CN100516784C

CN100516784C - 薄层坡地壤中流测定系统

Info

Publication number: CN100516784C
Application number: CNB2007100640686A
Authority: CN
Inventors: 朱波; 罗贵生; 唐家良; 王玉宽; 徐泰平; 汪涛
Original assignee: Institute of Mountain Hazards and Environment IMHE of CAS
Current assignee: Institute of Mountain Hazards and Environment IMHE of CAS
Priority date: 2007-02-26
Filing date: 2007-02-26
Publication date: 2009-07-22
Anticipated expiration: 2027-02-26
Also published as: CN101017104A

Abstract

薄层坡地壤中流测定系统，由水系独立完整的坡地径流小区、壤中流和地表汇流测定系统构成；坡地径流小区由深达基岩面的水泥砖墙隔断上部与侧部水流，构成水系独立完整的坡地径流小区，在该径流小区下方土壤与岩石或母质界面处建立壤中流汇流测定系统，收集测定整个径流小区的壤中流，并通过地表径流汇流测定系统测定地表径流，使得该系统能够同时测定坡地壤中流与地表径流，完整反映坡地径流分配过程和动态，揭示坡地径流过程规律，同时根据测定结果及汇流面积，直接计算径流通量。本发明系统结构紧凑、合理、简单，易于实现，为该类型坡地水文过程、水分和养分平衡及运移提供科学而合理的地块尺度测定系统，在水土保持领域有较大的推广应用价值。

Description

薄层坡地壤中流测定系统

技术领域

本发明涉及薄层坡地壤中流测定系统，属于水文学和水土保持技术领域，用于自然、人工坡地水文过程、水分和养分运移的系统测定。

背景技术

我国长江上游广泛分布薄层土壤坡地，如紫色土、黄壤，二者均为重要的耕地资源。其中紫色土集中分布在四川省与重庆市(三峡库区)，仅四川盆地面积达16万km²，黄壤在西南山地面积达30万km²，紫色土与黄壤坡地土层浅薄(30～90cm)，下伏透水性较弱的泥岩、页岩、板岩。紫色土与黄壤分布区气候湿润，年降雨量大都在800～1200mm之间，由于土层浅薄，下伏透水性弱的基岩，降雨入渗进入土壤很快到达母岩而难于继续下渗，土壤水分常处于饱和(蓄满)状态，坡向势能使土壤重力水沿坡向下运移，形成壤中流。壤中流与地表径流、地下径流一起构成径流过程，是土壤水分再分配、地下水补给和水分循环的重要环节，对流域径流、洪水过程和流域水文循环具有相当重要的作用，初步估计，壤中流约占紫色土与黄壤坡地径流的50％。但是壤中流测定的最大难点在于无法确定地下水流途径和汇流区域。

径流测定是陆地水文学研究的基础，常规坡地径流小区仅能测定地表径流，而无法测定壤中流(或亚表层土壤流)；渗漏池可用于测定平地系统的水分渗漏，仅能反映单点水分入渗，难以确定流量，而坡地渗漏池目前未曾建立。由于壤中流判定相当困难，壤中流动态过程的监测与通量计算也成为水文研究中的一个难题。水文学中通常在坡面采用染色剂示踪方法确定壤中流路径，但染色剂因土壤吸附导致颜色消退甚至无法判断，且地表径流的影响也相当大；由于分馏与前处理过于繁琐等因素，采用同位素示踪或其他化学示踪物进行研究时也使得定量精度受到影响；地块尺度上还采用土壤水势测定，利用公式估算水通量，但需安装多个探头，而且也难以确定汇流面积；而采用水文学中的基流(Base flow)图形分割方法可在小流域尺度估算壤中流，但定量精度不足。以上方法都难以直接测定壤中流，在实践中无法确定汇流面积和径流来源。

