喀斯特地区水土地表地下流失及漏失过程实验装置及方法

1.本发明涉及一种喀斯特地区水土地表地下流失及漏失过程实验装置及方法，属于土壤侵蚀相关研究领域。


背景技术：

2.在坡面水蚀过程中，地表形成的径流通常携带一定数量的泥沙，随着径流量的不断增大，这种含沙径流对其下方土壤具有较强的侵蚀能力。另一方面，随着全球气候变化，流域下垫面随之发生相应的变化，且随着大坝修建等人类活动也改变了天然的来水来沙情势和水沙输移边界条件，由此可能会引发溃坝等极端事件的发生，这会进一步导致活跃的水沙运动和快速的河床变形，从而给科学认知冲积河流过程水沙相互作用机理带来了困难，给预测水沙运动变化带来了更大的挑战。因而，通过实验模型或装置，模拟水沙过程，从而为研究水沙运动提供理论参照，是有十分重要意义的。
3.在现有技术中，公开号为cn205643100u的发明公开了一种破碎岩体水沙渗流实验系统，包括：水沙混合装置、破碎岩体实验装置、岩体加载组件和数据采集装置；破碎岩体实验装置包括内筒、外筒和底座，内筒设置在外筒内，内筒和外筒均设置在底座上；底座上设置有凹槽，凹槽的下端面上均匀设置有导流孔，导流孔与渗流液输送管连通；水沙混合装置的水沙喷射口与破碎岩体实验装置的水沙通孔连通，岩体加载组件采用轴向加载机，轴向加载机的活塞设置在破碎岩体实验装置的内筒上部。该方案能够真实地反映破碎岩体在突水溃沙情况下的水沙混合物渗流量的破碎岩体突水溃沙实验系统。
4.又如，公开号为cn212568770u的发明专利公开了一种水沙过程模拟监测系统，包括由上至下分层设置的雨滴发生器、土壤侵蚀模拟槽、数据采集箱、样品收集箱、壤中流收集管和连接管道。该方案对雨滴发生器，土样监测，地表径流，产汇流，入渗壤中流，土样采样以及相关支架而形成一个集成系统，让实验更加活动性，在降雨的特定条件下，直观表现水侵蚀的产生条件的映射，在数据的监测条件下，地表地貌侵蚀现象。
5.以上现有技术对水沙过程的研究都提供了一些可行性的方案，然而，由于中国西南喀斯特地区由于特殊的“二元”水文结构，使得地下水沙过程极其复杂，观测难度极大，目前尚没有较好的方式能够较为准确地在实验室开展地下水沙过程相关研究，而基于岩溶环境的复杂性，野外原位观测又存在诸多困难。


