CN111504891A - 一种复合侵蚀作用对水土流失影响的模拟量化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合侵蚀作用对水土流失影响的模拟量化方法，即综合利用人工模拟降雨试验、风洞试验和冻融循环试验手段，将装填好的试验土槽沿轨道在室内人工降雨‑风洞‑冻融循环实体模型的各区域间移动，通过多种试验装置的联合运用，实现对不同复合侵蚀模式的模拟，来确定不同复合侵蚀作用下的水土流失影响量，再根据驱动因子离解方案，分离出水力、风力、冻融等各驱动因子对水土流失影响的贡献率。本发明的技术方案实用、有效，既能够量化复合侵蚀系统中不同动力耦合作用下的水土流失影响量，又能够分离出复合侵蚀系统中各驱动因子贡献率。

Description

一种复合侵蚀作用对水土流失影响的模拟量化方法
技术领域
本发明涉及水土流失研究技术领域。具体涉及一种复合侵蚀作用对水土流失影响的模拟量化方法。
背景技术
土壤侵蚀是土壤或母质在水力、风力、重力、冻融等内外营力作用下被破坏、剥离和搬运的过程，这一过程可以是其中一种力引起的，也有可能是多种力引起的，而多种力的作用关系往往比较复杂，如可以是复合关系、交替关系，亦或是交互关系，由此形成了不同的侵蚀类型，从广义上讲，均可称之为复合侵蚀。复合侵蚀往往强度高，会严重导致生态环境退化，是水土保持与生态治理研究中的重点问题。
复合侵蚀可以分为两种类型，一种是多种外营力同时发生、耦合作用，致使复合侵蚀力有别于单一侵蚀营力的特点，例如暴风雨等；另一种是多种外营力交替发生，一种侵蚀营力对地表物质的侵蚀、搬运及沉积，为另一种侵蚀营力的再作用提供了物质基础，例如在水力、风力、冻融交替作用下的侵蚀产沙过程中，风力、冻融侵蚀为水力侵蚀提供了侵蚀物质来源，直接影响侵蚀物质的传递与转化，从而对侵蚀产沙过程形成调控机制。
目前，复合侵蚀研究最大的难点之一是从总侵蚀量中分离各动力作用的贡献量。在复合侵蚀系统中，水力、风力、冻融等多种驱动因子间通过下垫面、水流、风沙流、侵蚀物质等媒介发生耦合作用，由于在不同驱动因子作用下物质运移的方向性与维度不同，其各自的贡献率尚无法直接测量，通常是作为独立的过程分别测量。如授权公告号为CN205749231 U的实用新型专利“坡面水蚀监测装置”公开了一种能够提高测量土壤迁移量准确性的坡面水蚀监测装置；公开号为CN 106813892 A的发明专利“一种土壤风蚀圈内土壤风蚀量的测量方法”通过设置土壤风蚀圈，然后，测量风速风向，最后，计算与土壤风蚀量相关的物理参数以及土壤风蚀圈内的土壤风蚀量。王向阳(王向阳.西藏高原冻融侵蚀观测探索[J].中国水土保持,2014,(011):51-52,53.)以那曲县那曲镇卧弄曲冻融侵蚀监测点为例，介绍了寒冻剥蚀、热融滑塌侵蚀观测场监测设施的布置和观测方法。
这种测量单个驱动因子的方法存在2个明显的不足：(1)忽视了复合侵蚀系统的完整性，没有把水力-风力-冻融作为一个动力耦合系统，(2)难以从总侵蚀量中分离各驱动因子的贡献量，无法确定多相侵蚀过程中各驱动因子的贡献率。因此，如何提供一种既能够量化复合侵蚀系统中不同动力耦合作用下的水土流失影响量，又能够分离出复合侵蚀系统中各驱动因子贡献率的方法，成为了亟需解决的问题。
发明内容
本发明为了解决现有技术中独立测量不同驱动因子贡献率不能准确反应多相侵蚀系统中各个驱动因子贡献量的问题，提供一种利用室内模拟试验来量化复合侵蚀作用下各驱动因子对水土流失影响的技术方案。通过模拟试验，量化冻融-风力-水力复合侵蚀过程中的水土流失量，通过对水力、风力、冻融耦合系统中侵蚀动力过程的拆解，剥离各动力因子对侵蚀产沙过程的贡献率。
