CN220508538U - 一种考虑土壤厚度分布和基岩渗透性差异性的径流收集装置 - Google Patents
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Abstract
一种考虑土壤厚度分布和基岩渗透性差异性的径流收集装置，包括土槽、位于土槽一端的径流收集槽、设于土槽中部的土槽隔板、置于土槽内的底板以及位于土槽下方的土槽底座，径流收集槽用于收集地表径流、壤中流和基流；土槽隔板将土槽分为透水小土槽和不透水小土槽，底板包括分别两个小土槽内的透水支撑板和不透水支撑板，以实现不同基岩渗透性设计，支撑板下方设有支撑架，调整支撑架放置方向可实现土槽内不同土壤厚度分布设计；土槽底座用于平移土槽和进行不同坡度调整。本实用新型可利用连续人工降雨试验实现对不同土壤厚度分布、不同基岩渗透性条件下的径流过程收集，更准确地模拟和分析典型山区坡面不同下垫面形态条件下的连续降雨径流产流过程。
Description
技术领域
本实用新型涉及人工降雨条件下的坡面径流观测技术领域，具体是一种考虑土壤厚度分布和基岩渗透性差异性的径流收集装置。
背景技术
山洪灾害因其突发性强、分布广和破坏力大的特点，给国民经济和人民生命财产造成了严重危害。山区强降雨及持续降雨引起洪水汇集，洪水输移诱发滑坡、泥石流等复杂的链生灾害，从而使人类活动区受灾。研究强降雨及持续降雨条件下山区小流域的产流机理和过程，对山区山洪灾害防御技术提升有重要意义。
关于强降雨和持续降雨条件下的产流机理研究，目前采用较多的方法是室内人工模拟降雨试验，利用土槽收集不同降雨条件下的产流进行相关分析研究。但目前降雨试验所采用土槽在设计上仍具有一定的局限性，并不能较好地代表山区小流域坡面的典型特点。山区小流域地形起伏大、土壤厚度分布不均、基岩渗透性存在较大差异。现有的土槽大多只能模拟相同土壤厚度分布、相同基岩渗透性条件下的产流过程。同时，一场降雨试验往往只能设置单一雨强、单一下垫面条件，不同降雨场次条件下的试验，往往会因降雨器调节、重新填土、场地条件变化而造成试验误差。另外，土槽多使用不透明材质制造，在降雨过程中无法实时观察土壤中湿润锋运移情况。
实用新型内容
本实用新型针对现有技术的不足，提供了一种考虑土壤厚度分布和基岩渗透性差异性的径流收集装置，该装置在同一土槽中实现不同土壤厚度分布、不同基岩渗透性条件设置，并通过不同雨强的连续降雨，收集到不同降雨条件下的连续产流过程，可降低因降雨强度率定、重新填土、场地变化等外在条件引起的试验误差，同时还可以实时观测土壤中湿润锋运移情况，从而实现降雨条件下的坡面产流过程精确记录与分析。
为了实现上述目标，本实用新型采用如下的技术方案：
一种考虑土壤厚度分布和基岩渗透性差异性的径流收集装置，包括土槽、位于土槽一端的径流收集槽、设于土槽中部的土槽隔板、置于土槽内的底板以及位于土槽下方的土槽底座，所述径流收集槽用于收集地表径流、壤中流和基流；所述土槽隔板将土槽分为左右两个容积大小相等的透水小土槽和不透水小土槽，所述底板包括分别置于透水小土槽和不透水小土槽内的透水支撑板和不透水支撑板，透水支撑板和不透水支撑板下方设有两侧为直角梯形的支撑架，调整支撑架的放置方向可实现土槽内不同的土壤厚度分布设计；所述土槽底座用于平移土槽和对土槽进行不同坡度调整。
进一步的，所述径流收集槽包括从上至下依次设于土槽一侧的地表径流收集槽、中部壤中流收集槽、下部壤中流收集槽，土槽一侧从上至下依次设有地表径流出水口、中部壤中流出水口以及下部壤中流出水口，地表径流收集槽、中部壤中流收集槽、下部壤中流收集槽分别与地表径流出水口、中部壤中流出水口以及下部壤中流出水口连通。
