土壤侵蚀原理实习实验指导书.doc

土壤侵蚀原理实习实验指导书（水土保持与荒漠化专业适用）The Principle of Soil Erosion北京林业大学资源与环境学院2002.01目 录目录1前言3一、室内实验部分4实验一 不同粒径沙粒休止角测定41 实验目的42 实验原理43 实验样品制备54 实验用具65 实验步骤66 数据整理与分析87 实验报告编写8实验二 人工模拟降雨侵蚀实验91 实验目的92 实验原理93 人工模拟降雨机的主要性能94 实验物品准备105 实验设计106 实验步骤107 数据整理与分析198 实验报告的编写20实验三 不同粒径泥沙起动流速211 实验目的212 实验材料准备及沙粒粒径组的粒径值计算213 实验仪器及用品214 实验原理245 地面坡度设计和沙粒起动的判别标准246 实验步骤247 实验数据整理288 实验报告的编写29二、野外实习部分30实习一 山洪泥石流调查与分析301 实习地点302 实习内容方法303 实习报告编写30实习二 黄土地区常见土壤侵蚀形式调查与分析301 实习地点302 实习内容方法313 实习报告编写31实习三 水土保持综合措施的规划与设计311 实习地点312 实习内容及方法313 实习报告编写31前 言 土壤侵蚀原理是水土保持与荒漠化防治专业本科生一门必修的骨干性专业基础课程。为巩固和深化土壤侵蚀原理课程所讲内容，不断提高学生动手能力，完成本课程实习实验是教学中的重要环节之一。目前本课程的实习实验分为室内和野外两个部分。根据安排的实验课时、实验室条件和经费投入情况，可全部或选择其中部分内容进行。 编者 2002.01于资源与环境学院一、室内实验部分室内实验地点目前主要安排在北京林业大学土壤侵蚀实验室及相关的其它实验室。实验一 不同粒径沙粒休止角测定1 实验目的 维持坡面物质稳定的力主要由四个方面组成，一是组成坡面物质的休止角；二是坡面物质间的摩擦阻力；三是坡面物质之间的粘结力；四是穿插在土体中植物根系的固结作用力。本实验就是在排除（不考虑）后三种作用力的情况下，探讨组成坡面物质的休止角与坡面稳定之间的相关关系。2 实验原理沙粒的休止角大小受三方面影响：其一是随其水分含量的变化而发生变化，水分含量升高时，其休止角变小，二者呈现负相关关系。其二是沙粒的休止角受粒径大小的影响，其它条件相同时，沙粒的休止角与其粒径呈现正相关关系。其三是沙粒的休止角受沙粒形状的影响，其蘑圆度较好时，沙粒的休止角较小，反之则较大。即沙粒的休止角与其蘑圆度呈现负相关关系。当组成坡面物质的休止角大于或等于坡面坡度角时，无论坡面有多长，坡面都是处于稳定状态而不会发生重力侵蚀。一般情况下不同泥沙石块的休止角如表1.1和表1.2所示。表1.1 几种岩石碎块的休止角（度）岩 屑 堆 的 成 分最小最大平均砂岩、页岩（角砾、碎石、混有块石的亚砂土）254235砂岩（块石、碎石、角砾）264032砂岩（块石、碎石）273933页岩（角砾、碎石、亚砂土）364338石灰岩（碎石、亚砂土）274534表1.2 几种含水量不同泥砂的休止角（度）泥 砂 种 类干很 湿水 分 饱 和泥402515松软沙质粘土402720洁净的细沙402722紧密的细沙453025紧密的中粒沙453327松散的细沙373022松散的中粒沙373325砾石土3733273 实验样品制备3.1 将从野外采取的沙粒手工拣去石块，用标准土壤筛筛选得到一定粒径范围的分级沙粒，粒径组分别为1.002.00 mm、0.501.00 mm、0.250.50 mm、0.100.25 mm和0.0740.10 mm，筛分后每个粒径组的泥沙重量至少为5.0 kg。