專利名稱：坡面水蝕精細模擬試驗裝置及其試驗方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種研究坡面水蝕的試驗設(shè)備及其試驗方法，尤其是涉及一種能按照試驗要求制作不同尺寸的試驗小區(qū)，充填不同粒徑組成的土壤，人工控制坡面土壤容重、植被類型和覆蓋度，從而能實現(xiàn)不同立地條件下土壤水蝕精確模擬，研究不同下墊面條件下各因素對土壤水蝕過程的影響與響應(yīng)機理的坡面水蝕精細模擬試驗裝置及其試驗方法。
背景技術(shù)：
目前，公知的土壤水蝕模擬試驗方法是在野外建立試驗小區(qū)，在土質(zhì)較為均一、坡度較為一致的坡面，根據(jù)試驗需要量測不同坡長和寬度的矩形小區(qū)，使用石棉瓦等材料將所選區(qū)域同周圍坡面隔開作為試驗小區(qū)，在小區(qū)內(nèi)種植所選植被或保持自然被覆，同時在坡面小區(qū)末端布設(shè)集流口、坡面徑流量測裝置。當(dāng)試驗小區(qū)所在區(qū)域發(fā)生降雨時，雨滴在重力作用下以一定速度撞擊裸露于地表的土粒，使之松散分離并發(fā)生躍遷；隨著降雨量的增加，試驗小區(qū)地表形成薄層漫流，后由于微地形在坡面局部形成間斷的跌坎，經(jīng)徑流的持續(xù)沖刷作用，逐漸形成為貫通試驗小區(qū)的細溝，并最終發(fā)展為淺溝。降雨過程中通過對試驗小區(qū)集水口處的流量與含沙量過程量測，研究坡面水蝕的侵蝕動力過程。但是，野外下墊面條件較為復(fù)雜，土質(zhì)、坡度、微地形、蟻穴、地表結(jié)皮等因素均能夠?qū)ζ旅嫠g結(jié)果產(chǎn)生較大影響，單個因素對土壤侵蝕動力過程的定量作用難以剝離；同時，由于試驗條件難以精確控制，致使較為精確的對比試驗難以開展，極大制約了土壤侵蝕過程與機理的深入研究；試驗過程中僅對試驗小區(qū)出口處的徑流過程和輸沙過程進行了觀測，缺乏對集水區(qū)水動力過程的量測，很難揭示坡面水力侵蝕的動力過程；試驗需在室外天然降雨條件下進行，受到天氣因素的極大制約，難以全面研究不同降雨量和降雨強度條件對坡面水蝕過程的影響，且野外條件不利于試驗參數(shù)的精確量測與采集；受現(xiàn)有試驗條件和試驗設(shè)備所限，較難實現(xiàn)對坡面水蝕過程侵蝕形態(tài)和侵蝕量的定量觀測。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服上述傳統(tǒng)試驗觀測技術(shù)的不足，提供一種能按照試驗要求制作不同尺寸的試驗小區(qū)，充填不同粒徑組成的土壤，人工控制坡面土壤容重、植被類型和覆蓋度，使其不僅能夠?qū)ζ旅嬖囼炐^(qū)的徑流過程和輸沙過程進行觀測，而且能夠較為精確地控制各下墊面條件，按需調(diào)節(jié)試驗土槽坡度、降雨量、降雨強度和坡面上部匯入徑流量，觀測沿坡徑流的水動力條件變化過程，減少隨機因素對試驗過程的影響，提高坡面水蝕的侵蝕形態(tài)和侵蝕量測量精度的坡面水蝕精細模擬試驗裝置及其試驗方法。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的一種坡面水蝕精細模擬試驗裝置，包括設(shè)置有腳輪的底架、與底架相連的試驗土槽，所述的試驗土槽設(shè)置在底架的上方，所述的試驗土槽的一端與底架的一端部鉸接、另一端設(shè)置有與試驗土槽相配合的水箱，所述的試驗土槽和底架之間設(shè)置有控制試驗土槽升降的液壓桿，所述的試驗土槽和水箱之間設(shè)置有穩(wěn)流池，所述的穩(wěn)流池和水箱之間通過輸水管連通，所述的水箱的一側(cè)設(shè)置有與水箱連通的輸水管和與輸水管連通的水泵，所述的水箱的下部連通有排水管，所述的試驗土槽的正前方設(shè)置有三維激光掃描儀、正上方設(shè)置有降雨器，所述的試驗土槽與底架鉸接的端部設(shè)置有與試驗土槽連接的集流口。所述的試驗土槽的一側(cè)設(shè)置有測量扶梯。所述的三維激光掃描儀與試驗土槽之間設(shè)置有檢測距離，所述的三維激光掃描儀的掃描范圍能夠覆蓋整個試驗土槽坡面。所述的降雨器與試驗土槽之間設(shè)置有降雨距離，所述的降雨器降落的雨滴的終速能夠達到勻速狀態(tài)。所述的液壓桿的固定端鉸接在底架的中部、自由端鉸接在試驗土槽的下部。所述的穩(wěn)流池和所述的水箱之間的輸水管上設(shè)置有閥門。所述的水箱內(nèi)設(shè)置有控制水箱水頭的溢流板。利用所述的坡面水蝕精細模擬試驗裝置進行人工模擬降雨坡面水蝕試驗的方法， 其步驟如下
