CN112816672A - 土壤管道流侵蚀模拟试验装置 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种土壤管道流侵蚀模拟试验装置，所述装置包括：土槽，所述土槽下方设置有用于调节坡度的千斤顶，所述土槽底部设置有用于水体下渗和壤中流供应的排水孔，所述土槽的前端还设置有用于供应地表径流的稳流槽，所述土槽侧边设置有用于供应土壤管道流侧向开口，所述土槽的出水口由地表径流收集装置和地下径流收集装置组成，所述出水口处的挡板由固定挡板和移动挡板组成，所述固定挡板用于固定低于土壤管道位置的土体，所述移动挡板用于固定高于土壤管道位置土体，在实验开始后抽出移动挡板即可使地下径流沿地下径流收集装置流出，本申请能够准确模拟土壤管道和土壤管道流的存在对侵蚀过程的影响。

Description

土壤管道流侵蚀模拟试验装置

技术领域

本申请涉及土壤侵蚀实验装置领域，具体涉及一种土壤管道流侵蚀模拟试验装置。

背景技术

地下径流通过渗流和优先流等形式改变土壤性质，分离土壤颗粒，并导致地下土壤侵蚀的发生。土壤管道侵蚀是一种重要的地下径流侵蚀形式，当土壤管道流剪切力超过土壤颗粒分离的临界切应力时，土壤管道内部的土壤颗粒就会被剥离，并造成土壤管道的扩大，最终在成管道顶部崩塌，并形成下沉特征和沟道。世界范围内的观测到的典型土壤管道崩塌特征通常是沟道特征的先兆，土壤管道流及相关的渗流过程可以引起沟头的快速溯源过程和沟壁崩塌过程。但由于土壤管道和土壤管道流的不可见性，很难观测，现有的侵蚀过程研究通常只关注于地表径流侵蚀过程而忽略了地下径流侵蚀过程。此外由于地表径流和地下土壤管道流径流特性的差异，普通的针对地表径流的措施很难对土壤管道流引起的土壤侵蚀进行防治。因此，需要发展土壤管道制作和土壤管道流侵蚀模拟试验装置与方法，为地下土壤管道侵蚀的研究提供支持。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种土壤管道流侵蚀模拟试验装置，以克服现有技术的缺陷。

发明内容

针对现有技术中的问题，本申请提供一种土壤管道流侵蚀模拟试验装置，能够快速、准确和便捷的模拟土壤管道和土壤管道流的存在对土壤侵蚀过程的影响。从而解决了以往无法定量评估土壤管道流对侵蚀贡献的问题，为地下土壤管道流引起侵蚀的防治提供科学依据。

为解决上述技术问题，本申请提供以下技术方案：

第一方面，本申请提供一种土壤管道流侵蚀模拟试验装置，包括：

土槽，所述土槽下方设置有用于调节坡度的千斤顶，所述土槽底部设置有用于土槽水体下渗和壤中流供应的排水孔，所述土槽的前端还设置有用于供应地表径流的稳流槽，所述土槽侧边设置有用于供应土壤管道流侧向开口，所述土槽的出水口由地表径流收集装置和地下径流收集装置组成，所述出水口处的挡板由固定挡板和移动挡板组成，所述固定挡板用于固定低于土壤管道位置的土体，所述移动挡板用于在装填土槽时固定高于土壤管道位置土体，实验开始后抽出移动挡板并利用地下径流收集装置收集壤中流和土壤管道流。

进一步地，所述土槽最下层设置有厚度为5cm的沙层，所述沙层底部设置有排水孔，用于排水或提供壤中流。

进一步地，所述沙层上放置有一层高透水性的纱布，用于隔开土壤与沙子。

进一步地，所述土槽内设置有厚度为30cm的土体。

进一步地，所述土体每隔5cm厚度为一层进行装填。

进一步地，在所述土体10cm深度处设置有土壤管道，制作所述土壤管道时需要依靠一根长为2.5m、外径1.5cm的金属制外表光滑的空心管道，金属管道靠近所述土槽顶部的端口内部设置有用于监测金属管到拉出时形成的内径为1.5cm的土壤管道是否发生崩塌的微型相机。

进一步地，所述金属管道的土壤管道的末端从所述移动挡板上的直径1.5cm的圆孔位置伸出，圆孔位置用于金属管道保持水平位置抽出。

进一步地，所述土壤管道通过一个弯曲转接口与外部供水管道相连，所述外部供水管用于为所述土壤管道提供模拟土壤管道汇流。

进一步地，所述土体表面设置有一个2cm高差的跌坎。

第二方面，本申请提供一种土壤管道流侵蚀模拟试验方法，包括：

在土槽内每5cm为一层装填土壤，并在距离地表10cm处放置表面光滑的金属管道，随后继续装填至土体表面，并在土体表面制作2cm的跌坎；

装填完毕后，对土体进行预降雨处理直至土体蓄满，表面产流，然后静置12h使得土壤水分充分自由下渗，待静置一段时间后，将金属制管道缓慢抽出，抽出过程中观察端口处微型相机记录的管道内壁情况，完整抽出金属制管道后，形成一个完整的没有崩塌的直径为1.5cm的土壤管道；