进一步的，所述地表径流出水口位于土槽一侧顶部，地表径流出水口底部与土槽中所填土壤表面平齐；当支撑架的放置方向使得土层设计为坡底土薄坡顶土厚时，中部壤中流出水口底部与土层底部的反滤层的底部平齐，当支撑架的放置方向使得土层设计为坡底土厚坡顶土薄时，中部壤中流出水口需要被堵住，下部壤中流出水口与土槽底部平齐。
进一步的，所述土槽的侧壁为可视侧板，所述可视侧板为透明有机玻璃材质。
进一步的，所述透水小土槽底部靠近下部壤中流出水口处设有挡水条，挡水条一侧设有底部基流出水口，另一侧与下部壤中流出水口间隔5cm，挡水条用于挡住基流，防止基流继续往下流动从下部壤中流出水口流出。
进一步的，所述径流收集槽还包括底部基流收集槽，与设于土槽底部的底部基流出水口连接。
进一步的，所述透水支撑板、不透水支撑板上平铺有反滤层，反滤层叠加覆盖有两层钢丝网，两层钢丝网中间设有无纺布过滤网。
进一步的，所述支撑架底部为矩形，两侧的直角梯形内部设有垂直支撑杆以及水平支撑杆，支撑架底部矩形中间无支撑杆。
进一步的，所述土槽底座包括底座支撑架、液压升降机，底座支撑架为矩形钢架结构，底部长宽与土槽长宽相等；在土槽底部设有重型铰链将土槽底部与底座支撑架一端的顶部连接，土槽可绕重型铰链转动；液压升降机固定在底座支撑架上，液压升降机的支柱与土槽底部通过重型铰链连接，调节液压升降机支柱升降可使土槽坡度在0°～30°范围内变化。
进一步的，所述底座支撑架底部四角设有4个万向轮。
本实用新型和现有的技术相比，具有如下显著有益效果：
1、本实用新型改变了传统土槽中单一土壤厚度设计、单一基岩渗透性设计，改用可调节的活动支撑架和透水及不透水支撑板，实现不同土壤厚度分布、不同基岩渗透性变化设计，可更加真实地反映山区小流域坡面土壤厚度分布和基岩渗透性的差异性特点，使试验更加符合实际；
2、本实用新型改变了现有降雨径流收集试验中同一场降雨试验只能设置单一雨强、单一下垫面的设计，采用大土槽分隔成两个小土槽，可在同一土槽内实现不同的下垫面条件设置，可同时采用4种设计雨强对同一土槽连续降雨，减小因雨强调节、重新填土、场地条件变化而引起的试验误差，使试验结果更精确；
3、本实用新型除依照常见的土槽设置地表径流和壤中流收集槽外，本实用新型还设置了基流收集槽，可更加完整地收集降雨过程中土样产生的所有径流成分；
4、本实用新型通过可视侧板实时观测降雨过程中湿润锋运移过程，可以更加直观、精确地了解土壤中水分运移过程。
附图说明
图1中(a)是本实用新型实施例一种考虑土壤厚度分布和基岩渗透性差异性的径流收集装置的左侧视图，(b)是本实用新型实施例的右侧视图；
图2是本实用新型实施例土槽的俯视结构图；
图3是本实用新型实施例土槽的正面结构示意图；
图4中(a)是本实用新型实施例改变底板方向后的左侧视图，(b)是改变底板方向后的右侧视图；
图5是本实用新型实施例支撑架的透视立体结构示意图。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
如图1所示，本实用新型实施例提供一种考虑土壤厚度分布和基岩渗透性差异性的径流收集装置，包括土槽1、土槽隔板2、径流收集槽3、底板4、土槽底座5。土槽1被土槽隔板2分为两个小土槽(如图2所示)，分别为透水小土槽101和不透水小土槽102，两个小土槽一端分别有收集地表径流、壤中流和基流的径流收集槽3。
所述土槽1内放置有底板4，两个小土槽内的底板4分别为透水和不透水的，即透水小土槽101内的底板4为透水的，不透水小土槽102内的底板4为不透水的。土槽1下方有土槽底座5，可调节土槽1坡度，也可使土槽1在室内水平移动。试验开始时，将土壤按照一定设计标准分别填入两个小土槽中，并调整土槽底座5使土槽1保持设计坡度。调整设计雨强开始降雨后，待径流收集槽3有水滴出时，用接水容器分别接取地表径流、壤中流和基流。
