一種土壤近地表水流流速測定系統及方法與流程

本發明屬于近地表水流測速技術領域，尤其涉及一種土壤近地表水流流速測定系統及方法。

背景技術：

目前國內尚沒有一種廣泛使用的測量近地表水流流速的實驗儀器，國內外的眾多研究機構更多的是關注如何測定地表徑流的流量及流速。然而近地表水流對于農田土壤侵蝕過程和地表徑流形成有很大影響。眾多實驗表明土壤坡面徑流來自于地表徑流和近地表水流兩個方面，近地表水流在土壤侵蝕中起到了相當重要的觸發作用，遠遠高于片蝕、溝蝕等坡面侵蝕形式。近地表水流流速是所有土壤侵蝕過程模型的必要參數，如果近地表水流流速不能準確的獲得，即使侵蝕總量預測是準確的，也將造成侵蝕過程的錯誤預測。因此探求一種新的可以有效測量近地表水流流速的方法或儀器就顯得尤為重要。

綜上所述，現在的技術存在的問題是：國內沒有測量近地表水流流速的實驗儀器，無法準確測量近地表水流流速。

技術實現要素：

針對現有技術存在的問題，本發明提供了一種土壤近地表水流流速測定系統及方法。

本發明是這樣實現的，一種土壤近地表水流流速測定方法，所述土壤近地表水流流速測定方法包括以下步驟：

步驟一：將試驗槽放置移動式液壓升降車之上，坡度范圍為0-30°，坡度調節步長為5°；

步驟二：試驗土槽全長3m，每1m設置1個近地表水流供水單元，共布設3個供水單元；

步驟三：蠕動泵泵管一端分別插入3根供水管中模擬水流分層運動，泵管另一端分別插入相應顏色的供水容器中；

步驟四：利用照相機每十分鐘拍照，記錄每一層水流經過時間段內通過的相應距離計算孔隙水流流速，同時測定不同顏色水層的厚度計算達西流速；

步驟五：計算水流流速和達西流速。

進一步，所述步驟二具體包括：在碎石層和黏土層之上裝填供土樣，并在碎石與土樣之間用孔隙大小均勻的紗布隔離，在每一段碎石層前端均插入供水管；將土均勻的填放于水槽內，填土高度為30cm；填土完畢后，利用移動式液壓升降車將試驗槽升至不同坡度，經坡度測定系統測定讀數后；打開試驗槽下部放水口，靜置試驗槽直至無明顯出水時用標準環刀在坡面上、中、下三個部位分別采樣，在試驗室中采用烘干法測定沙樣含水率、容重，采用干土測量法測定土樣的比重，計算得到土樣的孔隙率的基礎數據。

進一步，所述步驟五計算達西流速公式為：

ud＝aq/(wh)

其中，ud代表達西流速，cms-1；q代表水流給定流量，lh-1；w代表試驗槽寬度，cm；h代表水層厚度，cm；a代表單位轉換系數。

進一步，所述步驟五計算土層孔隙水流流速公式為：

vm＝s/dt；

其中，vm代表沙層孔隙水流流速，cmh-1；s代表水流流過的距離，cm；dt代表流過s距離的時間，h。

本發明的另一目的在于提供一種所述土壤近地表水流流速測定系統設置有：

透明有機玻璃槽；

供水蠕動泵通過供水管連接注水管的一端，所述注水管貼合在所述透明有機玻璃槽的內壁上；

所述注水管的另一端插入近地表水流供水單內，所述近地表水流供水單元的一側鋪有水位平衡單元。

進一步，所述水位平衡單元、近地表水流供水單元的一側鋪設有黏土防滲層。

進一步，測量標尺粘結在所述透明有機玻璃槽的側壁外側。

進一步，計時裝置粘結在所述透明有機玻璃槽的內側側壁上。

進一步，所述透明有機玻璃槽每1m設置1個近地表水流供水單元，共布設3個近地表水流供水單元；在3m長的透明有機玻璃槽底部填入3cm厚的黏土防滲層。

進一步，所述透明有機玻璃槽分為1m長的3段后，在每一段的上游端30cm的長度上鋪上粒徑為1cm的碎石；下游70cm的長度上，填充2cm厚的黏土；

所述水位平衡單元在碎石下游與黏土連接處布設，為20cm×30mm×2mm不銹鋼片，上端制成平直的刀刃裝，水位平衡單元布置與水槽水流方向垂直。

本發明的優點及積極效果為：可以測定近地表水流的流速，進而補充在此研究領域的空白，為水土流失預測和預報模型、定量評價水土流失和水土保持效益提供更加精確的數據，從而減少水土流失給人類生產和生活帶來的嚴重影響。

