CN107656326A - 一种森林雨量站 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种森林雨量站，属于森林水文学、生态学技术领域，包括林上总降雨测量装置、穿透雨测量装置和树干茎流测量装置。林上总降雨测量装置包括从地面架设的高于树林的梯子式高杆、杆顶布设的翻斗式雨量计和固定高杆的钢索。穿透雨测量装置包括两根主梁、平行于主梁的边梁、两根垂直于主梁的边梁、两根主柱和四根边柱、若干斜梁、若干栏杆、两个带有滤网的大漏斗、两个缓冲桶中、两根软管和两个翻斗式流量计，以及使用强磁片固定的多层塑料布。树干茎流测量装置包括树干上安装截流槽、软管和翻斗式流量计。通过准确监测得到林上总降雨、穿透雨测量和树干茎流，计算得到冠层截留量更为准确，为森林水文学、生态学研究提供科学依据。

Description

一种森林雨量站

技术领域

本发明涉及一种森林雨量站，尤其是一种能够准确、实时计量林上总降雨量、穿透雨量、树干茎流量和截留量的森林雨量站，属于森林水文学和森林生态学技术领域。

背景技术

降雨落到树木冠层，其中一部分被树木枝叶截留，一部分穿过冠层落到地面(即穿透雨)，一部分由树枝汇流经树干到达根部(即树干茎流)。树木对降雨的再分配作用，改变了降雨到达地面的分布格局，使林下降雨分布不均匀，产生与非森林地区不同的产流机制。林下降雨分布不均匀性势必导致林下土壤水分、养分、微生物和低矮植物的分布发生变化。因此，开展准确、实时计量林上总降雨量、穿透雨量、树干茎流量和冠层截留量的研究，具有重要的森林水文、生态学意义。

根据水量平衡，林上总降雨量应等于穿透雨量、树干茎流量、截留量三者之和。目前，一般是在森林外的地面上布设雨量计测量的降雨量来代替林上总降雨量，但由于降雨在不同高度受风的影响，这种测量得到降雨量并不能完全等于林上总降雨。树干茎流量通常是通过在树干上安装截流槽再通过导管流到蓄水桶或翻斗式雨量计中获得，但由于蓄水桶容量有限且不能计量树干茎流的过程，在大雨量情况下如果不及时计量并倒水，则会导致溢流；由于翻斗式雨量计的适用雨强一般小于4mm/min，当大于这个雨强时，翻斗式雨量计不能准确计量树干茎流量。目前，穿透雨是通过在林下布设多个集水器或V形集水槽(如CN205656323U的专利所公开的设计)先测得点或小面积上的雨量，然后通过面积换算得穿透雨量。由于林下的穿透雨分布很不均匀，这就难以保证所测穿透量的准确性。冠层截留量本身不能直接测量得到，只能测量得到林上总降雨量、穿透雨量和树干茎流量后，计算得到冠层截留量。由于目前测量前三者的方法存在误差，势必导致截留量的计算也存在较大的误差。因此，目前仍缺少能同时准确测量林上总降雨量、穿透雨量和树干茎流量的装置，限制了森林水文学和生态学研究的发展。

发明内容

本发明解决的技术问题是：提出一种能够准确、实时计量林上总降雨量、穿透雨量、树干茎流量和冠层截留量的森林雨量站，可为研究人员开展野外森林水文、生态学研究提供准确、实时的数据。

本发明的目的在于针对上述情况提供一种能够准确、实时计量林上总降雨量、穿透雨量、树干茎流量和冠层截留量的森林雨量站，可为研究人员开展野外森林水文、生态学研究提供准确、实时的数据。

为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种森林雨量站，包括林上总降雨测量装置、穿透雨测量装置和树干茎流测量装置，所述的林上总降雨测量装置包括从地面架设高于树林的梯子式高杆(1)、杆顶布设的翻斗式雨量计(2)和固定高杆的钢索(3)；所述穿透雨测量装置包括两根主梁(4)、平行于主梁的边梁(6)、两根垂直于主梁的边梁(7)、两根主柱(5)和四根边柱(8)、若干斜梁(9)、若干栏杆(10)、两个带有滤网的大漏斗(11)、两个缓冲桶(12)、两根软管(13)和两个1-3升/斗的翻斗式流量计(14)，以及使用强磁片固定的多层塑料布；所述树干茎流测量装置包括高于主梁(4)30-40cm处的树干上安装截流槽(15)、软管(13)和0.4-0.6升/斗的翻斗式流量计(16)。

