进一步地，在步骤3)填装坡度控制槽与步骤4)试验观测之间还包括：插入水分监测探针以及在示踪剂投放口内装入示踪剂；

步骤4)试验观测的具体步骤为：

按照设计的降水量进行人工降雨开始试验并计时，通过观测刻度网记录模拟装置内湿润锋的变化情况、观测水流的运移情况、同时利用示踪剂观察上坡水分的水平运移情况、通过水分监测探针记录壤中流产生过程中各处土壤水分含量的变化情况；记录开始产生壤中流的时间，并测定不同时段壤中流产生的体积，依据壤中流产生的量，可每5min测定一次，待产流稳定后，可逐渐延长测定时间间隔至1h。

本发明的优点是：

1.本发明壤中流模拟装置制作成本较低，包括基槽和坡度控制槽，采用该模拟装置，填装的土体结构与实际坡面相同，呈现出坡地上部土层厚、下部土层薄的结构，可模拟近似真实自然环境下产生壤中流的状态，模拟效果真实；该坡度控制槽的角度可调，适用范围较广；且基槽和坡度控制槽上均设置有便于监测记录土壤水分及壤中流运移情况的观测刻度网，在填装土体时方便技术人员准确模拟实际坡地的土体结构，能准确记录土体结构的组成形式，便于进行对比试验。

2.本发明模拟装置充分考虑了对壤中流流速的监测，沿左侧面板的竖直方向开设了多个导流组件，并使用带有刻度的收集装置，可直接读取不同时段产生的表面径流和壤中流的体积数据，操作简便，节省时间。

3.本发明模拟装置上开设有多个用于插入水分监测探针的探针孔，可填补现有模拟装置中，缺乏在壤中流形成过程中对土体水分及壤中流运移过程的动态监测这一空白。

4.本发明模拟装置的顶部设置有示踪剂投放口，将示踪剂通过该投放口投入其中，使水流携带颜色，方便操作人员观测水流的运移情况以及湿润峰的变化情况。

5.本发明模拟装置的体积较小，便于移动、携带。

附图说明

图1为本发明坡地壤中流模拟装置的结构示意图；

图2为本发明坡地壤中流模拟装置的主视图；

附图标记如下：

1-支撑组件；2-基槽；21-前表面板；22-后表面板；23-左侧面板；24-右侧面板；3-坡度控制槽；31-前扇面板；32-右弧面板；33-后扇面板；4-角度调节装置；5-表面径流导流板；6-壤中流导流板；7-转动轴；8-示踪剂投放口；9-观测刻度网；10-探针孔；11-分层界面。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步的详细描述：

仅仅出于方便的原因，在以下的说明中，使用了特定的方向术语，是以对应的附图为参照的，并不能认为是对本发明的限制，当图面的定义方向发生改变时，这些词语表示的方向应当解释为相应的不同方向。

如图1、图2所示，一种坡地壤中流模拟装置，包括径流收集装置、多个壤中流收集装置、水分监测探针以及自下而上依次设置的支撑架、基槽2和坡度控制槽3；支撑架用于支撑基槽2及坡度控制槽3。

基槽2为顶面开口的箱体，其包括底面板、前表面板21、后表面板22、左侧面板23和右侧面板24；其中，底面板、前表面板21、后表面板22和左侧面板23均为平面板，且前表面板21与后表面板22的形状和尺寸相同，右侧面板24为弧面板；前表面板21、后表面板22、左侧面板23均与底面板垂直，且前表面板21、后表面板22均与左侧面板23垂直。该基槽2的底部长100cm，宽50cm，高40cm，顶部长107cm。基槽2的左侧面板23为集流面板，其顶部设置有表面径流导流板5，表面径流导流板5通过管路将径流排至径流收集装置内；其底部设置壤中流导流板6，顶部与底部之间沿竖直方向每隔10cm设置有一个壤中流导流板6，每个壤中流导流板6通过管路将各层壤中流分别排至与其对应的壤中流收集装置内，便于操作人员监测各层壤中流的流速。为了防止土壤随水体流出，径流收集装置和多个壤中流收集装置均设置有滤网(滤网及收集装置图中均未示出)。

坡度控制槽3套设在基槽2外侧，包括平行设置的形状和尺寸均相同的前扇面板31和后扇面板33；前扇面板31和后扇面板33的弧形端通过右弧面板32固连，前扇面板31和后扇面板33的圆心端通过转动轴7设置在所述基槽2左侧面板23的顶部。

