CN113465865A - 一种土壤风力侵蚀过程模拟实验装置及实验方法 - Google Patents

一种土壤风力侵蚀过程模拟实验装置及实验方法 Download PDF

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杨凯
唐泽军
王川
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Abstract

本发明提供一种土壤风力侵蚀过程模拟实验装置，包括，导风模块，包括出风段、调风段和整流段；风洞试验模块，包括风洞试验段，所述风洞试验段入口密闭连接所述整流段出口，所述风洞试验段包括底板，所述底板两侧设置有侧板，上方可拆卸连接有顶板，所述底板上设置有试验土壤，所述试验土壤前后设置有挡板；以及，测量模块，包括埋设在所述试验土壤内的测钎，设置在所述顶板上的风速仪和相机；可以在室内环境中全面地还原野外环境下土壤颗粒在风力作用下的运动过程，记录分析风力侵蚀过程中土壤表面形态变化情况及风速变化对土壤抗风蚀性能的影响规律，计算出风蚀量对比得出直观结论。

Description

一种土壤风力侵蚀过程模拟实验装置及实验方法
技术领域
本发明涉及风力侵蚀模拟技术领域，特别是，涉及一种土壤风力侵蚀过程模拟实验装置及实验方法。
背景技术
干旱半干旱区的土壤风力侵蚀问题涉及到了广泛的环境保护应用背景。在干旱半干旱地区，土壤受到风力作用被吹起，撞击在作物茎、叶及果实部位，造成植被破坏、土壤沙化、生态退化等现象。干旱半干旱区土壤长期收到风力侵蚀作用，如果不对土壤侵蚀进行有效治理，势必造成比较严重的侵蚀破坏。此外，干旱半干旱区农田作物，也存在土壤侵蚀过程中的土壤颗粒击打破坏问题。
由于土壤在野外环境下的风力侵蚀问题，因而备受人们关注。目前，传统的土壤风力侵蚀实验台具有以下特点：按照实验风洞试验区域体积的不同，室内风洞模拟土壤侵蚀过程试验可以监测土壤侵蚀量和土壤侵蚀过程；大部分土壤风力侵蚀模拟实验，采用沙盘称放试验土壤，其受风力作用的面积较少，无法有效还原野外状态下大面积区域土壤侵蚀过程中的表面形态；过去基于室内风洞的土壤风力侵蚀试验主要关注测量土壤风蚀量，忽略了土壤表层不同位置处土壤颗粒运动差异导致的土壤表面形态变化过程差异。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的不能全面还原室外土壤的风力侵蚀过程的缺陷，从而提供一种土壤风力侵蚀过程模拟实验装置。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种土壤风力侵蚀过程模拟实验装置，包括，导风模块，包括出风段、调风段和整流段；风洞试验模块，包括风洞试验段，所述风洞试验段入口密闭连接所述整流段出口，所述风洞试验段包括底板，所述底板两侧设置有侧板，上方可拆卸连接有顶板，所述底板上设置有试验土壤，所述试验土壤前后设置有挡板；以及，测量模块，包括埋设在所述试验土壤内的测钎，设置在所述顶板上的风速仪和相机。
作为本发明所述的土壤风力侵蚀过程模拟实验装置的一种优选方案，其中：所述底板和顶板为钢板，所述侧板为亚克力板，所述顶板与所述侧板之间密封处理。
作为本发明所述的土壤风力侵蚀过程模拟实验装置的一种优选方案，其中：所述风速仪和相机数量设置有多个，等距间隔设置在所述顶板上。
作为本发明所述的土壤风力侵蚀过程模拟实验装置的一种优选方案，其中：所述测钎与底板垂直放置，在所述试验土壤中等距设置有多组。
作为本发明所述的土壤风力侵蚀过程模拟实验装置的一种优选方案，其中：所述风洞试验段后方连接有导流段。
