CN103487566A - 一种用于沟坡重力侵蚀现场试验的观测方法 - Google Patents

Abstract

一种用于沟坡重力侵蚀现场试验的观测方法，其特征在于用地貌仪DV视线与陡坡面上结构光垂直，根据试验过程的视频录像截图，可分别计算出次降雨事件中的重力侵蚀量和水力侵蚀量，即：次降雨的总侵蚀量、重力侵蚀量和水力侵蚀量；降雨结束后发生的重力侵蚀量；任意时刻陡坡的坡向和坡度分布；其特征还在于通过调节室内光线、建立防雨观测室、安装防雾滤镜，加强投射在陡坡面上激光线的清晰度；其特征还在于通过调整DV的视线角度，使DV视线与地貌仪主机发出的激光平面垂直，并根据视线校准器进行检验和调整。本发明能够将水力侵蚀量和重力侵蚀量分离，定量观测和计算降雨过程中和降雨后的重力侵蚀量。

Description

一种用于沟坡重力侵蚀现场试验的观测方法

技术领域

本发明属于水土保持研究装置技术领域，涉及一种用于建立沟坡重力侵蚀过程现场试验的方法，是一套对野外沟坡崩滑过程降雨进行模拟和观测的试验***，该装置可以现场测定沟坡在降雨过程中历次崩滑事件的重力侵蚀量、次降雨总的重力侵蚀量、雨后重力侵蚀量以及陡坡任意时刻的坡度和坡向等数据

背景技术

定量观测沟坡重力侵蚀过程，可以深入研究其发生机理，并为重力侵蚀预测模型的建立和防灾减灾对策的确定提供科学依据。然而，由于重力侵蚀的复杂性，重力侵蚀的现场定量观测一直在探索中，尚未能取得突破性的进展。最初的研究是间接地分析重力侵蚀现象与高含沙水流之间的关系（王兴奎，钱宁，胡维德.黄土丘陵沟壑区高含沙水流的形成及汇流过程[J].水利学报，1982，(7):26-35）。目前主要用三种数据反映重力侵蚀的强度：一种数据是一定区域一定时间内遭受重力侵蚀的土方量，二是一定区域一定时间内发生重力侵蚀的面积，三是一定区域一定时间内发生重力侵蚀现象的次数（王德甫，赵学英，马浩禄，等.黄土重力侵蚀及其遥感调[J].中国水土保持,1993，(12):26-28）。研究中一般依据重力侵蚀发生后的几何形态反求重力侵蚀量，如Larsen等（Larsen MC&Torres-Sanchez AJ,The frequency and distribution of recent landslides in threemontane tropical regions of Puerto Rico[J].Geomorphology,1998,24,309-331）、Haflidason等（Haflidason H,Lien R,Sejrup HP,et al.The dating and morphometryof the Storrega Slide[J].Marine and Petroleum Geology,2005,22:187-194）的研究。李裕厚等（李裕厚,康学林,岳新发.罗玉沟流域重力侵蚀特征研究初报∥黄土丘陵沟壑第三副区水土流失原型观测及规律研究[C]，郑州:黄河水利出版社,2004，32-37）采用逐沟几何形态测量的方法，Yamada等（Yamada S.The role ofsoil creep and slope failure in the landscape evolution of a head water basin:fieldmeasurements in a zero order basin of northern Japan[J].Geomorphology,1999,28:329-344）、Iverson等（Iverson R.M.,et al.Acute sensitivity of landslide rates toinitial soil porosity[J],Science,2000,290:513-516）在现场布设测针，量测或预测了重力侵蚀的过程。由于在重力侵蚀的过程中，下落的土壤中一部分已被水流冲走，或者从上游输入的部分土壤沉积在崩落体中，即“崩落体”中包含部分水力侵蚀量。可以看出，上述事后观测的方法无法将重力侵蚀过程中的水力输移量分离出来，更无法表述重力侵蚀的发生过程。