其中，右弧面板32与基槽2右侧面板24相适配；前扇面板31和后扇面板33分别与基槽2的前表面板21和后表面板22相适配；坡度控制槽3前扇面板31的半径为108cm，圆心角为22°。为了便于操作人员观测，坡度控制槽3右弧面板32的顶部设置有示踪剂投放口8。

坡度控制槽3的右弧面板32上设置有角度调节装置4，角度调节装置4可采用液压泵，液压泵的液压杆与右弧面板32铰接，液压泵的另一端安装在支撑架上；坡度控制槽3在角度调节装置4的作用下可绕转动轴7在基槽2的外侧上下运动；且基槽2和坡度控制槽3之间设置有橡胶密封条，以防止水分从两个槽体的重叠处渗漏。基槽2和坡度控制槽3均采用有机玻璃，其上均设置有便于监测记录土壤水分及壤中流运移情况的观测刻度网9(尤其是坡度控制槽3上观测刻度网9优选可移除式观测刻度网9，可根据坡度的变化随时调整观测刻度网9的位置)。

基槽2和坡度控制槽3上均设置有多个探针孔10；多个水分监测探针(该水分检测探针可使用TRD探针)通过探针孔10插入模拟装置的土体内；多个探针孔10分别设置在基槽2和坡度控制槽3的不同位置、不同深度，用于监测壤中流形成过程土壤水分含量的空间变化及动态变化；在不需要监测水分含量的变化时，可使用堵头将探针孔10堵住。

本装置可不必设计专用的降雨装置，直接在现有的人工降雨模拟环境中进行使用即可。

本发明还提供了一种利用上述模拟装置模拟壤中流的方法，包括以下步骤：

步骤1)填装基槽

根据模拟坡地的土体结构，利用观测刻度网9分层填装基槽2，填装基槽2时按照实际地层特点控制容重、分层界面11坡度及不同质地结构；分层界面11下部为与模拟区域下层相同质地的土壤或砾石等，上部为与模拟区域上部土壤相同质地的土壤；基槽2填装时，可采用不同介质由下至上依次填装，按照刻度网设置不同介质分层界面11坡度；更加真实地模拟坡地的土体结构；

步骤2)调节坡度控制槽

按照模拟坡地的地形条件，通过角度调节装置4调节坡度控制槽3的位置，使模拟装置的整体坡度达到模拟要求；

步骤3)填装坡度控制槽

在调节好的坡度控制槽3中继续填装土壤，完成土体填装；使模拟装置中的土体结构与待模拟坡地的土体结构尽可能的相近似，减少因土体结构因素导致模拟结果不真实；

步骤4)插入水分监测探针

将水分监测探针通过探针孔10插入土体中；

步骤5)装入示踪剂

在示踪剂投放口8内装入示踪剂；

步骤6)试验观测

按照设计的降水量进行人工降雨开始试验并计时，通过观测刻度网9记录模拟装置内湿润锋的变化情况、观测水流的运移情况、同时利用示踪剂观察上坡水分的水平运移情况、通过水分监测探针记录壤中流产生过程中各处土壤水分含量的变化情况；记录开始产生壤中流的时间，并测定不同时段壤中流产生的体积，依据壤中流产生的量，可每5min测定一次，待产流稳定后，可逐渐延长测定时间间隔至1h；

步骤7)试验测算

待壤中流产生后，通过径流收集装置和各个壤中流收集装置收集产生的径流和壤中流，测算土壤不同深度及介质分层界面11处产生的壤中流的量。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种坡地壤中流模拟装置，其特征在于：包括基槽(2)和坡度控制槽(3)，坡度控制槽(3)位于基槽(2)的上方，并套设在基槽(2)的外侧；基槽(2)与坡度控制槽(3)之间设置有密封件；

所述基槽(2)为顶面开口的箱体，其包括底面板、前表面板(21)、后表面板(22)、左侧面板(23)和右侧面板(24)；其中，底面板、前表面板(21)、后表面板(22)以及左侧面板(23)均为平面板，且前表面板(21)与后表面板(22)的形状和尺寸相同，所述右侧面板(24)为弧面板；所述前表面板(21)、后表面板(22)、左侧面板(23)均与底面板垂直，且前表面板(21)、后表面板(22)均与左侧面板(23)垂直；

所述坡度控制槽(3)包括平行设置的形状和尺寸均相同的前扇面板(31)和后扇面板(33)；所述前扇面板(31)和后扇面板(33)的弧形端通过右弧面板(32)固连，前扇面板(31)和后扇面板(33)的圆心端通过转动轴(7)设置在所述基槽(2)左侧面板(23)的顶部；

