一种量化交替冻融对土壤临界剪切力影响的方法
【专利摘要】本发明提供一种量化交替冻融对土壤临界剪切力影响的方法，包括以下步骤：冻融循环步骤：将过筛的风干土按照预先设计的含水量配置后放入温控箱进行交替冻融；土壤风干步骤，将完成冻融周期的土壤在干燥环境下进行风干；以及变流量冲刷步骤，将风干后的土壤装入试验土槽进行变流量冲刷试验。本发明的技术方案解决了如何提供一种实用、有效的量化交替冻融对土壤临界剪切力影响的方法。
【专利说明】一种量化交替冻融对土壤临界剪切力影响的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种量化土壤临界剪切力的方法，尤其是涉及交替冻融作用对土壤临 界剪切力影响的方法。
【背景技术】
[0002] 冻融是指土层由于温度降到o°c以下和升至o°c以上而产生冻结和融化的一种物 理地质作用和现象。土壤的冻结和融化实质是土壤水的冻结和融化，即土壤中水分相态的 变化过程。交替冻融指的是由于季节或昼夜热量变化在冻土表层及以下一定深度形成的反 复冻结-融化的土壤过程，它作为一种自然现象普遍存在于高炜度、高海拔地区以及大多 中炜度地区。土壤温度单日最大值小于〇°C时表明土壤完全冻结，而当土壤温度单日最大值 大于o°c而最小值小于o°c时，认为有日交替冻融现象。交替冻融对土壤物理性质的影响， 主要表现在水与冰转化过程中体积胀缩对土壤团聚结构的破坏。交替冻融对土壤物理性质 的影响主要取决于交替冻融的速率、交替冻融温度、土壤含水量、土壤容重和交替冻融循环 的次数等。交替冻融作用下土壤理化性质、结构和质地等均会发生改变，从而降低了土壤的 团聚体稳定性、土壤抗侵蚀性、土壤剪切力和土壤临界剪切力等。同时，交替冻融是春季解 冻期土壤侵蚀发生的主要外营力之一，解冻期的土壤侵蚀是土壤在交替冻融作用下发生的 土壤侵蚀现象，通常与水力侵蚀相互作用同时发生。春季解冻期土壤侵蚀程度严重，但对于 春季解冻期土壤侵蚀的定量研宄，国内国外都相对较少，远落后于水力侵蚀和风力侵蚀的 研宄。众所周知，土壤剪切力和土壤的侵蚀量关系十分密切，而土壤临界剪切力则是土壤能 否被径流剥离产生侵蚀的临界，是土壤是否发生侵蚀的一个阈值，该临界值的量化对土壤 侵蚀的研宄具有重要意义。然而到目前为止，有关交替冻融对土壤临界剪切力影响的研宄 十分匮乏。鉴于此，本发明利用室内交替冻融试验和变流量土槽冲刷试验，来量化交替冻融 对土壤临界剪切力的影响，为交替冻融研宄拓展了一种新方法和新思路，同时，该发明对冻 融一一水力复合侵蚀的研宄具有重要的科学指导意义。因此，如何提供一种实用、有效的量 化交替冻融作用对土壤临界剪切力影响的方法，就成了值得解决的问题。
【发明内容】
[0003] 本发明是为了解决如何提供一种实用、有效的量化交替冻融作用对土壤临界剪切 力影响的方法的问题，提出一种利用室内交替冻融试验和变流量土槽冲刷试验来量化交替 冻融作用对土壤临界剪切力影响的方法的技术方案，本发明通过以下技术方案实现。
[0004] 本发明提供一种量化交替冻融作用对土壤临界剪切力的影响方法，即利用室内交 替冻融试验和变流量土槽冲刷试验来确定土壤的临界剪切力。
[0005] 本发明还提供一种利用室内交替冻融试验和变流量土槽冲刷试验来确定土壤的 临界剪切力的方法，即将试验土壤放置于两个控温箱中进行冻融循环。
[0006] 本发明量化交替冻融作用对土壤可蚀性影响的方法，其操作步骤如下：
[0007] (1)试验土样的筛分配置：试验土壤需要风干过5mm筛，含水量有10%和20%两 种。
[0008] (2)试验土样的冻融循环：将过筛后配好的两种不同含水量的土壤，按照每I. 5kg 的标准装入每个内径为25cm，高为20cm的带盖塑料桶中，各种含水量的土壤各需要装4桶， 共需8桶。将装好土样的桶放置在温控箱中进行冻融交替循环，冻融循环为1次、3次和6 次两种。
[0009] (3)试验土样的风干：将满足冻融循环周期设计的土样桶取出，相同含水量和相 同冻融循环次数的土样，晾置在同一张I. 5m*l. 5m的牛皮纸上进行风干，并在牛皮纸的边 缘进行含水量和循环次数的标记，风干时间为一周。
