一种测量集中水流输沙能力的方法及装置

技术领域

本发明属于土壤侵蚀领域，具体涉及一种测量集中水流输沙能力的方法及装置。

背景技术

水流输沙能力是指在特定水动力条件下水流的最大输沙率，是大多数基于物理过程的土壤侵蚀模型的核心输入参数。

坡耕地中细沟和浅沟中的集中水流的流量和水力坡度变化范围均较大。尤其是浅沟中的集中水流，由于侵蚀能量大，水动力条件复杂，水流侵蚀和输沙过程耦合关系密切，在实验室内和野外条件下，直接测量获得集中水流输沙能力均比较困难。另一方面，水流输沙能力的概念具有明确的物理意义。因此，根据物理概念，发展集中水流输沙能力的直接测量方法和理论具有重要的科学意义。

目前，水流输沙能力直接测量方法研究中，主要是通过向水流中加入泥沙，然后在输沙段观测冲淤情况，判断水流含沙量是否达到了输沙能力。泥沙的添加方法主要包括加入泥浆和直接向水流集中掺混泥沙。在上述加沙方法中，由于设备供沙能力的限制，泥浆法只适用于小坡度和小流量的水流输沙能力测量；直接向水流集中掺混泥沙会影响水流的泥沙输送过程，测定的输沙能力偏大。

综上所述，目前输沙能力直接测量方法，主要欠缺的是判断是否达到侵蚀和沉积平衡状态的客观标准和方法，以及如何把该判断作为反馈信息去调整供沙量，从而使侵蚀和沉积趋于平衡。另外，现有的测量方法主要适用流量和能量均较小的细沟流和坡面流，这些方法均不适用于浅沟水流输沙能力的测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种测量集中水流输沙能力的方法及装置。该装置及方法针对土壤侵蚀研究中，对集中水流输沙能力测量的需求，以及目前测量集中水流输沙能力没有适用方法的现状，从集中水流输沙能力概念的物理意义出发，提出侵蚀供沙及根据测量段浅沟的泥沙侵蚀及输送情况，采用负反馈的方法调整侵蚀供沙段的供沙量，使主供沙段的供沙量逐渐逼近输沙能力，通过在测量段浅沟上游再侵蚀补充亏缺的泥沙，在测量浅沟出口水流的泥沙含量即为该水力工况下的水流输沙能力。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种测量集中水流输沙能力的装置，所述装置包括稳流箱a、主供沙土槽b、测量段、出口e、可调坡度平台f、计量泵h和水源容器i，其中：

所述可调坡度平台f包括固定端和自由端，可调坡度平台f的固定端固定于水平面，可调坡度平台f与水平面之间具有第一夹角；

所述测量段包括补充供沙土槽c和输沙土槽d；补充供沙土槽c和输沙土槽d的底部直接固定于可调坡度平台f上；输沙土槽d的下端靠近可调坡度平台f的固定端，输沙土槽d的上端与补充供沙土槽c的下端连接；

所述主供沙土槽b的下端与补充供沙土槽c的上端连接，主供沙土槽b的上端与稳流箱a连接；主供沙土槽b的底部与可调坡度平台f之间具有第二夹角；所述主供沙土槽b内上游处，部分地覆盖防止侵蚀材料；

所述出口e设于输沙土槽d的下端；

水储存在水源容器i中，水源容器i通过管道与稳流箱a连接，所述管道上设有计量泵h；

主供沙土槽b、补充供沙土槽c以及输沙土槽d内填设有土壤，土壤上设有沟道；水流经计量泵h输送至稳流箱a稳定后，依次经过主供沙土槽b、补充供沙土槽c和输沙土槽d上的沟道，由出口e流出。

可调坡度平台f的中部底面设有液压油缸g。

通过液压油缸g的伸缩，使得可调坡度平台f的自由端升降，从而调节所述第一夹角的角度。

所述第二夹角的度数为10°。

一种使用所述装置测量集中水流输沙能力的方法，包括如下步骤：

调整可调坡度平台f的坡度，即第一夹角的角度；调整计量泵h的流量，完成测量坡度和集中水流量设定；采用防止侵蚀材料部分地覆盖主供沙土槽b的上游沟道，主供沙土槽b内未被防止侵蚀材料覆盖的沟道长度为可被侵蚀部分的长度；

