CN214473319U - 模拟壤中流水头高度对沟头溯源侵蚀影响的试验装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种模拟壤中流水头高度对沟头溯源侵蚀影响的试验装置。该模拟壤中流水头高度对沟头溯源侵蚀影响的试验装置包括试验土箱，试验土箱的内部形成有容置腔，容置腔的底部铺设有沙粒层，沙粒层的上方铺设有土体层，试验土箱的一端设置有与容置腔相连通的径流收集槽，径流收集槽的所在位置与土体层的顶面位于同一高度，试验土箱的另一端开设有与容置腔相连通的进水口；试验土箱的外部设置有马氏恒压瓶，马氏恒压瓶通过输水管与沙粒层所在位置对应的容置腔相连通。本申请解决了无法定量评估壤中流水头高度对沟头溯源侵蚀过程影响的技术问题。

Description

模拟壤中流水头高度对沟头溯源侵蚀影响的试验装置

技术领域

本申请涉及土壤侵蚀与水土保持试验研究技术领域，具体而言，涉及一种模拟壤中流水头高度对沟头溯源侵蚀影响的试验装置。

背景技术

壤中流又称表层流，其是包气带土壤中的一种饱和水流，是径流的组成部分。近地表壤中流不仅能增加坡面径流量和侵蚀产沙量，更能导致坡面侵蚀机制发生改变。研究发现，当地表土壤水文条件由自由下渗转变为壤中流时，坡面侵蚀过程由剥离受限转变为搬运受限的侵蚀特征。沟头溯源侵蚀过程是坡面侵蚀过程中最重要的过程之一，对流域侵蚀产沙过程有重要贡献，壤中流的存在会极大的改变沟头溯源侵蚀过程进而影响流域内的侵蚀产沙。然而，目前有关近地表壤中流，特别是壤中流水头高度对沟头溯源侵蚀过程影响的研究装置与研究方法还比较缺乏。

针对相关技术中无法定量评估壤中流水头高度对沟头溯源侵蚀过程影响的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

实用新型内容

本申请的主要目的在于提供一种模拟壤中流水头高度对沟头溯源侵蚀影响的试验装置，以解决无法定量评估壤中流水头高度对沟头溯源侵蚀过程影响的问题。

为了实现上述目的，本申请提供了一种模拟壤中流水头高度对沟头溯源侵蚀影响的试验装置。

根据本申请的模拟壤中流水头高度对沟头溯源侵蚀影响的试验装置，包括试验土箱，所述试验土箱的内部形成有容置腔，所述容置腔的底部铺设有沙粒层，所述沙粒层的上方铺设有土体层，所述试验土箱的一端设置有与所述容置腔相连通的径流收集槽，所述径流收集槽的所在位置与所述土体层的顶面位于同一高度，所述试验土箱的另一端开设有与所述容置腔相连通的进水口；

所述试验土箱的外部设置有马氏恒压瓶，所述马氏恒压瓶通过输水管与所述沙粒层所在位置对应的所述容置腔相连通。

进一步的，所述输水管包括输水总管和多根输水支管，所述输水总管的一端与所述马氏恒压瓶连接，所述输水总管的另一端与多根输水支管的一端连接，各所述输水支管的另一端沿所述试验土箱的延伸方向间隔排列且分别与所述容置腔相连通。

