CN112611850B - 一种表层岩溶裂隙带土壤地表流失和地下漏失模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种表层岩溶裂隙带土壤地表流失和地下漏失模拟装置，包括降雨模拟平台、岩溶坡面及裂隙模拟装置和实验数据采集系统；降雨模拟平台包括依次连接的进水装置、雨水流化装置和出水装置，出水装置设置在岩溶坡面及裂隙模拟装置上方；岩溶坡面及裂隙模拟装置包括模型箱和设置在模型箱上的岩溶坡面及裂隙模型，模型箱底部镂空，侧面安装地表流失收集漏斗，岩溶坡面及裂隙模型包括岩溶坡面和设置在岩溶坡面内的垂向岩溶通道；实验数据采集系统包括地下漏失水土收集盒和地表流失水土流失收集盒。与现有技术相比，本发明可在短期内在不同岩溶坡面情况、不同降雨条件下获得表层岩溶裂隙带土壤地表流失和地下漏失模拟数据。

Description

一种表层岩溶裂隙带土壤地表流失和地下漏失模拟装置

技术领域

本发明涉及水文地质、岩溶生态环境保护技术领域，具体涉及一种表层岩溶裂隙带土壤地表流失和地下漏失模拟装置。

背景技术

我国西南岩溶地区石漠化现象严重影响了当地人们的生活和经济的发展，成为亟待解决的生态环境问题。石漠化现象主要源于脆弱的岩溶生态中长期的水土流失，而岩溶地区因其地质结构复杂性与二元性，土壤除地表流失外也会发生地下漏失，其中降雨是造成水土流失的主要外营力，岩溶裂隙和管道是土壤产生地下漏失的重要原因。而自然条件下，降雨周期长、时空分布不均匀，为研究岩溶地区土壤地表流失及地下漏失问题所花费的研究周期较长，且收集数据难度较大。

因此，急需一种方便高效并可模拟在接近真实降雨状态下岩溶石漠化地区坡面水土地表流失和地下漏失测试的模拟平台。通过利用该平台开展岩溶坡面情况、不同降雨条件下的岩溶地区土壤地表流失和地下漏失试验研究，寻求各因素对土壤地表流失和地下漏失的影响，弄清不同类型岩溶坡面在不同降雨条件下的水土流失机制，为岩溶石漠化地区的土壤流失治理提出合理化的建议与措施，具有重要的理论意义和实际意义。

发明专利CN108519476B公开了一种喀斯特基岩裂隙水土漏失过程的模拟方法及装置，所述的方法包括以下步骤：1.制作一个用于模拟喀斯特基岩裂隙的几何形状的空腔，空腔的下口用于模拟裂隙出口；2.向空腔中装填试验土壤，用于模拟喀斯特基岩裂隙中的沉积土壤；3.在装填土体的上表面施加静水压，模拟喀斯特基岩裂隙中的沉积土壤上部的积水压力；当填装土体在上部积水压力和自身重力的驱动下向下运动时，将克服土体与空腔侧壁的摩擦力和出口局部阻力由空腔下口排出；上述步骤1～3可模拟喀斯特基岩裂隙中，沉积土壤在上部积水压力驱动下沿裂隙侧壁蠕动并由裂隙出口排出漏失到地下的过程。该发明是以静水压力施加于土壤使其发生运移，而非自然条件下的降雨为驱动力，降雨条件的变化对于水流在土壤表面的分布以及土壤内部的渗流过程是有差异的，因此土颗粒在表面流动和内部运移都存在差异；其次，该发明并没有考虑土壤的地表流失问题，只用于模拟土壤地下漏失的过程，而且该发明的地下裂隙由透明软管控制，和真实的土岩界面有较大差别，土岩界面摩擦系数都有差别。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种表层岩溶裂隙带土壤地表流失和地下漏失模拟装置，可在短期内在不同岩溶坡面情况、不同降雨条件下获得表层岩溶裂隙带土壤地表流失和地下漏失模拟数据。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种表层岩溶裂隙带土壤地表流失和地下漏失模拟装置，包括降雨模拟平台、岩溶坡面及裂隙模拟装置和实验数据采集系统；

所述的降雨模拟平台包括依次连接的进水装置、雨水流化装置和出水装置，所述的出水装置设置在岩溶坡面及裂隙模拟装置上方；

所述的岩溶坡面及裂隙模拟装置包括模型箱和设置在模型箱上的岩溶坡面及裂隙模型，所述的模型箱底部镂空，侧面安装地表流失收集漏斗，所述的岩溶坡面及裂隙模型包括岩溶坡面和设置在岩溶坡面内的垂向岩溶通道；