附圖說明

圖1是本發明實施例提供的土壤近地表水流流速測定系統結構示意圖；

圖2是本發明實施例提供的近地表水流發生器示意圖；

圖中：1、供水蠕動泵；2、供水管；3、注水管；4、測量標尺；5、水位平衡單元；6、近地表水流供水單元；7、黏土防滲層；8、計時裝置；9、透明有機玻璃槽。

具體實施方式

為能進一步了解本發明的發明內容、特點及功效，茲例舉以下實施例，并配合附圖詳細說明如下。

下面結合附圖對本發明的結構作詳細的描述。

如圖1所示，本發明實施例提供的土壤近地表水流流速測定裝置包括:透明有機玻璃槽9、供水蠕動泵1、供水管2、注水管3、測量標尺4、水位平衡單元5、近地表水流供水單元6、黏土防滲層7、計時裝置8。

供水蠕動泵1通過供水管2連接注水管3的一端，注水管3貼合在透明有機玻璃槽9的內壁上，注水管3的另一端插入近地表水流供水單元6內，近地表水流供水單元6的一側鋪有水位平衡單元5，水位平衡單元5、近地表水流供水單元6的一側鋪設有黏土防滲層7，測量標尺4粘結在透明有機玻璃槽9的側壁外側，計時裝置8粘結在透明有機玻璃槽9的內側側壁上。

透明有機玻璃槽采用厚度為1.5cm的透明有機玻璃板制成，以便視覺直接觀察水流的運移情況，測定水流的運移距離與水流深度，透明有機玻璃槽規格為3×0.2×0.4m(長×寬×深)，透明有機玻璃槽下端設有排水孔，在排水孔處布設過濾網，裝填透明有機玻璃槽時，排水孔處于封閉狀態，防止土壤隨水流流失。在透明有機玻璃槽出水口布設排水柵板，柵板厚度15mm，高0.4m，柵板安裝在距離出水口3m的位置。在透明有機玻璃槽側面不同部位放置鉛直及水平方向設置標尺，用于測量水深及水流行徑的距離，分別布設在每供水處上方鉛直和透明有機玻璃槽的底部水平方向；在透明有機玻璃槽側面布設計時裝置，以便及時觀察、測定和記錄數據。

試驗供水系統包括供水蠕動泵1，供水管2，注水管3。供水蠕動泵1采用恒定供水蠕動泵(bt100-02/dg-6(6))，為可控流量供水裝置，通過對泵的彈性輸送軟管交替進行擠壓和釋放來泵送水流，調節供水蠕動泵轉速調整供水流量。供水蠕動泵轉速范圍為0.1～100rpm，速度分辨率為0.1rpm，流量設定范圍為0.0025～48mlmin-1，設定該改型號的供水蠕動泵為可以六通道同時供水。

如圖2所示，近地表水流發生器主要包括注水管3、近地表水流供水單元6與水位平衡單元5，透明有機玻璃槽全長3m，每1m設置1個近地表水流供水單元6，共布設3個近地表水流供水單元6。在3m長的透明有機玻璃槽底部填入3cm厚的黏土防滲層7，壓實以模擬不透水層，防止水流滲漏。再將透明有機玻璃槽分為1m長的3段后，在每一段的上游端30cm的長度上鋪上粒徑約為1cm的碎石，作為近地表水流供水段。在其下游70cm的長度上，填充約2cm厚的黏土，以抬高近地表水流供水段的水位，便于供水。依次裝填3段，形成3個近地表水流觀測段。水位平衡單元5即在碎石下游與黏土連接處布設的水位平衡單元，其規格為20cm×30mm×2mm不銹鋼片，上端制成平直的刀刃裝，水位平衡單元5布置與水槽水流方向垂直。未設刀刃的一側插入土壤約10mm，刀刃的上緣比黏土層略高(1～2mm)，比碎石層略低。水位平衡單元5的作用，是通過調節其量測高度，將由注水管3供入碎石層中的水流均勻穩定地供入其下游的土層中。

