冲沟沟头跌坎高度对溯源侵蚀速率影响的模拟试验装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种冲沟沟头跌坎高度对溯源侵蚀速率影响的模拟试验装置，包括5个平行布置的沟头，沟头设置有垂直于水平面的跌坎，不同跌坎高度沟头设置有不同土体构型，跌坎上游方向集水区是斜坡，集水区上方设置有稳流槽，稳流槽上的开口处与集水区上沿齐平，跌坎下游是沟床，包括平缓断面和陡坡断面，沟床形状设计为浅U型，沟床下面有集流槽，集流槽连接有径流桶；在集水区和沟床靠近跌坎部位埋设有探管和探头；在集水区上方，布置有覆盖整个集水区的人工降雨装置；在跌坎前方，设置有三维激光扫描仪。本实用新型能够有效模拟实际过程中冲沟沟头不同的跌坎高度对溯源侵蚀速率大小的影响，装置设上贴近自然过程中的实际情况，模拟结果可靠。
【专利说明】
冲沟沟头跌坎高度对溯源侵蚀速率影响的模拟试验装置
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种模拟试验装置，具体是一种测定冲沟沟头跌坎高度对溯源侵蚀速率影响的模拟试验装置，属于水土保持技术领域。
【背景技术】
[0002]冲沟侵蚀是一种重要的土壤侵蚀类型，对生态环境和农业经济发展的影响较大，它不但导致土地数量减少和质量退化，而且还是江河泥沙的重要来源之一。Poesen等总结分析世界各国的沟蚀情况，发现以冲沟为主的沟谷产沙可占流域产沙总量的10% — 94%;在我国，包括冲沟、切沟在内的沟谷侵蚀产沙量可占流域产沙总量的50%以上。因此，对冲沟侵蚀展开深入研究极为迫切。近年来越来越多的国内外学者也开始关注冲沟侵蚀研究，但由于冲沟发育过程复杂，影响因素众多，实验模拟困难，冲沟侵蚀研究发展一直比较缓慢。
[0003]冲沟的活跃程度主要表现为其侵蚀速率的快慢和形态变化的剧烈程度。沟头溯源侵蚀作为冲沟发育的主要过程之一，也是导致冲沟沟长不断延伸的最主要的过程。径流水动力作用是冲沟沟头溯源侵蚀过程中的主导作用之一，水动力特性不仅影响沟头形态特征发育，而且对泥沙运移也具有重要作用。而跌坎高度作为冲沟沟头的重要形态特征参数，对沟头活跃程度的影响也至关重要。相同径流作用下，不同跌坎高度沟头径流势能不同，形成跌水后转化成的动能也不同，导致径流对沟头跌坎底部的侵蚀力不同，进而影响沟头溯源侵蚀速率和整条冲沟的活跃程度，然而沟头跌坎高度对径流能量转化及其侵蚀效应的影响机制还缺乏系统研究。
【实用新型内容】
[0004]本实用新型主要是为了研究沟头不同跌坎高度对溯源侵蚀过程的影响，而建立的模拟试验装置。
[0005]本实用新型是这样实现的:
[0006]一种测定沟头跌坎高度对溯源侵蚀速率影响的模拟试验装置，包括5个平行布置的沟头，沟头设置有垂直于水平面的跌坎，跌坎高度分别为25cm、50cm、75cm、10cm和125cm，不同跌坎高度沟头设置有不同土体构型，跌坎上游方向集水区是长度为6m的斜坡，集水区上方设置有稳流槽，稳流槽上的开口处与集水区上沿齐平，跌坎下游是长度为3m的沟床，包括Im的平缓断面和2m的陡坡断面，沟床形状设计为浅U型，沟床下面有集流槽，集流槽连接有径流桶;在集水区和沟床靠近跌坎部位埋设有监测不同深度土壤水分和水势变化的探管和探头;在集水区上方，布置有人工降雨装置，人工降雨装置覆盖整个集水区；在跌坎前方，设置有三维激光扫描仪，用于监测形态变化。
[0007]在跌坎前方，设置有三维激光扫描仪，用于监测形态变化。