近年来，遥感、示踪元素法等非接触式测量方法已经运用到重力侵蚀观测中。然而，由于任何一种遥感影像都有一定的比例尺，实际上能不能看得清、能不能解译制图都有一定条件（郭长宝,张永双.陕北砂黄土高边坡可靠度分析及边坡优化设计[J].中国地质灾害与防治学报,2005，16(4):5-10）；而且，遥感技术毕竟不能深入到地质体的内部，它得到的只是表层的信息，因此，遥感技术无法完全取代现场的勘察、试验工作，而只能作为一种有效的辅助手段（吴圣林.崩塌—推覆滑移地质体成因机理及其稳定性研究：[博士学位论文].江苏省徐州市：中国矿业大学，2009）。

尤其应该注意的是，重力地貌过程是一个非连续过程，因而其作用强度就成了和频率密切相关的问题，为定点观测带来了困难（张春山，张业成，张立海.中国崩塌、滑坡、泥石流灾害危险性评价[J].地质力学学报，2004，10(1):27-32）。天然降雨条件下的现场监测试验的观测周期较长，且受现场条件限制，难以观测到重力侵蚀的发生过程，不利于探索其微观机理。

本申请者已利用结构光技术、采用自主设计的地貌仪，对沟坡重力侵蚀过程室内模型试验进行了定量、动态观测。课题组已完成的2009、2010、2012年3年共计500多次的降雨模拟试验结果证实，这种方法能够较为精确地全程观测沟坡重力侵蚀试验中历次小型重力侵蚀的体积（赵超，王书芳，徐向舟，等.重力侵蚀黄土沟壑区沟坡产沙特性[J]，农业工程学报，2012，28(12):140-145；赵超，徐向舟，徐飞龙，等.实验地貌的动态观测装置[J]，中国水土保持科学，2012，10(2):65-69）。但是现场试验的环境光和场地条件与室内试验有很大差异。本申请拟将原有的地貌仪观测技术进行升级改进，并设计了可组装的野外试验室、可移动可组装的多微喷头组合式降雨器、可移动可组装的观测支架等设施，以实现对野外沟坡重力侵蚀过程的现场模拟和观测。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于建立沟坡重力侵蚀过程现场模拟和观测的试验方法。

本发明的技术方案如下：

本发明的装置包括野外试验室、沟坡地形、降雨模拟装置和重力侵蚀观测装置四个部分。

野外试验室包括可组装的野外试验室和放置在试验室内的可移动防雨观测室。可组装的野外试验室采用大型的野营帐篷改装。在地势较低的坡面上安装有加长柱。帐篷柱通过固定螺栓与加长柱连接。加长柱沿高度方向上有多个等距的连接孔。当帐篷柱与加长柱不同位置的连接孔固定，就可获得多种加长效果。

沟坡地形在野外沟坡侵蚀现场的可组装的野外试验室内，根据研究区域典型地貌特征，“切”出概化的坡面，并用钢板桩边墙将此概化地形与周围环境隔开。钢板桩边墙之间用螺栓连接，且连接处嵌入止水的密封条。以可***、拔出式组合钢板桩为边墙，分隔出一定尺度的观测面，防止该观测面与观测区域外的地表径流和地下水交流；一组试验面的降雨模拟试验结束后，钢板桩可拔出，供以后重复使用。钢板桩面向沟坡地形的内侧面上标注有长度刻度，以供地形数据处理建模时定位。

降雨模拟装置包括三桶稳压供水器、可移动可组装多微喷头组合式降雨器和集水槽等构件。三桶稳压供水器中的大桶放在地势较高的位置，用于沉淀和储存清水，并通过连通管将清水输入中桶。作为稳压水箱的小桶容积较小，置于中桶内。当潜水泵B将清水由中桶内输运到小桶中时，部分清水溢出，其余部分由潜水泵A供给到降雨器中，以保持固定的水位向降雨器供水。降雨器由多个独立、可组装的单体构成，每个单体包括降雨器支架和降雨器管网。降雨器支架包括2个门形的立式支架和1个带卡口的水平支架。立式支架通过螺栓固定在柱墩上。水平支架通过支架四角的倒U形卡口与立式支架相连。降雨器管网绑扎在水平支架下方，管网上均布下喷式微喷头。集水槽由镀锌铁皮制成。