3.2 将筛分后的沙粒用清水洗掉黏附在沙粒表面的粘土，以消除实验中粘土导致的粘结力。3.3 将洗净的每种粒径的沙粒分别放于干燥地表风干、收于小桶内备用。4 实验用具厚度为3.05.0mm、面积为5050cm的平板玻璃1块；分析化学用普通滴定试管架1个；玻璃漏斗1个；500ml量筒1个；1000ml烧杯1个；2.0m钢卷尺1个；记录及计算用具适量（记录纸，铅笔，计算器等）。5 实验步骤5.1 将平板玻璃水平放于实验台上，滴定试管架安放于平板玻璃一侧，将漏斗置于试管架并使玻璃漏斗的下端与平板玻璃的垂直距离保持在2.0cm左右（如图1所示）。试管架可移动试管架横梁玻璃漏斗沙堆平板玻璃图1 沙粒休止角测定装置示意图5.2 从安置好的漏斗上部，将备好的风干沙粒（一个粒径范围内的）徐徐放下，同时进行观察。就会发现平板玻璃上的沙堆角度不断发生变化，即沙堆的半径和其高度的变化不是成比例的。在从漏斗上部不断补充沙粒的时候，应随时将安置漏斗的试管架横梁逐渐上移，以保持漏斗下部与沙堆顶部距离始终不小于1.0cm左右。5.3 边逐渐上移试管架横梁，边继续向漏斗内加注沙粒，直至沙堆的半径与其高度比值不再发生变化，即沙堆的坡度不再发生改变为止。此时观测到的沙堆角度既为采用一定粒径沙粒风干时的休止角。5.4 观测到风干沙粒的休止角后，从漏斗上部徐徐滴入清水，就会发现原沙堆的高度逐渐降低，而其直径在不断增大，即沙堆的坡面角度在逐渐减小。再徐徐滴水并随时记录沙粒含水量与沙堆坡面角度的变化过程。5.5 继续滴水直至有水流从沙堆底部渗出为止，即沙堆水分含量近于饱和状态。此时沙堆的休止角既为水分饱和时的休止角。6 数据整理与分析6.1 列表计算风干沙粒数量与沙堆坡面角度的变化过程，直至测定计算到风干沙的休止角为止。6.2 列表计算沙堆水分含量与不同水分含量时的休止角变化过程，直至沙堆水分达饱和时为止。7 实验报告编写 将实验过程中观测到的现象进行描写，并分析所有数据得到特定粒径沙粒不同含水量时的休止角。实验二 人工模拟降雨侵蚀实验1 实验目的通过本实验，了解人工模拟降雨机的工作原理，掌握降雨导致的土壤侵蚀作用、降雨侵蚀的发生过程、影响降雨侵蚀量的主要因素等。2 实验原理降雨导致的土壤侵蚀量大小，主要取决于降雨历时、降雨强度和降雨量等，同时还受到土壤种类（不同土壤的可蚀性不同）、地面坡度、地表覆盖物种类及其覆盖物数量等多种因素的影响。本实验室内人工模拟降雨系统，采用特定土壤（限于教学时数只能选择一种土壤），通过改变有限的因素（降雨量、降雨强度、降雨历时、地面坡度）探讨土壤侵蚀量（土壤流失量）的大小，进而通过分析实验数据得到以上因素与土壤侵蚀量的相关关系。3 人工模拟降雨机的主要性能产品厂家：日本大器株式会社；有效降雨面积：1.5m1.5m；雨滴发生器至地面垂直高度：2.0m；降雨强度：10 mm/h 200 mm/h 连续可调；雨滴直径：1.7 mm 3.0mm；降雨历时：024 h 自动控制；工作方式：手动、半自动、全自动三种方式任选。4 实验物品准备 可变坡度土壤侵蚀槽1个（0.5m1.5m）；供试土壤适量（1.0 m3以上）装入土壤侵蚀槽；1000 ml 量筒10个；1000 ml 塑料瓶30个；塑料漏斗30个；20 cm 定性滤纸2盒；烘箱1个；1/100天平2个；记录及计算用品适量。5 实验设计5.1 地面坡度设计地面坡度分为5、10、15、20、25、30和357个坡度级。5.2 降雨强度设计 降雨强度分为30 mm/h、40 mm/h、50 mm/h、60 mm/h、70 mm/h、80 mm/h和90 mm/h 7个降雨级别。6 实验步骤6.1 将填充有土壤样品的可变坡度土壤侵蚀槽安置于人工模拟降雨机的正下方，向人工模拟降雨机注水并调整模拟降雨机的供水阀门至降雨强度为10 mm/h 左右。