[0008]在沟头土壤中有TDR水分测量仪和EQ15土壤水势仪，用于监测土壤中水分和水势的变化。
[0009]沟头下游方向沟床中平缓断面5和陡坡断面6的设计，便于泥沙输移。陡坡断面的坡度超过15°，平缓断面坡度不超过5°。另外，为了避免从跌坎上流下的水从沟床两侧流出，将沟床的平缓断面5和陡坡断面6设计成浅U型，使径流能够从沟床的中间流出。
[0010]试验过程中监测水分和水势的位置主要是沟头附近，包括跌坎上游方向和下游方向。考虑到沟头溯源侵蚀过程中会发生崩塌和侵蚀产生跌水坑，所以TDR水分测量仪和EQ15土壤水势仪的布设位置，设计为纵向上距离沟头跌坎上沿和下沿的50cm、横向上距离开口处水流方向的中心线两侧30cm处。TDR水分测量仪和EQl 5 土壤水势仪的位置:在跌坎上游部位:10、20、30、40、60和100011;跌坎下游部位:10、20、30011;跌坎高度可以调节，一般可以设置 5 种不同跌坎高度:25cm、50cm、75cm、10cm 和125cm。
[0011]由于跌坎高度不同，会具有不同的土体构型，为了使模拟装置更符合实际情况，针对不同高度的跌坎，设置不同的土体构型。其中25cm沟头全部为燥红土；50cm沟头上层为30cm燥红土，下层为20cm变性土; 75cm沟头从上至下依次为45cm燥红土、30cm变性土 ； 10cm沟头从上至下依次为60cm燥红土、40cm变性土 ； 125cm沟头从上至下依次为75cm燥红土、50cm变性土。
[0012]本实用新型在实际使用过程中，首先采用人工降雨装置进行人工降雨试验，人工降雨覆盖沟头，在降雨基本汇聚成径流后，开始通过稳流槽开口处放水，进行放水试验。这样设计的原因:降雨主要是汇聚成径流后才对沟头有更大侵蚀力，所以直接采用放水试验模拟径流冲刷;而自然降雨过程中，沟头会发生入渗，导致土体性质改变，进而影响溯源侵蚀速率，所以首先采用人工降雨设备模拟自然降雨过程。
[0013]在试验过程中监测沟头附近上游部位和下游部位不同深度土壤水分和水势变化；土壤水分采用TDR水分测量仪，搭配FDR探管测定;土壤水势采用EQ15 土壤水势仪测定。
[0014]沟头溯源侵蚀速率采用三维扫描技术测定(每次降雨+放水试验前后)，通过对比沟头前后形态变化，获得沟头溯源侵蚀速率以及沟头形态变化特征。
[0015]沟头上游方向2m处设置有放水冲刷的稳流槽(稳流作用)，其中出水口与集水区上游齐平，保证水流满溢后直接转变为坡面径流，并保证径流初始动能一致(相同流量作用下，水流到达稳流槽内，再溢出，能量较为一致)。
[0016]本实用新型能够有效模拟实际过程中冲沟沟头不同的跌坎高度对溯源侵蚀速率的影响，装置设计总体上贴近自然过程中的实际情况，模拟结果可靠。
【附图说明】
[0017]图1为本实用新型结构不意图。
[0018]图2为本实用新型与附图1跌坎高度不同的另外一种冲沟沟头跌坎高度对溯源侵蚀速率影响的模拟试验装置结构示意图。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图对本实用新型做进一步的说明。
[0020]如附图1所示，一种测定沟头跌坎高度对溯源侵蚀速率影响的模拟试验装置，包括位于最上方的稳流槽2，稳流槽下方是集水区I，稳流槽上的开口处3与集水区I上沿齐平，集水区是长度为6m的斜坡，在集水区下方，设置有垂直于水平面的跌坎4，跌坎下面是长度为3m的沟床，包括Im的平缓断面5和2m的陡坡断面6，沟床下面有集流槽7，集流槽连接有径流桶8 0