进一步的，所述试验土箱的下方远离所述径流收集槽的一侧设置有升降装置，所述升降装置的顶部与所述试验土箱的底部抵接。

进一步的，所述进水口处可拆卸地设置有挡板，所述挡板沿竖直方向设置，且所述挡板的顶部所在高度高于所述土体层的顶面所在高度；

所述进水口与水箱连接，在所述水箱与所述进水口之间设置有水泵、阀门和流量计。

进一步的，所述试验土箱采用透明材料制成；

所述试验土箱的上方设置有能沿所述试验土箱的延伸方向移动的第一摄像机，所述第一摄像机的摄像头朝向所述试验土箱的方向。

进一步的，与所述径流收集槽相邻的所述试验土箱一侧面的外部设置有能沿所述试验土箱的延伸方向移动的第二摄像机，所述第二摄像机的摄像头朝向所述试验土箱的方向。

进一步的，所述试验土箱的外部沿所述试验土箱的延伸方向设置有滑轨，所述滑轨上滑设有支架，所述第一摄像机和所述第二摄像机均安装于所述支架上。

进一步的，所述径流收集槽为两端开口的槽状结构，所述径流收集槽的一端连接在所述试验土箱上，所述径流收集槽的另一端向远离所述径流收集槽方向延伸形成径流槽出口。

进一步的，所述马氏恒压瓶包括瓶体、瓶盖、调压管以及输液管，所述瓶体内盛装有液体，所述瓶体的顶部开口处盖设有瓶盖，所述调压管的一端位于所述瓶盖的上方，所述调压管的另一端穿过所述瓶盖并伸入至所述瓶体内且位于液面的上方位置，所述输液管的一端与所述输水总管连接，所述输液管的另一端穿过所述瓶盖并伸入至所述瓶体内且位于所述液面的下方。

进一步的，所述调压管位于所述瓶体内的一端所在位置的高度与位于所述土体层中设置的壤中流水头高度相同。

在本申请实施例中，在试验土箱的容置腔内铺设有沙粒层，在沙粒层的上方铺设有土体层，从而在试验土箱内模拟真实的地表土壤条件，在试验土箱的外部设置有马氏恒压瓶，马氏恒压瓶通过输水管与沙粒层所在位置对应的容置腔相连通，马氏恒压瓶可保持对内部液面的恒定压强，从而可通过马氏恒压瓶控制马氏恒压瓶内的液体向容置腔内的输送量，进而通过马氏恒压瓶中调压管下端的高度，调节土体中对应的水头高度，进而调节土体中的壤中流的水头高度，根据实际试验需要可定量模拟不同壤中流水头高度对沟头溯源侵蚀过程的影响，工作人员可在试验土箱的外部对侵蚀过程进行直观观察和记录，能够为壤中流影响下的土壤侵蚀过程防止提供科学依据，进而解决了无法定量评估壤中流水头高度对沟头溯源侵蚀过程影响的技术问题。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是本实用新型模拟壤中流水头高度对沟头溯源侵蚀影响的试验装置的结构示意图；

图2是本实用新型模拟壤中流水头高度对沟头溯源侵蚀影响的试验装置的俯视结构示意图；

图3是本实用新型模拟壤中流水头高度对沟头溯源侵蚀影响的试验装置在地表径流产生状态下的结构示意图。

图4是本实用新型模拟壤中流水头高度对沟头溯源侵蚀影响的试验装置试验过程中所获得的径流含沙浓度随时间的变化示意图。

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实用新型及其实施例，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实用新型中的具体含义。

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实用新型中的具体含义。

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。

如图1、图2所示，本申请涉及一种模拟壤中流水头高度对沟头溯源侵蚀影响的试验装置，该模拟壤中流水头高度对沟头溯源侵蚀影响的试验装置包括试验土箱1，试验土箱1为长方体形结构，试验土箱1的内部形成有容置腔101，在容置腔101的底部铺设有沙粒层2，沙粒层2的上方铺设有土体层3，试验土箱1的一端设置有与容置腔101相连通的径流收集槽102，径流收集槽102的所在位置与土体层3的顶面位于同一高度，试验土箱1的另一端开设有与容置腔101相连通的进水口103；试验土箱1的外部设置有马氏恒压瓶6，马氏恒压瓶6通过输水管与沙粒层2所在位置对应的容置腔101相连通。

本实用新型在试验土箱1的容置腔101内铺设有沙粒层2，在沙粒层2的上方铺设有土体层3，从而在试验土箱1内模拟真实的地表土壤条件，在试验土箱1的外部设置有马氏恒压瓶6，马氏恒压瓶6通过输水管与沙粒层2所在位置对应的容置腔101相连通，马氏恒压瓶6可保持对内部液面的恒定压强，从而可通过马氏恒压瓶6控制马氏恒压瓶6内的液体(水)向容置腔101内的输送量，调节土体层3上方的水头高度，进而调节土体中的壤中流的水头高度，根据实际试验需要可定量模拟不同壤中流水头高度对沟头溯源侵蚀过程的影响，工作人员可在试验土箱1的外部对侵蚀过程进行直观观察和记录，能够为壤中流影响下的土壤侵蚀过程防止提供科学依据。

