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及方法

本发明涉及人工降雨条件下的坡面径流观测，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及方法。

背景技术：

1、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。

2、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。

技术实现思路

1、本发明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差异性的径流收集装置及方法，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。

2、为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

3、一种考虑土壤厚度分布和基岩渗透差异性的径流收集装置，包括土槽、土槽隔板、径流收集槽、底板、土槽底座，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，径流收集槽位于土槽一端，用于收集地表径流和壤中流，底板分为透水支撑板和不透水支撑板，分别位于透水小土槽和不透水小土槽内，以实现不同基岩渗透性设计；透水支撑板和不透水支撑板下方设有支撑架，调整支撑架放置的方向可实现土槽内不同的土壤厚度分布设计；土槽底座位于土槽下方，用于支撑土槽并可使土槽移动，还用于升降土槽以进行不同坡度调整。

4、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。

5、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。

6、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，可实时观测透水小土槽、不透水小土槽内土层湿润峰运移情况。

7、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。

8、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。

9、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。

10、进一步的，所述支撑架两侧为直角梯形，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。

11、进一步的，所述土槽底座包括底座支撑架、万向轮、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，底部四角有4个万向轮；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，液压升降机的支柱位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。

12、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，所述方法包括如下步骤：

13、步骤一：调整透水小土槽和不透水为小土槽中支撑架放置方向，使两个小土槽土壤厚度分布设计方案一致，将透水支撑板、不透水支撑板分别放置到透水小土槽和不透水小土槽中支撑架上，随后依次铺上反滤层、两层钢丝网，最后将土样填入两个小土槽中备用；

14、步骤二：调整土槽底座的液压升降机，使土槽达到一定的设计坡度；

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；

16、步骤四：按照设计雨强开始降雨，待径流收集槽有水滴出时，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；

17、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：

18、

19、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)；

20、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，

21、

22、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)；

23、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实验，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；

24、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封住，防止土层中的壤中流从中部壤中流出水口流出。

25、本发明和现有的技术相比，具有如下显著有益效果：

26、1、本发明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；

27、2、本发明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，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；

28、3、本发明除依照常见的土槽设置地表径流和壤中流收集槽外，本发明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；

29、4、本发明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。