为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：
一种复合侵蚀作用对水土流失影响的模拟量化方法，综合利用人工模拟降雨试验、风洞试验和冻融循环试验手段，将装填好的试验土槽沿轨道在室内人工降雨-风洞-冻融循环实体模型的各区域间来回移动，通过多种试验装置的联合运用，实现对不同复合侵蚀模式的模拟，来确定不同复合侵蚀作用下的水土流失影响量，再根据驱动因子离解方案，分离出水力、风力、冻融等各驱动因子对水土流失影响的贡献率。
所述的室内人工降雨-风洞-冻融循环实体模型，包括封闭式制冷实验室、人工模拟降雨系统和紧凑回流式低紊流风洞，所述封闭式制冷实验室、人工模拟降雨系统和紧凑回流式低紊流风洞之间通过轨道连接，试验土槽通过轨道实现在封闭式制冷实验室、人工模拟降雨系统和紧凑回流式低紊流风洞之间的移动。
所述封闭式制冷实验室，包括7.5m×3m×4m(长×宽×高)的冷冻箱，箱体采用彩钢聚氨酯硬泡夹芯保温板制成，内置两台工业空调，模拟温度范围0～-30℃，可模拟自然条件下土壤冻融循环过程。
所述的人工模拟降雨系统，包括下喷式模拟降雨器、压力管道、计算机控制系统和蓄水池，每组降雨器上配备5个不同大小的喷头，喷头喷洒雨滴的直径范围在0～3mm，可以模拟30～180mm/h的降雨强度，喷头距地面22m，可使95％以上的雨滴终速达到天然降雨终速，通过计算机控制系统界面可以设定降雨强度和时间。
所述的紧凑回流式低紊流风洞，根据空气动力学原理设计，试验段内直径4m，全长30m，风洞内安装风机、导风板和自动风速采集器，风速风向可自动交替变换，模拟范围0～30m/s，可以实现自由控制来模拟外界自然风，模拟风速大小可在自动风速采集器上直接读出。
所述的试验土槽为5m×1m×0.6m(长×宽×高)的标准可调坡度土槽，坡度变化范围在0～30°之间，土槽底设有直径为5mm的透水孔，以保证土壤水自由入渗，土槽底架上装有四个轮子，可在轨道上来回滑动，在试验土槽内埋设全自动水分-地温采集系统，配置5通道水分-地温传感器，测点沿土层纵向埋深分别为10cm、20cm、30cm、40cm、50cm，实时获取5个层面土壤水分和温度变化过程。
所述的轨道为由条形钢材铺成的路线，连接封闭式制冷实验室、紧凑回流式低紊流风洞和人工模拟降雨系统。
所述的复合侵蚀模式为通过对风力、水利、冻融三种单一动力侵蚀过程的组合，得到的以水蚀过程为主的水蚀、风蚀+水蚀、风蚀+冻融+水蚀等多种动力组合模式，具体控制参数，包括：风力、起风天数、地温、冻融循环次数、降雨强度、降雨量、土壤水分，可根据研究区实际观测的阈值和作用规律设定。
所述的驱动因子离解方案为通过不同动力组合过程的对比分析，实现对复合侵蚀中水力、风力、冻融作用过程的离解。具体方案是：单一水蚀量为水蚀贡献量，单一水蚀与风水复合侵蚀量对比得到风蚀贡献量，风水复合与水风冻复合侵蚀量对比得到冻融贡献量。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明提供的一种复合侵蚀作用对水土流失影响的模拟量化方法，将模拟降雨装置、风洞实验装置、低温驱动装置和试验土槽联合运用，构成了室内人工降雨-风洞-冻融循环实体模型，通过对三种单一动力侵蚀过程的组合，可得到水蚀、风蚀+水蚀、风蚀+冻融+水蚀等多种侵蚀动力组合模式，这一方法将水力-风力-冻融作为一个动力耦合系统，保留了复合侵蚀系统的完整性。
