土壤冲刷深度可视化测定实验装置及测定方法

本发明涉及土壤冲刷研究，具体地说是土壤冲刷深度可视化测定实验装置及测定方法。

背景技术：

1、细沟侵蚀量可占坡地总侵蚀量的70％，可导致土层变薄、土壤肥力下降。研究细沟发育过程及其影响因素，进而进行模型模拟，有助于揭示细沟侵蚀机理、提出防治对策。细沟发育的影响因素可归结为降雨径流外驱因素和土壤侵蚀阻力内在因素。其中，土壤侵蚀阻力可综合反映土壤质地、含水量、团聚体等土壤性质所决定的土壤抵抗侵蚀的能力，常以土壤可蚀性与临界剪切力予以定量表征。目前常用的土壤侵蚀阻力参数的测定及估算方法主要包括：变坡水槽试验法、侵蚀细沟长度极限法、jet测定法等。其中，变坡水槽试验法、侵蚀细沟长度极限法方法测定的侵蚀阻力是沟头溯源、沟底下切和沟壁扩张等多种侵蚀方式的集总性表征，较难解释各个侵蚀方式的发生和演变过程，限制了侵蚀物理模型的构建与应用；jet测定法用于砂质土壤侵蚀阻力测定时，因砂粒沉降导致测定误差较大。

2、沟头水涮窝与沟底跌坎是在径流侵蚀动力和土壤侵蚀阻力综合作用下的侵蚀形态，其发育过程分别控制着沟头溯源侵蚀、沟底下切侵蚀与泥沙输移。准确测定水涮窝与跌坎深度的时间序列，可解析细沟侵蚀过程，且据此计算得到的土壤可蚀性与临界剪切力，可用于侵蚀过程模型构建。目前国际上尚无土壤冲刷深度可视化测定装置，限制了对细沟侵蚀过程的理解与模拟。

3、在hanson and simon于2001年发表的论文《erodibility of cohesivestreambeds in the loess area of the midwestern usa(美国中西部黄土区粘土河床土壤侵蚀阻力)》中所用到的“jet-testing apparatus”装置及申请人发明专利“一种用于土壤冲刷深度连续测定的试验装置(专利号：zl 2021100137930)均公开了相关的土壤冲刷研究实验装置。但是，上述两个装置测定土壤冲刷深度均采用探针测量，探针是否与土壤冲刷表面接触由操作者手指触摸确定，因此，测量精确度受操作者工作习惯与经验的影响较大；且当水体混浊时，深度变化过程不可视。测定样品若含砂量较大，在测定深度过程中，因需短暂中断水流，可导致砂粒沉降，进而影响冲刷深度的确定，且可消耗后续冲刷动能、减小冲刷深度。此外，两个装置均采用圆柱形射流进行冲刷，与细沟发育过程中径流多为薄层水流的实际情形有差别，导致侵蚀形态与水动力研究受到限制。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种土壤冲刷深度可视化测定实验装置及细沟侵蚀实验方法，本发明主要设计薄层矩形水流经导流板导引，冲刷透明矩形样品盒内土壤表面，实现水涮窝与跌坎形成过程和冲刷深度可视化；突破了探针测量深度精度较低、砂粒沉降影响测定深度的两大难点，从而可获得不同质地土壤任意时刻的冲刷深度的精确数据，为剖析细沟侵蚀过程、获得土壤可蚀性与临界剪切力提供基础数据。

2、本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种土壤冲刷深度可视化测定实验装置，包括侵没槽、透明矩形样品盒、样品盒托板、注水管、喷口塞、水源供应组件、深度相机，在所述侵没槽的底板中部设置一左右分布的矩形口，所述透明矩形样品盒的上部能够套置在所述矩形口内，所述样品盒托板用于支撑所述透明矩形样品盒的底部，所述注水管位于所述矩形口的正上方，在所述注水管的底部开设一沿着所述矩形口的宽度方向分布的矩形喷水口，所述喷口塞位于所述注水管内且喷口塞用于所述矩形喷水口的密封关闭或打开，所述水源供应组件用于向所述注水管提供水源，所述深度相机位于所述透明矩形样品盒的正前方。