1、放水冲刷，待水流稳定后，在测量段出口e持续接取多个含沙水流样品；停止供水，观察测量段沟道；

2、如果C1工况出现，即补充供沙土槽c和输沙土槽d沟道均未出现明显侵蚀现象，则减小主供沙土槽b内可被侵蚀部分的长度，直至补充供沙土槽c以及输沙土槽d的沟道均出现明显的侵蚀，即C3工况出现，以此时的主供沙土槽b内可被侵蚀部分的长度作为初始长度M，进入步骤3；

如果C2工况出现，即补充供沙土槽c出现明显侵蚀现象，输沙土槽d沟道未出现明显侵蚀现象，也减小主供沙土槽b内可被侵蚀部分的长度，直至补充供沙土槽c和输沙土槽d沟道均出现明显侵蚀现象，即C3工况出现，以此时的主供沙土槽b内可被侵蚀部分的长度作为初始长度M，进入步骤3；

如果C3工况出现，以此时的主供沙土槽b内可被侵蚀部分的长度作为初始长度M，进入步骤3；

3、在初始长度M的基础上，以M₁的增加幅度逐步增大主供沙土槽b内可被侵蚀部分的长度，继续放水冲刷，观察测量段沟道；

所述主供沙土槽b内可被侵蚀部分的长度的初始长度为M，增加幅度为M₁，增加次数为n，总增加长度为n×M₁；

4、如果主供沙土槽b内可被侵蚀部分的长度在增加第n-1个M₁时C3工况出现，而在增加第n个M₁时C2工况出现，即补充供沙土槽c出现明显侵蚀现象，输沙土槽d沟道未出现明显侵蚀现象，则此时在测量沟道出口e接取的含沙水流样品测量的泥沙含量即为该水力工况下的水流输沙能力；

5、如果主供沙土槽b内可被侵蚀部分的长度在增加第n-1个M₁时C3工况出现，而在增加第n个M₁时C1工况出现，即补充供沙土槽c和输沙土槽d沟道均未出现明显侵蚀现象，则通过如下步骤直至出现C2工况：

5.1、在最后一次C3工况出现时的主供沙土槽b内可被侵蚀部分的长度的基础上，将增加幅度减为一半，逐步增大主供沙土槽b内可被侵蚀部分的长度，继续放水冲刷，观察测量段沟道；

5.2、如果出现C2工况则停止，则此时在测量沟道出口e接取的含沙水流样品测量的泥沙含量即为该水力工况下的水流输沙能力；如果出现C1工况则返回步骤5.1，继续步骤5.1和5.2。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明的测量集中水流输沙能力的方法及装置实现了集中水流输沙能力的精确测量。

附图说明

图1为本发明的测量集中水流输沙能力的装置的结构示意图；

图2为本发明的测量集中水流输沙能力的方法中，泥沙剥蚀率与各供沙段沟长的关系趋势图；

图3为本发明的测量集中水流输沙能力的方法中，各工况与各供沙段沟长的关系趋势图。

其中，附图标记为：

a.稳流箱 b.主供沙土槽

c.补充供沙土槽 d.输沙土槽

e.出口 f.可调坡度平台

g.液压油缸 h.计量泵

i.水源容器

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图1所示，一种测量集中水流输沙能力的装置，包括稳流箱a、主供沙土槽b、测量段、出口e、可调坡度平台f、计量泵h和水源容器i，其中：

所述可调坡度平台f包括固定端和自由端，可调坡度平台f的固定端固定于水平面，可调坡度平台f的中部底面设有液压油缸g，可调坡度平台f与水平面之间具有第一夹角。通过液压油缸g的伸缩，使得可调坡度平台f的自由端升降，从而调节所述第一夹角的角度。

所述测量段包括补充供沙土槽c和输沙土槽d。补充供沙土槽c和输沙土槽d的底部直接固定于可调坡度平台f上。输沙土槽d的下端靠近可调坡度平台f的固定端，输沙土槽d的上端与补充供沙土槽c的下端连接。

所述主供沙土槽b的下端与补充供沙土槽c的上端连接，主供沙土槽b的上端与稳流箱a连接。主供沙土槽b的底部与可调坡度平台f之间具有第二夹角。优选地，所述第二夹角的度数为10°。所述主供沙土槽b内上游处，部分地覆盖防止侵蚀材料。

