一种复合侵蚀作用对水土流失影响的模拟量化方法技术

本发明专利技术公开了一种复合侵蚀作用对水土流失影响的模拟量化方法，即综合利用人工模拟降雨试验、风洞试验和冻融循环试验手段，将装填好的试验土槽沿轨道在室内人工降雨‑风洞‑冻融循环实体模型的各区域间移动，通过多种试验装置的联合运用，实现对不同复合侵蚀模式的模拟，来确定不同复合侵蚀作用下的水土流失影响量，再根据驱动因子离解方案，分离出水力、风力、冻融等各驱动因子对水土流失影响的贡献率。本发明专利技术的技术方案实用、有效，既能够量化复合侵蚀系统中不同动力耦合作用下的水土流失影响量，又能够分离出复合侵蚀系统中各驱动因子贡献率。

【技术实现步骤摘要】
一种复合侵蚀作用对水土流失影响的模拟量化方法
本专利技术涉及水土流失研究
具体涉及一种复合侵蚀作用对水土流失影响的模拟量化方法。
技术介绍
土壤侵蚀是土壤或母质在水力、风力、重力、冻融等内外营力作用下被破坏、剥离和搬运的过程，这一过程可以是其中一种力引起的，也有可能是多种力引起的，而多种力的作用关系往往比较复杂，如可以是复合关系、交替关系，亦或是交互关系，由此形成了不同的侵蚀类型，从广义上讲，均可称之为复合侵蚀。复合侵蚀往往强度高，会严重导致生态环境退化，是水土保持与生态治理研究中的重点问题。复合侵蚀可以分为两种类型，一种是多种外营力同时发生、耦合作用，致使复合侵蚀力有别于单一侵蚀营力的特点，例如暴风雨等；另一种是多种外营力交替发生，一种侵蚀营力对地表物质的侵蚀、搬运及沉积，为另一种侵蚀营力的再作用提供了物质基础，例如在水力、风力、冻融交替作用下的侵蚀产沙过程中，风力、冻融侵蚀为水力侵蚀提供了侵蚀物质来源，直接影响侵蚀物质的传递与转化，从而对侵蚀产沙过程形成调控机制。目前，复合侵蚀研究最大的难点之一是从总侵蚀量中分离各动力作用的贡献量。在复合侵蚀系统中，水力、风力、冻融等多种驱动因子间通过下垫面、水流、风沙流、侵蚀物质等媒介发生耦合作用，由于在不同驱动因子作用下物质运移的方向性与维度不同，其各自的贡献率尚无法直接测量，通常是作为独立的过程分别测量。如授权公告号为CN205749231U的技术专利“坡面水蚀监测装置”公开了一种能够提高测量土壤迁移量准确性的坡面水蚀监测装置；公开号为CN106813892A的专利技术专利“一种土壤风蚀圈内土壤风蚀量的测量方法”通过设置土壤风蚀圈，然后，测量风速风向，最后，计算与土壤风蚀量相关的物理参数以及土壤风蚀圈内的土壤风蚀量。王向阳(王向阳.西藏高原冻融侵蚀观测探索[J].中国水土保持,2014,(011):51-52,53.)以那曲县那曲镇卧弄曲冻融侵蚀监测点为例，介绍了寒冻剥蚀、热融滑塌侵蚀观测场监测设施的布置和观测方法。这种测量单个驱动因子的方法存在2个明显的不足：(1)忽视了复合侵蚀系统的完整性，没有把水力-风力-冻融作为一个动力耦合系统，(2)难以从总侵蚀量中分离各驱动因子的贡献量，无法确定多相侵蚀过程中各驱动因子的贡献率。因此，如何提供一种既能够量化复合侵蚀系统中不同动力耦合作用下的水土流失影响量，又能够分离出复合侵蚀系统中各驱动因子贡献率的方法，成为了亟需解决的问题。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有技术中独立测量不同驱动因子贡献率不能准确反应多相侵蚀系统中各个驱动因子贡献量的问题，提供一种利用室内模拟试验来量化复合侵蚀作用下各驱动因子对水土流失影响的技术方案。通过模拟试验，量化冻融-风力-水力复合侵蚀过程中的水土流失量，通过对水力、风力、冻融耦合系统中侵蚀动力过程的拆解，剥离各动力因子对侵蚀产沙过程的贡献率。为解决上述问题，本专利技术采用以下技术方案：一种复合侵蚀作用对水土流失影响的模拟量化方法，综合利用人工模拟降雨试验、风洞试验和冻融循环试验手段，将装填好的试验土槽沿轨道在室内人工降雨-风洞-冻融循环实体模型的各区域间来回移动，通过多种试验装置的联合运用，实现对不同复合侵蚀模式的模拟，来确定不同复合侵蚀作用下的水土流失影响量，再根据驱动因子离解方案，分离出水力、风力、冻融等各驱动因子对水土流失影响的贡献率。所述的室内人工降雨-风洞-冻融循环实体模型，包括封闭式制冷实验室、人工模拟降雨系统和紧凑回流式低紊流风洞，所述封闭式制冷实验室、人工模拟降雨系统和紧凑回流式低紊流风洞之间通过轨道连接，试验土槽通过轨道实现在封闭式制冷实验室、人工模拟降雨系统和紧凑回流式低紊流风洞之间的移动。所述封闭式制冷实验室，包括7.5m×3m×4m(长×宽×高)的冷冻箱，箱体采用彩钢聚氨酯硬泡夹芯保温板制成，内置两台工业空调，模拟温度范围0～-30℃，可模拟自然条件下土壤冻融循环过程。所述的人工模拟降雨系统，包括下喷式模拟降雨器、压力管道、计算机控制系统和蓄水池，每组降雨器上配备5个不同大小的喷头，喷头喷洒雨滴的直径范围在0～3mm，可以模拟30～180mm/h的降雨强度，喷头距地面22m，可使95％以上的雨滴终速达到天然降雨终速，通过计算机控制系统界面可以设定降雨强度和时间。所述的紧凑回流式低紊流风洞，根据空气动力学原理设计，试验段内直径4m，全长30m，风洞内安装风机、导风板和自动风速采集器，风速风向可自动交替变换，模拟范围0～30m/s，可以实现自由控制来模拟外界自然风，模拟风速大小可在自动风速采集器上直接读出。所述的试验土槽为5m×1m×0.6m(长×宽×高)的标准可调坡度土槽，坡度变化范围在0～30°之间，土槽底设有直径为5mm的透水孔，以保证土壤水自由入渗，土槽底架上装有四个轮子，可在轨道上来回滑动，在试验土槽内埋设全自动水分-地温采集系统，配置5通道水分-地温传感器，测点沿土层纵向埋深分别为10cm、20cm、30cm、40cm、50cm，实时获取5个层面土壤水分和温度变化过程。所述的轨道为由条形钢材铺成的路线，连接封闭式制冷实验室、紧凑回流式低紊流风洞和人工模拟降雨系统。所述的复合侵蚀模式为通过对风力、水利、冻融三种单一动力侵蚀过程的组合，得到的以水蚀过程为主的水蚀、风蚀+水蚀、风蚀+冻融+水蚀等多种动力组合模式，具体控制参数，包括：风力、起风天数、地温、冻融循环次数、降雨强度、降雨量、土壤水分，可根据研究区实际观测的阈值和作用规律设定。所述的驱动因子离解方案为通过不同动力组合过程的对比分析，实现对复合侵蚀中水力、风力、冻融作用过程的离解。具体方案是：单一水蚀量为水蚀贡献量，单一水蚀与风水复合侵蚀量对比得到风蚀贡献量，风水复合与水风冻复合侵蚀量对比得到冻融贡献量。本专利技术具有以下有益效果：(1)本专利技术提供的一种复合侵蚀作用对水土流失影响的模拟量化方法，将模拟降雨装置、风洞实验装置、低温驱动装置和试验土槽联合运用，构成了室内人工降雨-风洞-冻融循环实体模型，通过对三种单一动力侵蚀过程的组合，可得到水蚀、风蚀+水蚀、风蚀+冻融+水蚀等多种侵蚀动力组合模式，这一方法将水力-风力-冻融作为一个动力耦合系统，保留了复合侵蚀系统的完整性。(2)本专利技术通过不同动力组合过程的对比分析，实现对复合侵蚀中水力、风力、冻融作用过程的离解，从而可以有效剥离水蚀、风蚀、冻融等各驱动因子的侵蚀贡献率，本专利技术采用的技术方案实用、有效。(3)为辨识复合侵蚀系统中各驱动因子的作用过程，需要对复杂过程进行抽象、简化，将侵蚀动力因子分离出来，在可控条件下进行系统观测。本专利技术采用室内人工降雨-风洞-冻融循环实体模拟的试验手段，由于各装置均是在室内搭建，因此，各驱动因子作用的模式、时间、阈值等参数均可控，能够有效缩短试验进程，提升试验效率，提高观测精度。附图说明图1为本专利技术实施例室内人工降雨-风洞-冻融循环实体模型示意图。图2为本专利技术实施例驱动因子离解方案步骤流程。<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复合侵蚀作用对水土流失影响的模拟量化方法，其特征在于，将装有填土的试验土槽（4）沿轨道（5）在室内人工降雨-风洞-冻融循环实体模型的各区域间移动，实现对不同复合侵蚀模式的模拟，来确定不同复合侵蚀作用下的水土流失影响量，再利用驱动因子离解方法，分离出水力、风力和冻融对水土流失影响的贡献率。/n