综上所述，常规坡地径流测定系统由于设计缺陷和技术缺乏，难以准确监测壤中流过程与通量，导致对坡地径流过程的系统认识缺乏。而长江上游由于降雨丰富，洪涝灾害与季节性干旱交替发生，而壤中流占据雨季径流的50％但却疏于认识，严重影响土壤水量、洪峰水位等重要参数估算。因此，系统了解长江上游坡地径流过程尤其是壤中流过程对于长江流域的水土保持、防洪与水环境安全有重要意义和迫切的技术需求。

发明内容

本发明的目的在于：针对坡地径流测定的不完整和技术上的不足，特别针对现有径流小区无法测定壤中流的缺陷，提供一种薄层坡地壤中流测定系统，用于直接监测坡地壤中流径流动态与水通量；该系统设计合理、构造简单，可用于水文要素、水分平衡和养分渗漏等综合定量测定，为水利工程的水量估算、水资源开发和水土保持工程设计提供数据基础。

本发明以上目的可以通过以下措施实现：薄层坡地壤中流测定系统，其特点在于：由水系独立完整的坡地径流小区、壤中流和地表汇流测定系统构成；坡地径流小区由深达基岩面的水泥砖墙隔断上部与侧部水流，构成水系独立完整的坡地径流小区，在该径流小区下方土壤与岩石或母质界面处建立壤中流汇流测定系统，收集测定整个径流小区的壤中流，并通过地表径流汇流测定系统测定地表径流，使得该系统能够同时测定坡地壤中流与地表径流，完整反映坡地径流分配过程和动态，揭示坡地径流过程规律，同时根据测定结果及汇流面积，直接计算径流通量。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明建立了水系独立完整的坡地径流小区。通过土壤剖面划分，尤其划分出薄层坡地土壤与母岩的界面，整个小区四周由水泥隔墙隔断，水泥隔断深至不透水层，周边的水分无法进入小区，小区水系独立而不受外来水分的影响。

(2)本发明能够直接测定壤中流。因紫色土、黄壤等土壤浅薄，基岩为透水性弱的泥页岩，土壤水分下渗至基岩难于继续垂直移动，而沿土壤与岩石界面侧向迁移汇集而成为壤中流，并自土壤-基岩界面流出。该发明从设计上考虑到壤中流的产流、汇流机制，通过汇流槽、导流管、测定池等设置，建立了坡面壤中流汇流、导流、测定紧密衔接的整体，因此能够直接测定壤中流产汇流过程，同时壤中流坡面汇流面积明确，可通过测定结果直接计算壤中流流量。

(3)本发明明确区分了壤中流与地表径流路径，二者可同时测定。薄层坡地土壤壤中流通过土壤-基岩界面迁移汇流，地表径流沿土壤表面顺坡迁移汇流，径流路径各不相同，而壤中流与地表径流的汇流、导流与测定构件自成体系，互不干扰，因此，该发明不仅能明确区分地表径流与壤中流，而且可同时测定。

附图说明

图1为本发明的薄层坡地壤中流测定系统结构示意图；

图2为本发明的水系独立完整的坡地径流小区示意图；

图3为本发明的壤中流汇流测定系统结构示意图；

图4为本发明的壤中流汇流槽反滤层结构示意图；

图5为本发明的地表径流汇流测定系统结构示意图。

具件实施方式

如图1所示，本发明测定系统由水系独立完整的坡地径流小区1、壤中流汇流测定系统2和地表径流汇流测定系统3构成；水系独立完整的坡地径流小区1由深达基岩下的水泥砖墙构成，隔断上部与侧部水流，在该径流小区1的下部土壤与岩石-界面处建立壤中流汇流收集系统2，收集整个径流小区的壤中流，然后通过地表径流汇流测定系统3收集测定地表径流。薄层坡地土壤壤中流通过土壤-基岩界面迁移汇流，地表径流沿土壤表面顺坡迁移汇流，径流路径各不相同，而壤中流与地表径流的汇流、导流与测定构件自成体系，互不干扰，因此，该发明不仅能明确区分地表径流与壤中流，而且二者可同时测定。因此能够完全反映坡地径流分配过程和动态，揭示坡地径流过程规律，同时根据壤中流和地表径流测定结果与汇流面积，直接计算单位面积径流通量。