步驟I :根據(jù)試驗要求從野外取土，把取來的土過篩后，(置于試驗土槽內(nèi)分層充填、壓實并控制土壤容重；
步驟2 :根據(jù)步驟I裝填在試驗土槽內(nèi)土壤容重確定試驗土槽的坡度和降雨器模擬降雨的時長與強度，使用液壓桿將試驗土槽的坡度調(diào)整至試驗所需的坡度，調(diào)節(jié)降雨器的降雨強度并對降雨強度進行率定；
步驟3 :在步驟I中裝填有土的試驗土槽上設(shè)置5個等距的觀測面，然后向試驗土槽內(nèi)的土壤灑水使表層土壤趨于飽和；
步驟4 :打開降雨器使降雨器按照步驟2設(shè)定的率定雨強進行連續(xù)降雨，從試驗土槽內(nèi)土壤坡面產(chǎn)流開始計時，以2分鐘為時間間隔，在步驟3設(shè)置的5個等距觀測面處使用染色劑法測量斷面流速，使用鋼尺測量試驗土槽內(nèi)土壤坡面徑流的流寬、流深和溝道發(fā)育情況; 同時在集流口處使用水桶量測試驗土槽內(nèi)試驗小區(qū)的徑流量，通過烘干法計算對應(yīng)時段的含沙量，直至徑流過程和輸沙過程趨于穩(wěn)定時停止試驗；
步驟5 :在整個試驗過程中使用三維激光掃描儀對試驗土槽內(nèi)土壤坡面的形態(tài)進行掃描，結(jié)合步驟4測得的試驗數(shù)據(jù)，精確測算試驗土槽內(nèi)土壤坡面水蝕的侵蝕形態(tài)和水力侵蝕量。利用所述的坡面水蝕精細模擬試驗裝置進行人工模擬徑流沖刷試驗的方法，其步驟如下
步驟I :根據(jù)試驗要求從野外取土，把取來的土過篩后，置于試驗土槽內(nèi)分層充填、壓實并控制土壤容重；
步驟2 :根據(jù)步驟I裝填在試驗土槽內(nèi)土壤容重確定試驗土槽的坡度、模擬時長和模擬沖刷流量，使用液壓桿將試驗土槽的坡度調(diào)整至試驗所需的坡度，打開水泵向水箱蓄水至水箱內(nèi)水頭恒定，調(diào)節(jié)閥門并對放水流量進行率定；
步驟3 :在步驟I中裝填有土的試驗土槽上設(shè)置5個等距的觀測面，然后向試驗土槽內(nèi)的土壤灑水使表層土壤趨于飽和；
步驟4 :打開穩(wěn)流池使穩(wěn)流池內(nèi)的水以步驟2所設(shè)定的率定流量平穩(wěn)均勻地流至試驗土槽內(nèi)土壤坡面，從試驗土槽內(nèi)土壤坡面產(chǎn)流開始計時，以2分鐘為時間間隔，在步驟3設(shè)置的5個等距觀測面處使用染色劑法測量斷面流速，使用鋼尺測量試驗土槽內(nèi)土壤坡面徑流的流寬、流深和溝道發(fā)育情況；同時在集流口處使用水桶量測試驗土槽內(nèi)試驗小區(qū)的徑流量，通過烘干法計算對應(yīng)時段的含沙量，直至徑流過程和輸沙過程趨于穩(wěn)定時停止試驗;
步驟5 :在整個試驗過程中使用三維激光掃描儀對試驗土槽內(nèi)土壤坡面的形態(tài)進行掃描，結(jié)合步驟4測得的試驗數(shù)據(jù)，精確測算試驗土槽內(nèi)土壤坡面水蝕的侵蝕形態(tài)和水力侵蝕量。利用所述的坡面水蝕精細模擬試驗裝置進行人工模擬降雨和徑流沖刷耦合試驗的方法，其步驟如下
步驟I :根據(jù)試驗要求從野外取土，把取來的土過篩后，置于試驗土槽內(nèi)分層充填、壓實并控制土壤容重；
步驟2 :根據(jù)步驟I裝填在試驗土槽內(nèi)土壤容重確定試驗土槽的坡度、模擬時長、模擬降雨強度和模擬沖刷流量，使用液壓桿將試驗土槽的坡度調(diào)整至試驗所需的坡度，打開水泵向水箱蓄水至水箱內(nèi)水頭恒定，調(diào)節(jié)閥門并對放水流量進行率定，調(diào)節(jié)降雨器的降雨強度并對降雨強度進行率定；
步驟3 :在步驟I中裝填有土的試驗土槽上設(shè)置5個等距的觀測面，然后向試驗土槽內(nèi)的土壤灑水使表層土壤趨于飽和；
步驟4 :打開穩(wěn)流池使穩(wěn)流池內(nèi)的水以步驟2所設(shè)定的率定流量平穩(wěn)均勻地流至試驗土槽內(nèi)土壤坡面，打開降雨器使降雨器按照步驟2設(shè)定的率定雨強進行連續(xù)降雨，從試驗土槽內(nèi)土壤坡面產(chǎn)流開始計時，以2分鐘為時間間隔，在步驟3設(shè)置的5個等距觀測面處使用染色劑法測量斷面流速，使用鋼尺測量試驗土槽內(nèi)土壤坡面徑流的流寬、流深和溝道發(fā)育情況；同時在集流口處使用水桶量測試驗土槽內(nèi)試驗小區(qū)的徑流量，通過烘干法計算對應(yīng)時段的含沙量，直至徑流過程和輸沙過程趨于穩(wěn)定時停止試驗；