重力侵蚀观测装置包括地貌仪主机、可移动可组装的崩滑面观测支架和视线校准器。观测支架通过螺栓固定在柱墩上，观测支架上均布一字线激光器。视线校准器由校准器支架和带滑轮的集光盒组成。带滑轮的集光盒安装在视线校准器的横杆上，集光盒可沿着横杆的滑槽移动。集光盒的底部安装有反射镜；侧壁由透明材料制作，且在离地貌仪较远的一侧画有等距的不透明的平行线。一字线激光器上发出竖直且平行于陡坡坡向的激光平面，用于标示降雨过程中陡坡的崩滑面形态。观测支架上方正中固定有支撑杆，支撑杆上有安装有DV摄像机。打点激光器与DV固定，且发出的激光线与DV视线平行。

调整DV的视线角度，使DV视线与地貌仪主机发出的激光平面垂直，并用视线校准器进行检验。视线校准器是用于验证地貌仪主机发出的激光平面与DV视线是否垂直的装置。在每次降雨前检验DV视线与激光平面是否垂直。调整视线校准器支架上的固定螺栓，可以实现集光盒在竖直方向上的上下移动。。当主机发出的激光平面与DV视线垂直时，激光平面在集光盒侧壁上的投影与集光盒侧壁上的不透明平行线重合，且打点激光器发出的激光线经镜面反射后，正好返回到打点激光器上。

可移动防雨观测室的框架采用金属结构、用螺栓连接。观测室上部和顶棚不透水，地貌仪的主机和监视器等仪器都放在该观测室中，从而使地貌仪主机的发光面不至于沾上雨水，以保证投射在陡坡地形激光线的清晰度。

降雨开始前，在DV镜头上安装防雾滤镜，并调整试验室内光线强度，以使DV的观测效果达到最佳。每次侵蚀试验前，先把试验区铺上塑料布，率定降雨强度。然后开启地貌仪，揭开塑料布，开始计时，正式进行侵蚀试验。试验中观测陡坡的崩滑过程，同时拍摄崩滑面的特写照片。每次试验结束，将DV上的观测录像拷贝到计算机中，以作下一步分析处理。

本发明的效果和益处是：1）通过组装的轻便试验室，创造了室内观测环境。室内光线强弱的调节可以通过开关试验室的窗户以及调整室内灯光来实现，以确保地貌仪获得最佳观测环境，并获得最清晰的地貌图像。2）本发明的主要建筑构件，如野外试验室、降雨器、观测支架、观测室均为适于野外操作的可组装、可移动设施，且轻便易于运输。3）野外试验室、降雨器、观测支架结构分离，室外风雨不会扰动试验室内的模拟和观测装置，降雨器运行时产生的震动也不会影响到观测装置。

使用本装置能方便迅速地在野外现场展开试验，模拟和测量沟坡重力侵蚀的发展过程，试验完成后能够迅速撤离。该发明能够将水力侵蚀量和重力侵蚀量分离，定量观测降雨过程中和降雨后的重力侵蚀量；而且观测精确度高、可移动性好、运行成本较低。

