变坡土壤径流与入渗特征监测装置及其监测方法

摘要

本发明涉及土壤入渗监测领域，提供一种变坡土壤径流与入渗特征监测装置及其监测方法，是将现有的变坡实验钢槽分为各个不同深度的条形槽，在各个条形槽前端的底部设置渗流出水口，使用渗流收集器与该渗流出水口连通，通过改变各个条形槽的坡度以及对其内部土壤降水的强度，观测并计算不同土层厚度在不同降雨强度和坡度下的入渗时间及入渗速率，确定不同土层入渗产流的降雨阈值，评估不同土壤层及其理化性质对入渗的贡献率，便于对比不同土壤厚度和土层组成的产流、入渗和产沙量差别，找寻不同土壤厚度、不同土壤层控制径流及入渗产量的影响因子（如土壤质地、孔隙度、有机质含量、矿质营养物质含量等），其制作简单，推广容易，操作快捷。

说明书

技术领域

本发明涉及土壤渗水能力监测领域，特别涉及一种变坡土壤径流 与入渗特征监测装置及其监测方法。

背景技术

地表径流、土壤入渗以及降雨溅蚀是中国最常见的侵蚀类型，同 时，径流及入渗特征又是土壤水分平衡、生态系统水循环的重要影响 因素，是生态系统水文研究中重要的组成部分（LI et al.2012；Hany EI  Kateb et al.2013）。为了不受地形、微气候等环境因子影响，目前针对 径流、入渗及土壤侵蚀（泥沙产量）机理特征的研究常采用实验室人 工降雨的方法来进行模拟，并越来越引起研究人员的关注。如我国生 产的新型“变坡实验钢槽”为可移动式液压升降钢槽，主要用于研究 土壤在不同坡度坡面，在不同降雨情况下，地表产流及土壤侵蚀产沙 特征。又如雷霆武等（2006）运用自行创造的“产渗流入渗仪”在两 种坡度及降雨强度组合条件下，观测了地表径流和入渗产量。

然而现有的这些实验只关注于整体、单层土壤，观测设备同一土 壤厚度，不能在实验室降雨条件下模拟和比较原状土壤不同土层厚度 的入渗特征。水分迁移及能量转换需要依靠土壤为介质进行，而不同 土壤深度具有一定异质性，入渗特征就会因为土壤深度不同（压力不 同）及各土层土壤理化性质的不同而有所差异。大量研究表明，有机 质、矿物营养元素等随着土壤层的加深而减小，土壤质地随着土壤层 的加深而变粗，土壤孔隙度减小，而入渗过程与土壤土壤孔隙度、有 机质含量，砂粒组分等具有显著的正相关关系（Winzig,2000；Jin-Ling  Yang,2011；Brandon Reynolds,2012）。因此在不同降雨量及降雨强度 条件下，同步观测原状土壤产流产沙量、土壤入渗深度、不同土壤层 的入渗起止时间、入渗速率、入渗量等，将土壤径流-入渗过程的研究 进一步细化显得尤为重要。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是现有技术不能在实验室降雨条件下模 拟和比较原状土壤不同土层厚度的入渗特征。

（二）技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种变坡土壤径流与入渗 特征监测装置，其包括：阶梯槽、径流收集器、渗流收集器、支架、 以及人工降雨模拟装置，所述阶梯槽由多个不同深度的条形槽并排连 接而成，各个所述条形槽的前端的顶部设有径流出水口，底部设有渗 流出水口，所述径流出水口与所述径流收集器连通，所述渗流出水口 与所述渗流收集器连通，所述阶梯槽保持其槽口朝上并铰接于所述支 架，所述人工降雨模拟装置用于对阶梯槽中的土壤进行人工降雨。

优选的，所述径流出水口的前端为V字型。

优选的，所述渗流出水口为倒三角形。

优选的，各个所述条形槽的槽底铺设有细沙，所述细沙的高度高 于所述渗流出水口的高度。

优选的，所述细沙上铺设有纱布，所述纱布的边缘将所述细沙与 所述渗流出水口隔开。

优选的，所述阶梯槽与所述支架之间设有液压装置，所述阶梯槽 通过所述液压装置改变与所述支架所成的角度。

优选的，所述阶梯槽与所述支架的铰接处设有角度标尺，用于标 示所述阶梯槽与所述支架之间所成的角度。

优选的，所述支架的底部设有滚轮。

一种基于上述变坡土壤径流与入渗特征监测装置的监测方法，其 包括以下步骤：

S1、在同一地段分别采集距地表不同厚度的土壤放入各个条形槽 中，并保证各个条形槽中的土壤高度与径流出水口的高度一致；

S2、设置阶梯槽相对于所述支架不同的倾斜程度，控制人工降雨 模拟装置不同的降雨强度，并相应地记录各个径流收集器接收到的产 流产沙量、各个所述条形槽的渗流出水口的出水时间、各个渗流收集 器中收集到的水的水量以及收集到该水量所需的时间；

