CN105911248A - 可应用于水土保持监测的均匀分流方法和装置 - Google Patents

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梁志权
卓慕宁
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Abstract

本发明公开了一种可应用于水土保持监测的均匀分流方法和装置。本发明使径流从分流装置的几何中心进入，水流方向垂直于分流装置的底面，保证进流点与各分流管的水平距离相等；同时使各分流管长度相同，集流管设置与分流管相同。本发明可达到均匀分流效果，有效保证集流桶（池）所采集的水沙样品充分代表分流后的水沙组成，提高径流小区径流泥沙测验精度，获取精确的、可靠的水土流失数据资料。

Description

可应用于水土保持监测的均匀分流方法和装置
技术领域
本发明涉及水土保持监测技术领域，更具体地，涉及一种可应用于水土保持监测的均匀分流方法和装置。
背景技术
我国面临较为严峻的水土流失问题。水土保持监测是开展水土流失定量研究的基础，通常利用径流小区法取得试验数据来预报和估算区域土壤侵蚀和产沙量。尽管近几年我国水土流失自动观测进展较快，但是受野外水土监测现场条件影响，如电源配备、背景光线、水温、泥沙颗粒粒径、泥沙化学成分、泥沙沉淤等影响，自动观测技术的测量精度受到制约。目前对径流泥沙测量多数为雨后观测，普遍采用集水池法和多孔分流法：若径流量很小时，可采用集流桶(池)全部收集；若径流量很大时，可采用分流装置测定，将小区产生的径流均匀分成若干份，通过集流桶(池)收集其中一份从而换算径流总量和侵蚀量，如附图1所示。一般而言，一年内的水土流失量主要由少数的暴雨或大暴雨事件产生，准确地观测大暴雨下的径流量、泥沙量是区域水土保持规划的重要内容。
实践表明，不少径流小区分流装置存在设计缺陷，集流桶(池)收集的径流不能充分代表分流后的水沙组成，径流小区设计缺陷包括：(1)径流泥沙进入分流装置后，从进流点到各分流管的水平运动流程不相同，影响泥沙在装置内的沉降，导致径流含沙率相差较大；(2)仅延长某一个分流孔长度(以下简称为“集流管”)以便于收集径流的目的，造成集流管内径流水动力参数与其余分流管的差异性很大。从以往研究来看，段海侠等(ZL200720015666.X)发明了一种小区观测九孔分流装置，采用分流法，将产生的径流分成9份，避免了多级加装集流设施，减少占地面积，但分流装置的大小尺寸选择、分流是否均匀却未见验证报道。分流不均使得观测的径流泥沙与实际不符，影响着小区试验数据的科学性、广普性。我国水利部相继颁布《水土保持监测设施通用技术条件》(SL342-2006)和《水土保持试验规程》(SL419-2007)，仅对分流装置的结构、安装连接等方面提出要求，未详细规定径流进入分流装置的方式和集流管、分流管参数设计，不能彻底解决分流不均的问题。
目前国内的研究方向集中在水土保持自动监测设备、小区结构、布局设计等方向，缺乏科学的、具体的均匀分流设计的研究报道。为此，发明一种均匀分流的方法，提供能实现均匀分流的装置，对于弥补水土保持雨后水沙观测技术的不足，获取精确的径流小区土壤侵蚀量具有重要的意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有径流小区进流点设计不合理、集流管长度设计不合理的缺陷，提供一种可应用于水土保持监测的均匀分流方法，达到均匀分流效果，有效保证集流桶(池)所采集的水沙样品充分代表分流后的水沙组成，提高径流小区径流泥沙测验精度，获取精确的、可靠的水土流失数据资料。
本发明的要解决的另一技术问题是提供实现所述可应用于水土保持监测的均匀分流方法的装置。
本发明的目的通过以下技术方案予以实现：
提供一种可应用于水土保持监测的均匀分流方法，经分流装置进行分流，使径流从分流装置的几何中心进入，水流方向垂直于分流装置的底面，保证进流点与各分流管的水平距离相等；同时使各分流管长度相同。
优选地，所述分流管其中的一个为集流管，所述集流管与集流池相连接。
本发明采用简单的技术手段从两个方面实现均匀分流，一是经分流装置的中心进流，二是使各分流管长度相同。在分流过程中，径流泥沙从进流点运动至分流孔后随水流溢出，泥沙水平运动流程对分流管内径流含沙率有显著的影响，若进流位置与各分流管的水平距离各不相等时，影响分流均匀性，本发明使径流从分流装置的几何中心进入，水流方向垂直于底面，保证进流点与各分流管的水平距离相等，排除泥沙水平运动流程的不同对分流管内径流含沙率的影响；本申请人进一步从能量的观点进行分析研究，分流过程是一种势能转化为动能的过程，分流过程的能量损失由局部损失和沿程损失组成，若简单地延长集流管长度以便于收集径流，对分流过程的流态、水力参数、能量损失等会造成很大的影响，不能有效保证分流的均匀性，现有技术的集流管与其他分流管的设置不同，本发明方法是将分流装置连接集流池的集流管与其他分流管设置相同，与集流池连接的分流管的长度与其余分流管长度必须相同，有效保证分流的均匀性。
