模拟融雪径流侵蚀的试验装置及方法

技术领域

本发明涉及融雪径流侵蚀模拟试验技术领域，特别是涉及一种模拟融雪径流侵蚀的试验装置及方法。

背景技术

我国东北黑土区春季融雪径流侵蚀对坡面侵蚀和沟道侵蚀有重要影响。因此，揭示融雪径流侵蚀过程机理将为精准实施坡面水土保持措施和黑土地保护提供重要的理论依据。

由于我国东北地区独特的气候环境和田间管理方式，每年春季地面积雪融化过程中发生的土壤剖面上层解冻、融化和下层仍然冻结现象，导致冻—融界面壤中流时常发生，而壤中流的形成极大降低土壤颗粒间的黏结力，减弱了土壤抗蚀性，从而加剧坡面融雪径流侵蚀程度。但受研究技术与研究方法的限制，目前有关东北黑土区融雪径流和壤中流叠加作用下的坡面土壤侵蚀过程与机理研究仍是空白，其结果一方面不能真正从驱动机制上解释黑土区土壤侵蚀严重的原因，另一方面也不能为坡面融雪径流精准防治提供科学指导。

发明内容

本发明提供一种模拟融雪径流侵蚀的试验装置及方法，用以解决现有技术中无法为防治坡面融雪径流导致的土壤侵蚀提供科学指导的缺陷，实现模拟融雪径流侵蚀过程，进而为精准防治坡面融雪径流导致的土壤侵蚀提供科学指导。

本发明提供一种模拟融雪径流侵蚀的试验装置，包括融雪径流槽，所述融雪径流槽的第一侧设有至少一排第一进水口组，每排所述第一进水口组包括沿所述融雪径流槽内的径流方向等间距设置的多个第一进水口，沿所述融雪径流槽内的径流方向，所述融雪径流槽与其第一侧相对的第二侧设有至少一排第二进水口组，每排所述第二进水口组包括沿所述融雪径流槽内的径流方向等间距设置的多个第二进水口，所述第一进水口组与所述第二进水口组一一对应，相对应的所述第一进水口组的多个所述第一进水口与所述第二进水口组的多个所述第二进水口位于同一高度，且所述第一进水口与所述第二进水口相对错位设置。

根据本发明提供的一种模拟融雪径流侵蚀的试验装置，所述第一进水口组的相邻所述第一进水口之间的间距与相对应的所述第二进水口组的相邻所述第二进水口之间的间距相同。

根据本发明提供的一种模拟融雪径流侵蚀的试验装置，所述融雪径流槽的第一端侧设有观测窗，所述观测窗相对于所述融雪径流槽的槽底高度与靠近所述融雪径流槽的槽底的所述第一进水口相对于所述融雪径流槽的槽底的高度相同。

根据本发明提供的一种模拟融雪径流侵蚀的试验装置，所述融雪径流槽的第一端侧设有出水口，所述出水口相对于所述融雪径流槽的槽底的高度大于所述观测窗相对于所述融雪径流槽的槽底的高度。

根据本发明提供的一种模拟融雪径流侵蚀的试验装置，所述融雪径流槽的第二端的底侧设有用以调整所述融雪径流槽倾斜度的液压气缸。

根据本发明提供的一种模拟融雪径流侵蚀的试验装置，所述融雪径流槽的第一侧和第二侧均设有把手。

根据本发明提供的一种模拟融雪径流侵蚀的试验装置，所述融雪径流槽的底侧设有支架，所述支架的底侧设有移动轮。

本发明还提供一种模拟融雪径流侵蚀的试验方法，包括如下步骤：

制备混合均匀的试验土壤；

测定所述试验土壤的含水量，并向所述试验土壤喷洒水至设定含水量，静置第一设定时间；

将静置后的所述试验土壤填装至所述融雪径流槽内；

向所述融雪径流槽内喷洒水，使所述试验土壤达到饱和含水量，用保鲜膜密封覆盖所述试验土壤并静置第二设定时间；

将所述融雪径流槽放置第一设定温度的冰柜中冻结第三设定时间；

取出所述融雪径流槽，并解冻所述试验土壤的深度至所述第一进水口和所述第二进水口所在平面；

通过所述第一进水口和所述第二进水口向所述融雪径流槽内输入第二设定温度、设定流速和第四设定时间的水，完成壤中流和融雪径流侵蚀试验。

根据本发明提供的一种模拟融雪径流侵蚀的试验方法，所述将静置后的所述试验土壤填装至所述融雪径流槽内步骤中，在所述融雪径流槽内铺设第一设定厚度的沙层，并在所述沙层的上侧铺设纱布，将静置后的所述试验土壤按设定容重分三层铺设于所述纱布的上侧，且每层所述试验土壤铺设第二设定厚度。