[0010] (4)冲刷土槽的装填：将风干后的土样按照计算量装入0? 5m*0. 045m*0. 13m的试 验土槽中，装土前，在土槽下部铺填一层0. 08m厚的天然砂砾，以保持试验土的透水状况 接近天然坡面，再在天然沙层上铺设一层粗纤维，然后装填试验用土，试验用土的厚度为 0. 05m，将冲刷土槽调至试验设计坡度3%，准备冲刷试验。
[0011] (5)变流量土槽冲刷试验：冲刷试验采用逐渐增大流量的方法进行，在稳流水箱 与冲刷试验槽之间安装小型流量计进行流量控制。试验过程中，总共有100、150、200、250、 300、350、400、450、500、550、600、700ml/min12个梯级流量。试验过程中每一分钟接取一个 径流样品，每种流量下接取3个径流样品。
[0012] (6) 土壤临界剪切力的计算：试验结束后，将试验径流样品称重，加入饱和明矾溶 液沉淀24h，然后倒掉上清液，将倒掉清液的径流泥沙样放进烘箱，105C烘24h，等彻底干 燥后，取出称重，计算径流泥沙样品。根据侵蚀量和剪切力的关系确定土壤临界剪切力。
[0013] (7) 土壤临界剪切力的比较：将各含水量和交替冻融循环次数下，土样在变流量 土槽冲刷试验中的临界剪切力进行对比，量化不同含水量和冻融循环次数对土壤临界剪切 力的影响。
[0014] 与现有技术相比，本发明具有以下优点和效果：
[0015] (1)与传统的室内冻融循环设计相比，本发明中的冻融循环设计过程同时考虑了 风干过程，所以冻融循环设计更为合理，与自然界的交替冻融更为吻合；
[0016] (2)与传统的室内冻融循环设计相比，冻融循环设计中的最低温度、最高温度以及 温度的变化速度与自然界的日冻融循环更为吻合。
[0017] (3)与传统的径流临界剪切力的测定相比，流量个数明显增多，流量梯度稳定，求 取的临界剪切力更为准确，精度更高。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 图1是控制试验条件下土壤剥蚀率与径流剪切力的关系；
[0019] 图2是含水量WC= 10 %，冻融循环次数FTC= 1时土壤剥蚀率与径流剪切力的关 系；
[0020] 图3是含水量WC= 10 %，冻融循环次数FTC= 3时土壤剥蚀率与径流剪切力的关 系；
[0021] 图4是含水量WC= 10 %，冻融循环次数FTC= 6时土壤剥蚀率与径流剪切力的关 系；
[0022] 图5是含水量WC= 20 %，冻融循环次数FTC= 1时土壤剥蚀率与径流剪切力的关 系；
[0023]图6是含水量WC= 20 %，冻融循环次数FTC= 3时土壤剥蚀率与径流剪切力的关 系；
[0024]图7是含水量WC= 20 %，冻融循环次数FTC= 6时土壤剥蚀率与径流剪切力的关 系；
[0025]图8是各试验场次的土壤临界剪切力和冻融循环次数、含水量的关系。
【具体实施方式】
[0026] 下面结合附图和【具体实施方式】，对本发明作进一步详细说明。
[0027] 以下实施例中，整个实验是在位于美国普渡大学校园内的美国农业部土壤侵蚀国 家重点实验室完成。其他实验参数如下。
[0028] 试验用土：Alfisol，风干，过5mm筛；
[0029] 试验含水量：原状，10%，20%;
[0030] 冻融循环的周期：1次、3次和6次；
[0031] 冻融循环的温度：最高温度为4°C，最高温度为-12°C;
[0032] 冻融循环的速度控制：交替冻融的温度变化速率分别是-12°C/24h和4°C/24h;
[0033] 土壤风干时间：7天；
[0034] 试验土槽尺寸：3个0. 5m*0. 045m*0. 13m底部开孔的土槽，每个土槽的两端有一个 "V"型通道；
[0035] 试验土槽坡度：3% ;
[0036] 土槽装填形式：从槽底至上依次是0. 08m天然砂烁、纤维和0. 05m试验用土；
[0037] 冲刷试验流量：100、150、200、250、300、350、400、450、500、550、600、700ml/minl2 个梯级流量；
