CN105158444A - 坡面壤中流流速和流量测定系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种坡面壤中流流速和流量测定系统，该测定系统包括设置在坡面径流小区上端的示踪剂投放设施和设置在坡面径流小区下端的壤中流收集设施。本发明还同时公开了利用上述测定系统进行的坡面壤中流流速和流量测定方法：在坡面径流小区上端边界的内侧安置示踪剂投放设施，在坡面径流小区下端挖一个与小区宽度一致、深度直至母质层的剖面，然后将壤中流收集设施安装在所开挖的剖面内，收集测定整个径流小区的壤中流；并根据示踪剂从投放直至到收集设施首次出现的时间，计算壤中流的流速；进而揭示坡地壤中流的流速和坡面壤中流的动态规律。

Description

坡面壤中流流速和流量测定系统及方法

技术领域

本发明属于土壤水动力学、坡面水文学、水土保持和农业面源污染防治技术领域，涉及一种坡面壤中流流速和流量测定系统及方法，可用于自然和人工坡地壤中流流速及携带养分运移动态过程的试验监测。

背景技术

壤中流是坡地径流的重要组成部分，主要发生在不同层次土壤的不连续界面上，是一种多孔介质中的水流运动。中国南方一些流域，壤中流占径流量很大的比例，壤中流有时占总径流量的85％以上。如浙江省姜湾高坞溪小流域。壤中流对流域径流产生、养分流失等都有重要的影响。影响壤中流的主要因素是土壤物理特性、分层状况和水流补给条件，土壤中的非毛管孔隙、动植物洞穴可促成壤中流的发展。壤中流的水流动态是这些影响因素的综合表现，壤中流流速是研究水流动态的关键要素。由于壤中流是发生在土壤的不同层次，水流在不同层次的土壤中流动，其流速的测定就是一个很难解决的问题，目前国内外尚无有关壤中流流速测定的技术和方法。鉴于此，本发明设想借用地下水流速测定的示踪原理进行壤中流流速的测定。备注说明：壤中流是属于表层流，是包气带空隙中的水流，不属于地下水流。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种坡面壤中流流速和流量测定系统及方法；本发明的目的是针对目前壤中流流速监测难度大而无法实现的难题，而提供的一种利用示踪方法来实现的一个完整的坡面壤中流流速及流量组合监测系统与方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种坡面壤中流流速和流量测定系统，该测定系统包括设置在坡面径流小区上端的示踪剂投放设施和设置在坡面径流小区下端的壤中流收集设施；

所述示踪剂投放设施包括底座，在底座上设置若干个的套筒座，在每个套筒座内对应的放置一个桶体，在桶体的侧壁上设置与桶体内腔相连通的桶眼，示踪剂袋被放置在桶体内，在示踪剂袋的上方设置示踪袋架；在每个桶体上方设置与该桶体相配合的桶盖；在每个桶体的上方对应的设置一根分连接杆，该分连接杆的上端与总连杆固定相连，该分连接杆的下端穿过桶盖后与示踪袋架相连；

壤中流收集设施包括若干个竖直并行排列的集水槽，每个集水槽均配有一个对应的集水瓶，所述集水槽通过导流管与集水瓶相连通。

作为本发明的坡面壤中流流速和流量测定系统的改进：

所述示踪剂投放设施还包括示踪剂投放桶支撑架，该示踪剂投放桶支撑架与底座固定相连，手柄与示踪剂投放桶支撑架转动相连，总连杆与手柄相连。

作为本发明的坡面壤中流流速和流量测定系统的进一步改进：

相邻的2个集水槽之间的间距为100～200mm(较佳为150mm)。

作为本发明的坡面壤中流流速和流量测定系统的进一步改进：示踪剂袋被固定于示踪袋架的下端。

本发明还同时提供了利用上述测定系统进行的坡面壤中流流速和流量测定方法，包括以下步骤：

1)、在坡面顺着坡地从上至下的走势建造坡面径流小区，在该坡面径流小区的左右两侧边界及高地势的上端边界分别设置密封挡板，依靠上述3块密封挡板(即，设置在坡面径流小区的左右两侧边界及高地势的上端边界的密封挡板)使得坡面径流小区的径流相对独立(即，与小区两侧及上方坡地的径流隔离)；