根据本发明提供的一种模拟融雪径流侵蚀的试验方法，所述取出所述融雪径流槽，并解冻所述试验土壤至所述第一进水口和所述第二进水口所在平面步骤中，将取出的所述融雪径流槽放置避光处，并在第三设定温度下解冻。

本发明提供的一种模拟融雪径流侵蚀的试验装置及方法，通过设置融雪径流槽，融雪径流槽的第一侧设有至少一排第一进水口组，每排第一进水口组包括沿融雪径流槽内的径流方向等间距设置的多个第一进水口，沿融雪径流槽内的径流方向，融雪径流槽与其第一侧相对的第二侧设有至少一排第二进水口组，每排第二进水口组包括沿融雪径流槽内的径流方向等间距设置的多个第二进水口，第一进水口组与第二进水口组一一对应，相对应的第一进水口组的多个第一进水口与第二进水口组的多个第二进水口位于同一高度，且第一进水口与第二进水口相对错位设置，实现对整个融雪径流槽在融雪过程中土壤剖面冻融界面的均匀供水，真实模拟冻融界面壤中流的水文状态，保证供水均匀，实现对田间融雪径流侵蚀的逼真模拟，提高试验结果的准确性和可靠性，为坡面融雪径流精准防治提供科学指导。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的模拟融雪径流侵蚀的试验装置的俯视图；

图2为本发明提供的模拟融雪径流侵蚀的试验装置的右视图；

图3为本发明提供的模拟融雪径流侵蚀的试验装置的左视图；

图4为本发明提供的模拟融雪径流侵蚀的试验装置的前视图。

附图标记：

100、融雪径流槽；110、第一进水口；120、第二进水口；130、出水口；140、观测窗。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

下面结合图1至图4描述本发明的一种模拟融雪径流侵蚀的试验装置，包括融雪径流槽100，融雪径流槽100的第一侧设有至少一排第一进水口组，每排第一进水口组包括沿融雪径流槽100内的径流方向等间距设置的多个第一进水口110，沿融雪径流槽100内的径流方向，融雪径流槽100与其第一侧相对的第二侧设有至少一排第二进水口组，每排第二进水口组包括沿融雪径流槽内的径流方向等间距设置的多个第二进水口120，第一进水口组与第二进水口组一一对应，相对应的第一进水口组的多个第一进水口110与第二进水口组的多个第二进水口120位于同一高度，且第一进水口110与第二进水口120相对错位设置。可以理解的是，沿融雪径流槽100内的融雪的径流方向即融雪径流槽100的长度方向，融雪径流槽100的第一侧设有至少一排第一进水口组，本实施例中沿融雪径流槽100的高度方向设置三排第一进水口组，相邻两排第一进水口组的间距可以设置为相同也可以设置为不同，实现对不同深度冻融界面壤中流的水文状态模拟观察，本实施例中设置三排等间距设置的第一进水口组。每排第一进水口组包括沿融雪径流槽100内的径流方向等间距设置的多个第一进水口110。值得说明的是，每排第一进水口组的多个第一进水口110位于同一水平高度。

沿融雪径流槽100内的融雪的径流方向即融雪径流槽100的长度方向，融雪径流槽100与其第一侧相对的第二侧设有至少一排第二进水口组，本实施例中沿融雪径流槽100的高度方向设置三排第二进水口组，相邻两排第二进水口组的间距可以设置为相同也可以设置为不同，实现对不同深度冻融界面壤中流的水文状态模拟观察，本实施例中设置三排等间距设置的第二进水口组。每排第二进水口组包括沿融雪径流槽内的径流方向等间距设置的多个第二进水口120。通过第一进水口110和第二进水口120分别向融雪径流槽100内供水，实现壤中流的模拟。值得说明的是，每排第二进水口组的多个第二进水口120位于同一水平高度。