进一步的，沙粒层2的厚度可为但不限于5cm，土体层3的厚度可为但不限于40cm。

具体的，如图1、图2所示，径流收集槽102为两端开口的槽状结构，径流收集槽102的一端连接在试验土箱1上，径流收集槽102的另一端向远离径流收集槽102方向延伸形成径流槽出口1021。

在本实用新型的一个可选实施例中，如图1、图2所示，输水管包括输水总管5和多根输水支管4，输水总管5的一端与马氏恒压瓶6连接，输水总管5的另一端与多根输水支管4的一端连接，各输水支管4的另一端沿试验土箱1的延伸方向间隔排列且分别与容置腔101相连通，从而可将马氏恒压瓶6内的液体均匀输送至沙粒层2内，能够真实模拟壤中流的形成。

在本实用新型的一个可选实施例中，如图1所示，试验土箱1的下方远离径流收集槽102的一侧设置有升降装置7，升降装置7的顶部与试验土箱1的底部抵接。通过升降装置7可调节试验土箱1一侧的高度，进而可调节试验土箱1的坡度。

进一步的，升降装置7可为但不限于千斤顶。

在本实用新型的一个可选实施例中，如图1所示，进水口103处可拆卸地设置有挡板11，挡板11沿竖直方向设置，且挡板11的顶部所在高度高于土体层3的顶面所在高度。可通过挡板11对进入进水口103内的水流进行阻挡，在试验开始时，将挡板11拆卸移除，从而使得在进水口103处形成一定高度的初始沟头。

进一步的，挡板11位于试验土箱1的内部，且挡板11距离进水口103的距离为2.3m，挡板11的顶部与土体层3的顶面之间具高度差为3cm。

进一步的，挡板11可采用但不限于铝质材料。

进一步的，进水口103与水箱连接，在水箱与进水口103之间设置有水泵、阀门和流量计，通过水箱可向试验土箱1提供稳定水流，以消除水泵带来的径流紊动，并可对供水量进行计量。

在本实用新型的一个可选实施例中，试验土箱1采用透明材料(玻璃)制成，在试验土箱1的外部即可清晰地观察到沟头侵蚀的过程。

进一步的，如图2所示，试验土箱1的上方设置有能沿试验土箱1的延伸方向移动的第一摄像机8，第一摄像机8的摄像头朝向试验土箱1的方向；与径流收集槽102相邻的试验土箱1一侧面的外部设置有能沿试验土箱1的延伸方向移动的第二摄像机9，第二摄像机9的摄像头朝向试验土箱1的方向。通过第一摄像机8和第二摄像机9相配合对沟头侵蚀的过程进行拍摄，方便工作人员进行观察和记录。

具体的，试验土箱1的外部沿试验土箱1的延伸方向设置有滑轨(未示出)，滑轨上滑设有支架10，第一摄像机8和第二摄像机9均安装于支架10上，以达到第一摄像机8和第二摄像机9移动拍摄的目的。

具体的，如图1、图2所示，马氏恒压瓶6包括瓶体、瓶盖、调压管602以及输液管601，瓶体采用透明材料(玻璃)制成，瓶体内盛装有液体(水)，瓶体的顶部开口处盖设有瓶盖，调压管602的一端位于瓶盖的上方且与外部相连通，调压管602的另一端穿过瓶盖并伸入至瓶体内且位于液面的上方位置，以保持对液面的恒定大气压强；输液管601的一端与输水总管5连接，输液管601的另一端穿过瓶盖并伸入至瓶体内且位于液面的下方。

进一步的，所述调压管602位于瓶体内的一端所在位置的高度与位于土体层3中设置的壤中流水头高度相同，进而可通过调节调压管602在瓶体中的长度调节土体中壤中流的水头高度。

该试验装置的试验步骤如下所述：

沙粒层2的装填以及输水管的布置：试验所用土壤从野外采集后自然风干，然后通过孔径为4mm的筛子筛出沙粒待用，在沙粒层2内填埋有输水支管4，以向沙粒层2内供水；另外，在试验土槽装填过程中，需要在沙粒层2的底部铺设3列排水管道，排水管道用高透水纱布进行包裹，用于将沙粒层2内的多余水分进行排出；

