CN110031183A - 一种适合研究降雨-分层径流关系的人工流域 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种人工流域，尤其是适合研究降雨‑分层径流关系的人工流域，包括三部分：人工流域的主体部分、输入部分和输出部分。主体部分包括流域边界(1)、实验土体(2)、纵向集流沟(3)和横向集流沟(4)；输入部分包括人工降雨系统(5)、(6)和测量站网。输出部分指人工流域的观测室(7)，根据集流槽的数目设置分层测流堰(9)，并配设系统的水样采集点。相对于传统意义上的利用自然实验流域降雨‑分层径流关系研究，本发明可在输入、输出和内部变量等三方面精确测量水文要素，并进行分析水样的同位素组成及水化学指标，利用这些指标的示踪作用进行研究流域水文机制。
Description
技术领域
本发明涉及一种人工流域，尤其是适合研究降雨-分层径流关系的人工流域，属于水文实验技术领域。
背景技景
降雨-径流关系是水文学与水文实验中的基本问题，也是水文模拟的主要内容。目前，研究流域的降雨-径流关系，基本采用测量降雨作为流域的输入变量，在流域出口断面测量一个总径流作为流域的输出变量，采用“黑箱”式的方式研究流域的降雨-径流关系，不能深刻揭示流域内部的水体运动规律，不能为水文模型和水文学的发展提供新的理论支持。所以，有必要设计并构建全新的水文实验设施来研究流域的降雨-径流关系，为水文模型和水文学的发展提供新方法、新数据和新理论，具有重要的科学意义和应用价值。
发明内容
本发明解决的技术问题是：构建一种人工流域，全面获取流域的输入量、输出量和内部变量，用于研究流域的降雨-分层径流关系。
为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：设计并构建一种适合研究降雨-分层径流关系的人工流域，包括三部分：人工流域的主体部分、输入部分和输出部分。
所述的主体部分包括流域边界(1)、实验土体(2)、纵向集流沟(3)和横向集流沟(4)。流域边界(1)由上游、两侧边界和底部边界都使用混凝土构建隔水边界，四周边界的形状为叶状、扇状等自然流域边界，不采用矩形等规则的边界，流域面积在100-10000m2范围内；底边界以中线分两片，两片以5-20度的倾角汇集于中线；下边界从流域上游向下游的纵向倾角在5-20度。在纵向集流沟以上区域未开沟，作为一个独立的产流区，即无沟区。在流域边界(1)内，分层回填1-5米厚的土壤作为实验土体(2)。在实验土体的中央开挖宽度为30-100cm的纵向集流沟(3)，在流域出口边界布设横向的集流沟(4)，在沟中每隔30-60cm架设多层集流槽，包括一层直接收集降雨的集流槽(25)、一层收集地表径流的集流槽(26)和若干层收集地面下径流的集流槽(27)。集流槽两侧为10-20cm的分层嵌板(21)直接切入实验土体(2)中，用于分隔不同层土壤产生的径流。
所述的流域边界(1)的隔水底板建设在坚硬的基岩面之上，建设之前应将基岩面之上的土壤和风化层去除。
所述的集流槽(25)、(26)、(27)及其两侧的平板(21)材质选用304不锈钢板，厚度为2-5mm。
所述的集流沟(3)、(4)与实验土体(2)之间设置反滤石英砂层(24)，可以使土体内产流顺畅地进入到集流沟中，同时防止泥土流失。反滤石英砂层(24)与实验土体(2)之间的界面使用尼龙网(23)隔开，反滤石英砂层与集流沟(3)、(4)之间使用不锈钢网(22)分开。反滤石英砂层宽度为10-20cm，在靠近尼龙网(23)一半为细砂(直径为0.5-1mm)，靠近不锈钢网(22)的一半为粗砂(直径为1-2mm)。
所述的实验土体(2)布设土壤水分剖面速测仪(16)来监测土壤含水率的变化；布设地下水井(15)，在井内安装压力式水位计来监测地下水位，同时预设吸水管用于抽取地下水样；在流域外两点分别布设大孔径或小孔径闪烁仪的发射器(19)和接收器(20)来监测流域的蒸散发量；在流域内实验土体的不同深度预埋陶土头(17)用于抽取土壤水样。
