專(zhuān)利名稱(chēng)：薄層坡地壤中流測(cè)定系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及薄層坡地壤中流測(cè)定系統(tǒng)，屬于水文學(xué)和水土保持技術(shù)領(lǐng)域，用于自然、人工坡地水文過(guò)程、水分和養(yǎng)分運(yùn)移的系統(tǒng)測(cè)定。
背景技術(shù)：
我國(guó)長(zhǎng)江上游廣泛分布薄層土壤坡地，如紫色土、黃壤，二者均為重要的耕地資源。其中紫色土集中分布在四川省與重慶市(三峽庫(kù)區(qū))，僅四川盆地面積達(dá)16萬(wàn)km2，黃壤在西南山地面積達(dá)30萬(wàn)km2，紫色土與黃壤坡地土層淺薄(30～90cm)，下伏透水性較弱的泥巖、頁(yè)巖、板巖。紫色土與黃壤分布區(qū)氣候濕潤(rùn)，年降雨量大都在800～1200mm之間，由于土層淺薄，下伏透水性弱的基巖，降雨入滲進(jìn)入土壤很快到達(dá)母巖而難于繼續(xù)下滲，土壤水分常處于飽和(蓄滿)狀態(tài)，坡向勢(shì)能使土壤重力水沿坡向下運(yùn)移，形成壤中流。壤中流與地表徑流、地下徑流一起構(gòu)成徑流過(guò)程，是土壤水分再分配、地下水補(bǔ)給和水分循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，對(duì)流域徑流、洪水過(guò)程和流域水文循環(huán)具有相當(dāng)重要的作用，初步估計(jì)，壤中流約占紫色土與黃壤坡地徑流的50％。但是壤中流測(cè)定的最大難點(diǎn)在于無(wú)法確定地下水流途徑和匯流區(qū)域。
徑流測(cè)定是陸地水文學(xué)研究的基礎(chǔ)，常規(guī)坡地徑流小區(qū)僅能測(cè)定地表徑流，而無(wú)法測(cè)定壤中流(或亞表層土壤流)；滲漏池可用于測(cè)定平地系統(tǒng)的水分滲漏，僅能反映單點(diǎn)水分入滲，難以確定流量，而坡地滲漏池目前未曾建立。由于壤中流判定相當(dāng)困難，壤中流動(dòng)態(tài)過(guò)程的監(jiān)測(cè)與通量計(jì)算也成為水文研究中的一個(gè)難題。水文學(xué)中通常在坡面采用染色劑示蹤方法確定壤中流路徑，但染色劑因土壤吸附導(dǎo)致顏色消退甚至無(wú)法判斷，且地表徑流的影響也相當(dāng)大；由于分餾與前處理過(guò)于繁瑣等因素，采用同位素示蹤或其他化學(xué)示蹤物進(jìn)行研究時(shí)也使得定量精度受到影響；地塊尺度上還采用土壤水勢(shì)測(cè)定，利用公式估算水通量，但需安裝多個(gè)探頭，而且也難以確定匯流面積；而采用水文學(xué)中的基流(Base flow)圖形分割方法可在小流域尺度估算壤中流，但定量精度不足。以上方法都難以直接測(cè)定壤中流，在實(shí)踐中無(wú)法確定匯流面積和徑流來(lái)源。
綜上所述，常規(guī)坡地徑流測(cè)定系統(tǒng)由于設(shè)計(jì)缺陷和技術(shù)缺乏，難以準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)壤中流過(guò)程與通量，導(dǎo)致對(duì)坡地徑流過(guò)程的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)缺乏。而長(zhǎng)江上游由于降雨豐富，洪澇災(zāi)害與季節(jié)性干旱交替發(fā)生，而壤中流占據(jù)雨季徑流的50％但卻疏于認(rèn)識(shí)，嚴(yán)重影響土壤水量、洪峰水位等重要參數(shù)估算。因此，系統(tǒng)了解長(zhǎng)江上游坡地徑流過(guò)程尤其是壤中流過(guò)程對(duì)于長(zhǎng)江流域的水土保持、防洪與水環(huán)境安全有重要意義和迫切的技術(shù)需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)坡地徑流測(cè)定的不完整和技術(shù)上的不足，特別針對(duì)現(xiàn)有徑流小區(qū)無(wú)法測(cè)定壤中流的缺陷，提供一種薄層坡地壤中流測(cè)定系統(tǒng)，用于直接監(jiān)測(cè)坡地壤中流徑流動(dòng)態(tài)與水通量；該系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、構(gòu)造簡(jiǎn)單，可用于水文要素、水分平衡和養(yǎng)分滲漏等綜合定量測(cè)定，為水利工程的水量估算、水資源開(kāi)發(fā)和水土保持工程設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