优选的，所述穿透雨测量装置由两根主梁(4)架在树干(17)两侧，由四根中柱(5)支撑主梁(4)，并且向穿透雨测量装置出口方向小角度，5-10度倾斜；架设长方形边框涵盖监测树群的树冠整体投影，边框由两根平行于主梁的边梁(6)和两根垂直于主梁的边梁(7)构成，由四根边柱(8)支撑，整个边框的高度低于主梁(4)30-40cm；平行于主梁的两根边梁(6)与主梁(4)之间由若干斜梁(9)连接；在平行于主梁的两根边梁(6)和两头的斜梁(9)之上10-20cm设置栏杆(10)；以上所述的主梁(4)、中柱(5)、平行于主梁的边梁(6)、垂直于主梁的边梁(7)、边柱(8)和栏杆(10)由长4-8cm、宽3-5cm、厚0.4-0.6cm的镀锌方铁管进行切割焊接而成；使用多层厚塑料布覆盖主梁(4)和两侧斜梁(9)，贴合平行于主梁的两根第一边梁(6)和两头的斜梁(9)后抬起后翻过栏杆，最后使用强磁片将塑料布固定；塑料布在树干处开洞穿过树干，在开洞处使用防水胶封住树干与塑料布之间的缝，防止部分穿透雨沿缝流入地面；这样建立具有一定坡度的房顶式集水装置将穿透雨全部汇集到两个出口，通过带有滤网的大漏斗(11)流入到缓冲桶(12)中，再由软管(13)将缓冲桶的水输送到1-3升/斗的翻斗式流量计(14)进行测量穿透雨量；针对两个穿透雨汇流出口，各设置一个1-3升/斗的翻斗式流量计(14)。

优选的，采用由两根直径大于10cm的镀锌铁管构成的梯子式高杆(1)，在杆顶布设翻斗式雨量计(2)，杆顶由三根钢索(3)沿三个方向固定在地面上。

优选的，在高于主梁30-50cm处的树干上安装截流槽(15)，通过软管(13)流到0.4-0.6升/斗的翻斗式流量计(16)中测量树干茎流量；截流槽(15)的安装需要在磨平树干(17)树皮后环绕2-4cm厚的珍珠棉泡沫板，形成泡沫环(18)，在泡沫环外环绕2-4mm的硅胶板(19)，硅胶板的上沿高于泡沫环(18)4-6cm；使用扎带将泡沫环(18)和硅胶板(19)固定在树干上；将一根内径1-2cm的硬管(20)嵌在泡沫环(18)的接缝处，然后在泡沫环(18)上注入玻璃胶，将泡沫环(18)与树干(17)、硅胶板(19)、硬管(20)之间的缝都堵死，这样就形成了闭合的截流槽(15)；各棵树分别设置一个0.4-0.6升/斗的翻斗式流量计(16)独立测量树干茎流。

优选的，可以通过软管将两侧收集的穿透雨汇流到一个1-3升/斗的翻斗式流量计(14)中来计量总的穿透雨量，将多棵树干茎流截流槽(15)的水汇流到一个0.4-0.6升/斗的翻斗式流量计(16)中来计量多棵树的总树干茎流量。

有益效果：

本发明的森林雨量站包括三部分：林上总降雨测量装置、穿透雨测量装置和树干茎流测量装置。林上总降雨测量装置是从地面架设高于树林的梯子式高杆，在杆顶布设翻斗式雨量计，用于测量林上总降雨量。穿透雨测量装置是以代表性的两到三棵树划定范围，建立具有一定坡度的房顶式集水装置将穿透雨全部汇集到两个出口，通过带有滤网的大漏斗流入到缓冲桶中，再由软管将缓冲桶的水输送到1-2升/斗的翻斗式流量计进行测量穿透雨量。树干茎流测量装置是在高于主梁30-50cm处的树干上安装截流槽，通过导管流到0.5升/斗的翻斗式流量计测量树干茎流量。