附图说明

图1是试验设备布置图。

图2是可组装野外试验室外观效果图。

图3是底柱与帐篷柱的连接。

图4是可移动、可组装的多微喷头组合式降雨器。

图5是三桶稳压供水器。

图6是可移动、可组装的防雨观测室。

图7是可移动、可组装的观测支架。

图8是DV视线校准器在试验场中的位置。

图9是DV视线校准器。

图中：1三桶稳压供水器；2可移动、可组装多微喷头组合式降雨器；

3可移动、可组装崩滑面观测支架；4可组装野外试验室；

5可移动防雨观测室；6地貌仪主机；7沟坡地形；8集水槽；

9钢板桩边墙；

4-1可调亮度防水照明灯；4-2窗户；4-3拉绳；4-4锚石；4-5垫层；

4-6柱墩；4-7固定螺栓2；4-8加长柱；4-9连接孔；4-10固定螺栓1；

4-11木楔子；4-12帐篷柱；

2-1垫层；2-2柱墩；2-3降雨器支架；2-4降雨器管网；2-5微喷头；

2-6倒U型卡口；

1-1大桶；1-2连通管；1-3小桶；1-4潜水泵A；1-5潜水泵B；1-6中桶；

5-1金属支架；5-2透明防水薄膜；5-3不透明屋面；

3-1垫层；3-2柱墩；3-3金属支架；3-4一字线激光器；3-5DV；

3-6打点激光器；3-7云台；3-8支撑杆；

11视线校准器；11-1视线校准器支架；11-2带滑轮的集光盒；

11-3反射镜；11-4不透光的等距线；11-5带滑槽的横杆；11-6固定螺栓。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。

实施例1

以黄土沟坡重力侵蚀过程现场试验为例，说明用于建立沟坡重力侵蚀过程现场试验的装置实施的具体步骤。试验在黄土高原神木县六道沟流域进行。

步骤1：初步整理地形

根据黄土沟坡典型地貌特征设计概化坡面7。模型沿坡向和垂直于坡向的平面投影尺寸分别为300cm和400cm。整个坡面由3°的缓坡和60°～80°的陡坡组成，陡坡段高度1.5m。在易于发生重力侵蚀的沟坡现场初步整理出概化坡面。

步骤2：搭建可移动试验室

在现场搭制组装野外试验室4。试验室长8m、宽5m；屋脊距缓坡面高约3m，距陡坡面底部高约4.5m。在地势较高的位置预埋用于固定帐篷柱的柱墩2-6；在地势较低的位置预埋用于固定加长柱4-8的柱墩，并将加长柱和柱墩通过螺栓连接。然后安装帐篷。在平地上预先把帐篷支架搭建、连接，并固定到上述帐篷柱柱墩和加长柱上。然后将帆布从移至屋顶，从一侧推至全屋面。最后安装加长部分的帆布墙和门帘。帐篷通过多重拉绳4-3和锚石4-4锚固。帐篷柱通过固定螺栓4-10与加长柱连接。加长柱沿高度方向上有多个等距的连接孔4-9。当帐篷柱与加长柱不同位置的连接孔固定，就可获得多种加长效果。

试验室的外墙上有多个窗户4-2，用于通风和阻挡室外强烈的阳光；试验室内中有防水照明灯4-1，其亮度可以根据观测需要调整。

步骤3：精制地形并搭建降雨模拟和地貌观测装置

根据设计的地貌特征，在试验面上精心“切”出概化的坡面7。概化坡面各点平面坐标、高程校核无误后，埋置钢板桩边墙9。钢板桩面向沟坡地形的内侧面上标注有长度刻度，以供地形数据处理建模时定位。陡坡下方埋置加强的钢结构挡墙，

在边墙外侧地面上设定位置预埋降雨模拟器支架2-3和观测支架3的柱墩。组装降雨器支架、绑扎降雨器管网2-4；安装观测支架，固定云台。将降雨模拟器支架和观测支架安装到指定柱墩上、并用固定螺栓连接。在陡坡下方埋置集水槽8。降雨过程中，坡面的产流产沙通过集水槽输出。