本發(fā)明以上目的可以通過(guò)以下措施實(shí)現(xiàn)薄層坡地壤中流測(cè)定系統(tǒng)，其特點(diǎn)在于由水系獨(dú)立完整的坡地徑流小區(qū)、壤中流和地表匯流測(cè)定系統(tǒng)構(gòu)成；坡地徑流小區(qū)由深達(dá)基巖面的水泥磚墻隔斷上部與側(cè)部水流，構(gòu)成水系獨(dú)立完整的坡地徑流小區(qū)，在該徑流小區(qū)下方土壤與巖石或母質(zhì)界面處建立壤中流匯流測(cè)定系統(tǒng)，收集測(cè)定整個(gè)徑流小區(qū)的壤中流，并通過(guò)地表徑流匯流測(cè)定系統(tǒng)測(cè)定地表徑流，使得該系統(tǒng)能夠同時(shí)測(cè)定坡地壤中流與地表徑流，完整反映坡地徑流分配過(guò)程和動(dòng)態(tài)，揭示坡地徑流過(guò)程規(guī)律，同時(shí)根據(jù)測(cè)定結(jié)果及匯流面積，直接計(jì)算徑流通量。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于(1)本發(fā)明建立了水系獨(dú)立完整的坡地徑流小區(qū)。通過(guò)土壤剖面劃分，尤其劃分出薄層坡地土壤與母巖的界面，整個(gè)小區(qū)四周由水泥隔墻隔斷，水泥隔斷深至不透水層，周邊的水分無(wú)法進(jìn)入小區(qū)，小區(qū)水系獨(dú)立而不受外來(lái)水分的影響。
(2)本發(fā)明能夠直接測(cè)定壤中流。因紫色土、黃壤等土壤淺薄，基巖為透水性弱的泥頁(yè)巖，土壤水分下滲至基巖難于繼續(xù)垂直移動(dòng)，而沿土壤與巖石界面?zhèn)认蜻w移匯集而成為壤中流，并自土壤-基巖界面流出。該發(fā)明從設(shè)計(jì)上考慮到壤中流的產(chǎn)流、匯流機(jī)制，通過(guò)匯流槽、導(dǎo)流管、測(cè)定池等設(shè)置，建立了坡面壤中流匯流、導(dǎo)流、測(cè)定緊密銜接的整體，因此能夠直接測(cè)定壤中流產(chǎn)匯流過(guò)程，同時(shí)壤中流坡面匯流面積明確，可通過(guò)測(cè)定結(jié)果直接計(jì)算壤中流流量。
(3)本發(fā)明明確區(qū)分了壤中流與地表徑流路徑，二者可同時(shí)測(cè)定。薄層坡地土壤壤中流通過(guò)土壤-基巖界面遷移匯流，地表徑流沿土壤表面順坡遷移匯流，徑流路徑各不相同，而壤中流與地表徑流的匯流、導(dǎo)流與測(cè)定構(gòu)件自成體系，互不干擾，因此，該發(fā)明不僅能明確區(qū)分地表徑流與壤中流，而且可同時(shí)測(cè)定。


圖1為本發(fā)明的薄層坡地壤中流測(cè)定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明的水系獨(dú)立完整的坡地徑流小區(qū)示意圖；圖3為本發(fā)明的壤中流匯流測(cè)定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明的壤中流匯流槽反濾層結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明的地表徑流匯流測(cè)定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明測(cè)定系統(tǒng)由水系獨(dú)立完整的坡地徑流小區(qū)1、壤中流匯流測(cè)定系統(tǒng)2和地表徑流匯流測(cè)定系統(tǒng)3構(gòu)成；水系獨(dú)立完整的坡地徑流小區(qū)1由深達(dá)基巖下的水泥磚墻構(gòu)成，隔斷上部與側(cè)部水流，在該徑流小區(qū)1的下部土壤與巖石-界面處建立壤中流匯流收集系統(tǒng)2，收集整個(gè)徑流小區(qū)的壤中流，然后通過(guò)地表徑流匯流測(cè)定系統(tǒng)3收集測(cè)定地表徑流。