小流域不同地貌单元水蚀过程精细模拟试验方法

摘要

本发明涉及一种系统研究小流域不同地貌单元土壤侵蚀过程与机理的流域尺度水蚀精细模拟试验方法，尤其是能够按照试验要求填筑不同的地貌形态，充填不同粒径组成的土壤，人工控制流域不同地貌部位的土壤容重，布设流域不同地貌部位(坡面上部、坡面下部、沟道等)水土保持治理措施，控制不同的降雨强度和降雨过程，观测不同地貌部位水流水动力学特征，从而能够实现不同立地条件、不同降雨条件下流域水土流失过程精确模拟，研究不同下垫面条件下各因素对土壤水蚀过程的影响与响应机理。

说明书

技术领域

本发明涉及一种系统研究小流域土壤侵蚀过程与机理的流域尺度水蚀精细模拟 试验方法，尤其是能够按照试验要求填筑不同的地貌形态，充填不同粒径组成的土壤，人工 控制流域不同地貌部位的土壤容重，布设流域不同地貌部位(坡面上部、坡面下部、沟道) 等水土保持治理措施，控制降雨强度及过程，观测不同地貌部位水流水动力学特性，从而能 够实现不同立地条件、不同降雨过程下流域水土流失精确模拟，研究不同下垫面下各因素对 土壤水蚀过程的影响与响应机理。

背景技术

小流域不同地貌单元水蚀过程原型定位监测试验方法是在野外选择完整的集水 区域，按照自然地貌建立坡面上部、下部、全坡面等地貌单元径流试验小区，在支沟和主沟 的沟口建立水文测站进行动态监测。选择土质较为均一、坡度较为一致的坡面，根据试验需 要量测不同坡长、不同坡度和不同宽度的矩形小区，使用石棉瓦等材料将所选区域同周围坡 面隔开，按照自然地貌布设坡面径流试验小区，在小区内种植所选植被或保持自然被覆，在 坡面上部的径流小区末端布设集流口、径流池和分水箱，坡面下部的径流小区和全坡面小区 末端布设集流口、三角槽。坡面径流小区观测内包括每次降雨的产流量、产沙量、雨前雨后 土壤含水量，支沟和主沟水文站观测项目有水位、流量过程、含水量过程、泥沙颗粒级配。 研究泥沙输移特性。

但是，野外下垫面条件较为复杂，土质、坡度、微地形、蚁穴、地表结皮等因 素均能够对流域水蚀过程和结果产生较大影响，单个因素对土壤侵蚀动力过程的定量作用难 以剥离，极大制约了土壤侵蚀过程与机理的深入研究；对于野外原型坡面小区，只观测对径 流试验小区出口处径流、泥沙输出总量，缺乏坡面产流、输沙过程的测量，缺乏对坡面径流 水动力过程的量测，对于沟道，只观测流域出口断面的径流、输沙过程，对于沟道不同断面 的水动力学参数难以获取，因此，很难揭示流域泥沙从坡面到流域出口的水蚀动力过程；而 且原型观测试验需在室外天然降雨条件下进行，受到天气因素的极大制约，难以全面研究不 同降雨量、降雨强度、降雨过程、雨型等条件对流域水土流失过程的影响，且野外条件不利 于试验参数的精确量测与采集。

在室内模拟试验方面，目前，国内外土壤侵蚀实体模型大多属于小型坡面土槽， 室内试验模拟对象多针对野外的坡面上部、下部以及全坡面而修建的坡面侵蚀径流小区，而 将坡面侵蚀及沟道侵蚀作为一个整体过程的流域尺度模拟试验研究还比较少。现有流域尺度 模拟试验只观测流域支沟、主沟的水沙过程，然而，流域侵蚀产沙是一个由发生在坡面、沟 道上的侵蚀输沙过程所构成的完整的水文水力学系统，只进行坡面侵蚀的模拟研究，或将坡 面侵蚀和沟道侵蚀作为两个孤立的过程加以试验研究都是不够的。因此，对包括有坡面和沟 道组成的完整流域的水蚀过程进行模拟研究，就很有必要。