管道制作完成后，试验开始前，将移动挡板抽出，这样地下径流装置就可以接取地下土壤管道流和土体渗出的壤中流样品，根据野外观测结果和试验要求，以固定的速率提供地表径流和土壤管道流，然后开始正式试验；

试验土槽两侧为玻璃壁，可以观察土体表面和跌坎处发生的侵蚀及土壤管道扩张发生的崩塌过程，试验过程中用相机记录土体发生的侵蚀过程，并将形态变化进行数字化，待土体表面和地下管道产流后，连续接取径流样品，评估地表和地下径流侵蚀过程的耦合作用。

由上述技术方案可知，本申请提供一种土壤管道流侵蚀模拟试验装置，能够快速、准确和便捷的模拟土壤管道和土壤管道流的存在对侵蚀过程的影响。从而解决了以往无法定量评估土壤管道流对侵蚀贡献的问题，为地下土壤管道流的防治提供科学依据。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请所述土壤管道流侵蚀模拟试验装置的结构示意图；

图2为本申请一具体实施例中土壤管道流模拟试验结果示意图之一；

图3为本申请一具体实施例中土壤管道流模拟试验结果示意图之二；

图4为本申请所述土壤管道流侵蚀模拟试验方法的流程示意图。

[符号说明]

土槽:1

螺旋千斤顶:2

排水孔:3

稳流槽:4

侧向开口:5

地表径流收集装置:6

地下径流收集装置:7

固定挡板:8

移动挡板:9

土壤管道:10

沙层:11

纱布：13

土体：14

微型相机：15

外部供水管道：16

跌坎：17

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。

此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”、“套接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

考虑到现有技术中由于地表径流和地下土壤管道流径流特性的差异，普通的针对地表径流的水保措施很难对土壤管道流引起的土壤侵蚀进行防治的问题。

为了能够快速、准确和便捷的模拟土壤管道和土壤管道流的存在对侵蚀过程的影响，本申请提供一种土壤管道流侵蚀模拟试验装置的实施例，参见图1，本实施例中，所述土壤管道流侵蚀模拟试验装置具体包含土槽，所述土槽下方设置有用于调节坡度的螺旋千斤顶，所述土槽底部设置有用于土槽水体下渗和壤中流供应的排水孔，所述土槽的前端还设置有用于供应地表径流的稳流槽，所述土槽侧边设置有用于供应土壤管道流侧向开口，所述土槽的出水口由地表径流收集装置和地下径流收集装置组成，所述出水口处的挡板由固定挡板和移动挡板组成，所述固定挡板用于固定低于土壤管道位置的土体，所述移动挡板用于在装填土槽时固定高于土壤管道位置的土体，实验开始后抽出移动挡板并利用地下径流收集装置收集壤中流和土壤管道流。

从上述描述可知，根据本申请实施例提供的土壤管道流侵蚀模拟试验装置，能够快速、准确和便捷的模拟土壤管道和土壤管道流的存在对侵蚀过程的影响。从而解决了以往无法定量评估土壤管道流对侵蚀贡献的问题，为地下土壤管道流的防治提供科学依据。

作为一种优选地实施方式，先用金属管道在土体内部制作一个没有崩塌的土壤管道。金属管道的外径1.5cm就是土壤管道的内径1.5cm，抽出制作土壤管道的过程中，需要用附着在金属管道靠近土槽顶部的端口内部设置的内窥相机查看形成土壤管道是否发生了崩塌。

作为一种优选地实施方式，试验土槽长2.5m，宽15cm，深45cm。

作为一种优选地实施方式，土槽最下层5cm装填沙子，沙子底部有排水孔，用于排水或提供壤中流，沙子上层放置一层高透水性的纱布，用于隔开土壤与沙子，土体深30cm，土壤管道位于地表下10cm处。在装填土壤过程中，每5cm装填一层土壤，每一层之间将土体表面抓毛，以保证土体的均一性，装填后震荡压实到设计容重。

作为一种优选地实施方式，当装填到与地表距离10cm时，在出水口位置放入移动挡板，在土体表面放置一根长2.5m，外径1.5cm的金属制外表光滑的空心管道，管道靠近土槽顶部的端口内设置微型相机，用于制作土壤管道时查看是否形成了没有崩塌的土壤管道，金属管道的末端从移动挡板上的圆孔位置伸出。金属制管道通过一个弯曲转接口与外部供水管道相连，为制作的土壤管道提供模拟土壤管道汇流。随后在金属制管道上继续装填土壤，装填方法与前述相同，每5cm装填一层土壤，装填后震荡压实到设计容重。最后再土体表面制作一个2cm高差的跌坎，用于探究地表径流和土壤管道流作用下的土壤侵蚀过程。

作为一种优选地实施方式，装填土壤完毕后，对土体进行预降雨处理直至土体蓄满，表面产流，然后静置12h使得土壤水分充分自由下渗。待静置一段时间后，将金属制管道缓慢抽出，抽出过程中观察端口处内的微型相机记录的管道内壁情况，完整抽出金属制管道后，就形成了一个完整的直径为1.5cm的土壤管道。