如图2所示，水系独立完整的坡地径流小区(1)四周均用深达基岩面以下的水泥砖墙分隔，水泥砖墙11、12、13分别为侧面、上边和下边隔墙，其目的是阻止小区外的水分进入而影响小区水系的独立性。根据土壤水分沿土壤-岩石界面迁移的水流机制，在土壤-基岩界面设置有壤中流汇流测定系统2；而根据地表径流流动与汇集原理，在土壤表面设置地表径流测定系统3。

如图3所示，本发明中的壤中流汇流测定系统2由汇流槽21、壤中流汇流导流管22、壤中流分流池23、壤中流分流孔24、壤中流分流导流管25、壤中流测量池26，在坡地径流小区1的下方按照土壤剖面发育特点，在土壤与基岩界面建立壤中流汇流槽21，再于汇流槽21最低点建立导流管22，将汇流槽21与壤中流分流池23连接起来(分流池仅有1个)，径流通过壤中流分流孔24和壤中流分流导流管25进入壤中流测量池26，在壤中流测量池26安装可开关的壤中流排污孔27，且壤中流测量池26四周和底部28均用水泥密封。通过汇流槽21、分流池23、测量池26等组分与导流管22和壤中流分流导流管25有机衔接，使整个径流小区1的土壤水分下渗、壤中流流动与汇集路径与汇流测定体系2融为一体，因此可有效测定壤中流过程。在降雨产流事件中，通过壤中流导流管22将径流小区1产生的壤中流导入分流池，大降雨事件中多余的壤中流通过分流孔24自由排放，需测定的壤中流经分流导流管25进入测量池，产流结束后分别测定分流池和测定池的流量。利用此系统可测定历次降雨事件中的壤中流径流过程和通量。

本实施例中壤中流分流池分流孔24直径相同，均水平排列于壤中流分流池23的上部，以保证准确分流。导流管22、分流池23、分流孔24、分流导流管25、测量池26的容积和尺寸均按照最大暴雨产流速率和流量来设计，最大分流孔数的设置也依照此原则。本发明实例中，导流管22孔径为80mm，分流池23容量为1m³，分流孔24孔径20mm，分流孔5个，分流导流管25管径20mm，测量池26容积3m³。

如图4所示，汇流槽21由两边高中间低的凹槽构成，汇流槽顶部与土壤-基岩界面相齐，槽内建造由上层细砂211、中层粗砂212和下层卵石213组成的反滤层。本实施例中上层3cm厚细砂、中层5cm厚粗砂、下层5cm厚卵石。该设置可防止壤中流汇流剖面垮塌和泥沙物质进入壤中流汇流测定系统。

如图5所示，本发明的地表径流汇流测定系统3与壤中流汇流测定系统2结构基本相同，地表径流测定系统导流管(33)位于径流小区地表下端出口；两个系统结合可同时测定降雨事件中坡地壤中流和地表径流。

本发明工作过程如下：第一步先建造水系独立的坡地径流小区1。将小区内的表土全部取走，暴露出透水性极弱的基岩，按要求设置坡度，并将基岩面的坡度修改至所需坡度，划定水泥隔墙的位置，在小区的侧面11及上边12砌砖墙并用水泥补缝，形成长8m，宽4m，高60cm的水泥隔墙，防止渗水，注意两边坡度须符合设定坡度。第二步建造汇流槽21。在小区下方基岩面下挖长4米，宽20cm，深13-15cm的凹槽，凹槽最低处安装导流管22，然后填装反滤层，先填5cm下层卵石213，然后填5cm中层粗沙212，最后填3cm上层细沙211。第三步在凹槽下边砌水泥挡墙13，挡墙与上边12和侧面11规格一样，挡墙建好后与上边12、侧面11隔墙形成四面封闭的独立体系。第四步建造地表径流汇流沟，在下边挡墙外面建4m长，15cm宽，约17-20cm深，两边高、中间低的水泥汇流沟，在地表径流汇流沟最低处安装导流管。第五步建造分流池23、分流孔24和测量池26，安装导流管。分流池、分流孔和测量池均为两套，分别用于壤中流和地表径流。然后检查四面隔墙和分流池、测量池是否渗水，若渗水须补漏，同时在小区内浇水检查导流、分流是否畅通、是否漏水。第六步回填土壤，按照土壤发育层次依次反向回填挖出的土壤，直至整个小区填满，并注意小区地面坡度符合设定要求，回填小区经几场自然降雨使土壤自然落实并补齐土壤厚度至60cm，同时保持地面设定坡度，待回填土壤结构基本与正常土壤相似时，薄层坡地壤中流观测系统建造完毕，可以进行壤中流和地表径流观测。壤中流和地表径流观测过程：降雨产流时，记录产流时间，在不同时间观测并记录分流池、测量池的水位，降雨产流结束后测定分流池、测量池的水位，通过计算可获得小区的壤中流、地表径流流量。