发明内容

为弥补和克服野外土壤侵蚀影响因子控制困难，定点观测历时长、难度大、数 据积累慢，不能精确控制各下垫面条件、无法对流域不同地貌部位的侵蚀水动力学过程进行 定量观测，难以全面研究在不同措施组合及空间分布、不同降雨过程条件下对流域水沙过程 影响，不易提高流域土壤水蚀试验中的测量精度等，本发明提供了一种用于系统研究流域水 蚀过程与机理的流域水蚀精细模拟方法。该方法不仅能够观测流域不同地貌部位径流和输沙 过程、量测不同地貌部位的水动力条件变化过程，而且能够较为精确地控制坡面、沟道等不 同地貌部位水土保持措施，一定程度上减少随机因素对试验过程的影响，提高流域水蚀过程 侵蚀量及其空间分布、侵蚀地貌形态变化量测精度。

本发明所述的小流域水蚀过程精细模拟实验方法，其步骤如下：

1)形成与原型流域之间满足系统相似性要求的水蚀过程精细模拟试验的模型流域，并布 置试验装置；首先按照试验要求从野外取土，装土1m不过筛，置于试验土槽内打碎填装、压 实并控制土壤干容重在1.42-1.59g/cm³；

2)然后，填筑模型表层土，将取来的土过筛，分层充填、压实并控制土壤容重；

3)其次，选取较为完整的坡面，用白铁皮格成1m宽坡面径流小区，径流小区旁架设用 于观测坡面水蚀过程的测桥；

4)再次，在模型的上方安装下喷式降雨器，以模拟不同时长、不同强度、不同降雨过程 的降雨；在降雨器上悬挂三维激光扫描仪，用以定量观测每次降雨前后流域地貌形态变化， 计算每次降雨流域侵蚀量及其空间分布；

5)最后，在流域主沟、支沟上方不同部位架设三角铁支架，支架上安装高速摄像机，高 速摄像机通过网线和计算机相连，通过计算机管理软件，采集沟道水流流速场；流域主沟沟 口、支沟沟口分别安装流量监测传感器，自动监测支沟流量含沙量过程，与该仪器系统配套 的数据采集器和计算机管理软件可以实现流量过程的实时观测，到此完成试验装置的布置；

6)在人工模拟降雨实施之前向模型流域洒水，使表层土壤趋于饱和；打开悬挂在降雨器 上三维激光扫描仪，扫描降雨前的初始地形；将试验区遮盖并用固定于试验区旁的雨量桶率 定下喷式降雨器的设定雨强，用自计雨量计和雨量筒对降雨过程中的降雨强度、降雨量及降 雨过程进行记录；

7)打开降雨器，降雨器以率定雨强进行连续降雨，从坡面产流开始计时，以3分钟为时 间间隔，在坡面观测断面处使用染色剂测量坡面流流速，使用钢尺量测坡面径流的流宽、流 深和沟道发育情况；采用吸耳球法采集坡面径流，通过烘干法计算对应时段的含沙量。

8)支沟沟口流速含沙量采用流量监测传感器，自动采集流量含沙量过程，主沟沟口流量、 含沙量一方面采用流量监测传感器，自动采集，另一方面对流量、含沙量进行人工取样观测， 每间隔3分钟取10s长时段的样。

9)沟道水流高速摄像机设定测量间隔同样为3分钟，沟道产流后，当与坡面流速测定时 间同步时，每隔3分钟，根据事先率定的雨强和示踪粒子大小的关系，选择设定雨强的示踪 粒子，将示踪粒子通过圆管抛洒到沟道观测断面，在采集系统上点击开始，采集沟道水流流 速场。

10)降雨结束后，再次打开三维扫描仪，扫描降雨后的地形，通过对降雨前后地形变化数 据的对比分析，确定在降雨条件下，泥沙的侵蚀、搬运和沉积状况及空间。

本发明具有以下积极的效果：不仅能够模拟完整的流域坡面，不同级别沟道系 统(支沟、主沟)径流过程和输沙过程，而且能够较为精确地控制各下垫面条件，按需调节 试验降雨量、降雨强度、降雨过程，同时能够观测沿坡面、沟道水流的水动力条件变化过程， 一定程度上减少随机因素对试验过程的影响，提高流域水蚀的侵蚀量测量精度，精确测量泥 沙空间分布，分析流域产沙来源。同时，该流域水蚀过程精细模拟试验方法具有试验设备结 构简单，操作简易，人工测量和自动化测量互为校正等特点。