技术实现要素：

6.本发明的主要目的是为解决现有技术存在的对于喀斯特地区的“二元”水土流(漏)失，野外实测数据难以获取的问题而提供一种喀斯特地区水土地表地下流失及漏失过程实验装置及方法。
7.本发明是这样实现的：
8.一种喀斯特地区水土地表地下流失及漏失过程实验装置，包括由侧挡板构成的箱体结构，在该箱体结构顶部设有由带孔托板构成的洼地坡面填筑区；在该箱体结构内部通
过带孔挡板划分为上下两个空间，上部空间是由pvc管制成的落水洞模型主体部分，以及试验过程采用土石填筑的浅层岩溶带，落水洞主体部分穿越浅层岩溶带；落水洞模型的顶部位于由带孔托板构成的洼地坡面填筑区的中心开口处，该落水洞模型主体部分的底部向下穿过前述的带孔挡板后的pvc管为落水洞模型下半部分，连接至箱体结构外部并设有落水洞出口；在前述落水洞模型下半部分的下方设有浅层岩溶带水沙承接器。
9.其中，前述的带孔托板和带孔挡板上均开设有密布小孔。
10.进一步的，前述的落水洞模型内部设有用于模拟凸起的岩溶发育结构的混凝土凸起。
11.进一步的，前述的水沙承接器为抽屉结构，并在前方设有拉手。
12.进一步的，前述的水沙承接器放置在前述的箱体结构下方的承接槽板中。
13.进一步的，前述的带孔托板外轮廓采用扇面结构，四块前述的带孔托板拼合构成漏斗形状的洼地坡面填筑区。
14.本发明的实验方法包括如下步骤：首先利用野外人工模拟降雨器进行人工降雨并记录降雨开始时刻，等装置顶部由带孔托板构成的洼地坡面填筑区产流时记录产流初始时刻，再观察产流进入由pvc管构成的落水洞的时刻与流出落水洞的时刻，并计算产流进入落水洞到流出落水洞所耗用的时间。与此同时，在上述人工模拟降雨开始时观察产流渗入浅层岩溶带的时刻与流出时刻，即观察浅层岩溶带渗流开始时刻与结束时刻并记录。之后等降雨停止(记录雨停时间)后观察表坡面产流结束时刻，即观察产流的滞后时间。
15.待渗(出)流结束后收集由浅层岩溶带渗流进入和落水洞流入实验装置水沙承接器内的水沙混合样，全部收集进行测定。其中浑水总量采用量筒测定，泥沙含量测定采用过滤烘干法和仪器法结合测定。根据试验结果测算落水洞快速流流速、浅层岩溶带慢速流水力传导系数、快速/慢速流延迟比、次降雨地表土壤流失量、次降雨土壤地下漏失量，以及土壤地表/地下流(漏)失比等。
16.未来在试验基础上，尚可以对装置相关部件，如落水洞内部结构、浅层岩溶带裂隙结构，以及表层坡面岩溶出露结构等深入进行改进，改进后可更好地开展岩溶地区水沙模拟过程。
17.与现有技术相比，本发明具有以下效果：
18.与现有技术相比，该装置较好地实现了目前地下水沙过程观测，对于揭示地下水沙过程特征、水土地下流(漏)失原理等具有应用前景。
附图说明
19.图1为本发明的整体示意图；
20.图2为本发明的内部剖视图；
21.图3为本发明的带孔托板结构示意图；
22.图4为本发明的带孔挡板结构示意图；
23.图5为本发明的水沙承接器结构示意图。
24.附图标记说明：1
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洼地坡面填筑区，2
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带孔托板，3
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落水洞模型主体部分，4
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侧挡板，5
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落水洞模型下半部分，6
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浅层岩溶带水沙承接器，7
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落水洞出口，8
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带孔挡板，9
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密布小孔，10
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拉手，11
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混凝土凸起，12
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承接槽板。
具体实施方式
25.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
26.本发明的一种喀斯特地区水土地表地下流失及漏失过程实验装置如图1
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5所示，本发明的喀斯特地区水土地表地下流失及漏失过程实验装置，包括由侧挡板4构成的箱体结构，在该箱体结构顶部设有由带孔托板2构成的洼地坡面填筑区1；在该箱体结构内部通过带孔挡板8划分为上下两个空间，上部空间是由pvc管制成的落水洞模型主体部分3，以及试验过程采用土石填筑的浅层岩溶带，落水洞主体部分穿越浅层岩溶带，落水洞模型主体部分3的顶部位于由带孔托板2构成的洼地坡面填筑区1的中心开口处，该落水洞模型3的底部向下穿过带孔挡板8后的pvc管为落水洞模型下半部分5，连接至箱体结构外部并设有落水洞出口7；在落水洞模型下半部分5的下方设有浅层岩溶带水沙承接器6。其中，带孔托板2和带孔挡板8上均开设有密布小孔9。
27.本发明具体是这样实施的：该装置主要包括4个部分，一是落水洞模型主体部分3采用pvc管(图1)进行模拟，制作过程中将预定规格的pvc管沿竖剖面切成2半(后续再采用铁丝箍紧)，在内部采用混凝土凸起11模拟凸起的岩溶发育结构(图2)，制造粗糙度，落水洞模型下半部分5也采用pvc管，并在pvc管上打一定数量的小孔，模拟落水洞的裂隙等结构，具体尺寸和结构根据后续阶段落水洞探测结果按一定比例缩放，落水洞出口7采用塑料桶等承接浑水样用于水沙测定；表层岩土结构依据不同岩溶裸露率模拟浅层岩溶带的表层岩土坡面，并用带孔挡板8(图4)连接表坡面以下部分浅层岩溶带，浅层岩溶带垂直向下的水沙承接器6采用抽屉结构的预制铝盒(图5)承接。洼地坡面填筑区1部分由4个带孔托板2组成，围成了类似洼地的形状，中间连接落水洞模型主体部分3，采用所研究区域岩土混合体进行坡面填筑，模拟坡面不同石漠化出露率；坡面以下浅层岩溶带尽可能采用所研究区域开挖的原状岩土填筑，填筑厚度和密度依据后续阶段浅层岩溶带探测情况而定并按一定比例缩放。
28.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。