步骤4：降雨模拟试验和重力侵蚀过程定量观测

每组地形降雨6～10次。每次降雨历时30min，雨强为2.0mm/min，与黄土高原地区A型暴雨接近。每场降雨后间隔约24h再进行下一场降雨。当降雨侵蚀后模型坡度较小，次降雨重力侵蚀量趋于某一稳定值时，即停止试验，重新构筑地形，进行下一组地形的降雨试验。

采用地貌仪实时观测降雨过程中沟坡地形的动态变化，并定量评价降雨过程中和降雨后重力侵蚀的演变过程。降雨过程中，在DV3-5上安装防雾滤镜，并调整试验室内光线强度，以使DV的观测效果达到最佳。试验中观测陡坡的崩滑过程，同时拍摄崩滑面的特写照片。每次试验结束，将DV上的观测录像拷贝到计算机中，以作下一步分析处理。

根据试验过程录像，截取所需时段的视频截图；再用R2V软件将截图中的等高线矢量化、并赋予实际高程，然后调入到ArcGIS软件中，形成立体的tin文件，就可获得坡体体积信息。重力侵蚀过程的计算分析详细内容如下：1）计算本次降雨过程中沟坡上发生的历次重力侵蚀量和次降雨总侵蚀量。根据DV录制的降雨过程录像，可以判断历次重力侵蚀事件。将每次重力侵蚀事件崩滑前和崩滑后瞬间的录像截图，并框定出崩滑范围，根据框选范围内的等高线图，在GIS软件中赋值形成三维立体图，进而可提供该崩滑体的体积、投影面积和各点坐标等参数。重力侵蚀发生前、后瞬间坡体的体积差，就是该次重力侵蚀量。本次降雨中历次重力侵蚀量的和就是本次降雨的重力侵蚀总量。2）计算次降雨的总侵蚀量和水力侵蚀量。本次降雨前坡体的总体积和本次降雨结束时坡体的总体积之差，为次降雨的总侵蚀量。次降雨总侵蚀量减去次降雨重力侵蚀总量，即为该次降雨的水力侵蚀总量。3）计算降雨结束后发生的重力侵蚀量。将本次降雨后坡体的总体积减去下次降雨前坡体的总体积，即可得本次降雨后的重力侵蚀量。4）根据观测截图获得的坡体三维模型，还可以获得陡坡在任何时刻、任何位置的坡向、坡度等参数的变化，将这些参数与当时发生的重力侵蚀量结合在一起分析，可以深入分析重力侵蚀与沟坡地形参数之间的内在关系。5）根据崩滑面特写照片中激光线显示的崩滑面纵剖面形状，结合全程录像，可以判断崩塌、滑坡、泥流等各种崩滑形式的崩滑面形态。

Claims (5)

1.一种用于沟坡重力侵蚀现场试验的观测方法，其特征在于，该方法使用的装置包括野外试验室、沟坡地形、降雨模拟装置和重力侵蚀观测装置四个部分；

野外试验室：包括可组装的野外试验室和放置在试验室内的可移动防雨观测室；

沟坡地形：沟坡地形在野外沟坡侵蚀现场的可组装的野外试验室内，根据研究区域典型地貌特征，“切”出概化的坡面，并用钢板桩边墙将此概化地形与周围环境隔开；钢板桩边墙之间用螺栓连接，且连接处嵌入止水的密封条；以可***、拔出式组合钢板桩为边墙，分隔出一定尺度的观测面，防止该观测面与观测区域外的地表径流和地下水交流；钢板桩面向沟坡地形的内侧面上标注有长度刻度，以供地形数据处理建模时定位；

降雨模拟装置：包括三桶稳压供水器、可移动可组装多微喷头组合式降雨器和集水槽等构件；三桶稳压供水器中的大桶放在地势较高的位置，用于沉淀和储存清水，并通过连通管将清水输入中桶；作为稳压水箱的小桶容积较小，置于中桶内；当潜水泵B将清水由中桶内输运到小桶中时，部分清水溢出，其余部分由潜水泵A供给到降雨器中，以保持固定的水位向降雨器供水；