步驟5 :在整個試驗過程中使用三維激光掃描儀對試驗土槽內(nèi)土壤坡面的形態(tài)進行掃描，結(jié)合步驟4測得的試驗數(shù)據(jù)，精確測算試驗土槽內(nèi)土壤坡面水蝕的侵蝕形態(tài)和水力侵蝕量。本發(fā)明具有以下積極的效果本發(fā)明坡面水蝕精細模擬試驗裝置由設(shè)置有腳輪的底架、與底架相連的試驗土槽、設(shè)置在試驗土槽正上方的降雨器、正前方的三維激光掃描儀、水箱、液壓桿等組成，可以滿足人工模擬降雨坡面水蝕試驗、人工模擬徑流沖刷試驗和人工模擬降雨和徑流沖刷耦合試驗的需求，使研究人員不用深入到野外就能完成研究實驗，保證了研究人員的安全性；能按照試驗要求制作不同尺寸的試驗小區(qū)，在試驗土槽內(nèi)充填不同粒徑組成的土壤，人工控制填充坡面土壤容重、植被類型和覆蓋度，從而能夠?qū)崿F(xiàn)不同立地條件下土壤水蝕精確模擬，研究不同下墊面條件下各因素對土壤水蝕過程的影響與響應(yīng)機理，進而使研究更精確、更方便、更快捷，能縮短試驗的周期；所述的試驗土槽的一側(cè)設(shè)置有測量扶梯，保證研究人員在試驗時的人身安全；所述的試驗土槽與底架鉸接，并且在兩者之間設(shè)置有液壓桿，這樣通過液壓桿能控制試驗土槽的坡度，使試驗土槽能根據(jù)不同試驗需求調(diào)整坡度；所述的水箱內(nèi)設(shè)置有溢流板，該溢流板能控制水箱內(nèi)的水頭，進而在工作時能保持水箱內(nèi)的水頭恒定；另外，本發(fā)明的坡面水蝕精細模擬試驗裝置能夠方便的移動，便于該實驗裝置的轉(zhuǎn)場和存放。


圖I是坡面水蝕精細模擬試驗裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是坡面水蝕精細模擬試驗裝置的主體的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是坡面水蝕模擬試驗裝置的水箱的結(jié)構(gòu)圖。圖中1、底架2、三維激光掃描儀3、降雨器4、水泵5、輸水管6、排水管 7、水箱8、閥門9、穩(wěn)流池10、試驗土槽11、第一觀測面12、第二觀測面13、第三觀測面14、第四觀測面15、第五觀測面16、集流口 17、測量扶梯18、液壓桿19、 腳輪20、溢流板。
具體實施例方式下面根據(jù)附圖對本發(fā)明做進一步的說明
實施例I
如圖I、圖2所示，一種坡面水蝕精細模擬試驗裝置，包括設(shè)置有腳輪19的底架I、與底架I相連的試驗土槽10，所述的試驗土槽10設(shè)置在底架I的上方，所述的試驗土槽10的一端與底架I的一端部鉸接、另一端設(shè)置有與試驗土槽10相配合的水箱7，所述的試驗土槽 10和底架I之間設(shè)置有控制試驗土槽10升降的液壓桿18，所述的試驗土槽10和水箱7之間設(shè)置有穩(wěn)流池9，所述的穩(wěn)流池9和水箱7之間通過輸水管5連通，所述的水箱7的一側(cè)設(shè)置有與水箱7連通的輸水管5和與輸水管5連通的水泵4，所述的水箱7的下部連通有排水管6，所述的試驗土槽10的正前方設(shè)置有三維激光掃描儀2、正上方設(shè)置有降雨器3，所述的試驗土槽10與底架I鉸接的端部設(shè)置有與試驗土槽10連接的集流口 16。所述的試驗土槽10的一側(cè)設(shè)置有測量扶梯17。所述的三維激光掃描儀2與試驗土槽10之間設(shè)置有檢測距離，所述的三維激光掃描儀2的掃描范圍能夠覆蓋整個試驗土槽10坡面。所述的降雨器3與試驗土槽10之間設(shè)置有降雨距離，所述的降雨器3降落的雨滴的終速能夠達到勻速狀態(tài)。所述的液壓桿18的固定端鉸接在底架I的中部、自由端鉸接在試驗土槽10的下部。利用實施例I所述的坡面水蝕精細模擬試驗裝置進行人工模擬降雨坡面水蝕試驗的方法，其步驟如下
步驟I :根據(jù)試驗要求從野外取土，把取來的土過篩后，置于試驗土槽10內(nèi)分層充填、 壓實并控制土壤容重；
步驟2 :根據(jù)步驟I裝填在試驗土槽10內(nèi)土壤容重確定試驗土槽10的坡度和降雨器 3模擬降雨的時長與強度，使用液壓桿18將試驗土槽10的坡度調(diào)整至試驗所需的坡度，調(diào)節(jié)降雨器3的降雨強度并對降雨強度進行率定；
步驟3 :在步驟I中裝填有土的試驗土槽10上設(shè)置第一觀測面11、第二觀測面12、第三觀測面13、第四觀測面14和第五觀測面15，5個等距觀測面，然后向試驗土槽10內(nèi)的土壤灑水使表層土壤趨于飽和；