所述的林上总降雨测量装置的高杆采用由两根直径大于10cm的镀锌铁管构成的梯子式高杆，杆顶由三根钢索沿三个方向固定在地面。

所述的穿透雨测量装置由两根主梁架在树干两侧，由四根中柱支撑主梁，并且向集水面出口小角度倾斜。长方形边框涵盖监测树群的树冠整体投影，边框由两根平行于主梁的边梁和两根垂直于主梁的边梁构成，由四根边柱支撑，整个边框的高度低于主梁30-40cm。平行于主梁的两根边梁与主梁之间由若干斜梁连接。在平行于主梁的两根边梁和两头的斜梁之上10-20cm设置栏杆。使用多层加厚塑料布覆盖主梁和两侧斜梁，贴合平行于主梁的两根边梁和两头的斜梁后抬起后翻过栏杆，最后使用强磁片将塑料布固定。塑料布在树干处开洞穿过树干，在开洞处使用防水胶封住树干与塑料布之间的缝，防止部分穿透雨沿缝流入地面。

所述的树干茎流测量装置需要在磨平树干后环绕3-5cm厚的珍珠棉泡沫板，形成泡沫环，然后在泡沫环外环绕2-4mm的硅胶板，硅胶板的上沿高于泡沫板4-6cm。使用扎带将泡沫环和硅胶板固定在树干上。将一根内径1-2cm的硬管嵌在泡沫环的接缝处，然后在泡沫环上注入玻璃胶，将泡沫环与树皮、硅胶板、硬管之间的缝都堵死，这样就形成了所述的树干茎流测量装置中的截流槽。截流槽通过硬管连接软管接入到0.4-0.6升/斗的翻斗式流量计内计量树干茎流。

所述的林上总降雨测量装置的梯子式高杆可以减少杆顶的晃动，可保证雨量计的稳定计数，也便于工作人员爬上杆对雨量计检查维护。

所述的穿透雨测量装置可以完全、高效地收集林下穿透雨，不需要进行面积换算，能更准确测量穿透雨的总量和过程变化。

所述的树干茎流测量装置采用的是具有弹性的泡沫板、硅胶板和玻璃胶，可以快速简易安装，在不会影响树木正常生长的基础上进行准确、实时计量树干茎流。

通过准确监测得到林上总降雨、穿透雨测量和树干茎流，计算得到冠层截留量更为准确，进而可计算得到冠层截留量、穿透雨测量和树干茎流占林上总降雨的比例，为森林水文学、生态学研究提供科学依据。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图及实施例1示意图。

图中：1-梯子式高杆；2-翻斗式雨量计；3-钢索；4-主梁；5-中柱；6-平行于主梁的边梁；7-垂直于主梁的边梁；8-边柱；9-斜梁；10-栏杆；11-带有滤网的大漏斗；12-缓冲桶；13软管；14-1-3升/斗的翻斗式流量计；15-树干茎流截流槽；16-0.4-0.6升/斗的翻斗式流量计。

图2是树干茎流截流槽的俯视图。

图中：17-树干；18-泡沫环；19-硅胶板；20-硬管。

图3是实施例2森林雨量站的示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明的技术方案再作进一步详细说明。