本發明的實驗方法包括以下步驟：

步驟一：固定透明有機玻璃槽。將透明有機玻璃槽放置移動式液壓升降車之上，該儀器可以調節坡度，坡度范圍為0-30°，坡度調節步長為5°。

步驟二：透明有機玻璃槽裝土。透明有機玻璃槽全長3m，每1m設置1個近地表水流供水單元，共布設3個供水單元。在3m長的透明有機玻璃槽底部填入3cm厚的黏土，壓實以模擬不透水層，防止水流滲漏。再將透明有機玻璃槽分為1m長的3段后，在每一段的上游端30cm的長度上鋪上粒徑約為1cm的碎石，作為近地表水流供水段。在其下游70cm的長度上，填充約2cm厚的黏土，以抬高近地表水流供水段的水位，便于供水。在已經填充好的碎石層和黏土層之上覆蓋土工布，之后，分層裝填土樣。填土完畢后，利用移動式液壓升降車將透明有機玻璃槽升至不同坡度，經坡度測定系統測定讀數后。打開透明有機玻璃槽下部放水口，靜置透明有機玻璃槽直至無明顯出水時用標準環刀在坡面上、中、下三個部位分別采樣，在試驗室中測定土樣含水率、容重，采用干土測量法測定土樣的比重，從而計算得到土樣的孔隙率等基礎數據。

步驟三：試驗供水準備。將一組3根蠕動泵出水管分別插入一個土槽中的3根供水管中，在3處分別同時向土層供水，水泵進水口水管分別插入盛有不同顏色的供水容器中，以向三處供給不同顏色的水流。試驗中，上層供水采用黃色染料，中層供水采用紫色染料，下層供水采用紅色染料。

步驟四：供水流量標定。將與水泵相連接的導水管放置在相應的供水部位，對不同供水位置的供水流量進行標定，試驗中每一個位置的供水流量一致。

步驟五：試驗過程。啟動水泵，以標定的流量向土層供水，試驗開始計時。試驗開始后，設定照相機每隔十分鐘拍照，利用土槽上的標尺記錄數據，包括：每一層水流推進的距離，用于計算水流的孔隙流速；同時測定不同顏色水層的厚度，以計算過水單面的面積，用于計算達西流速。上層黃色水流運移全程為3m，中層紫色水流運移全程為2m，下層紅色水流運移全程為1m。

步驟六：計算方法與公式

(1)達西流速(入滲流速)

達西流速是指采用滿足達西公式定義的條件，采用相應的測量方法和計算方法(公式)得到的流速。其計算公式如下：

ud＝aq/(wh)

其中，ud代表達西流速，cms^-1；q代表水流給定流量，lh^-1；w代表透明有機玻璃槽寬度，cm；h代表水層厚度，cm；a代表單位轉換系數。

(2)土層孔隙水流流速

孔隙水流流速，是指水在土層中流動實際單位時間運動的距離，用下式計算：

vm＝s/dt

其中，vm代表沙層孔隙水流流速，cmh^-1；s代表水流流過的距離，cm；dt代表流過s距離的時間，h。

(3)孔隙水流流速和達西流速的關系

實際孔隙流速與達西流速受土壤含水量或有效孔隙的控制，實際上具有確定的比例關系。理論上，二者的關系為：

vm＝ud/ne

其中，ne代表為充氣孔隙率，％。

以上所述僅是對本發明的較佳實施例而已，并非對本發明作任何形式上的限制，凡是依據本發明的技術實質對以上實施例所做的任何簡單修改，等同變化與修飾，均屬于本發明技術方案的范圍內。