步驟4 :打開降雨器3使降雨器3按照步驟2設(shè)定的率定雨強進行連續(xù)降雨，從試驗土槽10內(nèi)土壤坡面產(chǎn)流開始計時，以2分鐘為時間間隔，在步驟3設(shè)置的第一觀測面11、第二觀測面12、第三觀測面13、第四觀測面14和第五觀測面15，這5個等距觀測面處使用染色劑法測量斷面流速，使用鋼尺測量試驗土槽10內(nèi)土壤坡面徑流的流寬、流深和溝道發(fā)育情況；同時在集流口 16處使用水桶量測試驗土槽10內(nèi)試驗小區(qū)的徑流量，通過烘干法計算對應(yīng)時段的含沙量，直至徑流過程和輸沙過程趨于穩(wěn)定時停止試驗；
步驟5 :在整個試驗過程中使用三維激光掃描儀2對試驗土槽10內(nèi)土壤坡面的形態(tài)進行掃描，結(jié)合步驟4測得的試驗數(shù)據(jù)，精確測算試驗土槽10內(nèi)土壤坡面水蝕的侵蝕形態(tài)和水力侵蝕量。在試驗結(jié)束后，水箱7內(nèi)的水通過排水管6排出，借助外力與腳輪19配合移動本發(fā)明裝置，便于本發(fā)明裝置的存放和轉(zhuǎn)場。實施例2
如圖I、圖2、圖3所示，一種坡面水蝕精細模擬試驗裝置，包括設(shè)置有腳輪19的底架I、 與底架I相連的試驗土槽10，所述的試驗土槽10設(shè)置在底架I的上方，所述的試驗土槽10 的一端與底架I的一端部鉸接、另一端設(shè)置有與試驗土槽10相配合的水箱7，所述的試驗土槽10和底架I之間設(shè)置有控制試驗土槽10升降的液壓桿18，所述的試驗土槽10和水箱7 之間設(shè)置有穩(wěn)流池9，所述的穩(wěn)流池9和水箱7之間通過輸水管5連通，所述的水箱7的一側(cè)設(shè)置有與水箱7連通的輸水管5和與輸水管5連通的水泵4，所述的水箱7的下部連通有排水管6，所述的試驗土槽10的正前方設(shè)置有三維激光掃描儀2、正上方設(shè)置有降雨器3，所述的試驗土槽10與底架I鉸接的端部設(shè)置有與試驗土槽10連接的集流口 16。所述的試驗土槽10的一側(cè)設(shè)置有測量扶梯17。所述的三維激光掃描儀2與試驗土槽10之間設(shè)置有檢測距離，所述的三維激光掃描儀2的掃描范圍能夠覆蓋整個試驗土槽10坡面。所述的降雨器3與試驗土槽10之間設(shè)置有降雨距離，所述的降雨器3降落的雨滴的終速能夠達到勻速狀態(tài)。所述的液壓桿18的固定端鉸接在底架I的中部、自由端鉸接在試驗土槽10的下部。所述的穩(wěn)流池9和所述的水箱7之間的輸水管5上設(shè)置有閥門8。所述的水箱7內(nèi)設(shè)置有控制水箱7水頭的溢流板20。利用實施例2所述的坡面水蝕精細模擬試驗裝置進行人工模擬徑流沖刷試驗的方法，其步驟如下
步驟I :根據(jù)試驗要求從野外取土，把取來的土過篩后，置于試驗土槽10內(nèi)分層充填、 壓實并控制土壤容重；
步驟2 :根據(jù)步驟I裝填在試驗土槽10內(nèi)土壤容重確定試驗土槽10的坡度、模擬時長和模擬沖刷流量，使用液壓桿18將試驗土槽10的坡度調(diào)整至試驗所需的坡度，打開水泵4 向水箱7蓄水至水箱7內(nèi)水頭恒定，調(diào)節(jié)閥門8并對放水流量進行率定；
步驟3 :在步驟I中裝填有土的試驗土槽10上設(shè)置第一觀測面11、第二觀測面12、第三觀測面13、第四觀測面14和第五觀測面15，5個等距觀測面，然后向試驗土槽10內(nèi)的土壤灑水使表層土壤趨于飽和；
步驟4 :打開穩(wěn)流池9使穩(wěn)流池9內(nèi)的水以步驟2所設(shè)定的率定流量平穩(wěn)均勻地流至試驗土槽10內(nèi)土壤坡面，從試驗土槽10內(nèi)土壤坡面產(chǎn)流開始計時，以2分鐘為時間間隔， 在步驟3設(shè)置的第一觀測面11、第二觀測面12、第三觀測面13、第四觀測面14和第五觀測面15，這5個等距觀測面處使用染色劑法測量斷面流速，使用鋼尺測量試驗土槽10內(nèi)土壤坡面徑流的流寬、流深和溝道發(fā)育情況；同時在集流口 16處使用水桶量測試驗土槽10內(nèi)試驗小區(qū)的徑流量，通過烘干法計算對應(yīng)時段的含沙量，直至徑流過程和輸沙過程趨于穩(wěn)定時停止試驗；
步驟5 :在整個試驗過程中使用三維激光掃描儀2對試驗土槽10內(nèi)土壤坡面的形態(tài)進行掃描，結(jié)合步驟4測得的試驗數(shù)據(jù)，精確測算試驗土槽10內(nèi)土壤坡面水蝕的侵蝕形態(tài)和水力侵蝕量。利用實施例2所述的坡面水蝕精細模擬試驗裝置進行人工模擬降雨和徑流沖刷耦合試驗的方法，其步驟如下