实施例1：

如图1所示，一种森林雨量站包括三部分：林上总降雨测量装置、穿透雨测量装置和树干茎流测量装置。

林上总降雨测量装置采用由两根直径大于10cm的镀锌铁管构成的梯子式高杆1，在杆顶布设翻斗式雨量计2，杆顶由三根钢索3沿三个方向固定在地面。

穿透雨测量装置由两根主梁4架在树干17两侧，由四根中柱5支撑主梁，并且向穿透雨测量装置出口方向小角度倾斜小于10度。架设长方形边框涵盖监测树群的树冠整体投影，边框由两根平行于主梁的边梁6和两根垂直于主梁的边梁7构成，由四根边柱8支撑，整个边框的高度低于主梁30cm。平行于主梁的两根边梁6与主梁4之间由若干斜梁9连接。在平行于主梁的两根边梁6和两头的斜梁9之上10-20cm设置栏杆10。以上所述的主梁4、中柱5、平行于主梁的边梁6、垂直于主梁的边梁7、边柱8和栏杆10皆由长4-8cm、宽3-5cm、厚0.4-0.6cm的镀锌方铁管进行切割焊接而成。使用多层加厚塑料布覆盖主梁4和两侧斜梁9，贴合平行于主梁的两根边梁6和两头的斜梁9后抬起后翻过栏杆，最后使用强磁片将塑料布固定。塑料布在树干处开洞穿过树干，在开洞处使用防水胶封住树干与塑料布之间的缝，防止部分穿透雨沿树干流入地面。这样建立具有一定坡度的房顶式集水装置将穿透雨全部汇集到两个出口，通过带有滤网的大漏斗11流入到缓冲桶12中，再由软管13将缓冲桶12的水输送到1-3升/斗的翻斗式流量计14中进行测量穿透雨量。针对两个穿透雨汇流出口，各设置一个1-3升/斗的翻斗式流量计14。

树干茎流测量装置在高于主梁30-50cm处的树干上安装截流槽15，通过软管13流到0.4-0.6升/斗的翻斗式流量计16测量树干茎流量。如图2所示，截流槽15的安装需要在磨平树干17树皮后环绕2-4cm厚的珍珠棉泡沫板，形成泡沫环18，在泡沫环外环绕2-4mm的硅胶板19，硅胶板的上沿高于泡沫环4-6cm。使用扎带将泡沫环18和硅胶板19固定在树干上。将一根内径1-2cm的硬管20嵌在泡沫环18的接缝处，然后在泡沫环18上注入玻璃胶，将泡沫环18与树皮、硅胶板19、硬管20之间的缝都堵死，这样就形成了所述的树干茎流测量装置中的截流槽15。各棵树分别设置一个0.4-0.6升/斗的翻斗式流量计16独立测量树干茎流。

下面以在南京水利科学研究院滁州水文实验基地南大洼森林流域的对比实验为实例，来体现本发明的有益效果。在南大洼森林流域内按照本发明的方案建造了一个4m×8.5m的森林雨量站，同时在其附近建立25m×25m的样方，在样方内采用传统的方式布设了25个雨量器测量穿透雨，17个树干茎流装置监测树干茎流。表1给出森林雨量站和样方2017年8月12日至9月16日期间5场降雨的测量结果，由结果可知：森林雨量站测得的树干茎流(均值3.3mm)要大于样方的测算值(均值2.1mm)。这是由于林下穿透雨分布非常不均，导致少量的雨量器测量的穿透雨偏大(森林雨量站和样方的穿透雨均值分别为17.7mm和21.0mm)，进而导致树干茎流偏小。由森林雨量站计算得到冠层截留量(均值5.0mm)要大于样方的计算值(均值2.9mm)。由对比结果可知，本发明所公布的森林雨量站能获取比传统测量方式更准确可靠的结果。

表1森林雨量站和样方测量降雨的对比结果

实施例2：

在实施例1的基础上，如果不考虑具体计量各棵树的树干茎流和两侧穿透雨集水面的流量，如图3所示，可通过软管将所有树干茎流汇流到一个0.4-0.6升/斗的翻斗式流量计16，将两个缓冲桶12的出流汇集到一个1-3升/斗的翻斗式流量计14中，这样可以节省成本。