本发明同时提供一种所述可应用于水土保持监测的均匀分流方法的装置，所述装置由分流装置、导流管、分流管、排空阀和集流池组成，分流装置底部与排空阀相连，其中，导流管将径流输送至分流装置的几何中心位置，在分流装置四周均匀布设若干个分流管，所有分流管必须管长相同，并在同一水平面上，集流池与其中一个分流管相接。
基于本发明装置，导流管将径流输送至分流装置的中心位置，径流以垂直于分流装置底面的方向进入分流装置，在分流装置四周均匀布设的分流管管长相同并在同一水平面上，将径流小区内产生的径流均匀分割为若干份，将集流池与其中一个分流管相接，收集径流、泥沙进行分析。分流装置底部与排空阀相连，用于装置内径流的排空。
优选地，所述分流管的个数为单数。
优选地，所述分流装置设置有雨盖，为防止雨水等进入分流箱及集流池内，影响观测结果，顶部设有雨盖进行遮盖。
优选地，所述分流装置为圆柱状筒体。导流管将径流输送至分流装置的圆心位置。
优选地，所述导流管设置于分流装置的上方。
可选地，所述装置中，分流装置为圆柱设计，圆柱的直径为0.9m，高为0.8m。所述分流管的数量为9个，所述分流管的直径为Φ38mm，所述分流管的管长均为0.1m，与底面距离均为0.6m。
本发明的有益效果如下：
本发明从分流过程的泥沙水平运动流程对分流管内径流含沙率影响规律、分流过程的能量变化规律角度出发，科学设计经分流装置的中心进流和使各分流管长度相同，排除泥沙水平运动流程的不同对分流管内径流含沙率的影响，减少分流对径流流态、水力参数、能量损失等造成的影响，有效保证分流的均匀性。
本发明进一步提供了一种实现均匀分流的装置，达到均匀分流效果，有效保证集流桶(池)所采集的水沙样品充分代表分流后的水沙组成，提高径流小区径流泥沙测验精度，获取精确的、可靠的水土流失数据资料。而且本发明装置可以在现有技术的分流装置基础上进行科学改进，简单易行，设备投资成本低，具有重要的推广应用价值。
附图说明
图1径流小区现有常规设计缺陷示意图。
图2本发明均匀分流装置示意图。
图3本发明均匀分流技术示意图。
图4本发明三种进流方式的实施示意图。
图5本发明方法径流量分析折线图。
图6本发明方法含沙率分析折线图。
图7本发明方法进流点与分流管的距离s与含沙率的关系。
图8本发明装置与现有常规设计的分流误差对比。
图9本发明装置与常规设计的分沙误差对比。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。下述实施例仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。除非特别说明，下述实施例中使用的设备材料和方法为本领域常规使用的设备材料和方法。
实施例1
本实施例提供一种适用于均匀分流的装置，柱形设计，为国内广泛采用的圆筒形。
见附图2所示，所述装置由分流装置1、导流管2、分流管3、排空阀4和集流池5组成，分流装置1的底部与排空阀4相连，其中，导流管2将径流输送至分流装置1的几何中心位置，在分流装置1四周均匀布设若干个分流管3，所有分流管3必须管长相同，并在同一水平面上，集流池5与其中一个分流管3相接。
圆柱的直径为0.9m，高0.8m，9个Φ38mm的分流管均匀分布在分流装置的四周，所述分流管的管长均为0.1m，与底面距离均为0.6m。
1.“中心进流”的实施验证试验
按比例把水和泥沙配制成与相似度较高的径流，通过导流管输送到分流装置。如附图4所示，采用三种进流方式进行对比，分析项目包括所有各分流管的径流、泥沙数据，测量进流点与分流管的水平距离s，试验结果如附图5、附图6所示。
附图5、附图6分别是各分流管的径流量和含沙率分析折线图。从图中可以看出，采用非中心进流时，径流量、含沙率发生较大范围波动，各分流管分流量、泥沙量均匀性差；采用中心进流时，径流量、含沙率波动较为平缓，取得较好的均匀分流效果。
附图7是回归分析的结果图。从图中可以看出，进流点与分流管的水平距离s和含沙率呈现非常好的相关关系，相关确定系数为0.93，进一步说明采用中心进流时，保证进流点与各分流管口的水平距离相等，可有效减少分流的差异，提高均匀分流的效果。
2.“各分流管长度相同”的实施验证试验
将配制的径流以中心进流的方式进入分流装置内开展试验。发明装置的集流管和其余分流管的长度l均为0.1m；按常规径流小区分流装置的设计，仅增大集流管长度至0.2m、0.4m、0.8m，较其余分流管要长。分析项目包括集流管与其余8个分流管的分流量和泥沙量，将发明装置试验结果如表1、附图8和附图9所示。
采用本均匀分流技术设计的装置进行分流处理时(集流管长度l＝0.1m)，分流系数和分沙系数在8.87～9.41之间，与理论值9较为接近，常规设计(l＝0.2m、0.4m、0.8m)中集流管收集的径流量和泥沙量偏小，造成较大的分流误差和分沙误差，分流均匀性比发明装置的要差。这说明“各分流管长度相同”的分流技术可有效保证集流池收集的径流具有高代表性的水沙组成，有效提高了分流均匀性。
表1本发明方法与常规设计的分流系数、分沙系数对比
将本发明方法和装置经实地多次试验使用，证明本发明装置可达到均匀分流效果，有效保证集流桶(池)所采集的水沙样品充分代表分流后的水沙组成，提高径流小区径流泥沙测验精度，获取精确的、可靠的水土流失数据资料。