具体的，参照图2和图3，土槽1包括透水小土槽101、不透水小土槽102、可视侧板103、地表径流出水口104、中部壤中流出水口105、下部壤中流出水口106、挡水条107、底部基流出水口108。地表径流出水口104位于土槽1一侧顶部，地表径流出水口104底部与土槽1中所填土壤表面平齐，中部壤中流出水口105底部距土壤表面25cm，下部壤中流出水口106与土槽1底部平齐。可视侧板103为透明有机玻璃材质，作为土槽1侧壁，可以实时观察土槽内土壤湿润峰运移情况。挡水条107为不透水塑料材质，宽50cm，高2cm，厚度为2cm，位于下部壤中流出水口106与底部基流出水口108之间，挡水条107一侧为底部基流出水口108，另一侧与下部壤中流出水口106间隔5cm，透水小土槽101中土壤产生的基流流到土槽1底部，因土槽1有一定坡度，基流由土槽1底部自上而下流动，最终汇集到底部基流出水口108流出，挡水条107可挡住基流，可以防止透水小土槽101土壤中基流从下部壤中流出水口106流出。
具体的，参照图3和图4，所述径流收集槽3包括从上至下依次设置的地表径流收集槽301、中部壤中流收集槽302、下部壤中流收集槽303、底部基流收集槽304。其中，地表径流收集槽301、中部壤中流收集槽302、下部壤中流收集槽303长度依次为40cm、25cm、10cm，可保证同时收集不同径流。地表径流收集槽301与地表径流出水口104连接，中部壤中流收集槽302与中部壤中流出水口105连接，下部壤中流收集槽303与下部壤中流出水口106。基流收集槽304长10cm，与底部基流出水口108连接。
具体的，参照图4，底板4包括透水支撑板401、不透水支撑板402、反滤层403、钢丝网404、支撑架405。透水支撑板401位于透水小土槽101中，不透水支撑板402位于不透水小土槽102中。透水支撑板401、不透水支撑板402均为厚度1.5cm的钢质矩形板，长200cm、宽50cm。透水支撑板401上均匀分布有内径不大于1cm的圆形孔，圆形孔间隔不大于2cm，不透水支撑板402无孔。反滤层403为粒径不小于2cm的粗砂，平铺在透水支撑板401、不透水支撑板402上，厚度为3cm。钢丝网404共两层，网孔宽度为0.5cm，叠加覆盖在反滤层403上，两层钢丝网404中间有一层孔径为0.3cm的无纺布过滤网，两层钢丝网404整体厚度为0.5cm。
具体的，参照图5，支撑架405为螺纹钢筋钢架结构，钢筋直径不小于1cm。支撑架405两侧为直角梯形，通过底部的矩形连接固定，底部矩形长为150cm，宽为50cm。直角梯形上底为20cm，下底为5cm，两侧的直角梯形内部还均匀分布有2根垂直支撑杆以及两根水平支撑杆。支撑架405底部矩形中间无支撑杆，以确保透水小土槽101中基流可顺利通过土槽底部流入底部基流出水口108。
具体的，参照图4，土槽底座5包括底座支撑架501、万向轮502、液压升降机503。底座支撑架501为矩形钢架结构，底部长宽与土槽1长宽相等，底部四角有4个万向轮502。底座支撑架501一端的顶部有重型铰链与土槽1底部连接，该重型铰链距下部壤中流出水口106的距离为40cm，土槽1可绕重型铰链转动。液压升降机503固定在底座支撑架501上，液压升降机503的支柱通过重型铰链连接土槽1底部，该重型铰链与下部壤中流出水口106的距离为160cm，调节液压升降机503支柱升降可使土槽坡度在0°～30°范围内变化。
本实用新型的土槽1被土槽隔板2分为两个小土槽，两个小土槽中分别放置透水支撑板401和不透水支撑板402，实现透水和不透水两种不同的基岩渗透性设计。同时，通过调整土槽1中底板支撑架405的方向，使透水支撑板401和不透水支撑板402分别以一定角度倾斜放置在两个小土槽中，将试验土样按照一定设计指标填入土槽1中，可在同一土槽中实现土槽上部下部不同的土壤厚度分布设计。通过调节土槽底座5的液压升降机503，将土槽1坡度调整至设计值。在不同降雨强度条件下，通过径流收集槽3收集一定时间间隔内的产流量，计算分析不同降雨条件下的产流规律，从而分析不同土壤厚度分布、不同基岩渗透性条件下的产流过程及规律。