所述出口e设于输沙土槽d的下端。

水储存在水源容器i中，水源容器i通过管道与稳流箱a连接，所述管道上设有计量泵h。

主供沙土槽b、补充供沙土槽c以及输沙土槽d内填设有土壤，土壤上设有沟道。水流经计量泵h输送至稳流箱a稳定后，依次经过主供沙土槽b、补充供沙土槽c和输沙土槽d上的沟道，由出口e流出。

本发明的测量原理为：

如图2所示，主供沙土槽b的沟长为L₁，测量段即补充供沙土槽c和输沙土槽d的沟长为L₂。由于主供沙土槽b相对测量段抬升了一附加角度，即第二角度，在水流流经主供沙土槽b时，水流的泥沙剥蚀率比测量段大，水流侵蚀供沙能力增强。由于主供沙土槽b相对测量段抬升第二角度，使得主供沙土槽b的侵蚀供沙量可以使水流在进入测量段时的含沙量接近但不超过输沙能力(STC)。由主供沙土槽b流出的泥沙水流经过测量段的上游部位，即补充供沙土槽c时，再经过侵蚀补充亏缺的部分泥沙，在测量段的出口e附近时，水流含沙量即可达到水流输沙能力。

由本发明的测量集中水流输沙能力的装置测量的含沙量随沟长的变化过程如图3所示。图中各工况如下：

1、C1工况为补充供沙土槽c和输沙土槽d沟道均未出现明显侵蚀现象。此种工况出现的原因为，采用的主供沙土槽b内的可侵蚀沟长部分过长，来自主供沙土槽b的侵蚀泥沙将超过水流输沙能力，在测量坡度下，这部分过量泥沙需要很长的沟长沉积下来，需要的沟长有时超过目前技术和经济的上限；如果采用较短的测量沟长，则测量得到水流输沙能力偏大。

2、C3工况为补充供沙土槽c和输沙土槽d的沟道均出现明显侵蚀现象。此种工况出现的原因为，采用的主供沙土槽b内的可侵蚀沟长的长度过短，则水流在主供沙土槽b侵蚀的泥沙与水流输沙能力之间亏缺较大，并且该亏缺不能通过水流在测量段的补充侵蚀消除，如果采用较短的测量沟长，则测量得到水流输沙能力偏小。

3、C2工况为补充供沙土槽c出现明显侵蚀现象，输沙土槽d沟道未出现明显侵蚀现象。此种工况出现的原因为，采用的合适长度的主供沙土槽b可侵蚀沟长，通过集中水流供沙，当水流进入测量段沟道时，水流含沙量接近但小于水流输沙能力，通过在测量段的上游，即补充供沙土槽c通过侵蚀补充亏缺的泥沙，在测量段沟道下游，即输沙土槽d含沙量达到水流输沙能力。

因此，通过测量段泥沙侵蚀情况判断水流含沙量达到输沙能力的原则如下：水流在主供沙土槽b的侵蚀泥沙量接近但不超过水流输沙能力，当水流进入测量段时，通过侵蚀补充所亏缺的泥沙，在测量段下游达到水流输沙能力。判断规则为：测量段上游，即补充供沙土槽c出现明显侵蚀，同时测量段下游，即输沙土槽d未出现侵蚀。

在实际测量中，由于土壤并非理想的均一介质，变异性非常大。直接出现C2或C3的工况可能是假象，只有上述三种工况均出现，才能够确认三种工况均真实出现。

本发明的测量集中水流输沙能力的方法为，包括如下步骤：

使用本发明的测量集中水流输沙能力的装置，调整可调坡度平台f的坡度，即第一夹角的角度。调整计量泵h的流量，完成测量坡度和集中水流量设定。采用防止侵蚀材料部分地覆盖主供沙土槽b的上游沟道，主供沙土槽b内未被防止侵蚀材料覆盖的沟道长度为可被侵蚀部分的长度。

1、放水冲刷，待水流稳定后，在测量段出口e持续接取多个含沙水流样品；停止供水，观察测量段沟道；

2、如果C1工况出现，即补充供沙土槽c和输沙土槽d沟道均未出现明显侵蚀现象，则减小主供沙土槽b内可被侵蚀部分的长度，直至补充供沙土槽c以及输沙土槽d的沟道均出现明显的侵蚀，即C3工况出现，以此时的主供沙土槽b内可被侵蚀部分的长度作为初始长度M，进入步骤3；