Claims (10)

1.一种可应用于水土保持监测的均匀分流方法，经分流装置进行分流，其特征在于，使径流从分流装置的几何中心进入，水流方向垂直于分流装置的底面，保证进流点与各分流管的水平距离相等；同时使各分流管长度相同并在同一水平面上，集流管设置与分流管相同。
2.根据权利要求1所述可应用于水土保持监测的均匀分流方法，其特征在于，所述分流管其中的一个为集流管，所述集流管与集流池相连接。
3.一种实现权利要求1所述均匀分流方法的装置，由分流装置、导流管、分流管、排空阀和集流池组成，分流装置底部与排空阀相连，其特征在于，导流管将径流输送至分流装置的几何中心位置，在分流装置四周均匀布设若干个分流管，所有分流管必须管长相同，并在同一水平面上，集流池与其中一个分流管相接。
4.根据权利要求3所述实现均匀分流方法的装置，其特征在于，所述分流管的个数为单数。
5.根据权利要求3或4所述实现均匀分流方法的装置，其特征在于，所述导流管设置于分流装置的上方。
6.根据权利要求5所述实现均匀分流方法的装置，其特征在于，所述分流装置设置有雨盖。
7.根据权利要求3所述实现均匀分流方法的装置，其特征在于，所述分流装置为圆柱状筒体，导流管将径流输送至分流装置的圆心位置。
8.根据权利要求3、4或7所述实现均匀分流方法的装置，其特征在于，所述分流装置设置有雨盖。
9.根据权利要求3所述实现均匀分流方法的装置，其特征在于，所述分流装置为圆柱，圆柱的直径为0.9m，高为0.8m；所述分流管的数量为9个。
10.根据权利要求9所述实现均匀分流方法的装置，其特征在于，所述分流管的直径为Φ38mm，所述分流管的管长均为0.1m，与底面距离均为0.6m。
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