Claims

1、薄层坡地壤中流测定系统，其特征在于：由水系独立完整的坡地径流小区(1)、壤中流汇流测定系统(2)和地表径流汇流测定系统(3)构成，坡地径流小区(1)由深达基岩面的水泥砖墙隔断上部与侧部水流，构成水系独立完整的坡地径流小区，在该径流小区下部土壤与岩石或母质界面处建立壤中流汇流测定系统(2)，收集测定整个径流小区的壤中流，然后通过地表径流汇流测定体系(3)测定地表径流，壤中流汇流测定系统(2)和地表径流汇流测定系统(3)二者结合，可同时测定壤中流与地表径流，全面反映坡地径流分配过程和动态，揭示坡地径流过程与分配特点，同时根据汇流面积与壤中流、地表径流测定水量，直接计算径流通量。

2、根据权利要求1所述的薄层坡地壤中流测定系统，其特征在于：所述的壤中流汇流测定系统(2)由汇流槽(21)、壤中流汇流导流管(22)、壤中流分流池(23)、壤中流分流孔(24)、壤中流分流导流管(25)、壤中流测量池(26)构成，在坡地径流小区(1)的下方按照土壤剖面发育特点，在土壤与基岩界面建立壤中流汇流槽(21)，再于汇流槽(21)最低点埋设导流管(22)，将汇流槽(21)与壤中流分流池(23)连接起来，径流通过壤中流分流孔(24)和壤中流分流导流管(25)进入壤中流测量池(26)。

3、根据权利要求2所述的薄层坡地壤中流测定系统，其特征在于：所述壤中流汇流测定系统(2)的汇流槽(21)位置处于土壤-基岩界面，由两边高中间低的凹槽构成，凹槽内建造上层细砂(211)、中层粗砂(212)和下层卵石(213)的反滤层，汇流槽顶部与土壤-岩石界面相接并齐平。

4、根据权利要求2所述的薄层坡地壤中流测定系统，其特征在于：所述壤中流汇水导流管(22)进口位于汇流槽(21)凹槽最低处，与壤中流分流池(23)相连，位置高于壤中流分流导流管(25)，且两种导流管均水平或略向下倾斜放置，以达到自流状态。

5、根据权利要求2所述的薄层坡地壤中流测定系统，其特征在于：所述壤中流分流池各分流孔(24)直径相同，均水平排列于壤中流分流池(23)的上部。

6、根据权利要求2所述的薄层坡地壤中流测定系统，其特征在于：在所述的壤中流测量池(26)中安装可开关的壤中流排污孔(27)，且壤中流测量池(26)四周和底部(28)均用水泥密封，上边加盖。

7、根据权利要求2所述的薄层坡地壤中流测定系统，其特征在于：所述导流管(22，25)与分流孔(24)尺寸均大于设计最大暴雨时的洪峰流量，且分流池(23)和测量池(26)的体积大于设计最大暴雨时的洪水体积。

8、根据权利要求2所述的薄层坡地壤中流测定系统，其特征在于：地表径流测定系统(3)的径流收集系统与壤中流汇流测定系统(2)相同。