步驟I :根據(jù)試驗要求從野外取土，把取來的土過篩后，置于試驗土槽10內(nèi)分層充填、 壓實并控制土壤容重；
步驟2 :根據(jù)步驟I裝填在試驗土槽10內(nèi)土壤容重確定試驗土槽10的坡度、模擬時長、模擬降雨強度和模擬沖刷流量，使用液壓桿18將試驗土 10的坡度調(diào)整至試驗所需的坡度，打開水泵4向水箱7蓄水至水箱7內(nèi)水頭恒定，調(diào)節(jié)閥門8并對放水流量進行率定，調(diào)節(jié)降雨器3的降雨強度并對降雨強度進行率定；
步驟3 :在步驟I中裝填有土的試驗土槽10上設(shè)置第一觀測面11、第二觀測面12、第三觀測面13、第四觀測面14和第五觀測面15，5個等距觀測面，然后向試驗土槽10內(nèi)的土壤灑水使表層土壤趨于飽和；
步驟4 :打開穩(wěn)流池9使穩(wěn)流池9內(nèi)的水以步驟2所設(shè)定的率定流量平穩(wěn)均勻地流至試驗土槽10內(nèi)土壤坡面，打開降雨器3使降雨器3按照步驟2設(shè)定的率定雨強進行連續(xù)降雨，從試驗土槽10內(nèi)土壤坡面產(chǎn)流開始計時，以2分鐘為時間間隔，在步驟3設(shè)置的第一觀測面11、第二觀測面12、第三觀測面13、第四觀測面14和第五觀測面15，這5個等距觀測面處使用染色劑法測量斷面流速，使用鋼尺測量試驗土槽10內(nèi)土壤坡面徑流的流寬、流深和溝道發(fā)育情況；同時在集流口 16處使用水桶量測試驗土槽10內(nèi)試驗小區(qū)的徑流量，通過烘干法計算對應(yīng)時段的含沙量，直至徑流過程和輸沙過程趨于穩(wěn)定時停止試驗；
步驟5 :在整個試驗過程中使用三維激光掃描儀2對試驗土槽10內(nèi)土壤坡面的形態(tài)進行掃描，結(jié)合步驟4測得的試驗數(shù)據(jù)，精確測算試驗土槽10內(nèi)土壤坡面水蝕的侵蝕形態(tài)和水力侵蝕量。在試驗結(jié)束后，水箱7內(nèi)的水通過排水管6排出，借助外力與腳輪19配合移動本發(fā)明裝置，便于本發(fā)明裝置的存放和轉(zhuǎn)場。實施例3
如圖I、圖2、圖3所示，一種坡面水蝕精細模擬試驗裝置，包括設(shè)置有腳輪19的底架I、 與底架I相連的試驗土槽10，所述的試驗土槽10設(shè)置在底架I的上方，所述的試驗土槽10 的一端與底架I的一端部鉸接、另一端設(shè)置有與試驗土槽10相配合的水箱7，所述的試驗土槽10和底架I之間設(shè)置有控制試驗土槽10升降的液壓桿18，所述的試驗土槽10和水箱7 之間設(shè)置有穩(wěn)流池9，所述的穩(wěn)流池9和水箱7之間通過輸水管5連通，所述的水箱7的一側(cè)設(shè)置有與水箱7連通的輸水管5和與輸水管5連通的水泵4，所述的水箱7的下部連通有排水管6，所述的試驗土槽10的正前方設(shè)置有三維激光掃描儀2、正上方設(shè)置有降雨器3，所述的試驗土槽10與底架I鉸接的端部設(shè)置有與試驗土槽10連接的集流口 16。所述的試驗土槽10的一側(cè)設(shè)置有測量扶梯17。所述的三維激光掃描儀2與試驗土槽10之間設(shè)置有檢測距離，所述的三維激光掃描儀2的掃描范圍能夠覆蓋整個試驗土槽10坡面。所述的降雨器3與試驗土槽10之間設(shè)置有降雨距離，所述的降雨器3降落的雨滴的終速能夠達到勻速狀態(tài)。所述的液壓桿18的固定端鉸接在底架I的中部、自由端鉸接在試驗土槽10的下部。所述的穩(wěn)流池9和所述的水箱7之間的輸水管5上設(shè)置有閥門8。所述的水箱7內(nèi)設(shè)置有控制水箱7水頭的溢流板20。利用實施例3所述的坡面水蝕精細模擬試驗裝置進行人工模擬降雨坡面水蝕試驗的方法，其步驟如下
步驟I :根據(jù)試驗要求從野外取土，把取來的土過篩后，置于試驗土槽10內(nèi)分層充填、 壓實并控制土壤容重；
步驟2 :根據(jù)步驟I裝填在試驗土槽10內(nèi)土壤容重確定試驗土槽10的坡度和降雨器 3模擬降雨的時長與強度，使用液壓桿18將試驗土槽10的坡度調(diào)整至試驗所需的坡度，調(diào)節(jié)降雨器3的降雨強度并對降雨強度進行率定；
步驟3 :在步驟I中裝填有土的試驗土槽10上設(shè)置第一觀測面11、第二觀測面12、第三觀測面13、第四觀測面14和第五觀測面15，5個等距觀測面，然后向試驗土槽10內(nèi)的土壤灑水使表層土壤趨于飽和；