所述的实验数据采集系统包括地下漏失水土收集盒和地表流失水土流失收集盒，所述的地下漏失水土收集盒设置在模型箱下方，所述的地表流失水土流失收集盒设置在地表流失收集漏斗下方。地表流失收集漏斗可方便流失泥沙的收集。降雨模拟平台模拟野外降雨过程，可以控制降雨量、降雨高度和降雨均匀。岩溶坡面及裂隙模拟装置模拟野外岩溶裂隙带，模型箱内可以模拟垂向岩溶通道和不同坡度的坡面。

进一步地，所述的进水装置包括进水龙头和与进水龙头相连的水管，在水管上还设有流量控制器；

所述的雨水流化装置包括雨水流化盒；

所述的出水装置包括若干降雨针头；

所述的水管一端连接进水龙头，另一端连接雨水流化盒，雨水流化盒底部连接降雨针头。

更进一步地，所述的降雨模拟平台还包括调节装置，调节装置包括升降铁架、限位钢板、调节螺杆、圆形滑块和水平尺；

所述的升降铁架可自由伸缩，用于控制降雨高度；

所述的限位钢板安装于升降铁架上，中间设有限位圆槽；

所述的调节螺杆一端固定在雨水流化盒顶端，另一端穿过限位钢板上的限位圆槽与圆形滑块相连，通过观察固定在雨水流化盒上的水平尺来调节螺杆长度，用于保持雨水流化盒的水平。

所述的雨水流化盒还连接有震动马达；所述的圆形滑块与限位钢板接触面上涂抹有润滑油，圆形滑块可在限位钢板上流畅滑动。

所述的雨水流化盒为立方体结构，调节螺杆有四个，分别对称设置在雨水流化盒顶端的四角，所述的震动马达有四个，分别对称设置在雨水流化盒顶端的四边，所述的水平尺有两个，设置在雨水流化盒相邻的两个侧面上。采用四个震动马达和限位钢板、圆形滑块控制雨水流化盒的震动幅度和频率，用于控制降雨均匀，模拟雨滴更加真实。

所述的模型箱中间设置中隔板，模型箱底部设有支架。中隔板的设置使该装置可以在一次降雨下进行两次模拟实验，提高实验效率。

进一步地，所述的支架为镂空结构，支架底部设有万向滚轮。

所述的岩溶坡面由土岩界面构成，岩溶坡面的底部嵌入带有规则裂隙的承压铁板，中部用石块堆积充当基岩，表面覆盖实验土壤，所述的垂向岩溶通道根据底部承压铁板的裂隙用石板隔出。垂向岩溶通道的宽度可根据实验要求进行设置。

具体操作时，先在承压铁板上切割出要求的裂隙形态，然后在上部基岩上根据底部裂隙留出相应裂隙，最后在基岩表面覆盖土壤。基岩和土壤均取自岩溶地区，能客观的模拟当地的土岩界面，从而让实验数据更加贴合实际。裂隙形状和走向均可人为控制，能够更方便实验者研究裂隙走向、裂隙形状等对岩溶石漠化地区土壤地下漏失的影响。

进一步地，所述的垂向岩溶通道与岩溶坡面的坡面走向之间的夹角为0°、30°、60°或90°。此设置可用于研究水土地下漏失与裂隙宽度、裂隙走向的关系，垂向岩溶通道有4条，与岩溶坡面的坡面走向之间的夹角分别为0°、30°、60°和90°，每次实验前堵塞3条垂向岩溶通道，仅用一条垂向岩溶通道做实验，提高模型材料利用效率。

所述的地下漏失水土收集盒和地表流失水土流失收集盒底部均设有电子称；所述的实验数据采集系统还包括用于定期采集流失水土样品的采样瓶。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.本发明中的降雨模拟平台通过流量控制器、雨水流化盒、升降铁架、震动马达等部件的设置，可控制降雨量、降雨高度和降雨均匀，能较好的模拟真实降雨条件；

2.本发明中的岩溶坡面及裂隙模型包括岩溶坡面和设置在岩溶坡面内的垂向岩溶通道，垂向岩溶通道的宽度和与岩溶坡面的坡面走向之间的夹角可根据实验需要进行选择设计，提供了一种精准地定量研究地面坡度、地下裂隙走向和宽度等因素对岩溶地区土壤地表流失和地下漏失影响的方法；

