CN114351792B - 一种观测沙丘潜水侧渗对穿沙河流水分补给量的方法 - Google Patents
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Abstract
本项发明提供了一种精确测定沙丘潜水侧渗对河流水分补给量的观测技术，可以实现准确测定沙丘潜水侧渗对穿沙河流的水分补给数量。本发明涉及二个部分，一是沙丘潜水侧渗收集装置，即采用沿着沙丘‑河流界面设置一定长度导流槽的方法，收集此段沙丘的潜水侧渗水量；二是沙丘潜水侧渗水量测定装置，即在导流槽末端设置流量计，测定一定长度沙丘‑河道界面在一定时间段内的渗出水流量。通过对一定时间内一定长度沙丘‑河道界面水分渗出数量的观测，计算获得单位长度/单位时间内沙丘潜水侧渗对河道的水分补给数量，观测结果可为沙区水资源管理和沙丘植被建设提供理论指导。
Description
技术领域
本发明属于沙区水文过程观测技术领域，涉及一种精确测定沙丘潜水侧渗对河流水分补给过程和数量的技术，可以实现准确测定沙丘潜水侧渗对穿沙河流的水分补给数量，观测结果可为沙区水资源管理和沙丘植被建设提供理论指导。
背景技术
流动沙丘是沙地系统的水资源贮存库之一，调控着沙区生态系统水分平衡过程。以往研究中发现，流动沙丘可以看作是沙地的一种“水资源库”，通常情况下，流动沙丘土壤含水量维持在3-4％之间，其中存储着丰富的水量，同时大气降水也可通过沙丘体土壤水的深层入渗和侧渗过程对地下水和周边区域进行水分补给，而沙丘表面的植被可看作是沙丘水资源库的调节控制器，其通过植物吸收及截留降水再分配过程，控制着沙丘对周边环境的水分补给过程。
沙丘潜水侧渗是穿沙河流水分补给的主要来源之一。穿沙河流在流经沙区时会受到沙丘潜水渗出补给，潜水补给是维持穿沙河流流量稳定的有力保障之一。以往研究发现，沙漠区域的河流存在流域内沙丘对河流水分的补给作用，一些发源于沙漠，流域几乎全部为沙漠覆盖的“沙漠型河流”，地下水补给河流水量占绝对优势。沙区每公里河岸可产生潜水渗出补给河流水量约1万立方米/日。沙区对河流的水分补给过程主要通过潜水渗出方式进行补给，通常在河流沿岸可见明显的潜水泉眼渗出(图1)。图1穿沙河流的沙丘区潜水侧渗补给过程示意图(科尔沁沙地响水河段)；
以往研究虽然明确了沙丘潜水侧渗过程对穿沙河流的水分补给作用，但对于具体的补给数量还缺乏明确的研究结果，其中关键的技术瓶颈就是沙丘侧渗对河流水量补给数量的观测方法的不足，以往对此的观测方法通常采用河流一定距离内上下游之间的流量差值方法，上下游间流量的增加值为沙丘对河流的补给数量，但这种方法中存在很多影响因素，包括：降雨的补充影响、河流水面的蒸发损失影响、河道的土壤水分入渗损失等方面，无法精确测量沙丘潜水侧渗对河流的水分补给数量。本发明可以精确观测河道沿岸沙丘潜水侧渗对河流水分补给过程和数量特征，可以为开展沙区河流流量观测以及沿岸沙丘治理工程建设提供技术指导。
发明内容
为了精确获得沿着河岸单位长度范围内的沙丘区对河流的补给水量，此项发明采用一种以沿岸开设导流槽的方法，直接观测沙区-河岸间的土壤水分运移过程，明确此河段内所获得的沙丘区水分补给数量。
目前缺乏准确测定沙丘潜水侧渗对河流补给量的观测技术，针对此问题，本项发明提供了一种精确测定沙丘潜水侧渗对河流水分补给量的技术，可以实现准确测定沙丘潜水侧渗对穿沙河流的水分补给数量。本发明涉及二个部分，一是沙丘潜水侧渗收集装置，即采用沿着沙丘-河流界面设置一定长度导流槽的方法，收集此段沙丘的潜水侧渗；二是沙丘潜水侧渗水量测定装置，即在导流槽末端设置流量计，测定一定长度沙丘-河道界面在一定时间段内的水流量。通过对一定时间内、一定长度沙丘-河道界面水分渗出数量的观测，计算获得单位长度/单位时间内沙丘潜水侧渗对河道的水分补给数量，观测结果可为沙区水资源管理和沙丘植被建设提供理论指导。
附图说明
图1穿沙河流的沙丘区潜水侧渗补给过程示意图(科尔沁沙地响水河段)；
图2沙丘-河流水分运移导流槽方法设置结构示意图；
图3导流槽装置剖面图示；
图4响水河段沙丘水分侧渗补给河流试验装置导流槽范例；