所述的输入部分包括人工降雨系统和测量站网。人工降雨系统包括若干个可移动式的行车喷头组(5)，布设的数量根据能保证能够覆盖整个人工流域来决定，人工降雨系统可控制的雨强在6-240mm/h范围内。在需要做人工降雨实验时，将人工降雨系统通过行车轨道(6)移动到人工流域上面；在不在人工降雨实验时，将人工降雨系统移动到人工流域外，以免影响天然降雨的测量。雨量计站网根据流域的面积和形状布设足够的雨量器(18)，实时监测人工降雨和天然降雨。
所述的雨量器(12)可采用翻斗式雨量计或称重式雨量计来测量降雨过程，也可采用标准雨量器来测量场次降雨的总量。
所述的输出部分指人工流域的观测室(7)，在观测室内，根据集流槽的数目设置分层测流堰(9)，集流槽(3)、(4)和测流堰(9)之间由弯折的导流槽(8)连接。各分层径流经过分层测流堰后，汇集到缓冲池(10)，在缓冲池的出口处设置总径流测流堰(11)。
所述的分层测流堰(13)和总径流测流堰(14)可根据流量的大小采用三角堰、矩形堰或对数堰及它们的组合。
所述的导流槽(8)和测流堰(9)之间布设分层径流采样点(28)，用于收集分层径流水样。
所述的观测室(7)布设降雨采样器，包括承雨器(12)、储水瓶(13)以及二者间的连接管(14)。
有益效果：
相对于传统意义上的利用自然实验流域降雨-径流关系研究，本发明可在输入、输出和内部变量等三方面精确测量水文要素：在输入变量方面，可精确测量输入到流域的自然降雨或人工降雨总量、过程及分布；在输出变量方面，可监测流域出口处的地表径流和不同深度土壤产生的地面下径流，这些分层径流是采用传统测量总径流方式和结构所不能获取)，以及地表的蒸散发量；在内部变量方面，可同步监测土壤含水率和地下水位。
本发明除了可实现水量的精确测量，还配备了降雨、分层径流、土壤水和地下水的采样设备，可在降雨-径流过程中采集高时间分辨率的水样，进行分析水样的同位素组成及水化学指标，利用这些指标的示踪作用进行研究流域水文机制。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是本发明的集流沟的剖面图。
图3是本发明的观察室内设计示意图。
图4是实施例中建造的人工流域水文山的隔水底板和边墙实物图。
图5是实施例中建造的人工流域水文山流域全景图。
图6是实施例中建造的人工流域水文山观测室测流断面图。
图7是水文山实测的降雨过程实例图。
图8是水文山实测的分层径流过程实例图。
图9是水文山实测的分层径流中水化学离子过程的实例图。
图中：1-人工流域边界；2-实验土体；3-纵向集流沟；4-横向集流沟；5-人工降雨行车喷头组；6-轨道；7-观测室；8-导流槽；9-分层测流堰；10-缓冲池；11-总径流测流堰；12-承雨器；13-集水瓶；14-连接管；15-地下水井；16-土壤含水率剖面速测仪；17-预埋陶土头；18-雨量器；19-小孔径闪烁仪的发射器；20-小孔径闪烁仪的接收器；21-集流槽的分层嵌板；22-不锈钢网；23-尼龙网；24-反滤石英砂；25-分层径流采样点。
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：
采用本发明的技术方案，在南京水利科学研究院滁州实验基地构建了适合研究降雨-分层径流关系的人工流域——水文山实验流域(后面简称“水文山”)。水文山建设在滁州市西部花山流域的出口附近一个倾角约为14度的山坡(118°12'34.68"E，32°17'25.75"N)。在建设水文山之前，先将山坡表层的土壤和风化层都去除，露出新鲜的安山岩基岩面，然后在这个基岩面上使用混凝土浇筑水文山的底板，作为其隔水下边界，其纵向倾角为14度，底板中线两边由两个倾角为10度的坡面相向汇合于中线(见图4)。水文山的四周边界(除了流域出口)都使用混凝土浇筑130cm高的隔水边墙。从附近农田取土，一层一层回填到水文山内，土壤的平均厚度约100cm(见图5)。整个流域的坡面面积为512m2，在水平面的投影面积为490m2。