3、优选地，所述矩形喷水口的长度与所述透明矩形样品盒的内部宽度相等。

4、进一步地，在所述注水管的底部设置有两个位于所述矩形喷水口前后两侧的导流板，两个所述导流板前后之间的距离与所述矩形喷水口的长度相等。

5、进一步地，所述喷口塞沿着前后方向正投影呈上大下小的梯形状，所述喷口塞沿着左右方向正投影呈上大下小的梯形状。

6、进一步地，在所述喷口塞的上部固定设置一操作杆，在所述注水管的内部上侧设置一导向管，所述操作杆套置在所述导向管内且操作杆的上端贯穿所述注水管上侧壁，所述操作杆在所述导向管内能够上下移动及定位。

7、进一步地，在所述注水管上设置一入水管，所述水源供应组件包括导流管、电动比例调节阀、水源，所述导流管实现所述入水管与所述水源的贯通，所述电动比例调节阀串接在所述导流管上。

8、进一步地，在所述侵没槽的底部四个顶角处均设置一支腿，在前后相邻的所述支腿之间设置一支撑板，在所述支撑板上设置一竖向卡槽，所述样品盒托板卡置在两个所述支撑板之间，且样品盒托板端部设置的支撑耳板套置在对应的所述竖向卡槽内，在所述支撑板上设置一位于所述支撑耳板下部的调节螺栓，通过旋转调节螺栓能够实现样所述样品盒托板在竖向卡槽内的上下滑动及定位。

9、进一步地，在所述侵没槽的底部及样品盒托板的底部均设置有两个位于所述透明矩形样品盒左右两侧的标靶。

10、优选地，在所述侵没槽的一侧壁上设置一溢流口。

11、一种土壤冲刷深度可视化测定方法，其特征是，包括根据权利要求8所述的土壤冲刷深度可视化测定实验装置、处理器，在所述处理器中设置有成熟的地理信息系统软件，所述处理器与所述深度相机电性连接，该侵蚀实验方法，还包括以下实验操作步骤：

12、s1、依据实验要求，使得透明矩形样品盒内装有一定高度的土壤样品；

13、s2、调整样品盒托板的位置，使其位于最低位置，然后，将透明矩形样品盒放置在样品盒托板上，并使得透明矩形样品盒的上端恰好与所述矩形口相对，缓慢将样品盒托板升起，使得透明矩形样品盒的上端插入到矩形口内，当透明矩形样品盒的上平面恰好与导流板的底平面贴合后，停止样品盒托板的上升并实现样品盒托板的固定；在样品盒托板固定后，确保透明矩形样品盒内的土壤样品的上表面在侵没槽的底面的下方或与侵没槽的底面基本持平；

14、s3、调整并固定深度相机的拍摄位置，使得深度相机位于所述透明矩形样品盒的正前方；设定深度相机的拍照时间间隔；

15、s4、推动所述操作杆，使得所述喷口塞实现矩形喷水口的密封，设定电动比例调节阀的开口比例；

16、s5、开启深度相机及电动比例调节阀，然后，通过操作杆上提喷口塞实现矩形喷水口的打开，矩形喷水口打开后则实现水流对土壤样品冲刷，在水流不断冲刷土壤样品的过程中，深度相机不断将拍摄的照片输送给处理器，处理器中的成熟的地理信息系统软件实施对拍摄的图片进行处理并获得相关冲刷数据，成熟的地理信息系统软件将图片及获得的相关冲刷数据进行存储，当测定的冲刷深度在78mm至82mm之间且连续3次冲刷深度无明显变化时停止冲刷，从而完成细沟侵蚀实验；在土壤样品为粘粒含量较高的土壤时，当测定的冲刷深度在118mm至122mm之间且连续3次冲刷深度无明显变化时停止冲刷。

17、本发明的有益效果是：利用分布在矩形喷水口两侧的导流板对矩形喷水口喷出的薄层水流的限制，则实现土壤样品上方薄层矩形水流的形成，利用薄层矩形水流冲刷透明矩形样品盒内土壤的上表面，则与细沟侵蚀实际情形相吻合；因透明矩形样品盒呈透明状，故可直接观察到冲刷过程，实现了水涮窝与跌坎形成过程和冲刷深度可视化；利用成熟的地理信息系统软件能够对深度相机拍摄的图片进行冲刷深度的计算，继而突破了探针测量深度精度较低、砂粒沉降影响测定深度的两大难点，从而可获得砂土、壤土、黏土等多种质地土壤任意时刻的冲刷深度的精确数据，且保存冲刷过程影像数据，为剖析细沟侵蚀过程、获得土壤可蚀性与临界剪切力提供准确数据。