2)、在坡面径流小区的低地势的下端边界设置壤中流收集设施，从而构成一个水系独立的坡面径流小区组件：

在坡面径流小区的下端挖一个与坡面径流小区宽度一致、深度达母质层的垂直剖面，将壤中流收集设施安装在所述垂直剖面中；

所述壤中流收集设施中位于最上层的集水槽与地表相齐平，

所述壤中流收集设施中位于最下层的集水槽位于垂直剖面的底部；

3)、在坡面径流小区的上端边界的内侧安置示踪剂投放设施(即，是在位于坡面径流小区上端边界处的密封挡板的内侧设置该示踪剂投放设施，从而使示踪剂投放设施位于坡面径流小区内)；

4)、待坡面径流小区内出现壤中流(首次出现壤中流)时，操纵示踪剂投放设施，使示踪剂袋内的示踪剂通过桶体上的桶眼外流至坡面径流小区的土壤中；并根据示踪剂从示踪剂投放设施中被投放到首次出现在壤中流收集设施的时间，获知壤中流的平均流速，最终得知流量。

作为本发明的坡面壤中流流速和流量测定方法的改进：

所述步骤1)中：

坡面径流小区的坡度为10～24度(较佳为15度)；

密封挡板插入坡面的深度为200mm～300mm；密封挡板位于地表之上的高度为100mm～200mm。

作为本发明的坡面壤中流流速和流量测定方法的进一步改进：

桶体上的桶眼距地表为50mm～100mm。

作为本发明的坡面壤中流流速和流量测定方法的进一步改进：

所述步骤4)中的操纵示踪剂投放设施为：转动(释放)手柄，使总连杆下移，从而带动各分连接杆下移，分连接杆相应的带动示踪袋架下移至示踪剂桶底端，示踪剂袋被压破后，示踪剂全部被释放于桶体内，然后通过桶眼外流至坡面径流小区的土壤中。

作为本发明的坡面壤中流流速和流量测定方法的进一步改进：所述示踪剂为不溶于水的考马斯亮蓝R250示踪剂染色液。

作为本发明的坡面壤中流流速和流量测定方法的进一步改进：所述密封挡板为钢板或水泥板。

在本发明中，坡面壤中流流速测定系统实际是由以下三部分组成，第一部分是坡面径流小区的设计，第二部分是径流小区上端示踪剂的投放设施，第三部分是径流小区下端壤中流收集设施(图1)。

本发明的方案概述如下：(1)根据试验监测要求，在坡面顺着坡地从上至下的走势建造坡面径流小区。在坡面径流小区的左右两侧及上端边界设置插入坡面一定深度，地表露出一定高度的钢板或水泥板实现密封，使得小区径流与两侧及上方坡地径流隔离。径流小区下端安置壤中流收集设施(图1)构成一个水系独立的坡面径流小区组件。(2)在坡面径流小区上端边界的内侧安置示踪剂投放设施(图2和图3)。根据试验设计要求，示踪剂投放设施要安置在坡面一定深度，从而实现桶体上的桶眼距地表为50mm～100mm。(3)在坡面径流小区下端挖一个与小区宽度一致的剖面，这个剖面具有一定的深度，一般需要挖至母质层，然后将壤中流收集设施安装在所开挖的垂直剖面(图4)，收集测定整个径流小区的壤中流。并根据示踪剂投放到收集设施首次出现的时间，计算壤中流的流速。进而揭示坡地壤中流的流速和坡面壤中流的动态规律。