为了能够快速、准确和便捷的模拟土壤管道和土壤管道流的存在对侵蚀过程的影响，本申请提供一种土壤管道流侵蚀模拟试验方法的实施例，参见图4，本实施例中，所述土壤管道流侵蚀模拟试验方法具体包含：

步骤S1：埋入金属管道：在土槽内每5cm为一层装填土壤，并在距离地表10cm处放置表面光滑的金属管道，随后继续装填至土体表面，并在土体表面制作2cm的跌坎。

步骤S2：制作土壤管道：装填完毕后，对土体进行预降雨处理直至土体蓄满，表面产流，然后静置12h使得土壤水分充分自由下渗。待静置一段时间后，将金属制管道缓慢抽出，抽出过程中观察端口处微型相机记录的管道内壁情况，完整抽出金属制管道后，形成一个完整的没有崩塌的直径为1.5cm的土壤管道。

步骤S3：地表径流和土壤管道流供应和收集：管道制作完成后，试验开始前，将移动挡板抽出，这样地下径流装置就可以接取地下土壤管道流和土体渗出的壤中流样品。根据野外观测结果和试验要求，以固定的速率提供地表径流(60L/min)和土壤管道流(1L/min)，然后开始正式试验。

步骤S4：试验记录与分析：试验土槽两侧为玻璃壁，可以观察土体表面和跌坎处发生的侵蚀及土壤管道扩张发生的崩塌过程，试验过程中用相机记录土体发生的侵蚀过程，并将形态变化进行数字化；待土体表面和地下管道产流后，连续接取径流样品，评估地表和地下径流侵蚀过程的耦合作用。

参见图2，有无土壤管道流时地表径流和地下径流收集装置得到的流量示意图表明在土壤管道流存在时，地表径流更快的切穿了土壤管道，地表径流转为地下径流的时间比没有土壤管道流存在的情况提前了约10min。

参见图3，可知土壤管道流的存在对侵蚀形态的影响为：当土壤管道流存在时，土壤管道崩塌提前，在试验条件下侵蚀深度明显增加约13cm。

有上述内容可知，本申请至少还可以实现如下技术效果:

1、本发明实现了土壤管道的制作，并利用端口内置的微型相机验证形成了没有崩塌特征的管道，可以用于模拟土壤管道及土壤管道流对侵蚀过程的影响。

2、本发明设计了一种地表径流和地下土壤管道流共同作用下的侵蚀过程模拟装置和方法，可用于定量分析地表径流和地下土壤管道流对侵蚀过程的影响。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种土壤管道流侵蚀模拟试验装置，其特征在于，包括：土槽，所述土槽下方设置有用于调节坡度的千斤顶，所述土槽底部设置有用于土槽水体下渗和壤中流供应的排水孔，所述土槽的前端还设置有用于供应地表径流的稳流槽，所述土槽侧边设置有用于供应土壤管道流侧向开口，所述土槽的出水口由地表径流收集装置和地下径流收集装置组成，所述出水口处的挡板由固定挡板和移动挡板组成，所述固定挡板用于固定低于土壤管道位置的土体，所述移动挡板用于在装填土槽时固定高于土壤管道位置的土体。

2.根据权利要求1所述的土壤管道流侵蚀模拟试验装置，其特征在于，所述土槽最下层设置有厚度为5cm的沙层。

3.根据权利要求2所述的土壤管道流侵蚀模拟试验装置，其特征在于，所述沙层上放置有一层高透水性的纱布，用于隔开土壤与沙子。

4.根据权利要求1所述的土壤管道流侵蚀模拟试验装置，其特征在于，所述土槽内设置有厚度为30cm的土体。

5.根据权利要求4所述的土壤管道流侵蚀模拟试验装置，其特征在于，所述土体每隔5cm厚度为一层进行装填。

6.根据权利要求5所述的土壤管道流侵蚀模拟试验装置，其特征在于，在所述土体10cm深度处设置有土壤管道。

7.根据权利要求6所述的土壤管道流侵蚀模拟试验装置，其特征在于，制作所述土壤管道时需要依靠一根长为2.5m、外径1.5cm的金属制外表光滑的空心管道，金属管道靠近所述土槽顶部的端口内部设置有用于监测金属管到拉出时形成的内径为1.5cm的土壤管道是否发生崩塌的微型相机。

8.根据权利要求6所述的土壤管道流侵蚀模拟试验装置，其特征在于，所述金属管道的末端从所述移动挡板上的直径1.5cm的圆孔位置伸出，圆孔位置用于金属管道保持水平位置抽出。

9.根据权利要求6所述的土壤管道流侵蚀模拟试验装置，其特征在于，所述土壤管道通过一个弯曲转接口与外部供水管道相连，所述外部供水管用于为所述土壤管道提供模拟土壤管道汇流。

10.根据权利要求4所述的土壤管道流侵蚀模拟试验装置，其特征在于，所述土体表面设置有一个2cm高差的跌坎。

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