重力侵蚀观测装置：包括地貌仪主机、可移动可组装的崩滑面观测支架和视线校准器；观测支架通过螺栓固定在柱墩上，观测支架上均布一字线激光器；一字线激光器上发出竖直且平行于陡坡坡向的激光平面，用于标示降雨过程中陡坡的崩滑面形态；观测支架上方正中固定有支撑杆，支撑杆上有安装有DV摄像机；打点激光器与DV固定，且发出的激光线与DV视线平行；

试验方法的具体步骤如下：

调整DV的视线角度，使DV视线与地貌仪主机发出的激光平面垂直，并用视线校准器进行检验；视线校准器是用于验证地貌仪主机发出的激光平面与DV视线是否垂直的装置，在每次降雨前检验DV视线与激光平面是否垂直；带滑轮的集光盒安装在校准器的横杆上，集光盒可沿着横杆的滑槽移动；调整校准器支架上的固定螺栓，实现集光盒在竖直方向上的上下移动；集光盒的底部安装有反射镜；侧壁由透明材料制作，且在离地貌仪较远的一侧画有等距的不透明的平行线，平行线的间距与地貌仪激光平面间距一致；激光盒底部安装有反射镜；当主机发出的激光平面与DV视线垂直时，激光平面在集光盒侧壁上的投影与集光盒侧壁上的不透明平行线重合，且打点激光器发出的激光线经镜面反射后，正好返回到打点激光器上；

可移动防雨观测室的框架采用金属结构、用螺栓连接；观测室上部和顶棚不透水，地貌仪的主机和监视器等仪器都放在该观测室中，从而使地貌仪主机的发光面不至于沾上雨水，以保证投射在陡坡地形激光线的清晰度；

降雨开始前，在DV镜头上安装防雾滤镜，并调整试验室内光线强度，以使DV的观测效果达到最佳；每次侵蚀试验前，先把试验区铺上塑料布，率定降雨强度；然后开启地貌仪，揭开塑料布，开始计时，正式进行侵蚀试验；试验中观测陡坡的崩滑过程，同时拍摄崩滑面的特写照片；每次试验结束，将DV上的观测录像拷贝到计算机中，以作下一步分析处理。

2.根据权利要求1所述的观测方法，其特征在于,视线校准器由校准器支架（11-1）和带滑轮的集光盒（11-2）组成；带滑轮的集光盒安装在校准器的横杆上，集光盒可沿着横杆的滑槽移动；集光盒的底部安装有反射镜（11-3）；侧壁由透明材料制作，且在离地貌仪较远的一侧画有等距的不透明的平行线（11-4）。

3.根据权利要求1或2所述的观测方法，其特征在于,在地势较低的坡面上安装有加长柱（4-8），帐篷柱通过固定螺栓（4-10）与加长柱连接；加长柱沿高度方向上有多个等距的连接孔（4-9），当帐篷柱与加长柱不同位置的连接孔固定，获得多种加长效果。

4.根据权利要求1或2所述的观测方法，其特征在于，降雨器由多个独立、可组装的单体构成；每个单体包括降雨器支架（2-3）和降雨器管网（2-4）；降雨器支架包括2个门形的立式支架和1个带卡口的水平支架；立式支架通过螺栓固定在柱墩上；水平支架通过支架四角的倒U形卡口与立式支架相连；降雨器管网绑扎在水平支架下方，管网上均布下喷式微喷头。

5.根据权利要求3所述的观测方法，其特征在于，降雨器由多个独立、可组装的单体构成；每个单体包括降雨器支架（2-3）和降雨器管网（2-4）；降雨器支架包括2个门形的立式支架和1个带卡口的水平支架；立式支架通过螺栓固定在柱墩上；水平支架通过支架四角的倒U形卡口与立式支架相连；降雨器管网绑扎在水平支架下方，管网上均布下喷式微喷头。

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