6.2 将人工模拟降雨机的工作方式置于手动方式党，开启电源使人工模拟降雨机产生降雨约2 h，以使土壤侵蚀槽内的土壤样品水分含量逐渐升高达到上下一致。6.3 调节土壤侵蚀槽的倾斜程度，使被实验的土壤表面坡度达到5并保持这一坡度。6.4 调节模拟降雨机的供水阀门至降雨强度为30 mm/h。保持这一降雨强度约10 min左右以使土壤侵蚀槽内土壤表面产生的地表径流量均匀一致。6.5 用1000 ml 量筒从土壤侵蚀槽的集水口取含有泥沙的水样8001000 ml 并记录采取水样体积和所经历的时间段填入表2.1。将放好滤纸的漏斗置于塑料瓶，将含有泥沙的水样过滤备用。用同样方法连续再取水样两个，分别进行记录和过滤备用。35表2.1 地面坡度为5时人工模拟降雨土壤侵蚀记录水样编号坡度（度）雨强（mm/h）水样体积（ml）历时（min）烘干重（g）产沙量（g/m2h）153025303530454055406540755085509550105601156012560135701457015570165801758018580195902059021590实验时间 年 月 日 记录人：表2.2 地面坡度为10时人工模拟降雨土壤侵蚀记录水样编号坡度（度）雨强（mm/h）水样体积（ml）历时（min）烘干重（g）产沙量（g/m2h）110302103031030410405104061040710508105091050101060111060121060131070141070151070161080171080181080191090201090211090实验时间 年 月 日 记录人：表2.3 地面坡度为15时人工模拟降雨土壤侵蚀记录水样编号坡度（度）雨强（mm/h）水样体积（ml）历时（min）烘干重（g）产沙量（g/m2h）115302153031530415405154061540715508155091550101560111560121560131570141570151570161580171580181580191590201590211590实验时间 年 月 日 记录人：表2.4 地面坡度为20时人工模拟降雨土壤侵蚀记录水样编号坡度（度）雨强（mm/h）水样体积（ml）历时（min）烘干重（g）产沙量（g/m2h）120302203032030420405204062040720508205092050102060112060122060132070142070152070162080172080182080192090202090212090实验时间 年 月 日 记录人：表2.5 地面坡度为25时人工模拟降雨土壤侵蚀记录水样编号坡度（度）雨强（mm/h）水样体积（ml）历时（min）烘干重（g）产沙量（g/m2h）125302253032530425405254062540725508255092550102560112560122560132570142570152570162580172580182580192590202590212590实验时间 年 月 日 记录人：表2.6 地面坡度为30时人工模拟降雨土壤侵蚀记录水样编号坡度（度）雨强（mm/h）水样体积（ml）历时（min）烘干重（g）产沙量（g/m2h）130302303033030430405304063040730508305093050103060113060123060133070143070153070163080173080183080193090203090213090实验时间 年 月 日 记录人：表2.7 