3.本发明中的实验数据采集系统可方便快速地采集岩溶坡面及裂隙模拟装置的土壤地表流失和地下漏失数据，可在短期内获得大量表层岩溶裂隙带土壤地表流失和地下漏失的规律性机理数据；

4.本发明结构简单、功能齐全、制造周期短、造价低，能较快用于实践；

5.本发明具有工作可靠、操作方便安全、实验效率高等特点。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的雨水流化盒仰视图；

图3为本发明的岩溶坡面及裂隙模拟装置俯视图；

图中：1-进水龙头，2-流量控制器，3-水管，4-升降铁架，5-限位钢板，6-调节螺杆，7-圆形滑块，8-雨水流化盒，9-降雨针头，10-水平尺，11-震动马达，12-支架，13-模型箱，14-地表流失收集漏斗，15-岩溶坡面，16-垂向岩溶通道，17-实验土壤，18-地下漏失水土收集盒，19-电子称，20-地表流失水土流失收集盒，21-采样瓶，22-万向滚轮，23-中隔板，24-承压铁板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

一种表层岩溶裂隙带土壤地表流失和地下漏失模拟装置，如图1所示，包括降雨模拟平台、岩溶坡面及裂隙模拟装置和实验数据采集系统。

所述降雨模拟平台，包括进水龙头1、流量控制器2、水管3、升降铁架4、限位钢板5、四个调节螺杆6、四个圆形滑块7、雨水流化盒8、若干降雨针头9、两个水平尺10和四个震动马达11；所述升降铁架4可自由伸缩，用于控制降雨高度；所述限位钢板5焊接于升降铁架4上，其中镂空出四个限位圆槽，用于限制雨水流化盒8震动幅度；所述调节螺杆6一端固定在雨水流化盒8顶端，另一端穿过限位钢板5上的限位圆槽与圆形滑块7相连，雨水流化盒8的底部结构如图2所示，通过观察固定在雨水流化盒8上的水平尺10来调节螺杆6长度，用于保持雨水流化盒8的水平；圆形滑块7底部均匀涂抹润滑油并可在限位钢板5上流畅滑动，通过固定在雨水流化盒8四边上的震动马达11使得雨水流化盒8可以小幅震动，用于实现降雨均匀。

所述岩溶坡面及裂隙模拟装置，包括支架12、万向滚轮22、模型箱13和岩溶坡面及裂隙模型；所述模型箱13底部镂空，如图3所示，模型箱13侧面安装地表流失收集漏斗14，方便流失泥沙的收集；模型箱中间设置中隔板23，可以在一次降雨下进行两次模拟实验，提高实验效率；底部承压铁板24可以托载岩溶坡面15，岩溶坡面15由石块和石板堆积组合而成，所留裂隙形状与走向和底部承压铁板24预留裂隙一致，岩溶坡面15的裂隙是与坡面走向分别呈0°、30°、60°、90°的实验要求宽度的垂直裂隙，作为垂向岩溶通道16，用于研究水土地下漏失与裂隙宽度、裂隙走向的关系，每次实验前堵塞3条裂隙，仅用一条裂隙做实验，提高模型材料利用效率.

所述实验数据采集系统，包括地下漏失水土收集盒18、地表流失水土流失收集盒20、采样瓶21和电子秤19；所述地下漏失水土收集盒18及地表流失水土流失收集盒20置于电子秤19上，分别放在模型箱13正下方和地表流失收集漏斗14下方，用于收集流失泥沙；所述采样瓶21用于定期采集流失水土样品进行实验分析。

本发明的工作原理为：实际应用中，在确定实验方案后，应首先调节升降铁架4到适合实验的高度，然后扭动调节螺杆6，直到两边水平尺10均达到水平状态。之后进行震动马达11的设置，调节震动马达11的震动幅度和频率到合适的大小，使得降雨均匀且不会溅出模型箱13外。在上述调整完成后，即可开始实验，首先根据实验需要在底部承压铁板24上预留出制作相应的岩溶坡面15，控制其坡度及垂向岩溶通道16的大小，并将其安装进模型箱13中，并按实验要求铺设实验土壤17，在确定当次实验的降雨量后对流量控制器2进行设定，打开进水龙头1，待降雨稳定后即可开始进行实验观测。每隔一段时间读取并记录电子秤19的数据并用采样瓶21采取地表流失及地下漏失水样，整个实验过程中可以根据实验要求进行不同降雨强度和不同降雨历时的实验。