本发明具有如下技术优势：

(1)既可以监测不同深度壤中流的流速，还能够监测不同深度壤中流的流量。既可以在自然降雨情况下进行监测，也可以在人工模拟降雨的情况下进行。

(2)示踪剂投放设施是一个整体，通过一次性操作手柄，就能够让若干个分支连杆(可根据试验设计多个分支)同时投放示踪剂，能保证示踪剂在坡面试验小区的横向均匀投放和时间的准确性。

(3)壤中流收集设施是一个多层组合式收集装置，可以收集不同深度的壤中流，能根据各层壤中流中示踪剂出现时刻，计算壤中流流速，还可计算壤中流流量动态和总量。

(4)该监测系统的组成设施可以随时拆卸和组装，便于携带，还可根据监测坡面径流小区的大小进行调整。

(5)本发明补充了壤中流流速和溶质运移动态监测领域的空白，为壤中流和溶质运移的深入和高精度研究提供了技术支撑。

本发明获得了国家自然科学基金项目(41471221)资助。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1是壤中流流速试验综合示意图(即，坡面壤中流流速和流量测定系统的使用状态示意图)；

图2是图1中的示踪剂投放设施1的正视图；

图3是示踪剂投放设施1的整体侧视图；

图4是图1中的壤中流收集设施2的结构示意图；

上述图中：

示踪剂投放设施1、总连杆1-1、分连接杆1-2、桶盖1-3、示踪袋架1-4、示踪剂袋1-5、桶体1-6、套筒座1-7、桶眼1-8、底座1-10、示踪剂投放桶支撑架1-0，手柄1-01、手柄固定螺丝1-02，

壤中流收集设施2、集水槽2-1、集水瓶2-2、导流管2-3；

垂直渗流3、壤中流4、坡面径流5；

图5是不同深度示踪剂出流路径纵向剖面示意图；

图5中，S表示示踪剂投放点，l₁、l₂、l₃、l₄分别表示不同深度示踪剂出流路径，H表示壤中流收集设施放置剖面与纵向剖面交线。

具体实施方式

实施例1、

在坡面顺着坡地从上至下的走势建造坡面径流小区，标准径流的坡度为15度，一般试验所设计的坡度范围为10-24度。

在该坡面径流小区的左右两侧边界及高地势的上端边界分别设置密封挡板，密封挡板插入坡面的深度一般为200mm～300mm；密封挡板位于地表之上的高度一般为100mm～200mm；该密封挡板为钢板或水泥板；依靠上述3块密封挡板(即，设置在坡面径流小区的左右两侧边界及高地势的上端边界的密封挡板)使得小区径流与两侧及上方坡地径流隔离。

在坡面径流小区的低地势的下端边界设置壤中流收集设施2，从而构成一个水系独立的坡面径流小区组件。

壤中流收集设施2的设置具体如下：

在坡面径流小区的下端挖一个与小区宽度一致、深度达母质层的垂直剖面，将壤中流收集设施2安装在所开挖的垂直剖面中。壤中流收集设施2包括若干个竖直并行排列的集水槽2-1，每个集水槽2-1均配有一个对应的集水瓶2-2，集水槽2-1通过导流管2-3与集水瓶2-2相连通。即，集水槽2-1通过导流管2-3将集水槽2-1收集到的壤中水流或者坡面径流分别直接导入相应的集水瓶2-2中。

即，壤中流收集设施2采用分层设计，最上一层的集水槽2-1收集的是坡地表面径流(即，最上一层集水槽2-1与地表相齐平)，第二层集水槽2-1距第一层集水槽2-1的间距为150mm，第三层集水槽2-1距第二层集水槽2-1的间距也为150mm，依此类推，相邻层的集水槽2-1之间的间距按150mm设计，一般设计有4-5层，可根据所挖掘的剖面深度调整层数。

然后，在坡面径流小区的上端边界的内侧安置示踪剂投放设施1，即，是在位于坡面径流小区上端边界处的密封挡板的内表面设置该示踪剂投放设施1，从而使示踪剂投放设施1位于坡面径流小区内。

