CN110031183B - 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

一种适合研究降雨-分层径流关系的人工流域
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 (7)

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);
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小孔径闪烁仪的发射器(19)和小孔径闪烁仪的接收器(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。
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。
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: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。
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: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。
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: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。
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: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。
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: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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