所述坡度控制槽(3)的右弧面板(32)与基槽(2)的右侧面板(24)相适配，前扇面板(31)和后扇面板(33)分别与基槽(2)的前表面板(21)和后表面板(22)相适配；

所述坡度控制槽(3)的右弧面板(32)上设置有角度调节装置(4)；坡度控制槽(3)在角度调节装置(4)的作用下可绕转动轴(7)在基槽(2)的外侧上下运动；

所述左侧面板(23)沿竖直方向设置多个用于收集水体的导流组件；位于左侧面板(23)顶部的导流组件为表面径流导流板(5)，其余导流组件均为壤中流导流板(6)；

所述基槽(2)和坡度控制槽(3)均采用透明硬质材料，其上均设置有观测刻度网(9)。

2.根据权利要求1所述的坡地壤中流模拟装置，其特征在于：还包括设置有刻度的径流收集装置和多个壤中流收集装置；所述表面径流导流板(5)通过管路将表面径流排至径流收集装置内；每个壤中流导流板(6)通过管路将各层壤中流分别排至与其对应的壤中流收集装置内。

3.根据权利要求1或2所述的坡地壤中流模拟装置，其特征在于：还包括水分监测探针，所述基槽(2)和坡度控制槽(3)上均设置有探针孔(10)；所述水分监测探针通过探针孔(10)插入模拟装置中。

4.根据权利要求3所述的坡地壤中流模拟装置，其特征在于：所述坡度控制槽(3)右弧面板(32)的顶部设置有示踪剂投放口(8)。

5.根据权利要求4所述的坡地壤中流模拟装置，其特征在于：所述角度调节装置(4)为液压泵。

6.根据权利要求5所述的坡地壤中流模拟装置，其特征在于：

所述基槽(2)的底部长90cm～110cm，宽45cm～55cm，高38cm～42cm，顶部长104cm～110cm；所述基槽(2)左侧面板(23)的顶部与底部之间每隔8cm～12cm设置一个壤中流导流板(6)；

所述坡度控制槽(3)前扇面板(31)半径为105cm～111cm，圆心角为20°～25°。

7.根据权利要求6所述的坡地壤中流模拟装置，其特征在于：基槽(2)下方还设置有支撑组件(1)。

8.根据权利要求7所述的坡地壤中流模拟装置，其特征在于：所述导流组件处还设置有滤网；所述密封件为橡胶密封条；所述基槽(2)和坡度控制槽(3)均采用有机玻璃。

9.利用权利要求1-8任一所述模拟装置模拟壤中流的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)填装基槽

根据模拟坡地的土体结构，利用观测刻度网分层填装基槽，填装基槽时按照实际地层特点控制容重、分层界面坡度及不同质地结构；分层界面下部为与模拟区域下层相同质地的土壤或砾石，上部为与模拟区域上部土壤相同质地的土壤；

步骤2)调节坡度控制槽

按照模拟坡地的地形条件，通过角度调节装置调节坡度控制槽的位置，使模拟装置的整体坡度达到模拟要求；

步骤3)填装坡度控制槽

在调节好的坡度控制槽中继续填装上部土壤，完成土体填装；

步骤4)试验观测

按照设计的降水量进行人工降雨开始试验并计时，通过观测刻度网记录模拟装置中湿润锋的变化情况、观测水流的运移情况；记录开始产生壤中流的时间、以及不同时段壤中流产生的体积；

步骤5)试验测算

待壤中流产生后，通过径流收集装置和各个壤中流收集装置收集产生的径流和壤中流，测算土壤不同深度及介质分层界面处产生的壤中流的量。

10.根据权利要求9所述模拟壤中流的方法，其特征在于，在步骤3)填装坡度控制槽与步骤4)试验观测之间还包括：插入水分监测探针以及在示踪剂投放口内装入示踪剂；

所述步骤4)试验观测的具体步骤为：

按照设计的降水量进行人工降雨开始试验并计时，通过观测刻度网记录模拟装置内湿润锋的变化情况、观测水流的运移情况、同时利用示踪剂观察上坡水分的水平运移情况、通过水分监测探针记录壤中流产生过程中各处土壤水分含量的变化情况；记录开始产生壤中流的时间，并测定不同时段壤中流产生的体积，依据壤中流产生的量，可每5min测定一次，待产流稳定后，可逐渐延长测定时间间隔至1h。