本發(fā)明屬于近地表水流測(cè)速技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種土壤近地表水流流速測(cè)定系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

目前國(guó)內(nèi)尚沒(méi)有一種廣泛使用的測(cè)量近地表水流流速的實(shí)驗(yàn)儀器，國(guó)內(nèi)外的眾多研究機(jī)構(gòu)更多的是關(guān)注如何測(cè)定地表徑流的流量及流速。然而近地表水流對(duì)于農(nóng)田土壤侵蝕過(guò)程和地表徑流形成有很大影響。眾多實(shí)驗(yàn)表明土壤坡面徑流來(lái)自于地表徑流和近地表水流兩個(gè)方面，近地表水流在土壤侵蝕中起到了相當(dāng)重要的觸發(fā)作用，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(guò)程模型的必要參數(shù)，如果近地表水流流速不能準(zhǔn)確的獲得，即使侵蝕總量預(yù)測(cè)是準(zhǔn)確的，也將造成侵蝕過(guò)程的錯(cuò)誤預(yù)測(cè)。因此探求一種新的可以有效測(cè)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(xiàn)在的技術(shù)存在的問(wèn)題是：國(guó)內(nèi)沒(méi)有測(cè)量近地表水流流速的實(shí)驗(yàn)儀器，無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量近地表水流流速。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種土壤近地表水流流速測(cè)定系統(tǒng)及方法。

本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種土壤近地表水流流速測(cè)定方法，所述土壤近地表水流流速測(cè)定方法包括以下步驟：

步驟一：將試驗(yàn)槽放置移動(dòng)式液壓升降車之上，坡度范圍為0-30°，坡度調(diào)節(jié)步長(zhǎng)為5°；

步驟二：試驗(yàn)土槽全長(zhǎng)3m，每1m設(shè)置1個(gè)近地表水流供水單元，共布設(shè)3個(gè)供水單元；

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

步驟四：利用照相機(jī)每十分鐘拍照，記錄每一層水流經(jīng)過(guò)時(shí)間段內(nèi)通過(guò)的相應(yīng)距離計(jì)算孔隙水流流速，同時(shí)測(cè)定不同顏色水層的厚度計(jì)算達(dá)西流速；

步驟五：計(jì)算水流流速和達(dá)西流速。

進(jìn)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(nèi)，填土高度為30cm；填土完畢后，利用移動(dòng)式液壓升降車將試驗(yàn)槽升至不同坡度，經(jīng)坡度測(cè)定系統(tǒng)測(cè)定讀數(shù)后；打開試驗(yàn)槽下部放水口，靜置試驗(yàn)槽直至無(wú)明顯出水時(shí)用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀在坡面上、中、下三個(gè)部位分別采樣，在試驗(yàn)室中采用烘干法測(cè)定沙樣含水率、容重，采用干土測(cè)量法測(cè)定土樣的比重，計(jì)算得到土樣的孔隙率的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

進(jìn)一步，所述步驟五計(jì)算達(dá)西流速公式為：

ud＝aq/(wh)

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

進(jìn)一步，所述步驟五計(jì)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(guò)的距離，cm；dt代表流過(guò)s距離的時(shí)間，h。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種所述土壤近地表水流流速測(cè)定系統(tǒng)設(shè)置有：

透明有機(jī)玻璃槽；

供水蠕動(dòng)泵通過(guò)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(jī)玻璃槽的內(nèi)壁上；

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

進(jìn)一步，所述水位平衡單元、近地表水流供水單元的一側(cè)鋪設(shè)有黏土防滲層。

進(jìn)一步，測(cè)量標(biāo)尺粘結(jié)在所述透明有機(jī)玻璃槽的側(cè)壁外側(cè)。

進(jìn)一步，計(jì)時(shí)裝置粘結(jié)在所述透明有機(jī)玻璃槽的內(nèi)側(cè)側(cè)壁上。

進(jìn)一步，所述透明有機(jī)玻璃槽每1m設(shè)置1個(gè)近地表水流供水單元，共布設(shè)3個(gè)近地表水流供水單元；在3m長(zhǎng)的透明有機(jī)玻璃槽底部填入3cm厚的黏土防滲層。