地面坡度为35时人工模拟降雨土壤侵蚀记录水样编号坡度（度）雨强（mm/h）水样体积（ml）历时（min）烘干重（g）产沙量（g/m2h）135302353033530435405354063540735508355093550103560113560123560133570143570153570163580173580183580193590203590213590实验时间 年 月 日 记录人：6.6 再分别调节模拟降雨机的供水阀门至降雨强度为40 mm/h、50 mm/h、60 mm/h、70 mm/h、80 mm/h和90 mm/h，各保持这些降雨强度约10min左右以使土壤侵蚀槽内土壤表面产生的地表径流量均匀一致，重复6.5过程及内容，将相关数据分别记录于表2.22.7。6.7 按不同地面坡度将水样编号用铅笔分别写在过滤纸上，放入干燥箱内（烘箱温度应80）烘57 h后，取出包有泥沙的过滤纸称重。扣除过滤纸重量后将泥沙重量分别记入表2.1表2.7的相关栏内。7 数据整理与分析将表2.1表2.7的地面坡度、降雨强度和产沙量栏内的实验数据整理（将相同地面坡度和同一降雨强度下的3个产沙量数据初步对比分析，如果相对相差均5%时，取其3个产沙量数据的平均值作为该种条件下的产沙量值；如其中一个数据的相对相差均5%时，则剔除该数据取另2个产沙量数据的平均值作为该种条件下的产沙量值。）后，输入计算机以产沙量为因变量、以地面坡度和降雨强度为自变量进行多元线性回归分析，得方程如下式：y = ax1 + bx2 + c式中: y 土壤侵蚀量（g/m2h）； x1 地面坡度（度）； x2 降雨强度（mm/h）； a，b分别为变量x1，x2的系数； c常数。8 实验报告的编写 描述实验过程，根据数据分析结果和构建的回归数学模型，讨论降雨强度、地面坡度对土壤侵蚀量的影响。实验三 不同粒径泥沙起动流速1 实验目的 了解在一定坡度下，不同粒径泥沙的起动流速，为探讨水土流失规律、制定水土保持措施规划和设计提供理论依据。2 实验材料准备及沙粒粒径组的粒径值计算将从野外采取的沙粒手工拣去石块，用标准土壤筛筛选得到一定粒径范围的分级沙粒，粒径组分别为1.002.00 mm、0.501.00 mm、0.250.50 mm、0.100.25 mm和0.0740.10 mm计5个粒径组，筛分后每个粒径组的泥沙重量至少为5.0 kg。 当泥沙只有一个粒径组时,常采用沙粒的几何平均值作为其平均粒径值，沙粒几何平均值的计算式如下: DiDuDb 式中: DI某一粒径组的粒径平均值; Du某一粒径组的粒径上限值; Db某一粒径组的粒径下限值。 以上制备的每一粒径组的几何平均值如下表所示。实验用沙粒的几何粒径值(mm)粒径范围0.10.50.51.01.02.02.05.05.010.0几何粒径0.2240.7071.4143.1627.0713 实验仪器及用品3.1 可变坡度泥沙起动流速实验装置一套，主体设备包括一个长2.0m、宽0.2m冲蚀槽和一个设置在其上方的溢流式可调节流量恒水位供水水箱（图3.1）。3.2 普通秒表一块。3.3 红、篮液体指示剂各400 ml。3.4 测坡仪一个。3.5 记录本、铅笔、橡皮、小刀、计算器等文具用品适量。3.6 Y250型毕托管4套。 上 调节阀门 水 水 管 箱 管 水 供 溢 流 管 实 验 槽图3.1 泥沙起动流速实验装置示意图4 实验原理泥沙在水流冲击下的起动流速受到多种因素的影响，主要有泥沙的几何形状、泥沙粒径大小、地面坡度、泥沙所处边壁条件的粗糙状况、水流流量大小和其流速的高低等。