土体层3的装填和沟头的制作：在沙粒层2的上方分层填装试验土壤，每层填装土壤的厚度为3cm，为了控制土壤容重，每层土壤装填质量均为15kg，装填完毕后，用刮板将土壤表面刮平，随后在土壤表面放置铁板并安装3个震动马达，插上电源后保持震动4min，以压实土壤；震动完成后，在该层土壤表面铺设下一层土壤，当填装至最后一层土壤(即：最后一层土壤表面与径流收集槽102的高度平齐)后，在距离试验土箱1的内部且距离进水口103一定距离(2.3m)处可拆卸地安装挡板11用于形成初始沟头，随后在其上填装另外15kg的供试土壤，并对表层土壤同样震动4min压实土壤至预设容重；之后将通过孔径为1mm的筛子的细沙粒均匀撒在土体层3表面，用于形成结皮。试验土槽装填结束后，静置12小时；

表面处理和沟头制作：每次试验土槽填土完成后，均要进行预降雨处理并在土壤表面形成结皮，用于保障试验过程中仅发生沟头溯源侵蚀，而不在土壤表面发生片蚀；预降雨过程中，从侧面玻璃面板上观察土壤水分的入渗情况，当湿润锋穿透土体层3达到沙粒层2后停止降雨，此时试验土壤表面的结皮已经形成；随后将拆除挡板11，形成初始高度为3cm的沟头，为了保证进水口103与土体连接处不发生侵蚀，进水口103与土体连接位置喷洒快干型的橡胶阻水剂，用于防止通过进水口103进入试验土箱1内的地表径流在进入土体表面时发生侵蚀，以保证径流能够平稳进入试验土箱1；

壤中流水头高度设定：根据试验要求设计对应的壤中流水头高度，安装监测沟头溯源过程的摄像机，检查与进水口103连接的供水装置，并通过进水口103向试验土箱1内进行供水，正式开始径流冲刷试验；地表径流产生后，连续收集径流泥沙样品，用于分析沟头溯源侵蚀过程。

由上述试验步骤可获得以下试验(不同壤中流水头高度和水力坡度条件下沟头溯源侵蚀特征值)结果：

表1

从表1中可以看出，与自由下渗条件下相比，在壤中流水头高度位于初始沟头高度时，沟头溯源侵蚀速率增大约42％，侵蚀率增加46.5％，这说明壤中流的存在增加了土壤可蚀性；而当水头高度继续上升至超过沟头高度3cm时，沟头溯源速率较自由下渗条件增加了3.8至8.2倍，相应的侵蚀率也增加了2.1倍，这说明壤中流水头高度对浅沟沟头溯源侵蚀速率有重要影响。

如图4所示，显示了不同壤中流水头高度处理下的径流含沙浓度随时间的变化，由图4可知，与自由下渗相比，壤中流处理中的径流含沙浓度明显增大，特别是当水头高度增加，超过沟头位置3cm时，径流含沙浓度增加更为明显，从10g/L增加到30g/L左右，从而说明壤中流的形成明显加剧了浅沟沟头溯源侵蚀过程。

其中，横坐标为时间(s)，纵坐标为径流含沙浓度(g/L)。

从以上的描述中，可以看出，本发明实现了如下技术效果：

该模拟壤中流水头高度对沟头溯源侵蚀影响的试验装置在试验土箱1内模拟真实的地表土壤条件，在试验土箱1的外部设置有马氏恒压瓶6，马氏恒压瓶6通过输水管与沙粒层2所在位置对应的容置腔101相连通，马氏恒压瓶6可保持对内部液面的恒定压强，从而可通过马氏恒压瓶6控制马氏恒压瓶6内的液体向容置腔101内的输送量，进而调节土体中的壤中流的水头高度，根据实际试验需要可定量模拟不同壤中流水头高度对沟头溯源侵蚀过程的影响，工作人员可在试验土箱1的外部对侵蚀过程进行直观观察和记录，能够为壤中流影响下的土壤侵蚀过程防止提供科学依据。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种模拟壤中流水头高度对沟头溯源侵蚀影响的试验装置，其特征在于，所述模拟壤中流水头高度对沟头溯源侵蚀影响的试验装置包括试验土箱(1)，所述试验土箱(1)的内部形成有容置腔(101)，所述容置腔(101)的底部铺设有沙粒层(2)，所述沙粒层(2)的上方铺设有土体层(3)，所述试验土箱(1)的一端设置有与所述容置腔(101)相连通的径流收集槽(102)，所述径流收集槽(102)的所在位置与所述土体层(3)的顶面位于同一高度，所述试验土箱(1)的另一端开设有与所述容置腔(101)相连通的进水口(103)；