【技术特征摘要】
1.一种复合侵蚀作用对水土流失影响的模拟量化方法，其特征在于，将装有填土的试验土槽（4）沿轨道（5）在室内人工降雨-风洞-冻融循环实体模型的各区域间移动，实现对不同复合侵蚀模式的模拟，来确定不同复合侵蚀作用下的水土流失影响量，再利用驱动因子离解方法，分离出水力、风力和冻融对水土流失影响的贡献率。


2.根据权利要求1所述的一种复合侵蚀作用对水土流失影响的模拟量化方法，其特征在于，所述室内人工降雨-风洞-冻融循环实体模型包括封闭式制冷实验室（1）、人工模拟降雨系统（2）和紧凑回流式低紊流风洞（3），所述封闭式制冷实验室（1）、人工模拟降雨系统（2）和紧凑回流式低紊流风洞（3）之间通过轨道（5）连接，试验土槽（4）通过轨道（5）实现在封闭式制冷实验室（1）、人工模拟降雨系统（2）和紧凑回流式低紊流风洞（3）之间的移动。


3.根据权利要求2所述的一种复合侵蚀作用对水土流失影响的模拟量化方法，其特征在于，所述封闭式制冷实验室（1）包括冷冻箱，冷冻箱内置空调以模拟自然条件下土壤冻融循环过程。


4.根据权利要求2所述的一种复合侵蚀作用对水土流失影响的模拟量化方法，其特征在于，所述的人工模拟降雨系统（2），包括下喷式模拟降雨器、压力管道、计算机控制系统和蓄水池，喷头距地面22m。


5.根据权利要求2所述的一种复合侵蚀作用对水土流失影响的模拟量化...

【专利技术属性】
技术研发人员：张攀，姚文艺，肖培青，杨春霞，孙维营，李莉，王志慧，焦鹏，
申请(专利权)人：黄河水利委员会黄河水利科学研究院，
类型：发明
国别省市：河南;41