(2)本发明通过不同动力组合过程的对比分析，实现对复合侵蚀中水力、风力、冻融作用过程的离解，从而可以有效剥离水蚀、风蚀、冻融等各驱动因子的侵蚀贡献率，本发明采用的技术方案实用、有效。
(3)为辨识复合侵蚀系统中各驱动因子的作用过程，需要对复杂过程进行抽象、简化，将侵蚀动力因子分离出来，在可控条件下进行系统观测。本发明采用室内人工降雨-风洞-冻融循环实体模拟的试验手段，由于各装置均是在室内搭建，因此，各驱动因子作用的模式、时间、阈值等参数均可控，能够有效缩短试验进程，提升试验效率，提高观测精度。
附图说明
图1为本发明实施例室内人工降雨-风洞-冻融循环实体模型示意图。
图2为本发明实施例驱动因子离解方案步骤流程。
附图中，1—封闭式制冷实验室，2—人工模拟降雨系统，3—紧凑回流式低紊流风洞，4—试验土槽，5—轨道。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进行详细的阐述，但本发明的保护范围并不限于以下实施例，任何本领域的技术人员在本发明的基础上，结合本领域公知常识所能想到的技术方案，都属于本发明的保护范围。
实施例1
该实施例研究的为冻融-风力-水力复合侵蚀作用对坡面水土流失的影响量。具体包括以下步骤：
(1)坡面模型制作：将土样风干过直径为10mm的筛，以去除杂草和石块，采用分层填土、分层压实、随机测容重的方法将土样填入试验土槽4，每层填土厚度约为10cm，每完成一层填土，埋入一个土壤水分-地温传感器，共埋设5个传感器以测量不同土层的土壤水分、地温数据，控制土壤容重在1.35g/cm3，使其和自然状态下研究区的土壤容重相当。为控制土壤前期含水量一致，试验前一天，用不会形成侵蚀的30mm/h雨强的小雨对土槽进行预降雨，直至坡面开始产流为止，静置24h以备试验，试验开始前再进行一次含水量测定，土壤前期含水量约为30％～35％。依据研究区坡面空间特征，将试验土槽坡度设定为20°，以模拟陡坡土壤侵蚀过程。
(2)冻融循环试验：将制作好的试验土槽4沿轨道5推入封闭式制冷实验室1进行冻融交替循环，按照设计工况，调节制冷实验室温度，使土体地温传感器温度在0℃～-10℃之间冻融循环30次。
(3)风洞试验：将冻融循环试验后的试验土槽4沿轨道5推入紧凑回流式低紊流风洞3，按照设计工况，调节风力至20m/s，沿与土槽垂直方向，对坡面持续吹风180h。
(4)人工模拟降雨试验：将冻融循环和风洞试验后的试验土槽4沿轨道5推入人工模拟降雨系统2，按照设计工况，以120mm/h的雨强，对坡面持续降雨1h，降雨试验过程中采用三维激光地形扫描技术获取坡面侵蚀地形变化过程，每隔2min采集一次径流泥沙样品，以测量坡面水蚀过程中侵蚀泥沙量、泥沙粒径组成等参数，采用医用注射器针管吸取水蚀过程中坡面含沙水流。
(5)试验结果分析：试验结束后，对采集到的径流泥沙样品进行分析，计算径流泥沙量，径流泥沙量＝产流量+产沙量，用体积法计算产流量：把径流泥沙样倒入量筒测得其体积，即得产流量；用称重法计算产沙量：把径流泥沙样里的水分晒干，称剩下的泥沙重量，即为产沙量；用烘干法计算径流含沙量，用激光粒度仪法分析泥沙粒径分布；由此得到的侵蚀泥沙变化特征即为坡面土壤的冻融-风力-水力复合侵蚀过程对水土流失的影响量，详见表1。由表1可以计算得出，以产沙量计，坡面土壤的冻融-风力-水力复合侵蚀过程对水土流失的影响量为155.81kg。