附图说明

图1是流域概化模型俯视图；

图2是图1中A-A的断面图；

图中：1：工作平台；2、工作桥；3、高速摄像机；4、支架；5、流量监测传感 器；6、下喷式降雨器；7、三维激光扫描仪。

具体实施方式

本发明下面将结合实施例和附图对本发明作进一步的说明。

如图1-2所示，本发明的具体实施步骤如下：

实施例1

1)形成与原型流域之间满足系统相似性要求的水蚀过程精细模拟试验的模型流域，并布 置试验装置；首先按照试验要求从野外取土，装土1m不过筛，置于试验土槽内打碎填装、压 实并控制土壤干容重在1.42/cm³；

2)然后，填筑模型表层土，将取来的土过筛，分层充填、压实并控制土壤容重；

3)其次，选取较为完整的坡面，用白铁皮格成1m宽坡面径流小区，径流小区旁架设用 于观测坡面水蚀过程的测桥；

4)再次，在模型的上方安装下喷式降雨器(南京图圣数据工程有限责任公司TSJY-1)，以 模拟不同时长、不同强度、不同降雨过程的降雨；在降雨器上悬挂三维激光扫描仪(FARO FOCUS3D)，用以定量观测每次降雨前后流域地貌形态变化，计算每次降雨流域侵蚀量及其 空间分布；

5)最后，在流域主沟、支沟上方不同部位架设三角铁支架，支架上安装高速摄像机 (MVC3000SAC-GE12)，高速摄像机通过网线和计算机相连，通过计算机管理软件，采集沟道水 流流速场；流域主沟沟口、支沟沟口分别安装流量监测传感器(LTW-1)，自动监测支沟流量含 沙量过程，与该仪器系统配套的数据采集器和计算机管理软件可以实现流量过程的实时观测， 到此完成试验装置的布置；

6)在人工模拟降雨实施之前向模型流域洒水，使表层土壤趋于饱和；打开悬挂在降雨器 上三维激光扫描仪，扫描降雨前的初始地形；将试验区遮盖并用固定于试验区旁的雨量桶率 定下喷式降雨器的设定雨强，用自计雨量计和雨量筒对降雨过程中的降雨强度、降雨量及降 雨过程进行记录；

7)打开降雨器，降雨器以率定雨强进行连续降雨，从坡面产流开始计时，以3分钟为时 间间隔，在坡面观测断面处使用染色剂测量坡面流流速，使用钢尺量测坡面径流的流宽、流 深和沟道发育情况；采用吸耳球法采集坡面径流，通过烘干法计算对应时段的含沙量。

8)支沟沟口流速含沙量采用流量监测传感器，自动采集流量含沙量过程，主沟沟口流量、 含沙量一方面采用流量监测传感器，自动采集，另一方面对流量、含沙量进行人工取样观测， 每间隔3分钟取10s长时段的样。

9)沟道水流高速摄像机设定测量间隔同样为3分钟，沟道产流后，当与坡面流速测定时 间同步时，每隔3分钟，根据事先率定的雨强和示踪粒子大小的关系，选择设定雨强的示踪 粒子，将示踪粒子通过圆管抛洒到沟道观测断面，在采集系统上点击开始，采集沟道水流流 速场。

10)降雨结束后，再次打开三维扫描仪，扫描降雨后的地形，通过对降雨前后地形变化 数据的对比分析，确定在降雨条件下，泥沙的侵蚀、搬运和沉积状况及空间。

实施例2

1)形成与原型流域之间满足系统相似性要求的水蚀过程精细模拟试验的模型流域，并布 置试验装置；首先按照试验要求从野外取土，装土1m不过筛，置于试验土槽内打碎填装、压 实并控制土壤干容重在1.59g/cm³。

以下步骤同实施例1。

实施例3

1)形成与原型流域之间满足系统相似性要求的水蚀过程精细模拟试验的模型流域，并布 置试验装置；首先按照试验要求从野外取土，装土1m不过筛，置于试验土槽内打碎填装、压 实并控制土壤干容重在1.50g/cm³.

以下步骤同实施例1。

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是， 我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用 仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。