步驟4 :打開降雨器3使降雨器3按照步驟2設(shè)定的率定雨強進行連續(xù)降雨，從試驗土槽10內(nèi)土壤坡面產(chǎn)流開始計時，以2分鐘為時間間隔，在步驟3設(shè)置的第一觀測面11、第二觀測面12、第三觀測面13、第四觀測面14和第五觀測面15，這5個等距觀測面處使用染色劑法測量斷面流速，使用鋼尺測量試驗土槽10內(nèi)土壤坡面徑流的流寬、流深和溝道發(fā)育情況；同時在集流口 16處使用水桶量測試驗土槽10內(nèi)試驗小區(qū)的徑流量，通過烘干法計算對應(yīng)時段的含沙量，直至徑流過程和輸沙過程趨于穩(wěn)定時停止試驗；
步驟5 :在整個試驗過程中使用三維激光掃描儀2對試驗土槽10內(nèi)土壤坡面的形態(tài)進行掃描，結(jié)合步驟4測得的試驗數(shù)據(jù)，精確測算試驗土槽10內(nèi)土壤坡面水蝕的侵蝕形態(tài)和水力侵蝕量。利用實施例3所述的坡面水蝕精細模擬試驗裝置進行人工模擬徑流沖刷試驗的方法，其步驟如下
步驟I :根據(jù)試驗要求從野外取土，把取來的土過篩后，置于試驗土槽10內(nèi)分層充填、 壓實并控制土壤容重；
步驟2 :根據(jù)步驟I裝填在試驗土槽10內(nèi)土壤容重確定試驗土槽10的坡度、模擬時長和模擬沖刷流量，使用液壓桿18將試驗土槽10的坡度調(diào)整至試驗所需的坡度，打開水泵4 向水箱7蓄水至水箱7內(nèi)水頭恒定，調(diào)節(jié)閥門8并對放水流量進行率定；
步驟3 :在步驟I中裝填有土的試驗土槽10上設(shè)置第一觀測面11、第二觀測面12、第三觀測面13、第四觀測面14和第五觀測面15，5個等距觀測面，然后向試驗土槽10內(nèi)的土壤灑水使表層土壤趨于飽和；
步驟4 :打開穩(wěn)流池9使穩(wěn)流池9內(nèi)的水以步驟2所設(shè)定的率定流量平穩(wěn)均勻地流至試驗土槽10內(nèi)土壤坡面，從試驗土槽10內(nèi)土壤坡面產(chǎn)流開始計時，以2分鐘為時間間隔， 在步驟3設(shè)置的第一觀測面11、第二觀測面12、第三觀測面13、第四觀測面14和第五觀測面15，這5個等距觀測面處使用染色劑法測量斷面流速，使用鋼尺測量試驗土槽10內(nèi)土壤坡面徑流的流寬、流深和溝道發(fā)育情況；同時在集流口 16處使用水桶量測試驗土槽10內(nèi)試驗小區(qū)的徑流量，通過烘干法計算對應(yīng)時段的含沙量，直至徑流過程和輸沙過程趨于穩(wěn)定時停止試驗；
步驟5 :在整個試驗過程中使用三維激光掃描儀2對試驗土槽10內(nèi)土壤坡面的形態(tài)進行掃描，結(jié)合步驟4測得的試驗數(shù)據(jù)，精確測算試驗土槽10內(nèi)土壤坡面水蝕的侵蝕形態(tài)和水力侵蝕量。利用實施例3所述的坡面水蝕精細模擬試驗裝置進行人工模擬降雨和徑流沖刷耦合試驗的方法，其步驟如下
步驟I :根據(jù)試驗要求從野外取土，把取來的土過篩后，置于試驗土槽10內(nèi)分層充填、 壓實并控制土壤容重；
步驟2 :根據(jù)步驟I裝填在試驗土槽10內(nèi)土壤容重確定試驗土槽10的坡度、模擬時長、模擬降雨強度和模擬沖刷流量，使用液壓桿18將試驗土 10的坡度調(diào)整至試驗所需的坡度，打開水泵4向水箱7蓄水至水箱7內(nèi)水頭恒定，調(diào)節(jié)閥門8并對放水流量進行率定，調(diào)節(jié)降雨器3的降雨強度并對降雨強度進行率定；
步驟3 :在步驟I中裝填有土的試驗土槽10上設(shè)置第一觀測面11、第二觀測面12、第三觀測面13、第四觀測面14和第五觀測面15，5個等距觀測面，然后向試驗土槽10內(nèi)的土壤灑水使表層土壤趨于飽和；
步驟4 :打開穩(wěn)流池9使穩(wěn)流池9內(nèi)的水以步驟2所設(shè)定的率定流量平穩(wěn)均勻地流至試驗土槽10內(nèi)土壤坡面，打開降雨器3使降雨器3按照步驟2設(shè)定的率定雨強進行連續(xù)降雨，從試驗土槽10內(nèi)土壤坡面產(chǎn)流開始計時，以2分鐘為時間間隔，在步驟3設(shè)置的第一觀測面11、第二觀測面12、第三觀測面13、第四觀測面14和第五觀測面15，這5個等距觀測面處使用染色劑法測量斷面流速，使用鋼尺測量試驗土槽10內(nèi)土壤坡面徑流的流寬、流深和溝道發(fā)育情況；同時在集流口 16處使用水桶量測試驗土槽10內(nèi)試驗小區(qū)的徑流量，通過烘干法計算對應(yīng)時段的含沙量，直至徑流過程和輸沙過程趨于穩(wěn)定時停止試驗；
