[发明专利]小流域不同地貌单元水蚀过程精细模拟试验方法

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；