S3、根据步骤S2中所记录的数据，计算出各个不同厚度土壤的入 渗速率以及各个不同厚度土壤的入渗与径流关系。

优选的，步骤S1中，取土时，采用分层分块的截取方式，再累积 放入槽内，以减轻对原状土的扰动。

（三）有益效果

本发明提出的一种变坡土壤径流与入渗特征监测装置及其监测方 法，通过坡度可变的阶梯槽，以及可装有不同厚度土壤层的条形槽， 可以同时确定降雨特征与入渗深度的关系，观测不同土层厚度在不同 降雨强度下的入渗时间及入渗速率，确定不同土层入渗产流的降雨阈 值，评估不同土壤层及其理化性质对入渗的贡献率，根据径流收集器 收集到的水和泥沙量，以及渗流收集器收集到的水量，可以对比不同 土壤厚度土层组成的产流、入渗和产沙量差别。观测土壤每一个层次 对径流、入渗和泥沙产量的影响，同时找寻不同土壤厚度、不同土壤 层控制径流及入渗产量的影响因子（如土壤质地、孔隙度、有机质含 量、矿质营养物质含量等），以便人为针对不同土壤层次和发育阶段进 行土壤修整和改善，为水源涵养生态系统功能修复提供有利科学依据。 且本发明制作简单，推广容易，操作快捷。

附图说明

图1是本发明实施例的一种变坡土壤径流与入渗特征监测装置的 结构示意图。

具体实施方式

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

如图1，本发明实施例提出的一种变坡土壤径流与入渗特征监测装 置，其包括，阶梯槽1、径流收集器、渗流收集器、支架、以及人工降 雨模拟装置，所述阶梯槽由多个不同深度的条形槽2并排连接而成， 各个所述条形槽的前端的顶部设有径流出水口3，较佳的，径流出水口 距其所在条形槽的槽口15cm为宜，各个条形槽2的前端底部设有渗流 出水口4，渗流出水口4的底端边缘延伸至条形槽2的槽底，避免条形 槽的槽底产生积水，影响测量数据的准确性，所述径流出水口3与所 述径流收集器连通，所述渗流出水口4与所述渗流收集器连通，所述 阶梯槽1保持其槽口朝上铰接于所述支架，所述人工降雨模拟装置用 于对阶梯槽进行人工降雨，所述人工降雨模拟装置与现有的人工降雨 模拟装置相同，其一般包括喷头、供水系统、动力系统、支架等。较 佳的，所述径流出水口3的前端为V字型，使各个条形槽中土壤上的 径流汇集，便于流入径流收集器中。较佳的，上述渗流出水口4为多 个，均匀分布在各个条形槽前端的底部，使入渗到各个条形槽底部的 水更容易流出。

本监测装置通过支架支撑在地面上，由于阶梯槽1与支架之间为 铰接，可手动转动阶梯槽1与之间之间所成的角度，使阶梯槽的各个 条形槽中的土壤形成不同的坡度，再通过人工降雨模拟装置向各个条 形槽中进行人工降雨，通过人工降雨模拟装置的控制降雨的强度，从 而模拟不同强度的降雨环境。记录阶梯槽中的土壤在不同坡度及降雨 强度条件下，阶梯槽的各个条形槽前端底部的渗流出水口的出水时间， 测量渗流收集器中收集到的水量，并记下收集到该水量所需的时间， 进而得知出各个条形槽的渗流出水口的出水速度，根据条形槽的面积 推算不同土壤层厚度的土壤在不同坡度下、不同降雨强度下的入渗时 间，入渗量以及入渗速率。