步驟5 :在整個試驗過程中使用三維激光掃描儀2對試驗土槽10內(nèi)土壤坡面的形態(tài)進行掃描，結(jié)合步驟4測得的試驗數(shù)據(jù)，精確測算試驗土槽10內(nèi)土壤坡面水蝕的侵蝕形態(tài)和水力侵蝕量。在試驗結(jié)束后，水箱7內(nèi)的水通過排水管6排出，借助外力與腳輪19配合移動本發(fā)明裝置，便于本發(fā)明裝置的存放和轉(zhuǎn)場。顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也包括這些改動和變型。本說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種坡面水蝕精細模擬試驗裝置，包括設(shè)置有腳輪的底架、與底架相連的試驗土槽， 其特征在于所述的試驗土槽設(shè)置在底架的上方，所述的試驗土槽的一端與底架的一端部鉸接、另一端設(shè)置有與試驗土槽相配合的水箱，所述的試驗土槽和底架之間設(shè)置有控制試驗土槽升降的液壓桿，所述的試驗土槽和水箱之間設(shè)置有穩(wěn)流池，所述的穩(wěn)流池和水箱之間通過輸水管連通，所述的水箱的一側(cè)設(shè)置有與水箱連通的輸水管和與輸水管連通的水泵，所述的水箱的下部連通有排水管，所述的試驗土槽的正前方設(shè)置有三維激光掃描儀、正上方設(shè)置有降雨器，所述的試驗土槽與底架鉸接的端部設(shè)置有與試驗土槽連接的集流口。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的坡面水蝕精細模擬試驗裝置，其特征在于所述的試驗土槽的一側(cè)設(shè)置有測量扶梯。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的坡面水蝕精細模擬試驗裝置，其特征在于所述的三維激光掃描儀與試驗土槽之間設(shè)置有檢測距離，所述的三維激光掃描儀的掃描范圍能夠覆蓋整個試驗土槽坡面。
4.據(jù)權(quán)利要求I所述的坡面水蝕精細模擬試驗裝置，其特征在于所述的降雨器與試驗土槽之間設(shè)置有降雨距離，所述的降雨器降落的雨滴的終速能夠達到勻速狀態(tài)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的坡面水蝕精細模擬試驗裝置，其特征在于所述的液壓桿的固定端鉸接在底架的中部、自由端鉸接在試驗土槽的下部。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的坡面水蝕精細模擬試驗裝置，其特征在于所述的穩(wěn)流池和所述的水箱之間的輸水管上設(shè)置有閥門。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的坡面水蝕精細模擬試驗裝置，其特征在于所述的水箱內(nèi)設(shè)置有控制水箱水頭的溢流板。
8.一種利用如權(quán)利要求1-5所述的坡面水蝕精細模擬試驗裝置進行人工模擬降雨坡面水蝕試驗的方法，其特征在于其步驟如下步驟I :根據(jù)試驗要求從野外取土，把取來的土過篩后，置于試驗土槽內(nèi)分層充填、壓實并控制土壤容重；步驟2 :根據(jù)步驟I裝填在試驗土槽內(nèi)土壤容重確定試驗土槽的坡度和降雨器模擬降雨的時長與強度，使用液壓桿將試驗土槽的坡度調(diào)整至試驗所需的坡度，調(diào)節(jié)降雨器的降雨強度并對降雨強度進行率定；步驟3 :在步驟I中裝填有土的試驗土槽上設(shè)置5個等距的觀測面，然后向試驗土槽內(nèi)的土壤灑水使表層土壤趨于飽和；步驟4 :打開降雨器使降雨器按照步驟2設(shè)定的率定雨強進行連續(xù)降雨，從試驗土槽內(nèi)土壤坡面產(chǎn)流開始計時，以2分鐘為時間間隔，在步驟3設(shè)置的5個等距觀測面處使用染色劑法測量斷面流速，使用鋼尺測量試驗土槽內(nèi)土壤坡面徑流的流寬、流深和溝道發(fā)育情況; 同時在集流口處使用水桶量測試驗土槽內(nèi)試驗小區(qū)的徑流量，通過烘干法計算對應(yīng)時段的含沙量，直至徑流過程和輸沙過程趨于穩(wěn)定時停止試驗；步驟5 :在整個試驗過程中使用三維激光掃描儀對試驗土槽內(nèi)土壤坡面的形態(tài)進行掃描，結(jié)合步驟4測得的試驗數(shù)據(jù)，精確測算試驗土槽內(nèi)土壤坡面水蝕的侵蝕形態(tài)和水力侵蝕量。