图中标识说明：1为河道，2为流向，3为河滩水位变化过渡区，4为导流槽，5为导流槽宽度，6为导流槽水流计量装置，7为导流槽长度，8为沙丘区，9为根据河流水文资料获得的河流最高水位高程，10为现实河流水位，11为河流多年平均水位高程，12为水位变化缓冲区，13为导流槽底板插入沙丘坡面部分，14为导流槽侧板高于地表高度，15为沙丘面铁网，16沙丘坡面，17为铁网固定钎，18为坡面长度。
具体实施方式
沙丘潜水侧渗收集部分：采用沿岸开设导流槽的方法，在选定的沙丘与河岸交界的界面区，依据试验区沙丘-河岸界面位置，设置适宜长度的沿岸导流槽，导流槽设置方式如图2所示：在沙丘与河岸交界的过渡区内，根据此河流的历年水文观测资料分析，获得历年河流最高水位数据，并依此数据的高程在河岸与沙丘交界区确定导流槽位置，导流槽在此高程以上位置放置，以确保导流槽上沿位置高于河流历史最高水位，保证河流水位上涨时不会淹没进入导流槽，影响观测精度；首先在上述标记位置开挖导流槽放置沟，沟宽60cm，再依据此河流的历年水文数据分析结果，获得河流年度平均水位高程，并将此设置为导流沟底部高程而明确导流沟挖掘深度；在导流沟内设置收集沙丘潜水渗出的导流槽，导流槽由3mm铁板焊制，侧向剖面呈现“L”型，导流槽底部宽度70cm,侧面高度根据导流槽放置沟深度设置，实际高度为：放置沟深度+10cm(图3),导流槽侧面板高于放置沟10cm，以防止地表水流入；每个导流槽长度为3米，以方便安装和运输，导流槽连接处采用上下叠压方式连接，水流上方叠压下方，并以防水胶密闭连接处，以防止漏水和有利水分顺流，导流槽整体长度依据现场沙丘与河岸界面情况确定；导流槽安装时，将导流槽底板横向插入沙丘侧土壤10cm深度，实际保留导流槽宽度为60cm，导流槽沿河流上下游方向设置千分之五的坡度，以方便导流槽内的水分向导流槽出口汇集。导流槽沙丘侧面铺设铁网，铁网规格根据导流槽放置沟具体尺寸设置，铁网网眼10mm×10mm,铁网用长钎横向固定于沙丘中，防止导流槽沙丘面坍塌。
沙丘潜水侧渗水量测定部分：利用导流槽收集沙丘潜水渗出水量，渗出水分沿着导流槽坡度汇集在导流槽末端并排出，在导流槽顺流末端安装水流计量装置(DX-LSX-1多普勒超声波流量计，德希科技公司)，测量单位时段内的水流数量。根据观测仪器设备功能，间隔5min观测一次流量值。
沙丘潜水侧渗对河流水量补给计算：根据沙丘与河流交界面导流槽的长度(米)，以及导流槽末端水量计观测时间段(小时)的流量读数(S)，通过计算获得每单位长度L(米)沙丘-河道界面在单位时间T(小时)内的水量补给数量W。
其中，W单位为m3/m.h；S单位为m3；L单位为m(米)；T单位为h(小时)。
图2沙丘-河流水分运移导流槽方法设置结构示意图；
图3导流槽装置剖面图示；
应用范例
地点：内蒙古自治区赤峰市翁牛特旗响水河段。
时间：2020年8月
水文资料分析：收集整理响水河1995-2019年的水位变化资料，获得每年的河流水位高程数据，从中分析获得历史最高水位高程值、1995-2019年期间河流平均水位高程值。试验期间的水位高程值现场测定获得。河岸沙丘数据现场测定获得(坡度、坡长、高度)，结果如下：
河流历史最高水位高程：520.55m
河流历年平均水位高程：518.90m
河流试验期间实际水位高程：519.42m
河岸沙丘高度：22m，坡度30度，坡面长度48m。
根据上述数据，导流槽规格如下图4所示：
图4响水河段沙丘水分侧渗补给河流试验装置导流槽范例，注：导流槽深度：最高水位-平均水位＝520.55-218.90＝1.65m，再加上地表露出0.1m，合计导流槽铁板高度1.66m。利用三角形边长计算方法(已知坡度和高度)获得放置沟位置距离河岸为2.26m。
观测范例：2020年8月11-14日，于响水河段利用本技术进行相关观测试验；导流槽规格如上所述，导流槽长度40m，深度1.66m，宽度0.6m。
表1沙丘侧渗补给河流试验观测量
备注：沙丘侧渗补给量(m3/h.m)单位为每小时每延长米河岸渗出水量(立方米)。
Claims (6)
1.一种观测沙丘潜水侧渗对穿沙河流水分补给量的方法，其特征在于：