较佳的，各个所述条形槽2的槽底铺设有细沙，所述细沙的高度 高于所述渗流出水口4的高度，由于条形槽具有一定的长度，条形槽 在倾斜时，其内部的土壤处在不同的高度，在降水的过程中，条形槽 中地势较高的土壤中的降水入渗到条形槽底部时，还需要再渗透穿过 条形槽底部的土壤才能由渗流出水口，因为本装置监测的是距地表不 同厚度土壤层的入渗时间及入渗速率，需要在降水入渗通过该厚度土 壤后，尽快由渗流出水口流出，从而使测得的结果更加准确。在条形 槽2的底部铺设的细沙，由于细沙拥有良好的透水性，细沙所铺设的 高度没过渗流出水口4，使渗透到条形槽底部的水能够很快的沿条形槽 的槽底流到渗流出水口处。但细沙的高度不易过大，因为细沙有一定 的持水性，会给监测带来误差，细沙的高度刚好没过渗流出水口为宜， 为进一步降低细沙高度，将渗流出水口设计成多个倒三角形，使渗流 出水口在拥有足够大面积以使渗流出流流畅的同时较大程度地降低了 细沙的高度。同时由于倒三角形渗流出水口的底部呈V字型，渗流水 在通过渗流出水口后会形成较为集中的一束水柱，便于渗流收集器的 收集。针对试验目的不同，如在渗流水对比试验中，各个条形槽中细 沙的持水量近似相同，同一条形槽前后两次对比实验的细沙持水量也 近似相同，细沙持水误差可以忽略；对于定量监测试验，入渗量为出 流量加上细沙持水量，可以用“烘干法”计算单位体积细沙持水量， 即对渗水后的持水细沙进行烘干，并分别称量其烘干前后的重量，根 据其重量差来计算其所持的水量。

较佳的，所述细沙上铺设有纱布，且所述纱布的边缘将上述细沙 与所述渗流出水口隔开。在细沙上铺设纱布，既不影响渗水，又可将 土壤和细沙隔开，避免土壤与条形槽底部的细沙混合。纱布的边缘封 堵在渗流出水口处，可防止细沙从渗流出水口中流出。

较佳的，所述阶梯槽与所述支架之间设有液压装置，所述阶梯槽 通过所述液压装置改变与所述支架之间所成的角度，较佳的，液压装 置为一根连接在阶梯槽与支架之间的液压杆，通过液压杆的伸缩与阶 梯槽与支架之间的铰接，实现阶梯槽相对于支架转动，使阶梯槽中的 土壤模拟实地情况下不同坡度的土壤。

较佳的，所述阶梯槽与所述支架的铰接处设有角度标尺，用于标 示所述阶梯槽与所述支架之间所成的角度，角度标尺使阶梯槽中土壤 的坡度量化，使记录的结果更加精确。

较佳的，所述支架的底部设有滚轮，方便整体装置的移动。

一种基于上述所述的变坡土壤径流与入渗特征监测装置的监测方 法，其包括以下步骤：

S1、在同一地段分别采集距地表不同厚度的土壤放入各个条形槽 中，并保证各个条形槽中的土壤高度与径流出水口的高度一致；

S2、设置阶梯槽相对于所述支架不同的倾斜程度，控制人工降雨 模拟装置不同的降雨强度，并相应地记录各个径流收集器接收到的产 流产沙量、各个所述条形槽的渗流出水口的出水时间、各个渗流收集 器中收集到的水的水量以及收集到该水量所需的时间；

S3、根据步骤S2中所记录的数据，计算出各个不同厚度土壤的入 渗速率以及各个不同厚度土壤的入渗与径流关系。

一般在实地环境中，同一坡地的土壤层的构成基本相同，取该坡 地中任意坡段的土壤放入阶梯槽中，通过阶梯槽改变土壤的坡度，来 模拟该坡地不同坡度坡段的土壤。

较佳的，步骤S1中，为尽量保证土壤的原状，取土时，采用分层 分块的截取方式，再累积放入槽内，以减轻对原状土的扰动，依照条 形槽的大小，划定需要取的土壤的面积，将该划定的土壤再进行分区， 并逐一分层掘取，再将分层掘取的土壤逆序叠放在条形槽的相应位置 处，依照此法将其他分区的土壤拼放在条形槽中。

观测与计算步骤：

将阶梯槽设定一定的坡度并记录，调整人工降雨模拟装置的降雨 强度并记录。在开始降雨时计时，观察各个条形槽前端底部的渗流出 水口的出水时间t1，t1即为该坡地土壤距地表某一厚度土壤层的渗水 时间；待条形槽的渗流出水口出水后，直到渗水收集器中的水达到一 定刻度，记录渗水收集器中的水的体积L1，并记录此刻的时间t2，t2 减t1即为渗水收集器收集到L1体积水所需的时间，该条形槽的槽口 面积为s1，则该条形槽中的土壤层的渗水速率v1=L1/(t2-t1)/s1。依照 此法记录在各个条形槽中不同厚度土壤的渗水时间及渗水速率，从而 对实地土壤的土壤层做综合全面的土壤渗水性能评定。同时，通过径 流收集器在降雨开始时到降雨停止时的径流产沙及产流量，与上述记 录的渗透水水量做对比，从而评估在不同降雨强度和坡度的条件下， 地表径流与入渗特征的关系。对坡地的水文土壤研究做出综合准确量 化的评定，对各土壤层对入渗和径流关系的影响做出判断，对水土保 护做出合理化建议。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领 域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以 做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。