進(jìn)一步，所述透明有機(jī)玻璃槽分為1m長(zhǎng)的3段后，在每一段的上游端30cm的長(zhǎng)度上鋪上粒徑為1cm的碎石；下游70cm的長(zhǎng)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(shè)，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(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及積極效果為：可以測(cè)定近地表水流的流速，進(jìn)而補(bǔ)充在此研究領(lǐng)域的空白，為水土流失預(yù)測(cè)和預(yù)報(bào)模型、定量評(píng)價(jià)水土流失和水土保持效益提供更加精確的數(shù)據(jù)，從而減少水土流失給人類生產(chǎn)和生活帶來(lái)的嚴(yán)重影響。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的土壤近地表水流流速測(cè)定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的近地表水流發(fā)生器示意圖；

圖中：1、供水蠕動(dòng)泵；2、供水管；3、注水管；4、測(cè)量標(biāo)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(jì)時(shí)裝置；9、透明有機(jī)玻璃槽。

具體實(shí)施方式

為能進(jìn)一步了解本發(fā)明的發(fā)明內(nèi)容、特點(diǎn)及功效，茲例舉以下實(shí)施例，并配合附圖詳細(xì)說(shuō)明如下。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)作詳細(xì)的描述。

如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例提供的土壤近地表水流流速測(cè)定裝置包括:透明有機(jī)玻璃槽9、供水蠕動(dòng)泵1、供水管2、注水管3、測(cè)量標(biāo)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(jì)時(shí)裝置8。

供水蠕動(dòng)泵1通過(guò)供水管2連接注水管3的一端，注水管3貼合在透明有機(jī)玻璃槽9的內(nèi)壁上，注水管3的另一端插入近地表水流供水單元6內(nèi)，近地表水流供水單元6的一側(cè)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(cè)鋪設(shè)有黏土防滲層7，測(cè)量標(biāo)尺4粘結(jié)在透明有機(jī)玻璃槽9的側(cè)壁外側(cè)，計(jì)時(shí)裝置8粘結(jié)在透明有機(jī)玻璃槽9的內(nèi)側(cè)側(cè)壁上。

透明有機(jī)玻璃槽采用厚度為1.5cm的透明有機(jī)玻璃板制成，以便視覺(jué)直接觀察水流的運(yùn)移情況，測(cè)定水流的運(yùn)移距離與水流深度，透明有機(jī)玻璃槽規(guī)格為3×0.2×0.4m(長(zhǎng)×寬×深)，透明有機(jī)玻璃槽下端設(shè)有排水孔，在排水孔處布設(shè)過(guò)濾網(wǎng)，裝填透明有機(jī)玻璃槽時(shí)，排水孔處于封閉狀態(tài)，防止土壤隨水流流失。在透明有機(jī)玻璃槽出水口布設(shè)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(jī)玻璃槽側(cè)面不同部位放置鉛直及水平方向設(shè)置標(biāo)尺，用于測(cè)量水深及水流行徑的距離，分別布設(shè)在每供水處上方鉛直和透明有機(jī)玻璃槽的底部水平方向；在透明有機(jī)玻璃槽側(cè)面布設(shè)計(jì)時(shí)裝置，以便及時(shí)觀察、測(cè)定和記錄數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)供水系統(tǒng)包括供水蠕動(dòng)泵1，供水管2，注水管3。供水蠕動(dòng)泵1采用恒定供水蠕動(dòng)泵(bt100-02/dg-6(6))，為可控流量供水裝置，通過(guò)對(duì)泵的彈性輸送軟管交替進(jìn)行擠壓和釋放來(lái)泵送水流，調(diào)節(jié)供水蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速調(diào)整供水流量。供水蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速范圍為0.1～100rpm，速度分辨率為0.1rpm，流量設(shè)定范圍為0.0025～48mlmin-1，設(shè)定該改型號(hào)的供水蠕動(dòng)泵為可以六通道同時(shí)供水。