薄層坡地土壤壤中流通過(guò)土壤-基巖界面遷移匯流，地表徑流沿土壤表面順坡遷移匯流，徑流路徑各不相同，而壤中流與地表徑流的匯流、導(dǎo)流與測(cè)定構(gòu)件自成體系，互不干擾，因此，該發(fā)明不僅能明確區(qū)分地表徑流與壤中流，而且二者可同時(shí)測(cè)定。因此能夠完全反映坡地徑流分配過(guò)程和動(dòng)態(tài)，揭示坡地徑流過(guò)程規(guī)律，同時(shí)根據(jù)壤中流和地表徑流測(cè)定結(jié)果與匯流面積，直接計(jì)算單位面積徑流通量。
如圖2所示，水系獨(dú)立完整的坡地徑流小區(qū)(1)四周均用深達(dá)基巖面以下的水泥磚墻分隔，水泥磚墻11、12、13分別為側(cè)面、上邊和下邊隔墻，其目的是阻止小區(qū)外的水分進(jìn)入而影響小區(qū)水系的獨(dú)立性。根據(jù)土壤水分沿土壤-巖石界面遷移的水流機(jī)制，在土壤-基巖界面設(shè)置有壤中流匯流測(cè)定系統(tǒng)2；而根據(jù)地表徑流流動(dòng)與匯集原理，在土壤表面設(shè)置地表徑流測(cè)定系統(tǒng)3。
如圖3所示，本發(fā)明中的壤中流匯流測(cè)定系統(tǒng)2由匯流槽21、壤中流匯流導(dǎo)流管22、壤中流分流池23、壤中流分流孔24、壤中流分流導(dǎo)流管25、壤中流測(cè)量池26，在坡地徑流小區(qū)1的下方按照土壤剖面發(fā)育特點(diǎn)，在土壤與基巖界面建立壤中流匯流槽21，再于匯流槽21最低點(diǎn)建立導(dǎo)流管22，將匯流槽21與壤中流分流池23連接起來(lái)(分流池僅有1個(gè))，徑流通過(guò)壤中流分流孔24和壤中流分流導(dǎo)流管25進(jìn)入壤中流測(cè)量池26，在壤中流測(cè)量池26安裝可開(kāi)關(guān)的壤中流排污孔27，且壤中流測(cè)量池26四周和底部28均用水泥密封。通過(guò)匯流槽21、分流池23、測(cè)量池26等組分與導(dǎo)流管22和壤中流分流導(dǎo)流管25有機(jī)銜接，使整個(gè)徑流小區(qū)1的土壤水分下滲、壤中流流動(dòng)與匯集路徑與匯流測(cè)定體系2融為一體，因此可有效測(cè)定壤中流過(guò)程。在降雨產(chǎn)流事件中，通過(guò)壤中流導(dǎo)流管22將徑流小區(qū)1產(chǎn)生的壤中流導(dǎo)入分流池，大降雨事件中多余的壤中流通過(guò)分流孔24自由排放，需測(cè)定的壤中流經(jīng)分流導(dǎo)流管25進(jìn)入測(cè)量池，產(chǎn)流結(jié)束后分別測(cè)定分流池和測(cè)定池的流量。利用此系統(tǒng)可測(cè)定歷次降雨事件中的壤中流徑流過(guò)程和通量。
本實(shí)施例中壤中流分流池分流孔24直徑相同，均水平排列于壤中流分流池23的上部，以保證準(zhǔn)確分流。導(dǎo)流管22、分流池23、分流孔24、分流導(dǎo)流管25、測(cè)量池26的容積和尺寸均按照最大暴雨產(chǎn)流速率和流量來(lái)設(shè)計(jì)，最大分流孔數(shù)的設(shè)置也依照此原則。本發(fā)明實(shí)例中，導(dǎo)流管22孔徑為80mm，分流池23容量為1m3，分流孔24孔徑20mm，分流孔5個(gè)，分流導(dǎo)流管25管徑20mm，測(cè)量池26容積3m3。
如圖4所示，匯流槽21由兩邊高中間低的凹槽構(gòu)成，匯流槽頂部與土壤-基巖界面相齊，槽內(nèi)建造由上層細(xì)砂211、中層粗砂212和下層卵石213組成的反濾層。本實(shí)施例中上層3cm厚細(xì)砂、中層5cm厚粗砂、下層5cm厚卵石。該設(shè)置可防止壤中流匯流剖面垮塌和泥沙物質(zhì)進(jìn)入壤中流匯流測(cè)定系統(tǒng)。
如圖5所示，本發(fā)明的地表徑流匯流測(cè)定系統(tǒng)3與壤中流匯流測(cè)定系統(tǒng)2結(jié)構(gòu)基本相同，地表徑流測(cè)定系統(tǒng)導(dǎo)流管(33)位于徑流小區(qū)地表下端出口；兩個(gè)系統(tǒng)結(jié)合可同時(shí)測(cè)定降雨事件中坡地壤中流和地表徑流。