沙丘潜水侧渗收集部分：采用沿河岸开设导流槽的方法，在选定的沙丘与河岸交界的过渡区内，依据此河流从测量之日起至之前10-30年的水文观测资料，获得河流最高水位数据，并在河岸与沙丘交界区标记此水位位置，在高于此水位的位置设置导流槽，以保证河流水位上涨时不会淹没进入导流槽，影响观测精度；首先在上述位置沿河水的流动方向开挖导流槽放置沟，其中流动方向为放置沟长度方向，沟宽40-90cm，并依据此河流的观测日之前的10-30年水文数据分析结果，获得河流多年平均水位高程，并将放置沟底部与此高程设置一致，从地表到放置沟底部高度为放置沟深度值；在放置沟内设置收集沙丘潜水渗出的导流槽，导流槽由1-8mm铁板焊制，垂直于放置沟长度方向的截面为侧向剖面，侧向剖面呈现“L”型，导流槽底部为“L”型底面，宽度40-100cm，“L”型侧面高度根据放置沟深度设置，实际高度为：放置沟深度+“5-15cm”,导流槽侧面板高于导流沟，以防止地表水流入，导流槽“L”型侧面放置于沟内靠近河流一侧；每个导流槽长度为1-5米，以方便安装和运输，导流槽沿长度方向依次顺序连接，连接处采用底面上下叠压方式连接，靠近河流上游方向的导流槽底面叠压于其下方的导流槽之上，并以防水胶密闭底面和侧边连接处，以防止漏水和有利水分顺流，导流槽整体长度依据现场沙丘与河岸界面长度确定；导流槽安装时，将导流槽底板或底面远离侧面的一端横向插入沙丘侧土壤5-10cm深度，其中横向为沿水平方向，导流沟内保留导流槽实际宽度为45-85cm，导流槽的底面沿河流流动的上下游方向设置0.3%-0.8%的坡度，上游方向高于下游方向，以利导流槽内的水分向导流槽出口汇集；放置沟的沙丘侧面竖向铺设有铁网，侧面为远离河流一侧，铁网高度和长度与导流槽高度和长度相同或相当，铁网网眼面积5mm×5mm 至10mm×10mm,铁网用钎子横向固定于沙丘中，防止导流槽沙丘面坍塌；
沙丘潜水侧渗水量测定部分：在导流槽顺着河流流动方向的最末端安装水流计量装置，计量装置为流量计，计量单位时段内的水流数量；根据观测仪器设备功能，间隔2-10min观测一次流量值；
沙丘潜水侧渗对河流水量补给量计算：根据沙丘与河流交界面导流槽的长度，以及导流槽末端水量计观测时间段的流量读数，时间段为每小时，流量读数为S，通过计算获得每单位长度L沙丘-河道界面在单位时间T内的水量补给数量W；
W= .............................................................. (1)
其中，W单位为m3/m.h； S单位为m3；L单位为m; T单位为h。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：
导流槽整体长度依据现场沙丘与河岸界面长度确定，为30-50米。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：
首先在上述位置沿河水的流动方向开挖导流槽放置沟，其中流动方向为放置沟长度方向，沟宽50-70cm。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：
在放置沟内设置收集沙丘潜水渗出的导流槽，导流槽由3-5mm铁板焊制，垂直于放置沟长度方向的截面为侧向剖面，侧向剖面呈现“L”型，导流槽底部为“L”型底面，宽度55-75cm，“L”型侧面高度根据放置沟深度设置，实际高度为：放置沟深度+“8-12cm”,导流槽侧面板高于导流沟，以防止地表水流入，导流槽“L”型侧面放置于沟内靠近河流一侧；每个导流槽长度为2-4米。
5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：
导流槽安装时，将导流槽底板或底面远离侧面的一端横向插入沙丘侧土壤8-12cm深度，其中横向为沿水平方向，导流沟内保留导流槽实际宽度为50-70cm，导流槽的底面沿河流流动的上下游方向设置0.4%-0.6%的坡度。
6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：
沙丘潜水侧渗水量测定部分：在导流槽顺着河流流动方向的最末端安装水流计量装置，计量装置为流量计，计量单位时段内的水流数量；根据观测仪器设备功能，间隔4-6min观测一次流量值。
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