进一步地，相对应的第一进水口组的多个第一进水口110与第二进水口组的多个第二进水口120位于同一高度，也就是说，当融雪径流槽100水平放置时，多个第一进水口110和多个第二进水口120位于同一水平面内。第一进水口110与第二进水口120相对错位设置，也就是说，第一进水口110的轴线与第二进水口120的轴线不重合，实现对融雪径流槽100内供水的均匀性，保证模拟试验的真实性，提高试验结果的准确性和可靠性。

根据本发明提供的一种模拟融雪径流侵蚀的试验装置，第一进水口组的相邻第一进水口110之间的间距与相对应的第二进水口组的相邻第二进水口120之间的间距相同。可以理解的是，为了进一步使供水在融雪径流槽100内均匀分布，相邻第一进水口110之间的间距与相邻第二进水口120之间的间距相同设置。

根据本发明提供的一种模拟融雪径流侵蚀的试验装置，融雪径流槽100的第一端侧设有观测窗140，观测窗140相对于融雪径流槽100的槽底的高度与靠近融雪径流槽100的槽底的第一进水口110相对于融雪径流槽100的槽底的高度相同。可以理解的是，融雪径流槽100的第一端侧即倾斜设置时融雪径流槽100的相对低的一端侧，设置有观测窗140，用以观测融雪径流槽100内模拟试验的进展情况。观测窗140相对于融雪径流槽100的槽底的高度与相对最靠近融雪径流槽100的槽底的第一进水口110相对于融雪径流槽100的槽底的高度相同，即当融雪径流槽100处于水平放置时，观测窗140的中心与高度最低的第一进水口110以及第二进水口120均位于同一水平面内。

根据本发明提供的一种模拟融雪径流侵蚀的试验装置，融雪径流槽100的第一端侧设有出水口130，出水口130相对于融雪径流槽100的槽底的高度大于观测窗140相对于融雪径流槽100的槽底的高度。可以理解的是，融雪径流槽100的出水口130与观测窗140位于融雪径流槽100的同一端侧，且出水口130的垂直高度高于观测窗140的高度，用以使融雪径流槽100内的融雪流出融雪径流槽100。

根据本发明提供的一种模拟融雪径流侵蚀的试验装置，融雪径流槽100的第二端的底侧设有用以调整融雪径流槽100倾斜度的液压气缸。可以理解的是，液压气缸用以调整融雪径流槽100的倾斜度，实现对多种自然坡度的模拟调整，提高试验结果的准确性。液压气缸与出水口130分别设于融雪径流槽100的两端。值得说明的是，也可采用其他升降装置，例如丝杠升降机。

根据本发明提供的一种模拟融雪径流侵蚀的试验装置，融雪径流槽100的第一侧和第二侧均设有把手。可以理解的是，为了方便对融雪径流槽100的搬抬移动，在融雪径流槽100的第一侧和第二侧分别设置把手，具体的把手设置个数可根据融雪径流槽100的长度具体设定。

根据本发明提供的一种模拟融雪径流侵蚀的试验装置，融雪径流槽100的底侧设有支架，支架的底侧设有移动轮。可以理解的是，融雪径流槽100设置于支架的上侧，支架的底侧设置移动轮，方便移动融雪径流槽100，节省人力。

下面对本发明提供的模拟融雪径流侵蚀的试验方法进行描述，下文描述的模拟融雪径流侵蚀的试验方法与上文描述的模拟融雪径流侵蚀的试验装置可相互对应参照。

本发明还提供一种模拟融雪径流侵蚀的试验方法，包括如下步骤：

制备混合均匀的试验土壤；

测定所述试验土壤的含水量，并向所述试验土壤喷洒水至设定含水量，静置第一设定时间；其中，第一设定时间优选12小时～24小时；

将静置后的所述试验土壤填装至所述融雪径流槽100内；

向所述融雪径流槽100内喷洒水，使所述试验土壤达到饱和含水量，用保鲜膜密封覆盖所述试验土壤并静置第二设定时间；其中，第二设定时间优选15小时～28小时；

将所述融雪径流槽100放置第一设定温度的冰柜中冻结第三设定时间；其中第一设定温度优选-15℃，第三设定时间优选39小时；

取出所述融雪径流槽100，并解冻所述试验土壤的深度至所述第一进水口110和所述第二进水口120所在平面；

通过所述第一进水口110和所述第二进水口120向所述融雪径流槽100内输入第二设定温度、设定流速和第四设定时间的水，完成壤中流和融雪径流侵蚀试验，其中，第二设定温度优选0℃～4℃，设定流速优选130ml/min～135ml/min，第四设定时间优选40min。