本發(fā)明工作過(guò)程如下第一步先建造水系獨(dú)立的坡地徑流小區(qū)1。將小區(qū)內(nèi)的表土全部取走，暴露出透水性極弱的基巖，按要求設(shè)置坡度，并將基巖面的坡度修改至所需坡度，劃定水泥隔墻的位置，在小區(qū)的側(cè)面11及上邊12砌磚墻并用水泥補(bǔ)縫，形成長(zhǎng)8m，寬4m，高60cm的水泥隔墻，防止?jié)B水，注意兩邊坡度須符合設(shè)定坡度。第二步建造匯流槽21。在小區(qū)下方基巖面下挖長(zhǎng)4米，寬20cm，深13-15cm的凹槽，凹槽最低處安裝導(dǎo)流管22，然后填裝反濾層，先填5cm下層卵石213，然后填5cm中層粗沙212，最后填3cm上層細(xì)沙211。第三步在凹槽下邊砌水泥擋墻13，擋墻與上邊12和側(cè)面11規(guī)格一樣，擋墻建好后與上邊12、側(cè)面11隔墻形成四面封閉的獨(dú)立體系。第四步建造地表徑流匯流溝，在下邊擋墻外面建4m長(zhǎng)，15cm寬，約17-20cm深，兩邊高、中間低的水泥匯流溝，在地表徑流匯流溝最低處安裝導(dǎo)流管。第五步建造分流池23、分流孔24和測(cè)量池26，安裝導(dǎo)流管。分流池、分流孔和測(cè)量池均為兩套，分別用于壤中流和地表徑流。然后檢查四面隔墻和分流池、測(cè)量池是否滲水，若滲水須補(bǔ)漏，同時(shí)在小區(qū)內(nèi)澆水檢查導(dǎo)流、分流是否暢通、是否漏水。第六步回填土壤，按照土壤發(fā)育層次依次反向回填挖出的土壤，直至整個(gè)小區(qū)填滿，并注意小區(qū)地面坡度符合設(shè)定要求，回填小區(qū)經(jīng)幾場(chǎng)自然降雨使土壤自然落實(shí)并補(bǔ)齊土壤厚度至60cm，同時(shí)保持地面設(shè)定坡度，待回填土壤結(jié)構(gòu)基本與正常土壤相似時(shí)，薄層坡地壤中流觀測(cè)系統(tǒng)建造完畢，可以進(jìn)行壤中流和地表徑流觀測(cè)。壤中流和地表徑流觀測(cè)過(guò)程降雨產(chǎn)流時(shí)，記錄產(chǎn)流時(shí)間，在不同時(shí)間觀測(cè)并記錄分流池、測(cè)量池的水位，降雨產(chǎn)流結(jié)束后測(cè)定分流池、測(cè)量池的水位，通過(guò)計(jì)算可獲得小區(qū)的壤中流、地表徑流流量。
權(quán)利要求
1.薄層坡地壤中流測(cè)定系統(tǒng)，其特征在于由水系獨(dú)立完整的坡地徑流小區(qū)(1)、壤中流匯流測(cè)定系統(tǒng)(2)和地表徑流匯流測(cè)定系統(tǒng)(3)構(gòu)成，坡地徑流小區(qū)(1)由深達(dá)基巖面的水泥磚墻隔斷上部與側(cè)部水流，構(gòu)成水系獨(dú)立完整的坡地徑流小區(qū)，在該徑流小區(qū)下部土壤與巖石或母質(zhì)界面處建立壤中流匯流測(cè)定系統(tǒng)(2)，收集測(cè)定整個(gè)徑流小區(qū)的壤中流，然后通過(guò)地表徑流匯流測(cè)定體系(3)測(cè)定地表徑流，二者(2、3)結(jié)合，可同時(shí)測(cè)定壤中流與地表徑流，全面反映坡地徑流分配過(guò)程和動(dòng)態(tài)，揭示坡地徑流過(guò)程與分配特點(diǎn)，同時(shí)根據(jù)匯流面積與壤中流、地表徑流測(cè)定水量，直接計(jì)算徑流通量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄層坡地壤中流測(cè)定系統(tǒng)，其特征在于所述的壤中流匯流測(cè)定系統(tǒng)(2)由匯流槽(21)、壤中流匯流導(dǎo)流管(22)、壤中流分流池(23)、壤中流分流孔(24)、壤中流分流導(dǎo)流管(25)、壤中流測(cè)量池(26)構(gòu)成，在坡地徑流小區(qū)(1)的下方按照土壤剖面發(fā)育特點(diǎn)，在土壤與基巖界面建立壤中流匯流槽(21)，再于匯流槽(21)最低點(diǎn)埋設(shè)導(dǎo)流管(22)，將匯流槽(21)與壤中流分流池(23)連接起來(lái)，徑流通過(guò)壤中流分流孔(24)和壤中流分流導(dǎo)流管(25)進(jìn)入壤中流測(cè)量池(26)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的薄層坡地壤中流測(cè)定系統(tǒng)，其特征在于所述壤中流匯流收集系統(tǒng)(2)的匯流槽(21)位置處于土壤-基巖界面，由兩邊高中間低的凹槽構(gòu)成，凹槽內(nèi)建造上層細(xì)砂(211)、中層粗砂(212)和下層卵石(213)的反濾層，匯流槽頂部與土壤-巖石界面相接并齊平。