9.一種利用如權(quán)利要求1-7所述的坡面水蝕精細模擬試驗裝置進行人工模擬徑流沖刷試驗的方法，其特征在于其步驟如下步驟I :根據(jù)試驗要求從野外取土，把取來的土過篩后，置于試驗土槽內(nèi)分層充填、壓實并控制土壤容重；步驟2 :根據(jù)步驟I裝填在試驗土槽內(nèi)土壤容重確定試驗土槽的坡度、模擬時長和模擬沖刷流量，使用液壓桿將試驗土槽的坡度調(diào)整至試驗所需的坡度，打開水泵向水箱蓄水至水箱內(nèi)水頭恒定，調(diào)節(jié)閥門并對放水流量進行率定；步驟3 :在步驟I中裝填有土的試驗土槽上設(shè)置5個等距的觀測面，然后向試驗土槽內(nèi)的土壤灑水使表層土壤趨于飽和；步驟4 :打開穩(wěn)流池使穩(wěn)流池內(nèi)的水以步驟2所設(shè)定的率定流量平穩(wěn)均勻地流至試驗土槽內(nèi)土壤坡面，從試驗土槽內(nèi)土壤坡面產(chǎn)流開始計時，以2分鐘為時間間隔，在步驟3設(shè)置的5個等距觀測面處使用染色劑法測量斷面流速，使用鋼尺測量試驗土槽內(nèi)土壤坡面徑流的流寬、流深和溝道發(fā)育情況；同時在集流口處使用水桶量測試驗土槽內(nèi)試驗小區(qū)的徑流量，通過烘干法計算對應(yīng)時段的含沙量，直至徑流過程和輸沙過程趨于穩(wěn)定時停止試驗;步驟5 :在整個試驗過程中使用三維激光掃描儀對試驗土槽內(nèi)土壤坡面的形態(tài)進行掃描，結(jié)合步驟4測得的試驗數(shù)據(jù)，精確測算試驗土槽內(nèi)土壤坡面水蝕的侵蝕形態(tài)和水力侵蝕量。
10.一種利用如權(quán)利要求1-7所述的坡面水蝕精細模擬試驗裝置進行人工模擬降雨和徑流沖刷耦合試驗的方法，其特征在于其步驟如下步驟I :根據(jù)試驗要求從野外取土，把取來的土過篩后，置于試驗土槽內(nèi)分層充填、壓實并控制土壤容重；步驟2 :根據(jù)步驟I裝填在試驗土槽內(nèi)土壤容重確定試驗土槽的坡度、模擬時長、模擬降雨強度和模擬沖刷流量，使用液壓桿將試驗土槽的坡度調(diào)整至試驗所需的坡度，打開水泵向水箱蓄水至水箱內(nèi)水頭恒定，調(diào)節(jié)閥門并對放水流量進行率定，調(diào)節(jié)降雨器的降雨強度并對降雨強度進行率定；步驟3 :在步驟I中裝填有土的試驗土槽上設(shè)置5個等距的觀測面，然后向試驗土槽內(nèi)的土壤灑水使表層土壤趨于飽和；步驟4 :打開穩(wěn)流池使穩(wěn)流池內(nèi)的水以步驟2所設(shè)定的率定流量平穩(wěn)均勻地流至試驗土槽內(nèi)土壤坡面，打開降雨器使降雨器按照步驟2設(shè)定的率定雨強進行連續(xù)降雨，從試驗土槽內(nèi)土壤坡面產(chǎn)流開始計時，以2分鐘為時間間隔，在步驟3設(shè)置的5個等距觀測面處使用染色劑法測量斷面流速，使用鋼尺測量試驗土槽內(nèi)土壤坡面徑流的流寬、流深和溝道發(fā)育情況；同時在集流口處使用水桶量測試驗土槽內(nèi)試驗小區(qū)的徑流量，通過烘干法計算對應(yīng)時段的含沙量，直至徑流過程和輸沙過程趨于穩(wěn)定時停止試驗；步驟5 :在整個試驗過程中使用三維激光掃描儀對試驗土槽內(nèi)土壤坡面的形態(tài)進行掃描，結(jié)合步驟4測得的試驗數(shù)據(jù)，精確測算試驗土槽內(nèi)土壤坡面水蝕的侵蝕形態(tài)和水力侵蝕量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種坡面水蝕精細模擬試驗裝置及其試驗方法，它包括設(shè)有腳輪的底架、與底架相連的試驗土槽，試驗土槽設(shè)在底架的上方，試驗土槽的一端與底架的一端部鉸接、另一端設(shè)有與試驗土槽相配合的水箱，試驗土槽和底架之間設(shè)有液壓桿，試驗土槽和水箱之間設(shè)有穩(wěn)流池，穩(wěn)流池和水箱之間通過輸水管連通，水箱的一側(cè)設(shè)有輸水管和水泵，水箱的下部連通有排水管，試驗土槽的正前方設(shè)有三維激光掃描儀、正上方設(shè)有降雨器，試驗土槽與底架鉸接的端部設(shè)有與試驗土槽連接的集流口；本發(fā)明具有能人工控制坡面土壤容重、植被類型和覆蓋度，模擬不同立地條件下土壤水蝕情況，研究不同下墊面條件下各因素對土壤水蝕的影響與響應(yīng)機理的優(yōu)點。
文檔編號G01N33/24GK102590475SQ201210027399
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月8日
發(fā)明者冉大川, 史學(xué)建, 姚文藝, 李勉, 楊吉山, 楊春霞, 焦鵬, 王玲玲, 申震洲, 肖培青 申請人:黃河水利委員會黃河水利科學(xué)研究院