该示踪剂投放设施1具体如图2所述：

在底座1-10上设置若干个的套筒座1-7，在每个套筒座1-7内对应的放置一个桶体1-6，在桶体1-6的侧壁上设置与桶体1-6内腔相连通的桶眼1-8，桶眼1-8靠近桶体1-6的底部。在桶体1-6内设置有示踪剂袋1-5和示踪袋架1-4，示踪剂袋1-5被固定于示踪袋架1-4的下端。在每个桶体1-6上方设置与该桶体1-6相配合的桶盖1-3，桶盖1-3与桶体1-6螺纹连接。在每个桶体1-6的上方对应的设置一根分连接杆1-2，该分连接杆1-2的上端与总连杆1-1固定相连，该分连接杆1-2的下端穿过桶盖1-3后与示踪袋架1-4相连(上述示踪袋架1-4螺接分连接杆1-2)；因此桶盖1-3套在分支连接杆1-2上，上述所有的分连接杆1-2可设计成一体的形式，从而形成分连接杆组件，该分连接杆组件通过螺帽螺接总连杆1-1。该示踪剂投放设施1还包括示踪剂投放桶支撑架1-0，该示踪剂投放桶支撑架1-0与底座1-10固定相连，手柄1-01与示踪剂投放桶支撑架1-0转动相连，总连杆1-1与手柄1-01相连。

根据试验设计要求，示踪剂投放设施1要安置在坡面一定深度(见图1)，设计底座1-10埋深距地表约为50mm～100mm，即，实现桶体1-6上的桶眼1-8距地表约为50mm～100mm。

该示踪剂投放设施1的实际工作过程为：安装好示踪剂投放设施1，将底座1-10埋入坡面径流小区上端约50mm～100mm深度。手柄1-01采用手柄固定螺丝1-02定位于示踪剂投放桶支撑架1-0，将示踪剂装入各分连接杆1-2下端的示踪剂袋1-5中，示踪剂投放设施1进入工作状态，如图1所示。在降雨试验开始后，当坡面径流小区下端的壤中流收集设施2首次出现壤中流时，就通过手柄固定螺丝1-02释放手柄1-01，使得总连杆1-1下移，带动各分连接杆1-2下移，使各分连接杆1-2带动示踪袋架1-4下移至桶体1-6底端，示踪剂袋1-5被压至桶体1-6底部，示踪剂袋1-5被压破后，示踪剂全部被释放于桶体1-6内，此时，示踪剂充满桶体1-6内部，同时，示踪剂就会从桶眼1-8流入土壤中。同时记录示踪剂投放时间。所用示踪剂为不溶于水的考马斯亮蓝R250示踪剂染色液。

壤中流收集设施2工作过程为：在试验开始时，观察壤中流收集设施2中的各层(即，各集水槽2-1)的壤中流出流时间，并分别记录各层的出流时间。从出流开始，定时一般设定5分钟将各层的壤中流收集于相应层位的集水瓶2-2中，测定相应层位集水瓶2-2的水量。同时观察示踪剂的出流层位及出流时间。并根据示踪剂投放到收集设施首次出现的时间，计算壤中流平均流速。根据各层定时测定的水量，分析不同层位壤中流的流量过程动态规律。也可根据所收集水样中污染物浓度，求算污染强度。

实施方式一：天然降雨情况下壤中流流速的测定和壤中流流量动态计算

第一步。根据试验要求，如同上文所述，首先，在坡面建造具有特定坡度的、水系独立的坡面径流小区，保证坡面土层不发生干扰；其次，在坡面径流小区的下端挖一个与小区宽度一致、深度达母质层的垂直剖面，将壤中流收集设施2安装在所开挖的剖面内。壤中流收集装置2采用分层设计，每层按150mm设计，一般设计有4-5层，可根据所挖掘的剖面深度调整层数；然后，在坡面径流小区的上端边界的内侧安置示踪剂投放设施1。根据试验设计要求，示踪剂投放设施要安置在坡面一定深度，一般为50mm-100mm(见图1)。