所述试验土箱(1)的外部设置有马氏恒压瓶(6)，所述马氏恒压瓶(6)通过输水管与所述沙粒层(2)所在位置对应的所述容置腔(101)相连通。

2.根据权利要求1所述的模拟壤中流水头高度对沟头溯源侵蚀影响的试验装置，其特征在于，所述输水管包括输水总管(5)和多根输水支管(4)，所述输水总管(5)的一端与所述马氏恒压瓶(6)连接，所述输水总管(5)的另一端与多根输水支管(4)的一端连接，各所述输水支管(4)的另一端沿所述试验土箱(1)的延伸方向间隔排列且分别与所述容置腔(101)相连通。

3.根据权利要求1所述的模拟壤中流水头高度对沟头溯源侵蚀影响的试验装置，其特征在于，所述试验土箱(1)的下方远离所述径流收集槽(102)的一侧设置有升降装置(7)，所述升降装置(7)的顶部与所述试验土箱(1)的底部抵接。

4.根据权利要求1所述的模拟壤中流水头高度对沟头溯源侵蚀影响的试验装置，其特征在于，所述进水口(103)处可拆卸地设置有挡板(11)，所述挡板(11)沿竖直方向设置，且所述挡板(11)的顶部所在高度高于所述土体层(3)的顶面所在高度；

所述进水口(103)与水箱连接，在所述水箱与所述进水口(103)之间设置有水泵、阀门和流量计。

5.根据权利要求1所述的模拟壤中流水头高度对沟头溯源侵蚀影响的试验装置，其特征在于，所述试验土箱(1)采用透明材料制成；

所述试验土箱(1)的上方设置有能沿所述试验土箱(1)的延伸方向移动的第一摄像机(8)，所述第一摄像机(8)的摄像头朝向所述试验土箱(1)的方向。

6.根据权利要求5所述的模拟壤中流水头高度对沟头溯源侵蚀影响的试验装置，其特征在于，与所述径流收集槽(102)相邻的所述试验土箱(1)一侧面的外部设置有能沿所述试验土箱(1)的延伸方向移动的第二摄像机(9)，所述第二摄像机(9)的摄像头朝向所述试验土箱(1)的方向。

7.根据权利要求6所述的模拟壤中流水头高度对沟头溯源侵蚀影响的试验装置，其特征在于，所述试验土箱(1)的外部沿所述试验土箱(1)的延伸方向设置有滑轨，所述滑轨上滑设有支架(10)，所述第一摄像机(8)和所述第二摄像机(9)均安装于所述支架(10)上。

8.根据权利要求1所述的模拟壤中流水头高度对沟头溯源侵蚀影响的试验装置，其特征在于，所述径流收集槽(102)为两端开口的槽状结构，所述径流收集槽(102)的一端连接在所述试验土箱(1)上，所述径流收集槽(102)的另一端向远离所述径流收集槽(102)方向延伸形成径流槽出口(1021)。

9.根据权利要求2所述的模拟壤中流水头高度对沟头溯源侵蚀影响的试验装置，其特征在于，所述马氏恒压瓶(6)包括瓶体、瓶盖、调压管(602)以及输液管(601)，所述瓶体内盛装有液体，所述瓶体的顶部开口处盖设有瓶盖，所述调压管(602)的一端位于所述瓶盖的上方，所述调压管(602)的另一端穿过所述瓶盖并伸入至所述瓶体内且位于液面的上方位置，所述输液管(601)的一端与所述输水总管(5)连接，所述输液管(601)的另一端穿过所述瓶盖并伸入至所述瓶体内且位于所述液面的下方。

10.根据权利要求9所述的模拟壤中流水头高度对沟头溯源侵蚀影响的试验装置，其特征在于，所述调压管(602)位于所述瓶体内的一端所在位置的高度与位于所述土体层(3)中设置的壤中流水头高度相同。

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