本发明的不局限于上述实施例所述的具体技术方案，凡采用等同替换形成的技术方案均为本发明要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种森林雨量站，包括林上总降雨测量装置、穿透雨测量装置和树干茎流测量装置，其特征在于：所述的林上总降雨测量装置包括从地面架设高于树林的梯子式高杆(1)、杆顶布设的翻斗式雨量计(2)和固定高杆的钢索(3)；所述穿透雨测量装置包括两根主梁(4)、平行于主梁的边梁(6)、两根垂直于主梁的边梁(7)、两根主柱(5)和四根边柱(8)、若干斜梁(9)、若干栏杆(10)、两个带有滤网的大漏斗(11)、两个缓冲桶(12)、两根软管(13)和两个1-3升/斗的翻斗式流量计(14)，以及使用强磁片固定的多层塑料布；所述树干茎流测量装置包括高于主梁(4)30-40cm处的树干上安装截流槽(15)、软管(13)和0.4-0.6升/斗的翻斗式流量计(16)。

2.根据权利要求1所述的森林雨量站，其特征在于：所述穿透雨测量装置由两根主梁(4)架在树干(17)两侧，由四根中柱(5)支撑主梁(4)，并且向穿透雨测量装置出口方向小角度，5-10度倾斜；架设长方形边框涵盖监测树群的树冠整体投影，边框由两根平行于主梁的边梁(6)和两根垂直于主梁的边梁(7)构成，由四根边柱(8)支撑，整个边框的高度低于主梁(4)30-40cm；平行于主梁的两根边梁(6)与主梁(4)之间由若干斜梁(9)连接；在平行于主梁的两根边梁(6)和两头的斜梁(9)之上10-20cm设置栏杆(10)；以上所述的主梁(4)、中柱(5)、平行于主梁的边梁(6)、垂直于主梁的边梁(7)、边柱(8)和栏杆(10)由长4-8cm、宽3-5cm、厚0.4-0.6cm的镀锌方铁管进行切割焊接而成；使用多层厚塑料布覆盖主梁(4)和两侧斜梁(9)，贴合平行于主梁的两根第一边梁(6)和两头的斜梁(9)后抬起后翻过栏杆，最后使用强磁片将塑料布固定；塑料布在树干处开洞穿过树干，在开洞处使用防水胶封住树干与塑料布之间的缝，防止部分穿透雨沿缝流入地面；这样建立具有一定坡度的房顶式集水装置将穿透雨全部汇集到两个出口，通过带有滤网的大漏斗(11)流入到缓冲桶(12)中，再由软管(13)将缓冲桶的水输送到1-3升/斗的翻斗式流量计(14)进行测量穿透雨量；针对两个穿透雨汇流出口，各设置一个1-3升/斗的翻斗式流量计(14)。

3.根据权利要求1所述的森林雨量站，其特征在于：所述林上总降雨测量装置，其特征在于：采用由两根直径大于10cm的镀锌铁管构成的梯子式高杆(1)，在杆顶布设翻斗式雨量计(2)，杆顶由三根钢索(3)沿三个方向固定在地面上。

4.根据权利要求1所述的森林雨量站，其特征在于：所述的树干茎流测量装置，其特征在于：在高于主梁30-50cm处的树干上安装截流槽(15)，通过软管(13)流到0.4-0.6升/斗的翻斗式流量计(16)中测量树干茎流量；截流槽(15)的安装需要在磨平树干(17)树皮后环绕2-4cm厚的珍珠棉泡沫板，形成泡沫环(18)，在泡沫环外环绕2-4mm的硅胶板(19)，硅胶板的上沿高于泡沫环(18)4-6cm；使用扎带将泡沫环(18)和硅胶板(19)固定在树干上；将一根内径1-2cm的硬管(20)嵌在泡沫环(18)的接缝处，然后在泡沫环(18)上注入玻璃胶，将泡沫环(18)与树干(17)、硅胶板(19)、硬管(20)之间的缝都堵死，这样就形成了闭合的截流槽(15)；各棵树分别设置一个0.4-0.6升/斗的翻斗式流量计(16)独立测量树干茎流。

5.根据权利3或4所述的森林雨量站，其特征在于：所述的翻斗式流量计，其特征在于：可以通过软管将两侧收集的穿透雨汇流到一个1-3升/斗的翻斗式流量计(14)中来计量总的穿透雨量，将多棵树干茎流截流槽(15)的水汇流到一个0.4-0.6升/斗的翻斗式流量计(16)中来计量多棵树的总树干茎流量。