本发明解决的另一个技术问题是：克服现有技术中数据记录不详细准确，不能准确计算风蚀量的缺陷，从而提供一种土壤风力侵蚀过程模拟实验方法。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种土壤风力侵蚀过程模拟实验方法，包括，启动风机调节风速，吹向风洞试验段；记录随时间变化风洞中的实时风速，同时连续拍摄土壤表层形态变化，记录测钎露出长度变化；将记录数据通过公式计算风蚀量。
作为本发明所述的土壤风力侵蚀过程模拟实验方法的一种优选方案，其中：所述风机包括出风段、调风段和整流段包括，利用出风段调节风速，通过调风段和整流段形成风速稳定、风速平行于风洞试验段的试验风力。
作为本发明所述的土壤风力侵蚀过程模拟实验方法的一种优选方案，其中：所述风洞试验段包括，铺设在密闭通道内的试验土壤，试验土壤内埋设的测钎。
作为本发明所述的土壤风力侵蚀过程模拟实验方法的一种优选方案，其中：所述实时风速、土壤表层形态变化、测钎露出长度变化包括，利用多组风速仪、相机来分别测量不同位置的风速、拍摄试验土壤和测钎变化。
作为本发明所述的土壤风力侵蚀过程模拟实验方法的一种优选方案，其中：所述公式和风蚀量包括，公式如下：
Qi＝(li-l0)×ρ×s
其中，Qi为的风蚀量，l0为试验前测钎露出长度，li为通过t时间试验后测钎露出长度，ρ为沙土密度，s为测钎代表的区域面积。
本发明的有益效果：可以在室内环境中全面地还原野外环境下土壤颗粒在风力作用下的运动过程，记录分析风力侵蚀过程中土壤表面形态变化情况及风速变化对土壤抗风蚀性能的影响规律，计算出风蚀量对比得出直观结论。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明第一个实施例的实验装置隐藏顶板后的整体结构示意图；
图2为本发明第一个实施例的实验装置剖面示意图；
图3为本发明第二个实施例的一种土壤风力侵蚀过程模拟实验方法的流程示意图；
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例1
本实施例提供了一种土壤风力侵蚀过程模拟实验装置，如图1-2所示，包括，
导风模块100，包括出风段101、调风段和整流段102；导风模块100为风机，为实验装置提供风力，其中出风段101可以控制出风风速，根据模拟场景需要调节成不同风速，调风段与整流段102设计在风机内，保证风力方向统一、速度稳定，风向平行于风洞试验段201，更好的模拟还原自然场景。
进一步的，风洞试验模块200，包括风洞试验段201，风洞试验段201入口密闭连接整流段102出口，风洞试验段201包括底板201a，底板201a两侧设置有侧板201b，上方可拆卸连接有顶板201c，底板201a上设置有试验土壤202，试验土壤202前后设置有挡板203；风洞试验段201尺寸为10m×1.2m×1m，风洞试验段201是由底板201a与顶板201c为钢板、两侧为有机玻璃密封组成的长方体，其顶板201c可以开合进行试验土壤202铺设，四面利用角钢链接，并对顶板201c开合处进行密封处理，保证试验过程中上表面开合处钢板保持稳定状态。
进一步的，测量模块300，包括埋设在试验土壤202内的测钎301，设置在顶板201c上的风速仪302和相机303；风速仪302和照相机303等间距布置三组在风洞试验段201内部顶板201c上，风速仪302监测风洞中的实时风速，同时照相机303连续拍摄土壤表层形态变化，从而将风速与土壤颗粒的运动状态一一对应。
