一种山坡暴雨壤中流堵塞-通开模拟实验系统及模拟实验方法技术方案

本发明专利技术涉及一种山坡暴雨壤中流堵塞

【技术实现步骤摘要】
一种山坡暴雨壤中流堵塞
‑
通开模拟实验系统及模拟实验方法


[0001]本专利技术涉及土壤水运动
，尤其涉及一种山坡暴雨壤中流堵塞
‑
通开模拟实验系统及模拟实验方法。

技术介绍

[0002]优先流是指越过大部分土壤的体积、沿着孔隙、裂隙等优先流路径流动的快速壤中流，是一种常见的土壤水分运动形式。优先流会使得山洪的峰现时间提前。
[0003]近年来虽有人工降雨径流土壤水运动模拟实验，如公开号为CN108801589A、名称为二维坡面土壤、地表、地下水运动模拟实验系统等，但只限于对雨强、山坡倾角、分层土壤等进行模拟，不能模拟土壤中优先流路径堵塞或通开状态。而且目前对于土壤优先流，通常只注重对水流路径和运动过程的模拟，缺乏对优先流路径堵塞或通开状态转变条件的探究。
[0004]由上述可知，现阶段缺乏便携灵活的、支持探究优先流路径堵塞或通开状态转变条件的、进而探明山区暴雨壤中流机制的土壤水分层径流模拟实验装置。