在流域中央和出口处开挖到底板、宽度约为40cm的集流沟。在集流沟中架设了五层宽度为40cm的不锈钢集流槽，最上面一层高出地面5cm，用于收集降雨；第二层与地面齐平，收集地表径流，记作RC；下面三层集流槽的不锈钢嵌板分别切入在深度为30、60和100cm的土壤中，分别收集0-30、30-60和60-100cm土层产生的地面下径流，分别记作R30、R60和R100。
在流域上空架设了移动式人工降雨系统(见图5)，包括五组人工降雨行车，每组行车配置大、中、小喷头各26个，合计390个喷头。喷洒形成的降雨面积为656m2，可以有效覆盖整个水文山。通过控制大、中、小喷头的开度和压强，可以制造雨强10-200mm/h的人工降雨。
在水文山开展水文全要素(水量加水质)观测。在降水观测方面，安装5个雨量计和12个雨量器，雨量器型号为JQH-2；雨量计采用两个1mm翻斗式雨量计(JDZ10-1，南京水利自动化研究所)和3个0.1mm翻斗式雨量计(SL3-1，上海气象仪器厂)，测量时间分辨率为1分钟。在径流观测方面，人工流域与观测室之间通过长度为6米的连接槽将各层径流引到观测室，然后利用三角-对数堰进行测量流量。在观测室内从左到右分布槽面、地表、30cm、60cm和100cm径流(见图6)。在土壤含水率观测方面，安装31根剖面土壤含水率速测仪(PR2，Delta，英国)可测量10、20、30、40、60和100cm深度的土壤含水率。在地下水水位观测方面，水文山流域内布设了22根穿透土层到混凝土底板的钢管作为地下水井，钢管底部20cm为开孔，在地下水井中安装压力式水位计(LEV01，ADCON，奥地利)来监测地下水位，数据通过遥测终端发送到基地服务器。在蒸散发观测方面，采用两套系统测量蒸散发采小孔径闪烁仪。在水样采集方面，水文山降雨采样可以通过两种方式收集水样：一是利用分层径流槽的最上面一层的“槽面”作为大型的雨量计将降雨引到观测房内收集；二是在观测房顶安装直径为40cm的降雨采样器，通过管道将降雨引到观测房内收集。水文山径流采样采用分层径流采样系统，该系统可以快速、同步采集各层径流水样。水样采集点都在测流堰水箱之前，这样不受水箱旧水的影响。在水文山15、45、85cm深度土壤中分别埋设9、12、10个陶土头作为土壤水的采集点，早期安装后，抽水效果较好，后期因陶土头堵塞，抽水效果较差，需要重点布设陶土头。在22个地下水井中的压力式水位计上捆内径3mm、外径4mm的硬质气管作为地下水采样点。在流域两侧边墙布设负压系统将土壤水和地下水抽到采样瓶中。
根据水文山设备已测量的实验数据，目前已得到以下结论：
(1)在水文山流域内降雨总体上是均匀的，这可以从11个雨量器测得不同量级的降雨分布得到体现，其均方差在0.6mm以内(表1)，这对分析降雨在20mm以上的降雨-径流关系影响很小。因此在使用2个雨量计(分辨率0.1mm和1mm)测强降雨过程，再加2个雨量器测量8点到8点的降雨量，就可以满足测量要求。设置2个雨量器的原因，是防止人为粗大误差的出现。
表1水文山雨量器测场次降雨量记录表
(2)在观察室内设置的三角-对数堰可以精确测量降雨和分层径流过程(见图7和图8)，以及径流中水化学离子的变化过程(见图9)。在降雨大于25mm条件下，水文山四个分层径流地表径流、0-30cm、30-60cm和60-100cm的径流比例分别35.3％、17.7％、13.6％和33.4％。地面下径流为后者之和，占比约为65％，说明在大雨期间，水文流域地面下径流占优势。这些分层径流结果是采用传统测量总径流方式所不能获取，有助于我们更深入地认识水文过程。
Claims (9)
1.一种适合研究降雨-分层径流关系的人工流域，其特征在于：全面获取流域的输入量、输出量和内部变量，用于研究流域的降雨-分层径流关系，包括三部分：人工流域的主体部分、输入部分和输出部分，所述的输入部分包括人工降雨系统和测量站网，所述的输出部分指人工流域的观测室(7)，所述主体部分包括流域边界(1)、实验土体(2)、纵向集流沟(3)和横向集流沟(4)；所述流域边界(1)由四周边界和底部边界构成，所述四周边界和底部边界都使用混凝土构建隔水边界，四周边界的形状为叶状或扇状自然流域边界，不采用矩形规则的边界，流域面积100-10000m2；底部边界以中线分两片，两片以5-20度的倾角汇集