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的薄層坡地壤中流測(cè)定系統(tǒng)，其特征在于所述壤中流匯水導(dǎo)流管(22)進(jìn)口位于匯流槽(21)凹槽最低處，與壤中流分流池(23)相連，位置高于壤中流分流導(dǎo)流管(25)，且兩種導(dǎo)流管均水平或略向下傾斜放置，以達(dá)到自流狀態(tài)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的薄層坡地壤中流測(cè)定系統(tǒng)，其特征在于所述壤中流分流池各分流孔(24)直徑相同，均水平排列于壤中流分流池(23)的上部。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的薄層坡地壤中流測(cè)定系統(tǒng)，其特征在于在所述的壤中流測(cè)量池(26)中安裝可開(kāi)關(guān)的壤中流排污孔(27)，且壤中流測(cè)量池(26)四周和底部(28)均用水泥密封，上邊加蓋。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的薄層坡地壤中流測(cè)定系統(tǒng)，其特征在于所述導(dǎo)流管(22，25)與分流孔(24)尺寸均大于設(shè)計(jì)最大暴雨時(shí)的洪峰流量，且分流池(23)和測(cè)量池(26)的體積大于設(shè)計(jì)最大暴雨時(shí)的洪水體積。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的薄層坡地壤中流測(cè)定系統(tǒng)，其特征在于地表徑流測(cè)定系統(tǒng)(3)的徑流收集系統(tǒng)與壤中流匯流收集系統(tǒng)(2)相同。
全文摘要
薄層坡地壤中流測(cè)定系統(tǒng)，由水系獨(dú)立完整的坡地徑流小區(qū)、壤中流和地表匯流測(cè)定系統(tǒng)構(gòu)成；坡地徑流小區(qū)由深達(dá)基巖面的水泥磚墻隔斷上部與側(cè)部水流，構(gòu)成水系獨(dú)立完整的坡地徑流小區(qū)，在該徑流小區(qū)下方土壤與巖石或母質(zhì)界面處建立壤中流匯流測(cè)定系統(tǒng)，收集測(cè)定整個(gè)徑流小區(qū)的壤中流，并通過(guò)地表徑流匯流測(cè)定系統(tǒng)測(cè)定地表徑流，使得該系統(tǒng)能夠同時(shí)測(cè)定坡地壤中流與地表徑流，完整反映坡地徑流分配過(guò)程和動(dòng)態(tài)，揭示坡地徑流過(guò)程規(guī)律，同時(shí)根據(jù)測(cè)定結(jié)果及匯流面積，直接計(jì)算徑流通量。本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、合理、簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，為該類(lèi)型坡地水文過(guò)程、水分和養(yǎng)分平衡及運(yùn)移提供科學(xué)而合理的地塊尺度測(cè)定系統(tǒng)，在水土保持領(lǐng)域有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)G01D21/00GK101017104SQ200710064068
公開(kāi)日2007年8月15日 申請(qǐng)日期2007年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月26日
發(fā)明者朱波, 羅貴生, 唐家良, 王玉寬, 徐泰平, 汪濤 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院、水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所