根据本发明提供的一种模拟融雪径流侵蚀的试验方法，所述将静置后的所述试验土壤填装至所述融雪径流槽100内步骤中，在所述融雪径流槽100内铺设第一设定厚度的沙层，并在所述沙层的上侧铺设纱布，将静置后的所述试验土壤按设定容重分三层铺设于所述纱布的上侧，且每层所述试验土壤铺设第二设定厚度。其中，第一设定厚度优选3cm，第二设定厚度优选4cm。

根据本发明提供的一种模拟融雪径流侵蚀的试验方法，所述取出所述融雪径流槽100，并解冻所述试验土壤至所述第一进水口110和所述第二进水口120所在平面步骤中，将取出的所述融雪径流槽100放置避光处，并在第三设定温度下解冻。其中第三设定温度优选0℃～4℃。

本发明提供的一种模拟融雪径流侵蚀的试验方法，具体步骤如下：

野外黑土取回后将土样中的石块、根系残落物、秸秆等挑出后风干，将土样中的大土块按照土壤自然节理掰开以保护其原有结构，并将土壤充分混合均匀，完成试验土壤的制备；

测定试验土壤的含水量，根据土壤容重计算所需的试验土壤的质量，根据试验土壤的质量计算试验土壤含水量为16.5％所需要的水量，用喷水壶将所需要的水量缓慢喷洒至试验土壤中，并充分搅拌均匀，用保鲜膜密封，然后静置12h；

在融雪径流槽100的槽底铺设3cm厚的沙层作为透水层，并在沙层的上表面铺设纱布，将试验土壤按照1.2g/cm

在试验土壤含水量为16.5％的基础上计算试验土壤达到饱和含水量所需水量，用喷水壶缓慢均匀地喷洒在试验土壤中，制备含水量达到饱和的试验土壤，用保鲜膜密封整个融雪径流槽100并静置24h，使融雪径流槽100内的试验土壤中的水分均匀分散；

将融雪径流槽100放置于-15℃的恒温冰柜中，冻结36h，使试验土壤全冻结；

将融雪径流槽100从冰柜中取出，置于避光处，在室温条件下解冻，当试验土壤的解冻深度即冻、融交界面与第一进水口110以及第二进水口120位于同一平面时，开始进行壤中流和融雪径流侵蚀试验；

融雪径流槽100的长度为100cm，宽度为50cm，高度为20cm，相邻第一进水口110的间距为40cm，相邻第二进水口120的间距为40cm，融雪径流槽100的第一进水口110和第二进水口120分别通过软管与马氏瓶的出水口连接，马氏瓶与第一进水口110和第二进水口120一一对应，其中，软管的内径为8mm，外径为12mm，马氏瓶的出水口的流速为130ml/min～135ml/min，水的温度为0℃～4℃，供水时间为40min，完成壤中流和融雪径流侵蚀试验。

本发明提供的模拟融雪径流侵蚀的试验方法在有、无壤中流条件下黑土坡面径流量和侵蚀量对比试验结果：

本发明提供的一种模拟融雪径流侵蚀的试验装置及方法，通过设置融雪径流槽，融雪径流槽的第一侧设有至少一排第一进水口组，每排第一进水口组包括沿融雪径流槽内的径流方向等间距设置的多个第一进水口，沿融雪径流槽内的径流方向，融雪径流槽与其第一侧相对的第二侧设有至少一排第二进水口组，每排第二进水口组包括沿融雪径流槽内的径流方向等间距设置的多个第二进水口，第一进水口组与第二进水口组一一对应，相对应的第一进水口组的多个第一进水口与第二进水口组的多个第二进水口位于同一高度，且第一进水口与第二进水口相对错位设置，实现对整个融雪径流槽在融雪过程中土壤剖面冻融界面的均匀供水，真实模拟冻融界面壤中流的水文状态，保证供水均匀，实现对田间融雪径流侵蚀的逼真模拟，提高试验结果的准确性和可靠性，为坡面融雪径流精准防治提供科学指导。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围中。