[0021]在集水区上方，布置有人工降雨装置9，人工降雨装置9覆盖整个集水区I。
[0022]在跌坎前方，设置有三维激光扫描仪，用于监测形态变化。
[0023]在沟头土壤中有TDR水分测量仪和EQ15土壤水势仪，用于监测土壤中水分和水势的变化。
[0024]沟头下游方向的平缓断面5和陡坡断面6的设计，便于泥沙输移。陡坡断面的坡度超过15°，平缓断面坡度不超过5°。
[0025]试验过程中监测水分和水势的位置主要是沟头附近，包括跌坎上游方向和下游方向。考虑到沟头溯源侵蚀过程中会发生崩塌和侵蚀产生跌水坑，所以TDR水分测量仪和EQ15土壤水势仪的布设位置，设计为纵向上距离沟头跌坎上沿和下沿的50cm、横向上距离开口处水流方向的中心线两侧30cm处。TDR水分测量仪和EQl 5 土壤水势仪的位置:在跌坎上游部位:10、20、30、40、60和100011;跌坎下游部位:10、20、30011;跌坎高度可以调节，一般可以设置 5 种不同跌坎高度:25cm、50cm、75cm、10cm 和125cm。
[0026]附图2示出了与附图1跌坎高度不同的另外一种测定沟头跌坎高度对溯源侵蚀速率影响的模拟试验装置，正如前述，跌坎高度可以调节，在实际模拟试验过程中，通过设置不同的跌坎高度，能够反映跌坎高度对溯源侵蚀过程的不同影响。附图2仅仅示出了不同高度的一种情况，本领域技术人员能够根据说明书的内容设定不同的跌坎高度。
[0027]由于跌坎高度不同，会具有不同的土体构型，为了使模拟装置更符合实际情况，针对不同高度的跌坎，设置不同的土体构型。其中25cm沟头全部为燥红土;50cm沟头上层为30cm燥红土，下层为20cm变性土; 75cm沟头从上至下依次为45cm燥红土、30cm变性土 ； 10cm沟头从上至下依次为60cm燥红土、40cm变性土 ； 125cm沟头从上至下依次为75cm燥红土、50cm变性土。
【主权项】
1.一种冲沟沟头跌坎高度对溯源侵蚀速率影响的模拟试验装置，其特征在于:包括5个平行布置的沟头，沟头设置有垂直于水平面的跌坎，跌坎高度分别为25cm、50cm、75cm、10cm和125cm，不同跌坎高度沟头设置有不同土体构型，跌坎上游方向集水区是长度为6m的斜坡，集水区上方设置有稳流槽，稳流槽上的开口处与集水区上沿齐平，跌坎下游是长度为3m的沟床，包括Im的平缓断面和2m的陡坡断面，沟床形状设计为浅U型，沟床下面有集流槽，集流槽连接有径流桶;在集水区和沟床靠近跌坎部位埋设有监测不同深度土壤水分和水势变化的探管和探头;在集水区上方，布置有人工降雨装置，人工降雨装置覆盖整个集水区;在跌坎前方，设置有三维激光扫描仪，用于监测形态变化。2.根据权利要求1所述冲沟沟头跌坎高度对溯源侵蚀速率影响的模拟试验装置，其特征在于:所述陡坡断面的坡度超过15°，平缓断面坡度不超过5°。
【文档编号】G01N33/24GK205538953SQ201521098099
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2015年12月25日
【发明人】张宝军, 苏正安, 熊东红, 杨丹, 张素, 郭敏, 董帆, 董一帆, 刘剑
【申请人】中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所