进一步的，测钎301与底板201a垂直设置，在试验土壤202中等距设置有多个，三个相机303分别为相机1、相机2、相机3，试验过程中，试验土壤202区域中的测钎301露出长度发生变化，同时相机1拍摄风洞试验段201前段土壤表面变化情况及土壤颗粒运动情况，相机2拍摄风洞试验段201中段土壤表面变化情况及土壤颗粒运动情况，相机3拍摄风洞试验段201后段土壤表面变化情况及土壤颗粒运动情况，通过相机303拍摄的土壤颗粒运动情况能够详细说明测钎301露出长度差异的原因，以及风洞试验段201不同位置土壤颗粒的运动情况的差异性。
进一步的，风洞试验段201后方连接有导流段204，导流段204连接在风洞试验段201尾端，由四周拼成的长方体通道作为一个延伸，能够确保风向平直流畅，并将吹蚀的试验土壤202快速导出风洞试验段201。
本实施例提供的实验装置能够有效的模拟自然中土壤风力侵蚀过程，通过室内风洞模拟试验全面地研究土壤风力侵蚀过程中土壤颗粒的运动变化情况以及表面形态的变化规律。
实施例2
参照图3，为本发明的的第二个实施例，该实施例不同于上一个实施例的是，提供了一种土壤风力侵蚀过程模拟实验方法，包括，
S1：启动风机调节风速，吹向风洞试验段；其中需要说明的是，
风机包括出风段、调风段和整流段，其中利用出风段调节风速，通过调风段和整流段形成风速稳定、风速平行于风洞试验段的试验风力。
风洞试验段包括，铺设在密闭通道内的试验土壤，试验土壤内埋设的测钎。
S2：记录随时间变化风洞中的实时风速，同时连续拍摄土壤表层形态变化，记录测钎露出长度变化；其中需要说明的是，
实时风速、土壤表层形态变化、测钎露出长度变化包括，利用多组风速仪、相机来分别测量不同位置的风速、拍摄试验土壤和测钎变化。
S3：将记录数据通过公式计算风蚀量。其中需要说明的是，
风速仪和相机分别设置有三组均布在风洞试验段上，检测和拍摄试验土壤的前段、中端和尾段；
计算一段时间内的风蚀量主要利用测钎的露出长度变化来进行计算，计算公式如下：
Qi＝(li-l0)×ρ×s
其中，Qi为的风蚀量，l0为试验前测钎露出长度，li为通过t时间试验后测钎露出长度，ρ为沙土密度，s为测钎代表的区域面积。
在此实验方法中，通过调节风机转速调节风速，风速仪与照相机相结合，明确不同风速情况下土壤颗粒运动状态的异同及土壤表面侵蚀形态变化过程，以及风速变化过程中土壤颗粒的运动形态及土壤表面形态变化过程；试验过程中，试验土壤区域中的测钎露出长度发生变化，同时相机1拍摄风洞试验段前段土壤表面变化情况及土壤颗粒运动情况，相机2拍摄风洞试验段中段土壤表面变化情况及土壤颗粒运动情况，相机3拍摄风洞试验段后段土壤表面变化情况及土壤颗粒运动情况，通过相机拍摄的土壤颗粒运动情况能够详细说明测钎露出长度差异的原因，以及风洞试验段不同位置土壤颗粒的运动情况的差异性。
通过本实验装置和试验方法，测试得出在两种不同风速下风蚀量的数据，风蚀量单位为kg，数据如下表所示：
Figure BDA0003134330340000051
Figure BDA0003134330340000061
重要的是，应注意，在多个不同示例性实施方案中示出的本申请的构造和布置仅是例示性的。尽管在此公开内容中仅详细描述了几个实施方案，但参阅此公开内容的人员应容易理解，在实质上不偏离该申请中所描述的主题的新颖教导和优点的前提下，许多改型是可能的(例如，各种元件的尺寸、尺度、结构、形状和比例、以及参数值(例如，温度、压力等)、安装布置、材料的使用、颜色、定向的变化等)。例如，示出为整体成形的元件可以由多个部分或元件构成，元件的位置可被倒置或以其它方式改变，并且分立元件的性质或数目或位置可被更改或改变。因此，所有这样的改型旨在被包含在本发明的范围内。可以根据替代的实施方案改变或重新排序任何过程或方法步骤的次序或顺序。在权利要求中，任何“装置加功能”的条款都旨在覆盖在本文中所描述的执行所述功能的结构，且不仅是结构等同而且还是等同结构。在不背离本发明的范围的前提下，可以在示例性实施方案的设计、运行状况和布置中做出其他替换、改型、改变和省略。因此，本发明不限制于特定的实施方案，而是扩展至仍落在所附的权利要求书的范围内的多种改型。