如果C2工况出现，即补充供沙土槽c出现明显侵蚀现象，输沙土槽d沟道未出现明显侵蚀现象，也减小主供沙土槽b内可被侵蚀部分的长度，直至补充供沙土槽c和输沙土槽d沟道均出现明显侵蚀现象，即C3工况出现，以此时的主供沙土槽b内可被侵蚀部分的长度作为初始长度M，进入步骤3；

如果C3工况出现，以此时的主供沙土槽b内可被侵蚀部分的长度作为初始长度M，进入步骤3；

3、在初始长度M的基础上，以M₁的增加幅度逐步增大主供沙土槽b内可被侵蚀部分的长度，继续放水冲刷，观察测量段沟道；

所述主供沙土槽b内可被侵蚀部分的长度的初始长度为M，增加幅度为M₁，增加次数为n，总增加长度为n×M₁；

4、如果主供沙土槽b内可被侵蚀部分的长度在增加第n-1个M₁时C3工况出现，而在增加第n个M₁时C2工况出现，即补充供沙土槽c出现明显侵蚀现象，输沙土槽d沟道未出现明显侵蚀现象，则此时在测量沟道出口e接取的含沙水流样品测量的泥沙含量即为该水力工况下的水流输沙能力；

5、如果主供沙土槽b内可被侵蚀部分的长度在增加第n-1个M₁时C3工况出现，而在增加第n个M₁时C1工况出现，即补充供沙土槽c和输沙土槽d沟道均未出现明显侵蚀现象，则通过如下步骤直至出现C2工况：

5.1、在最后一次C3工况出现时的主供沙土槽b内可被侵蚀部分的长度的基础上，将增加幅度减为一半，逐步增大主供沙土槽b内可被侵蚀部分的长度，继续放水冲刷，观察测量段沟道；

5.2、如果出现C2工况则停止，则此时在测量沟道出口e接取的含沙水流样品测量的泥沙含量即为该水力工况下的水流输沙能力；如果出现C1工况则返回步骤5.1，继续步骤5.1和5.2。

实施例

下面以坡度5°，流量为32L/min为例，说明该工况下的输沙能力的测量过程。

使用本发明的测量集中水流输沙能力的装置，该装置主供沙土槽b长6m，补充供沙土槽c长4m，输沙土槽d长2m。在实验土槽内按设定土壤容重1.2g/cm3分层填装供试土壤，并沿着土槽中线挖掘修整出截面为10cm×10cm的沟道。调整可调坡度平台f的坡度为5°。调整计量泵h的流量，设定流量为32L/min，完成测量坡度和集中水流量设定。采用防止侵蚀材料部分地覆盖主供沙土槽b的上游沟道，覆盖长度为2m，主供沙土槽b内未被防止侵蚀材料覆盖的沟道长度为4米，为可被侵蚀部分的长度。

1、放水冲刷，待水流稳定后，在测量段出口e持续接取多个含沙水流样品。停止供水，观察测量段沟道；

2、此时C1工况出现，即补充供沙土槽c和输沙土槽d沟道均未出现明显侵蚀现象，则减小主供沙土槽b内可被侵蚀部分的长度，直至补充供沙土槽c以及输沙土槽d沟道均出现明显的侵蚀，即C3工况出现，以此时的主供沙土槽b内可被侵蚀部分的长度2m为初始长度。

3、在初始长度2m的基础上，以1m的增加幅度逐步增大主供沙土槽b内可被侵蚀部分的长度，继续放水冲刷，观察测量段沟道。

4、当主供沙土槽b内可被侵蚀部分的长度为3m时，出现C2工况，即补充供沙土槽c出现明显侵蚀现象，输沙土槽d沟道未出现明显侵蚀现象，则此时在测量沟道出口e接取的含沙水流样品测量的泥沙含量即为该水力工况下的水流输沙能力，为1.91kg s^-1m^-1。

采用上述测量方法，进行了水流流量为32、64、128、256L/min，坡度为5°、10°、15°、20°水流输沙能力的测量，测量结果如表1和表2所示。在每个水力工况下进行了4次测量，测量表现出非常高的重复精度。

表1 测量中最终采用的主供沙段d的沟长，m

表2 不同水力工况下测量的水流输沙能力

注：括号内为相对标准差(RSD)