技术实现思路

[0005]针对上述问题，现提供一种山坡暴雨壤中流堵塞
‑
通开模拟实验系统及模拟实验方法，旨在模拟山坡降雨和分层径流过程，支持探究优先流路径堵塞或通开的状态转变条件并识别暴雨壤中流激发条件，有助于探明山洪形成关键机理与本构关系。
[0006]上述方案的有益效果是：
[0007]1)本申请提供的实验系统可实现不同雨强、不同山坡倾角条件下地表和土壤分层径流过程的模拟；
[0008]2)本申请提供的实验系统可实现对优先流路径堵塞或通开状态的模拟，并探究土壤中优先流路径堵塞或通开的状态转变条件，从而帮助探明山洪形成关键机理与本构关系；
[0009]3)本专利技术结构较为完整、可扩展性强。本实验系统的各部分装置较为独立，可以在此基础上进行升级，进行其他影响因素的探究。
附图说明
[0010]图1为本专利技术的实施例中提供的模拟实验系统的结构示意图；
[0011]图2为本专利技术的实施例中土壤层的剖面示意图。
[0012]附图中：1、支撑架；2、土壤箱；3、第一黏土层；4、第一壤土层；5、第一砂土层；6、第二砂土层；7、第三砂土层；8、第四砂土层；9、旋转喷头；10、供水泵；11、调节阀门；12、流速仪；13、摄像设备；14、颗粒物。
具体实施方式
[0013]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0014]需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0015]下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步说明，但不作为本专利技术的限定。
[0016]如图1、图2所示，本专利技术的实施例中提供的实验系统包括土壤箱装置、人工降雨装置、集水装置、监控装置及数据分析装置；土壤箱装置包括模拟并改变土壤层倾角的支撑架1及安装于支撑架1上的土壤箱2，土壤箱2内铺设有土壤层，土壤层从下到上依次包括第一黏土层3、第一壤土层4、第一砂土层5，第一黏土层3中埋有第二砂土层6，第二砂土层6与土壤箱2的底面形成有夹角，以模拟漏斗流的产生条件，第一壤土层4中埋设有第三砂土层7及第四砂土层8，第三砂土层7及第四砂土层8平行于土壤箱2的底面，以模拟指流的产生条件，土壤箱2的内壁设置有传感器监测点，传感器监测点中埋有传感监测探头，以测量和采集分层土壤含水率、温度和基质势，土壤层中模拟有土壤大孔隙；人工降雨装置包括雨滴形成装置及其供水装置；集水装置包括埋设于每层土层中的导流管及对应设置于导流管中的滤网；监控装置用以监控土壤箱2中的水位线变化过程；数据分析装置用于收集每层土壤的排水过程并分析、计算每层土壤的产流过程。
[0017]本专利技术中雨滴成形装置为旋转喷头9，旋转喷头9对应安装于土壤箱2的顶部四角处，以重合叠加形成一个雨强均匀的降雨区；供水装置为流量可控型供水泵10，供水泵通过供水管与旋转喷头9连通，上述供水管上还安装有调节阀门11及流速仪12，以模拟形成不同雨强的降雨。
[0018]本专利技术中可在土壤中插入钢针然后拔出，或培育蚯蚓生成洞穴，或培育植被生成根系然后将植被拔出等方式模拟形成土壤中的大孔隙结构。
[0019]本专利技术中利用上述山坡暴雨壤中流堵塞
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通开模拟实验系统的模拟实验方法为：
[0020]S1、将分层土壤铺设于土壤箱2中；
[0021]S2、调整支撑架1，以模拟山坡上土壤层倾斜角度；
[0022]S3、利用供水装置为雨滴形成装置供水，调节供水装置流量，通过雨滴形成装置进行充分的人工降雨，使得土壤中的优先流路径打开；
[0023]S4、调节供水装置流量以降低雨强，再在土壤层表面铺设人工颗粒物14，以模拟自然界中花粉、柳絮等飘洒到土壤表面后在缓水流的带动及其他外力作用下将优先流路径堵塞的过程；
[0024]S5、利用数据分析装置分析土壤的出流过程线，识别优先流路径被堵塞的时刻，记录从“通”到“堵”的堵塞时间t1、降水累积量P
acc1
、降水强度P
t1
、山坡倾角θ、水位过程线l1、堵塞物体积V、优先流路径比率φ；
[0025]S6、调节供水装置流量以增大雨强，以模拟自然界较大降水发生时土壤优先流路径被通开的过程，观测土壤的出流过程线，识别优先流路径被通开的时刻，记录从“堵”到“通”的通开时间t2、降水累积量P
acc2
、降水强度P
t2
、水位过程线l2、堵塞物体积V、优先流路径
比率φ；
[0026]S7、改变降雨强度及倾斜角度，重复上述步骤S2
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S7，记录多组实验数据，探究优先流路径堵塞或通开的状态转变条件。
[0027]以上仅为本专利技术较佳的实施例，并非因此限制本专利技术的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本专利技术说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本专利技术的保护范围内。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种山坡暴雨壤中流堵塞
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通开模拟实验系统，其特征在于，包括土壤箱装置、人工降雨装置、集水装置、监控装置及数据分析装置；所述土壤箱装置包括模拟并改变土壤层倾角的支撑架及安装于所述支撑架上的土壤箱，所述土壤箱内铺设有土壤层，所述土壤层从下到上依次包括第一黏土层、第一壤土层、第一砂土层，所述第一黏土层中埋有第二砂土层，所述第二砂土层与所述土壤箱的底面形成有夹角，以模拟漏斗流的产生条件，所述第一壤土层中埋设有第三砂土层及第四砂土层，所述第三砂土层及所述第四砂土层平行于所述土壤箱的底面，以模拟指流的产生条件，所述土壤箱的内壁设置有传感器监测点，传感器监测点中埋有传感监测探头，以测量和采集分层土壤含水率、温度和基质势，所述土壤层中模拟有土壤大孔隙；所述人工降雨装置包括雨滴形成装置及其供水装置；所述集水装置包括埋设于每层土层中的导流管及对应设置于所述导流管中的滤网；所述监控装置用以监控土壤箱中的水位线变化过程；所述数据分析装置用于收集每层土壤的排水过程并分析、计算每层土壤的产流过程。2.根据权利要求1所述的山坡暴雨壤中流堵塞
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通开模拟实验系统，其特征在于，所述雨滴成形装置为旋转喷头，所述旋转喷头对应安装于所述土壤箱的顶部四角处，所述供水装置为流量可控型供水泵，所述供水泵通过供水管与所述旋转喷头连通。3.根据权利要求2所述的山坡暴雨壤中流堵塞
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通开模拟实验系统，其特征在于，所述供水管上还安装有调节阀门及流速仪。4.根据权利要求1所述的山坡暴雨壤中流堵塞...

【专利技术属性】
技术研发人员：张艳军，宋圆馨，邱安妮，张景琳，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：