第二步。坡面径流小区和相关的示踪剂投放设施1及壤中流收集设施2建造和安装好以后，在径流小区外侧边缘，采集土壤样品，测试土壤的初始含水量。在降雨开始，记录开始时刻，在径流小区外侧边缘测量降雨强度和降雨量。

第三步。观测坡面径流小区坡面径流和不同深度壤中流的出流时刻，然后，每隔5分钟收集坡面径流和每个分层的壤中流，并统计不同层位收集的径流量，直至该场降雨结束。在壤中流首次出现时刻，将安装在坡面径流小区上端的示踪剂释放，并记录释放时刻。接着，在坡面径流小区下端的壤中流收集设施2的分层收集装置上，观测示踪剂首次出现时刻和层位，从而计算壤中流的流速。

第四步。根据示踪剂投放时刻与在径流小区下端出现的时刻，计算流经的时间，再根据示踪剂投放的深度和出流的层位，计算示踪剂流经的距离，从而计算不同层位壤中流的平均流速。

如图(5)所示，设示踪剂投放点为S，l₁、l₂、l₃、l₄分别表示不同深度示踪剂出流路径，所用时间为t(s)，则壤中流的平均流速V(m/s)为：

V＝l/t

第五步。根据不同层位每5分钟收集的径流量，绘制在二维坐标系(t代表时间，y代表流量)中，便可得出不同层位壤中流的动态过程。并可通过每个层位的累加，得出单一层位的径流量。最后将每个层位的径流量合计，就得出了该场降雨过程中的壤中流总流量。

第六步。通过时间序列的、不同层位壤中流的动态变化统计，和单层位累加计算，以及全剖面壤中流的累加计算，便可得到该场降雨过程中壤中流的时空三维(t代表时间，z代表不同层位，y代表流量)变化规律---即不同层位上流量随时间的变化规律。

第七步。将所计算的不同深度壤中流的流速，与壤中流流量的时空三维变化特点相结合，便可进行壤中流水动力学分析。

实施方式二：人工模拟降雨条件下壤中流流速的测定和壤中流动态计算

由于天然降雨的雨强容易波动不易控制，降雨历时也会发生变化，有时时间很长，有时时间很短。因此，几十年来，该研究领域研究坡面径流水动力学过程，一般都采用人工模拟降雨的方式进行。

第一步。同上。

第二步。坡面径流小区和相关的示踪剂投放设施1及壤中流收集设施2建造和安装好以后，首先，在坡面径流小区左右两侧安置4个(每侧2个)压控式的、双向侧喷式的、便携式的人工模拟降雨装置(常规所用)。按照试验设计，通过压力和喷头孔径大小，控制雨强，并设定一定时长的降雨历时，从而起到控制雨强和总的降雨量。其次。在坡面径流小区外侧边缘，采集土壤样品，测试土壤的初始含水量。然后，记录降雨开始时刻。

从第三步到第七步，同上。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (10)

1.坡面壤中流流速和流量测定系统，其特征是：该测定系统包括设置在坡面径流小区上端的示踪剂投放设施(1)和设置在坡面径流小区下端的壤中流收集设施(2)；

所述示踪剂投放设施(1)包括底座(1-10)，在底座(1-10)上设置若干个的套筒座(1-7)，在每个套筒座(1-7)内对应的放置一个桶体(1-6)，在桶体(1-6)的侧壁上设置与桶体(1-6)内腔相连通的桶眼(1-8)，示踪剂袋(1-5)被放置在桶体(1-6)内，在示踪剂袋(1-5)的上方设置示踪袋架(1-4)；在每个桶体(1-6)上方设置与该桶体(1-6)相配合的桶盖(1-3)；在每个桶体(1-6)的上方对应的设置一根分连接杆(1-2)，该分连接杆(1-2)的上端与总连杆(1-1)固定相连，该分连接杆(1-2)的下端穿过桶盖(1-3)后与示踪袋架(1-4)相连；