此外，为了提供示例性实施方案的简练描述，可以不描述实际实施方案的所有特征(即，与当前考虑的执行本发明的最佳模式不相关的那些特征，或于实现本发明不相关的那些特征)。
应理解的是，在任何实际实施方式的开发过程中，如在任何工程或设计项目中，可做出大量的具体实施方式决定。这样的开发努力可能是复杂的且耗时的，但对于那些得益于此公开内容的普通技术人员来说，不需要过多实验，所述开发努力将是一个设计、制造和生产的常规工作。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种土壤风力侵蚀过程模拟实验装置，其特征在于：包括，
导风模块(100)，包括出风段(101)、调风段和整流段(102)；
风洞试验模块(200)，包括风洞试验段(201)，所述风洞试验段(201)入口密闭连接所述整流段(102)出口，所述风洞试验段(201)包括底板(201a)，所述底板(201a)两侧设置有侧板(201b)，上方可拆卸连接有顶板(201c)，所述底板(201a)上设置有试验土壤(202)，所述试验土壤(202)前后设置有挡板(203)；以及，
测量模块(300)，包括埋设在所述试验土壤(202)内的测钎(301)，设置在所述顶板(201c)上的风速仪(302)和相机(303)。
2.根据权利要求1所述的土壤风力侵蚀过程模拟实验装置，其特征在于：所述底板(201a)和顶板(201c)为钢板，所述侧板(201b)为亚克力板，所述顶板(201c)与所述侧板(201b)之间密封处理。
3.根据权利要求2所述的土壤风力侵蚀过程模拟实验装置，其特征在于：所述风速仪(302)和相机(303)数量设置有多个，等距间隔设置在所述顶板(201c)上。
4.根据权利要求3所述的土壤风力侵蚀过程模拟实验装置，其特征在于：所述测钎(301)与底板(201a)垂直放置，在所述试验土壤(202)中等距设置有多组。
5.根据权利要求4所述的土壤风力侵蚀过程模拟实验装置，其特征在于：所述风洞试验段(201)后方连接有导流段(204)。
6.一种土壤风力侵蚀过程模拟实验方法，其特征在于：包括，
启动风机调节风速，吹向风洞试验段；
记录随时间变化风洞中的实时风速，同时连续拍摄土壤表层形态变化，记录测钎露出长度变化；
将记录数据通过公式计算风蚀量。
7.根据权利要求6所述的土壤风力侵蚀过程模拟实验方法，其特征在于：所述风机包括出风段、调风段和整流段包括，
利用出风段调节风速，通过调风段和整流段形成风速稳定、风速平行于风洞试验段的试验风力。
8.根据权利要求7所述的土壤风力侵蚀过程模拟实验方法，其特征在于：所述风洞试验段包括，
铺设在密闭通道内的试验土壤，试验土壤内埋设的测钎。
9.根据权利要求8所述的土壤风力侵蚀过程模拟实验方法，其特征在于：所述实时风速、土壤表层形态变化、测钎露出长度变化包括，
利用多组风速仪、相机来分别测量不同位置的风速、拍摄试验土壤和测钎变化。
10.根据权利要求9所述的土壤风力侵蚀过程模拟实验方法，其特征在于：所述公式和风蚀量包括，
公式如下：
Qi＝(li-l0)×ρ×s
其中，Qi为的风蚀量，l0为试验前测钎露出长度，li为通过t时间试验后测钎露出长度，ρ为沙土密度，s为测钎代表的区域面积。
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