于中线；底部边界从流域上游向下游的纵向倾角在5-20度；在流域边界(1)内，分层回填1-5米厚的土壤作为实验土体(2)；在实验土体(2)的中央开挖宽度为30-100cm的纵向集流沟(3)，在纵向集流沟(3)以上区域未开沟，作为一个独立的产流区，即无沟区；在流域出口边界布设横向集流沟(4)，在横向集流沟(4)中每隔30-60cm架设多层集流槽，包括一层直接收集降雨的集流槽(25)、一层收集地表径流的集流槽(26)和若干层收集地面下径流的集流槽(27)；集流槽两侧为10-20cm的分层嵌板(21)直接切入实验土体(2)中，用于分隔不同层土壤产生的径流，在人工流域的观测室(7)内，根据集流槽的数目设置分层测流堰(9)，纵向集流沟(3)、横向集流沟(4)和分层测流堰(9)之间由弯折的导流槽(8)连接；各分层径流经过分层测流堰(9)后，汇集到缓冲池(10)，在缓冲池(10)的出口处设置总径流测流堰(11)。
2.根据权利要求1所述的适合研究降雨-分层径流关系的人工流域，其特征在于：所述的实验土体(2)布设土壤水分剖面速测仪(16)来监测土壤含水率的变化；布设地下水井(15)，在井内安装压力式水位计来监测地下水位，同时预设吸水管用于抽取地下水样；在流域外两点分别布设大孔径或小孔径闪烁仪的发射器(19)和接收器(20)来监测流域的蒸散发量；在流域内实验土体的不同深度预埋陶土头(17)用于抽取土壤水样。
3.根据权利要求1所述的适合研究降雨-分层径流关系的人工流域，其特征在于：所述流域边界(1)的隔水底板建设在坚硬的基岩面之上，建设之前应将基岩面之上的土壤和风化层去除。
4.根据权利要求1所述的适合研究降雨-分层径流关系的人工流域，其特征在于：所述的直接收集降雨的集流槽(25)、收集地表径流的集流槽(26)、收集地面下径流的集流槽(27)及其两侧的分层嵌板(21)材质选用304不锈钢板，厚度为2-5mm。
5.根据权利要求1所述的适合研究降雨-分层径流关系的人工流域，其特征在于：纵向集流沟(3)和横向集流沟(4)与实验土体(2)之间设置反滤石英砂层(24)，可以使土体内产流顺畅地进入到集流沟中，同时防止泥土流失；反滤石英砂层(24)与实验土体(2)之间的界面使用尼龙网(23)隔开，反滤石英砂层(24)与纵向集流沟(3)和横向集流沟(4)之间使用不锈钢网(22)分开；反滤石英砂层(24)宽度为10-20cm，在靠近尼龙网(23)一半为细砂，直径为0.5-1mm，靠近不锈钢网(22)的一半为粗砂，直径为1-2mm。
6.根据权利要求1所述的适合研究降雨-分层径流关系的人工流域，其特征在于：布设人工降雨系统和测量站网，人工降雨系统包括若干个可移动式的行车喷头组(5)，布设的数量根据能保证能够覆盖整个人工流域来决定，人工降雨系统可控制的雨强在6-240mm/h范围内，在需要做人工降雨实验时，将人工降雨系统通过行车轨道(6)移动到人工流域上面；在不在人工降雨实验时，将人工降雨系统移动到人工流域外，以免影响天然降雨的测量，雨量计测量站网根据流域的面积和形状布设足够的雨量器(18)，实时监测人工降雨和天然降雨。
7.根据权利要求1所述的适合研究降雨-分层径流关系的人工流域，其特征在于：分层测流堰(9)和总径流测流堰(11)可根据流量的大小采用三角堰、矩形堰或对数堰及它们的组合。
8.根据权利要求1所述的适合研究降雨-分层径流关系的人工流域，其特征在于：不仅可利用直接收集降雨的集流槽(25)最上面一层可直接收集降雨，还可利用在观测室(7)上由承雨器(12)、储水瓶(13)以及二者间的连接管(14)构成的降雨采样器进行采集降雨。
9.根据权利要求1所述的适合研究降雨-分层径流关系的人工流域，其特征在于：所述的导流槽(8)和测流堰(9)之间布设分层径流采样点(28)，用于收集分层径流水样。
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| CN110031183B (zh) | 2024-02-13 |
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