本实用新型实施例还提供一种考虑土壤厚度分布和基岩渗透差异性的径流收集方法，采用上述装置进行，具体步骤如下：
步骤一：调整透水小土槽101和不透水为小土槽102中支撑架405放置方向，使两个小土槽土壤厚度分布一致(如都为坡顶厚坡底薄)，将透水支撑板401、不透水支撑板402分别放置到透水小土槽101和不透水小土槽102中支撑架405上，随后依次铺上反滤层403、两层钢丝网404，最后将土样填入两个小土槽中备用；
步骤二：调整土槽底座5的液压升降机503，使土槽达到一定的设计坡度，如15°；
步骤三：按照特定研究区设计4种雨强，各设计雨强下产流时长设计为45min，前5min每隔1min取一次径流样，后40min每隔5min取一次径流样，每场降雨结束后，暂停30min后进行下一场降雨，并重复以上取样过程；
步骤四：按照设计雨强开始降雨，待径流收集槽3有水滴出时，用接水容器在某一特定时间段内分别接取地表径流、壤中流和基流，按照步骤三依次完成4种设计雨强的降雨和径流取样；
步骤五：称取接水容器中浑水样品重量，记为Ma，静置接水容器，将水样中泥沙烘干，称重烘干后泥沙重量记为Mb，利用公式(1)分别计算地表径流、壤中流和基流的径流率：
其中，Q为径流率(L/min)；Ma为浑水样品重量(g)；Mb为烘干后泥沙重量(g)；ρ为水密度(1.0g/cm3)；t为径流取样时间(s)；步骤六：利用公式(2)计算单位时间内一定面积内泥沙输移质量，即侵蚀速率D，
其中，D为侵蚀速率(g/(m2·s))；Mb为烘干后泥沙重量(g)；b为土槽宽度(m)；L为土槽长度(m)；t为径流取样时间(s)；
步骤七：第4种设计雨强条件下的最后一场降雨径流接样完成后结束试验，将两个小土槽中土样起出，冲洗土槽，调整土槽坡度，重复步骤一至步骤七，进行另一设计坡度条件下的降雨径流观测试验，直至所有设计坡度条件下的降雨径流观测试验全部完成；
步骤八：待同一土壤厚度分布条件下不同设计雨强和设计坡度的降雨试验全部完成后，再调整支撑架405的放置方向，重复步骤一至步骤七，进行另一土壤厚度分布设计条件下的试验。若设计土壤厚度分布为坡顶薄坡底厚，需要利用下部壤中流出水口106收集壤中流时，此时在执行步骤一所述填土操作之前，用有机玻璃板及密封胶将两个小土槽的中部壤中流出水口105封住，防止土层中的壤中流从中部壤中流出水口105流出。也可仅调整设计雨强和土槽坡度，重复步骤一至步骤七，待同一土壤厚度分布条件下不同设计雨强和设计坡度的降雨试验全部完成后，再调整支撑架405的放置方向，进行其他条件的降雨试验。
以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种考虑土壤厚度分布和基岩渗透性差异性的径流收集装置，其特征在于：包括土槽(1)、位于土槽(1)一端的径流收集槽(3)、设于土槽(1)中部的土槽隔板(2)、置于土槽内的底板(4)以及位于土槽(1)下方的土槽底座(5)，所述径流收集槽(3)用于收集地表径流、壤中流和基流；所述土槽隔板(2)将土槽(1)分为左右两个容积大小相等的透水小土槽(101)和不透水小土槽(102)，所述底板(4)包括分别置于透水小土槽(101)和不透水小土槽(102)内的透水支撑板(401)和不透水支撑板(402)，透水支撑板(401)和不透水支撑板(402)下方设有两侧为直角梯形的支撑架(405)，调整支撑架(405)的放置方向可实现土槽(1)内不同的土壤厚度分布设计；所述土槽底座(5)用于水平移动土槽(1)和调整土槽(1)实现不同坡度设计。