表1坡面冻融-风力-水力复合侵蚀过程侵蚀泥沙变化特征
Figure BDA0002474732360000051
实施例2
该实施例研究的是水力、风力、冻融侵蚀作用对水土流失影响的贡献率。具体包括以下步骤：
(1)制作坡面水蚀模型：同实施例1中的坡面模型制作。
(2)进行水蚀试验：将制作好的试验土槽4沿轨道5推入人工模拟降雨系统2，进行如实施例1中的人工模拟降雨试验步骤。
(3)水蚀试验结果分析：试验结束后，对采集到的径流泥沙样品进行分析，用体积法计算径流量，用称重法计算产沙量，用烘干法计算径流含沙量，用激光粒度仪法分析泥沙粒径分布；由此得到的侵蚀泥沙变化特征即为坡面土壤的水力侵蚀过程对水土流失的影响量；以产沙量计，坡面土壤的水力侵蚀过程对水土流失的影响量为94.31kg。
(4)制作坡面风蚀+水蚀模型：同实施例1中的坡面模型制作。
(5)进行风蚀+水蚀试验：将制作好的试验土槽4沿轨道5推入紧凑回流式低紊流风洞3，进行如实施例1中的风洞试验步骤，风洞试验结束后，将试验土槽4沿轨道5推入人工模拟降雨系统2，进行如实施例1中的人工模拟降雨试验步骤。
(6)风蚀+水蚀试验结果分析：试验结束后，对采集到的径流泥沙样品进行分析，用体积法计算径流量，用称重法计算产沙量，用烘干法计算径流含沙量，用激光粒度仪法分析泥沙粒径分布；由此得到的侵蚀泥沙变化特征即为坡面土壤的风力-水力复合侵蚀过程对水土流失的影响量；以产沙量计，坡面土壤的坡面土壤的风力-水力复合侵蚀过程对水土流失的影响量为113.47kg。
(7)冻融+风蚀+水蚀试验及结果分析：试验结束后，对采集到的径流泥沙样品进行分析，用体积法计算径流量，用称重法计算产沙量，用烘干法计算径流含沙量，用激光粒度仪法分析泥沙粒径分布；由此得到的侵蚀泥沙变化特征即为坡面土壤的冻融-风力-水力复合侵蚀过程对水土流失的影响量；根据实施例结果可知，以产沙量计，坡面土壤的冻融-风力-水力复合侵蚀过程对水土流失的影响量为155.81kg。
(8)水力、风力、冻融作用过程的离解：分析不同动力组合下的侵蚀泥沙变化，如图2所示，将水蚀、风蚀+水蚀、冻融+风蚀+水蚀的试验结果进行对比，单一水蚀结果为水蚀贡献量，水蚀与风蚀+水蚀结果对比得到风蚀贡献量，风蚀+水蚀与冻融+风蚀+水蚀结果对比得到冻融贡献量，由此可得到水力、风力、冻融侵蚀作用对水土流失影响的贡献率。
表2水力、风力、冻融侵蚀作用对水土流失影响的贡献率计算
Figure BDA0002474732360000061
结果显示，在本实施例的模拟条件下，以产沙量计，坡面土壤的水力侵蚀过程对水土流失的影响量为94.31kg，侵蚀贡献率为60.53％，风力侵蚀过程对水土流失的影响量为19.16kg，侵蚀贡献率为12.29％，冻融侵蚀过程对水土流失的影响量为42.34kg，侵蚀贡献率为27.18％。
本次的模拟结果表明，水力、风力、冻融侵蚀作用对水土流失影响的贡献率分别为60.53％、12.29％和27.18％。而根据杨会民等介绍(杨会民，王静爱，邹学勇，等.风水复合侵蚀研究进展与展望[J].中国沙漠，2016，36(4)：962－971.)，复合侵蚀中风蚀贡献率在1％～20％之间；许炯心(许炯心.黄河中游多沙粗沙区高含沙水流的粒度组成及其地貌学意义[J].泥沙研究，1999，10(5)：13－17.)研究发现我国沿黄流域含沙水流中，粒径＞0.05mm的粗颗粒泥沙有10％～30％来自基岩风化物与风成沙。李秋艳等(李秋艳，蔡强国，方海燕.黄土高原风水蚀交错带风力作用对流域产沙贡献的空间特征研究[J].水资源与水工程学报，2011，22(4)：39－49.)认为整个黄土高原水蚀风蚀交错区，因风力作用产生的输沙量接近流域总输沙量的10％～20％。本次模拟结果的风蚀贡献率为12.29％，与前人研究成果基本一致。