如圖2所示，近地表水流發(fā)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(jī)玻璃槽全長(zhǎng)3m，每1m設(shè)置1個(gè)近地表水流供水單元6，共布設(shè)3個(gè)近地表水流供水單元6。在3m長(zhǎng)的透明有機(jī)玻璃槽底部填入3cm厚的黏土防滲層7，壓實(shí)以模擬不透水層，防止水流滲漏。再將透明有機(jī)玻璃槽分為1m長(zhǎng)的3段后，在每一段的上游端30cm的長(zhǎng)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(zhǎng)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(gè)近地表水流觀測(cè)段。水位平衡單元5即在碎石下游與黏土連接處布設(shè)的水位平衡單元，其規(guī)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(shè)刀刃的一側(cè)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(guò)調(diào)節(jié)其量測(cè)高度，將由注水管3供入碎石層中的水流均勻穩(wěn)定地供入其下游的土層中。

本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)方法包括以下步驟：

步驟一：固定透明有機(jī)玻璃槽。將透明有機(jī)玻璃槽放置移動(dòng)式液壓升降車之上，該儀器可以調(diào)節(jié)坡度，坡度范圍為0-30°，坡度調(diào)節(jié)步長(zhǎng)為5°。

步驟二：透明有機(jī)玻璃槽裝土。透明有機(jī)玻璃槽全長(zhǎng)3m，每1m設(shè)置1個(gè)近地表水流供水單元，共布設(shè)3個(gè)供水單元。在3m長(zhǎng)的透明有機(jī)玻璃槽底部填入3cm厚的黏土，壓實(shí)以模擬不透水層，防止水流滲漏。再將透明有機(jī)玻璃槽分為1m長(zhǎng)的3段后，在每一段的上游端30cm的長(zhǎng)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(zhǎng)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(jīng)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(dòng)式液壓升降車將透明有機(jī)玻璃槽升至不同坡度，經(jīng)坡度測(cè)定系統(tǒng)測(cè)定讀數(shù)后。打開透明有機(jī)玻璃槽下部放水口，靜置透明有機(jī)玻璃槽直至無(wú)明顯出水時(shí)用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀在坡面上、中、下三個(gè)部位分別采樣，在試驗(yàn)室中測(cè)定土樣含水率、容重，采用干土測(cè)量法測(cè)定土樣的比重，從而計(jì)算得到土樣的孔隙率等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

步驟三：試驗(yàn)供水準(zhǔn)備。將一組3根蠕動(dòng)泵出水管分別插入一個(gè)土槽中的3根供水管中，在3處分別同時(shí)向土層供水，水泵進(jìn)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(yàn)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(biāo)定。將與水泵相連接的導(dǎo)水管放置在相應(yīng)的供水部位，對(duì)不同供水位置的供水流量進(jìn)行標(biāo)定，試驗(yàn)中每一個(gè)位置的供水流量一致。

步驟五：試驗(yàn)過(guò)程。啟動(dòng)水泵，以標(biāo)定的流量向土層供水，試驗(yàn)開始計(jì)時(shí)。試驗(yàn)開始后，設(shè)定照相機(jī)每隔十分鐘拍照，利用土槽上的標(biāo)尺記錄數(shù)據(jù)，包括：每一層水流推進(jìn)的距離，用于計(jì)算水流的孔隙流速；同時(shí)測(cè)定不同顏色水層的厚度，以計(jì)算過(guò)水單面的面積，用于計(jì)算達(dá)西流速。上層黃色水流運(yùn)移全程為3m，中層紫色水流運(yùn)移全程為2m，下層紅色水流運(yùn)移全程為1m。

步驟六：計(jì)算方法與公式

(1)達(dá)西流速(入滲流速)

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

ud＝aq/(wh)

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

(2)土層孔隙水流流速

孔隙水流流速，是指水在土層中流動(dòng)實(shí)際單位時(shí)間運(yùn)動(dòng)的距離，用下式計(jì)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(guò)的距離，cm；dt代表流過(guò)s距離的時(shí)間，h。

(3)孔隙水流流速和達(dá)西流速的關(guān)系

實(shí)際孔隙流速與達(dá)西流速受土壤含水量或有效孔隙的控制，實(shí)際上具有確定的比例關(guān)系。理論上，二者的關(guān)系為：

vm＝ud/ne

其中，ne代表為充氣孔隙率，％。

以上所述僅是對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所做的任何簡(jiǎn)單修改，等同變化與修飾，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。