2.根据权利要求1所述的一种考虑土壤厚度分布和基岩渗透性差异性的径流收集装置，其特征在于：所述径流收集槽(3)包括从上至下依次设于土槽(1)一侧的地表径流收集槽(301)、中部壤中流收集槽(302)、下部壤中流收集槽(303)，土槽(1)一侧从上至下依次设有地表径流出水口(104)、中部壤中流出水口(105)以及下部壤中流出水口(106)，地表径流收集槽(301)、中部壤中流收集槽(302)、下部壤中流收集槽(303)分别与地表径流出水口(104)、中部壤中流出水口(105)以及下部壤中流出水口(106)连通。
3.根据权利要求2所述的一种考虑土壤厚度分布和基岩渗透性差异性的径流收集装置，其特征在于：所述地表径流出水口(104)位于土槽(1)一侧顶部，地表径流出水口(104)底部与土槽(1)中所填土壤表面平齐；当支撑架(405)的放置方向使得土层设计为坡底土薄坡顶土厚时，中部壤中流出水口(105)底部与土层底部的反滤层(403)的底部平齐，当支撑架(405)的放置方向使得土层设计为坡底土厚坡顶土薄时，中部壤中流出水口(105)需要被堵住，下部壤中流出水口(106)与土槽(1)底部平齐。
4.根据权利要求1所述的一种考虑土壤厚度分布和基岩渗透性差异性的径流收集装置，其特征在于：所述土槽(1)的侧壁为可视侧板(103)，所述可视侧板(103)为透明有机玻璃材质。
5.根据权利要求2所述的一种考虑土壤厚度分布和基岩渗透性差异性的径流收集装置，其特征在于：所述透水小土槽(101)底部靠近下部壤中流出水口(106)处设有挡水条(107)，挡水条(107)一侧设有底部基流出水口(108)，另一侧与下部壤中流出水口(106)间隔5cm，挡水条(107)用于挡住基流，防止基流继续往下流动从下部壤中流出水口(106)流出。
6.根据权利要求5所述的一种考虑土壤厚度分布和基岩渗透性差异性的径流收集装置，其特征在于：所述径流收集槽(3)还包括底部基流收集槽(304)，与设于土槽(1)底部的底部基流出水口(108)连接。
7.根据权利要求1所述的一种考虑土壤厚度分布和基岩渗透性差异性的径流收集装置，其特征在于：所述透水支撑板(401)、不透水支撑板(402)上平铺有反滤层(403)，反滤层(403)叠加覆盖有两层钢丝网(404)，两层钢丝网(404)中间设有无纺布过滤网。
8.根据权利要求1所述的一种考虑土壤厚度分布和基岩渗透性差异性的径流收集装置，其特征在于：所述支撑架(405)底部为矩形，两侧的直角梯形内部设有垂直支撑杆以及水平支撑杆，支撑架(405)底部矩形中间无支撑杆。
9.根据权利要求1所述的一种考虑土壤厚度分布和基岩渗透性差异性的径流收集装置，其特征在于：所述土槽底座(5)包括底座支撑架(501)、液压升降机(503)，底座支撑架(501)为矩形钢架结构，底部长宽与土槽(1)长宽相等；在土槽(1)底部设有重型铰链将土槽(1)底部与底座支撑架(501)一端的顶部连接，土槽(1)可绕重型铰链转动；液压升降机(503)固定在底座支撑架(501)上，液压升降机(503)的支柱与土槽(1)底部通过重型铰链连接，调节液压升降机(503)支柱升降可使土槽(1)坡度在0°～30°范围内变化。
10.根据权利要求9所述的一种考虑土壤厚度分布和基岩渗透性差异性的径流收集装置，其特征在于：所述底座支撑架(501)底部四角设有4个万向轮(502)。
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Family Applications (1)
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2023
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