以上之实施例，只是本发明的较佳实施例而已，并非限制本发明的实施范围，故凡依本发明专利范围的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明申请专利范围。

Claims (10)

1.一种复合侵蚀作用对水土流失影响的模拟量化方法，其特征在于，将装有填土的试验土槽（4）沿轨道（5）在室内人工降雨-风洞-冻融循环实体模型的各区域间移动，实现对不同复合侵蚀模式的模拟，来确定不同复合侵蚀作用下的水土流失影响量，再利用驱动因子离解方法，分离出水力、风力和冻融对水土流失影响的贡献率。
2.根据权利要求1所述的一种复合侵蚀作用对水土流失影响的模拟量化方法，其特征在于，所述室内人工降雨-风洞-冻融循环实体模型包括封闭式制冷实验室（1）、人工模拟降雨系统（2）和紧凑回流式低紊流风洞（3），所述封闭式制冷实验室（1）、人工模拟降雨系统（2）和紧凑回流式低紊流风洞（3）之间通过轨道（5）连接，试验土槽（4）通过轨道（5）实现在封闭式制冷实验室（1）、人工模拟降雨系统（2）和紧凑回流式低紊流风洞（3）之间的移动。
3.根据权利要求2所述的一种复合侵蚀作用对水土流失影响的模拟量化方法，其特征在于，所述封闭式制冷实验室（1）包括冷冻箱，冷冻箱内置空调以模拟自然条件下土壤冻融循环过程。
4.根据权利要求2所述的一种复合侵蚀作用对水土流失影响的模拟量化方法，其特征在于，所述的人工模拟降雨系统（2），包括下喷式模拟降雨器、压力管道、计算机控制系统和蓄水池，喷头距地面 22m。
5.根据权利要求2所述的一种复合侵蚀作用对水土流失影响的模拟量化方法，其特征在于，所述的紧凑回流式低紊流风洞（3）内安装风机、导风板和自动风速采集器，紧凑回流式低紊流风洞（3）内风速风向可自动交替变换。
6.根据权利要求2所述的一种复合侵蚀作用对水土流失影响的模拟量化方法，其特征在于，所述的试验土槽（4）为标准可调坡度土槽，坡度变化范围在0～30°之间，试验土槽（4）的底部设有透水孔，试验土槽（4）内埋设全自动水分-地温采集系统以获取土壤水分和温度变化过程。
7.根据权利要求2所述的一种复合侵蚀作用对水土流失影响的模拟量化方法，其特征在于，所述的轨道（5）为由条形钢材铺成的路线。
8.根据权利要求1所述的一种复合侵蚀作用对水土流失影响的模拟量化方法，其特征在于，所述的复合侵蚀模式为通过对风力、水利、冻融三种单一动力侵蚀过程的组合，得到水蚀、风蚀+水蚀和风蚀+冻融+水蚀的动力组合模式。
9.根据权利要求1所述的一种复合侵蚀作用对水土流失影响的模拟量化方法，其特征在于，所述的驱动因子离解方法为通过不同动力组合过程的对比分析，实现对复合侵蚀中水力、风力、冻融作用过程的离解。
10.根据权利要求9所述的一种复合侵蚀作用对水土流失影响的模拟量化方法，其特征在于，具体为：单一水蚀量为水蚀贡献量，单一水蚀与风水复合侵蚀量对比得到风蚀贡献量，风水复合与水风冻复合侵蚀量对比得到冻融贡献量。
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