本实验为简化影响条件，选用特定形状的沙粒（花岗岩风化沙粒）和特定的边壁糙率条件（糙率为0.0020），通过改变沙粒粒径、地面坡度、水流流量和流速来探讨不同粒径沙粒在特定边壁条件和不同地面坡度下的起动流速。5 地面坡度设计和沙粒起动的判别标准5.1 地面坡度设计 地面坡度设计为5、10、15、20、25和306种。5.2 沙粒起动判别标准 泥沙在水流冲击下，不可能同时起动或同时不动。因此沙粒的起动判别就必须遵循一定的标准。我国学者窦国仁对克雷默(H. Kramer)提出的推移质运动状态进行了定量分析，他以近底流速u0作为标志泥沙起动的水力指标，据此他提出了相当于克雷默的三种推移质运动状态的起动概率Pc, 它们分别为: (1) 个别起动 Pc10.00135 (2) 少量起动 Pc20.0227 (3) 大量起动 Pc30.159 本研究取Pc3=0.159作为判别泥沙起动的统一定量标准.6 实验步骤6.1 将冲蚀槽的坡度调节到5，分别将备好的5个粒径组的沙粒投放于实验槽内100300颗沙粒。在定床条件下逐渐加大流量Q以使流速V增大，当有15%以上沙粒开始在底床运动时，即为在该特定条件下的沙粒起动流速Uc。不同槽面坡度下非粘性花岗岩沙粒起动流速如表3.1所示.表3.1 5槽面底坡时沙粒起动流速Uc(m/s)粒径(mm)0.10.50.51.01.02.02.05.05.010.0实验次数12345678910平均注: 起动流速Uc测定分成两个完全独立的实验组,每一组对每一测定的Uc值进行510次实验测定,剔除不正常值后根据各次观测到的泥沙起动流速值Uci计算得Uc值.6.2 将冲蚀槽的坡度分别调至10、15、20、25和30，依次放入备好的5种粒径的沙粒，通过调节供水水箱的阀门以改变所需的流量和流速，重复6.1中所述内容，将观测数据分别记录于表3.2、表3.3、表3.4、表3.5和表3.6。表3.2 10槽面底坡时沙粒起动流速Uc (m/s)粒径(mm)0.10.50.51.01.02.02.05.05.010.0实验次数12345678910平均表3.3 15槽面底坡时沙粒起动流速Uc(m/s)粒径(mm)0.10.50.51.01.02.02.05.05.010.0实验次数12345678910平均表3.4 20槽面底坡时沙粒起动流速Uc(m/s)粒径(mm)0.10.50.51.01.02.02.05.05.010.0实验次数12345678910平均表3.5 25槽面底坡时沙粒起动流速Uc(m/s)粒径(mm)0.10.50.51.01.02.02.05.05.010.0实验次数12345678910平均表3.6 30槽面底坡时沙粒起动流速Uc(m/s)粒径(mm)0.10.50.51.01.02.02.05.05.010.0实验次数12345678910平均注: 起动流速Uc测定分成两个完全独立的实验组,每一组对每一测定的Uc值进行510次实验测定,剔除不正常值后根据各次观测到的泥沙起动流速值Uci计算得Uc值。7 实验数据整理将表3.1表3.6的槽面坡度和水流流速实验数据整理（将相同槽面坡度和同一沙粒粒径下的10个地表径流流速数据初步对比分析，如果相对相差均5%时，取其10个径流流速的平均值作为该条件下的起动流速值；如其中一个数据的相对相差均5%时，则剔除该数据取另9个起动流速数据的平均值作为该种条件下的起动流速值。）后输入计算机进行计算。如果以沙粒起动流速为因变量、以不同槽面坡度下的沙粒的几何粒径值为自变量进行回归分析，可得不同槽面坡度时的方程如下式：Uc = A DiB式中：Uc 沙粒的起动流速（m/s）； A 方程系数； Di 某一粒径组沙粒的几何粒径（mm）； B 方程的指数。如果以沙粒起动流速为因变量、以槽面坡度、沙粒的几何粒径值为自变量进行回归分析，