[0038] 冲刷试验形式：连续冲刷。
[0039] 实施例一：
[0040] 将已经完成的冻融循环周期并且风干的土壤（10%含水量，冻融周期为1)，均匀 装填于试验微型土槽中，将土槽调制实验设计坡度3%，准备冲刷试验。冲刷试验采用逐渐 增大流量的方法进行，在稳流水箱与冲刷试验槽之间安装小型流量计进行流量控制。试验 过程中，总共有 100、150、200、250、300、350、400、450、500、550、600、700ml/min12 个梯级 流量。试验过程中每Imin接取1个径流样品，每种流量下接取3个径流样品。试验结束 后，将试验径流样品称重，加入饱和明矾溶液沉淀24h，然后倒掉上清液，将倒掉清液的径流 泥沙样放进烘箱，105C烘24h，等彻底干燥后，取出称重，计算径流泥沙样品。绘制土壤剥 蚀率与径流剪切力的关系图，拟合的直线与横坐标径流剪切力的交点即是临界剪切力。与 控制试验槽（未经过任何冻融循环的土壤）的试验结果进行对比，即可分析出不同含水量 和冻融循环周期下临界剪切力的变化，即交替冻融作用对土壤临界剪切力的影响。
[0041] 实施例二：
[0042] 本实施例与实施例一的不同在于，装填于土槽的土壤的冻融周期为3。
[0043] 实施例三：
[0044] 本实施例与实施例一的不同在于，装填于土槽的土壤的冻融周期为6。
[0045] 实施例四：
[0046] 本实施例与实施例一的不同在于，装填于土槽的土壤的含水量为20%，冻融周期 为1。
[0047] 实施例五：
[0048] 本实施例与实施例一的不同在于，装填于土槽的土壤的含水量为20%，冻融周期 为3。
[0049] 实施例六：
[0050] 本实施例与实施例一的不同在于，装填于土槽的土壤的含水量为20%，冻融周期 为6〇
[0051] 实施例七：
[0052] 本实施例与实施例一的不同在于，装填于土槽的土壤为未经过任何交替冻融处理 的控制土壤。
[0053] 以上实施例中的试验数据如图1?8所示。
【权利要求】
1. 一种量化交替冻融对土壤临界剪切力影响的方法，其特征在于，包括以下步骤： 冻融循环步骤，将过筛的风干土按照预先设计的含水量配置后放入温控箱进行交替冻 融； 土壤风干步骤，将完成冻融周期的土壤在干燥环境下进行风干；以及 变流量冲刷步骤，将风干后的土壤装入试验土槽进行变流量冲刷试验。
2. 根据权利要求1所述的量化交替冻融对土壤临界剪切力影响的方法，其特征在于： 所用交替冻融的土壤需要过5mm筛。
3. 根据权利要求1所述的量化交替冻融对土壤临界剪切力影响的方法，其特征在于： 所用交替冻融土壤的含水量为10%和20%两种。
4. 根据权利要求1所述的量化交替冻融对土壤临界剪切力影响的方法，其特征在于： 所用交替冻融土壤按照每1. 5kg装入内径为25cm，高度为20cm的带盖塑料容器中进行交替 冻融。
5. 根据权利要求1所述的量化交替冻融对土壤临界剪切力影响的方法，其特征在于： 交替冻融的周期为1、3和6。
6. 根据权利要求1所述的量化交替冻融对土壤临界剪切力影响的方法，其特征在于： 交替冻融的最高温度为4°C，最高温度为-12°C。
7. 根据权利要求1所述的量化交替冻融对土壤临界剪切力影响的方法，其特征在于： 交替冻融的温度变化速率分别是-12°C/24h和4°C/24h。
8. 根据权利要求1所述的量化交替冻融对土壤临界剪切力影响的方法，其特征在于： 所述风干时间是7天。
9. 根据权利要求1所述的量化交替冻融作用对土壤临界剪切力影响的方法，其特征在 于：变流量冲刷试验的流量为12个。
10. 根据权利要求1所述的量化交替冻融作用对土壤临界剪切力影响的方法，其特征 在于：流量按照稳定的梯度依次逐渐增大。
【文档编号】G01N33/24GK104515845SQ201510021385
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2015年1月15日 优先权日:2015年1月15日
【发明者】魏霞, 李勋贵 申请人:兰州大学