上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种表层岩溶裂隙带土壤地表流失和地下漏失模拟装置，其特征在于，包括降雨模拟平台、岩溶坡面及裂隙模拟装置和实验数据采集系统；

所述的降雨模拟平台包括依次连接的进水装置、雨水流化装置和出水装置，所述的出水装置设置在岩溶坡面及裂隙模拟装置上方；

所述的岩溶坡面及裂隙模拟装置包括模型箱（13）和设置在模型箱上的岩溶坡面及裂隙模型，所述的模型箱（13）底部镂空，侧面安装地表流失收集漏斗（14），所述的岩溶坡面及裂隙模型包括岩溶坡面（15）和设置在岩溶坡面内的垂向岩溶通道（16）；

所述的岩溶坡面（15）由土岩界面构成，岩溶坡面（15）的底部嵌入带有规则裂隙的承压铁板（24），中部用石块堆积充当基岩，表面覆盖实验土壤（17），所述的垂向岩溶通道（16）根据底部承压铁板（24）的裂隙形状和走向用石板隔出；

所述的垂向岩溶通道（16）有4条，与岩溶坡面（15）的坡面走向之间的夹角分别为0°、30°、60°和90°，每次实验前堵塞3条垂向岩溶通道，仅用一条垂向岩溶通道做实验；

所述的实验数据采集系统包括地下漏失水土收集盒（18）和地表流失水土流失收集盒（20），所述的地下漏失水土收集盒（18）设置在模型箱（13）下方，所述的地表流失水土流失收集盒（20）设置在地表流失收集漏斗（14）下方。

2.根据权利要求1所述的表层岩溶裂隙带土壤地表流失和地下漏失模拟装置，其特征在于，所述的进水装置包括进水龙头（1）和与进水龙头相连的水管（3），在水管（3）上还设有流量控制器（2）；

所述的雨水流化装置包括雨水流化盒（8）；

所述的出水装置包括若干降雨针头（9）；

所述的水管（3）一端连接进水龙头（1），另一端连接雨水流化盒（8），雨水流化盒（8）底部连接降雨针头（9）。

3.根据权利要求2所述的表层岩溶裂隙带土壤地表流失和地下漏失模拟装置，其特征在于，所述的降雨模拟平台还包括调节装置，调节装置包括升降铁架（4）、限位钢板（5）、调节螺杆（6）、圆形滑块（7）和水平尺（10）；

所述的升降铁架（4）可自由伸缩；

所述的限位钢板（5）安装于升降铁架（4）上，中间设有限位圆槽；

所述的调节螺杆（6）一端固定在雨水流化盒（8）顶端，另一端穿过限位钢板（5）上的限位圆槽与圆形滑块（7）相连，通过观察固定在雨水流化盒（8）上的水平尺（10）来调节螺杆长度，用于保持雨水流化盒（8）的水平。

4.根据权利要求3所述的表层岩溶裂隙带土壤地表流失和地下漏失模拟装置，其特征在于，所述的雨水流化盒（8）还连接有震动马达（11）；所述的圆形滑块（7）与限位钢板（5）接触面上涂抹有润滑油，圆形滑块（7）可在限位钢板（5）上流畅滑动。

5.根据权利要求4所述的表层岩溶裂隙带土壤地表流失和地下漏失模拟装置，其特征在于，所述的雨水流化盒（8）为立方体结构，调节螺杆（6）有四个，分别对称设置在雨水流化盒（8）顶端的四角，所述的震动马达（11）有四个，分别对称设置在雨水流化盒（8）顶端的四边，所述的水平尺（10）有两个，设置在雨水流化盒（8）相邻的两个侧面上。

6.根据权利要求1所述的表层岩溶裂隙带土壤地表流失和地下漏失模拟装置，其特征在于，所述的模型箱（13）中间设置中隔板（23），模型箱（13）底部设有支架（12）。

7.根据权利要求6所述的表层岩溶裂隙带土壤地表流失和地下漏失模拟装置，其特征在于，所述的支架（12）为镂空结构，支架（12）底部设有万向滚轮（22）。

8.根据权利要求1所述的表层岩溶裂隙带土壤地表流失和地下漏失模拟装置，其特征在于，所述的地下漏失水土收集盒（18）和地表流失水土流失收集盒（20）底部均设有电子称（19）；所述的实验数据采集系统还包括用于定期采集流失水土样品的采样瓶（21）。

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