壤中流收集设施(2)包括若干个竖直并行排列的集水槽(2-1)，每个集水槽(2-1)均配有一个对应的集水瓶(2-2)，所述集水槽(2-1)通过导流管(2-3)与集水瓶(2-2)相连通。

2.根据权利要求1所述的坡面壤中流流速和流量测定系统，其特征是：

所述示踪剂投放设施(1)还包括示踪剂投放桶支撑架(1-0)，该示踪剂投放桶支撑架(1-0)与底座(1-10)固定相连，手柄(1-01)与示踪剂投放桶支撑架(1-0)转动相连，总连杆(1-1)与手柄(1-01)相连。

3.根据权利要求2所述的坡面壤中流流速和流量测定系统，其特征是：

相邻的2个集水槽(2-1)之间的间距为100～200mm。

4.根据权利要求3所述的坡面壤中流流速和流量测定系统，其特征是：示踪剂袋(1-5)被固定于示踪袋架(1-4)的下端。

5.利用如权利要求1～4任一所述的测定系统进行的坡面壤中流流速和流量测定方法，其特征是包括以下步骤：

1)、在坡面顺着坡地从上至下的走势建造坡面径流小区，在该坡面径流小区的左右两侧边界及高地势的上端边界分别设置密封挡板，依靠上述3块密封挡板使得坡面径流小区的径流相对独立；

2)、在坡面径流小区的低地势的下端边界设置壤中流收集设施(2)，从而构成一个水系独立的坡面径流小区组件：

在坡面径流小区的下端挖一个与坡面径流小区宽度一致、深度达母质层的垂直剖面，将壤中流收集设施(2)安装在所述垂直剖面中；

所述壤中流收集设施(2)中位于最上层的集水槽(2-1)与地表相齐平，

所述壤中流收集设施(2)中位于最下层的集水槽(2-1)位于垂直剖面的底部；

3)、在坡面径流小区的上端边界的内侧安置示踪剂投放设施(1)；

4)、待坡面径流小区内出现壤中流时，操纵示踪剂投放设施(1)，使示踪剂袋(1-5)内的示踪剂通过桶体(1-6)上的桶眼(1-8)外流至坡面径流小区的土壤中；并根据示踪剂从示踪剂投放设施(1)中被投放到首次出现在壤中流收集设施(2)的时间，获知壤中流的平均流速，最终得知流量。

6.根据权利要求5所述的坡面壤中流流速和流量测定方法，其特征是：

所述步骤1)中：

坡面径流小区的坡度为10～24度；

密封挡板插入坡面的深度为200mm～300mm；密封挡板位于地表之上的高度为100mm～200mm。

7.根据权利要求6所述的坡面壤中流流速和流量测定方法，其特征是：

桶体(1-6)上的桶眼(1-8)距地表为50mm～100mm。

8.根据权利要求5、6或7所述的坡面壤中流流速和流量测定方法，其特征是：

所述步骤4)中的操纵示踪剂投放设施(1)为：转动手柄(1-01)，使总连杆(1-1)下移，从而带动各分连接杆(1-2)下移，分连接杆(1-2)相应的带动示踪袋架(1-4)下移至示踪剂桶(1-6)底端，示踪剂袋(1-5)被压破后，示踪剂全部被释放于桶体(1-6)内，然后通过桶眼(1-8)外流至坡面径流小区的土壤中。

9.根据权利要求8所述的坡面壤中流流速和流量测定方法，其特征是：

所述示踪剂为不溶于水的考马斯亮蓝R250示踪剂染色液。

10.根据权利要求9所述的坡面壤中流流速和流量测定方法，其特征是：

所述密封挡板为钢板或水泥板。