專利名稱：薄層坡地壤中流測定系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及薄層坡地壤中流測定系統，屬于水文學和水土保持技術領域，用于自然、人工坡地水文過程、水分和養分運移的系統測定。
背景技術：
我國長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(三峽庫區)，僅四川盆地面積達16萬km2，黃壤在西南山地面積達30萬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、頁巖、板巖。紫色土與黃壤分布區氣候濕潤，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，降雨入滲進入土壤很快到達母巖而難于繼續下滲，土壤水分常處于飽和(蓄滿)狀態，坡向勢能使土壤重力水沿坡向下運移，形成壤中流。壤中流與地表徑流、地下徑流一起構成徑流過程，是土壤水分再分配、地下水補給和水分循環的重要環節，對流域徑流、洪水過程和流域水文循環具有相當重要的作用，初步估計，壤中流約占紫色土與黃壤坡地徑流的50％。但是壤中流測定的最大難點在于無法確定地下水流途徑和匯流區域。
徑流測定是陸地水文學研究的基礎，常規坡地徑流小區僅能測定地表徑流，而無法測定壤中流(或亞表層土壤流)；滲漏池可用于測定平地系統的水分滲漏，僅能反映單點水分入滲，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困難，壤中流動態過程的監測與通量計算也成為水文研究中的一個難題。水文學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致顏色消退甚至無法判斷，且地表徑流的影響也相當大；由于分餾與前處理過于繁瑣等因素，采用同位素示蹤或其他化學示蹤物進行研究時也使得定量精度受到影響；地塊尺度上還采用土壤水勢測定，利用公式估算水通量，但需安裝多個探頭，而且也難以確定匯流面積；而采用水文學中的基流(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定壤中流，在實踐中無法確定匯流面積和徑流來源。
綜上所述，常規坡地徑流測定系統由于設計缺陷和技術缺乏，難以準確監測壤中流過程與通量，導致對坡地徑流過程的系統認識缺乏。而長江上游由于降雨豐富，洪澇災害與季節性干旱交替發生，而壤中流占據雨季徑流的50％但卻疏于認識，嚴重影響土壤水量、洪峰水位等重要參數估算。因此，系統了解長江上游坡地徑流過程尤其是壤中流過程對于長江流域的水土保持、防洪與水環境安全有重要意義和迫切的技術需求。
發明內容
本發明的目的在于針對坡地徑流測定的不完整和技術上的不足，特別針對現有徑流小區無法測定壤中流的缺陷，提供一種薄層坡地壤中流測定系統，用于直接監測坡地壤中流徑流動態與水通量；該系統設計合理、構造簡單，可用于水文要素、水分平衡和養分滲漏等綜合定量測定，為水利工程的水量估算、水資源開發和水土保持工程設計提供數據基礎。
本發明以上目的可以通過以下措施實現薄層坡地壤中流測定系統，其特點在于由水系獨立完整的坡地徑流小區、壤中流和地表匯流測定系統構成；坡地徑流小區由深達基巖面的水泥磚墻隔斷上部與側部水流，構成水系獨立完整的坡地徑流小區，在該徑流小區下方土壤與巖石或母質界面處建立壤中流匯流測定系統，收集測定整個徑流小區的壤中流，并通過地表徑流匯流測定系統測定地表徑流，使得該系統能夠同時測定坡地壤中流與地表徑流，完整反映坡地徑流分配過程和動態，揭示坡地徑流過程規律，同時根據測定結果及匯流面積，直接計算徑流通量。
本發明與現有技術相比的優點在于(1)本發明建立了水系獨立完整的坡地徑流小區。通過土壤剖面劃分，尤其劃分出薄層坡地土壤與母巖的界面，整個小區四周由水泥隔墻隔斷，水泥隔斷深至不透水層，周邊的水分無法進入小區，小區水系獨立而不受外來水分的影響。
(2)本發明能夠直接測定壤中流。因紫色土、黃壤等土壤淺薄，基巖為透水性弱的泥頁巖，土壤水分下滲至基巖難于繼續垂直移動，而沿土壤與巖石界面側向遷移匯集而成為壤中流，并自土壤-基巖界面流出。該發明從設計上考慮到壤中流的產流、匯流機制，通過匯流槽、導流管、測定池等設置，建立了坡面壤中流匯流、導流、測定緊密銜接的整體，因此能夠直接測定壤中流產匯流過程，同時壤中流坡面匯流面積明確，可通過測定結果直接計算壤中流流量。
(3)本發明明確區分了壤中流與地表徑流路徑，二者可同時測定。薄層坡地土壤壤中流通過土壤-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、導流與測定構件自成體系，互不干擾，因此，該發明不僅能明確區分地表徑流與壤中流，而且可同時測定。
圖1為本發明的薄層坡地壤中流測定系統結構示意圖；
圖2為本發明的水系獨立完整的坡地徑流小區示意圖；圖3為本發明的壤中流匯流測定系統結構示意圖；圖4為本發明的壤中流匯流槽反濾層結構示意圖；圖5為本發明的地表徑流匯流測定系統結構示意圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發明測定系統由水系獨立完整的坡地徑流小區1、壤中流匯流測定系統2和地表徑流匯流測定系統3構成；水系獨立完整的坡地徑流小區1由深達基巖下的水泥磚墻構成，隔斷上部與側部水流，在該徑流小區1的下部土壤與巖石-界面處建立壤中流匯流收集系統2，收集整個徑流小區的壤中流，然后通過地表徑流匯流測定系統3收集測定地表徑流。薄層坡地土壤壤中流通過土壤-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、導流與測定構件自成體系，互不干擾，因此，該發明不僅能明確區分地表徑流與壤中流，而且二者可同時測定。因此能夠完全反映坡地徑流分配過程和動態，揭示坡地徑流過程規律，同時根據壤中流和地表徑流測定結果與匯流面積，直接計算單位面積徑流通量。
如圖2所示，水系獨立完整的坡地徑流小區(1)四周均用深達基巖面以下的水泥磚墻分隔，水泥磚墻11、12、13分別為側面、上邊和下邊隔墻，其目的是阻止小區外的水分進入而影響小區水系的獨立性。根據土壤水分沿土壤-巖石界面遷移的水流機制，在土壤-基巖界面設置有壤中流匯流測定系統2；而根據地表徑流流動與匯集原理，在土壤表面設置地表徑流測定系統3。
如圖3所示，本發明中的壤中流匯流測定系統2由匯流槽21、壤中流匯流導流管22、壤中流分流池23、壤中流分流孔24、壤中流分流導流管25、壤中流測量池26，在坡地徑流小區1的下方按照土壤剖面發育特點，在土壤與基巖界面建立壤中流匯流槽21，再于匯流槽21最低點建立導流管22，將匯流槽21與壤中流分流池23連接起來(分流池僅有1個)，徑流通過壤中流分流孔24和壤中流分流導流管25進入壤中流測量池26，在壤中流測量池26安裝可開關的壤中流排污孔27，且壤中流測量池26四周和底部28均用水泥密封。通過匯流槽21、分流池23、測量池26等組分與導流管22和壤中流分流導流管25有機銜接，使整個徑流小區1的土壤水分下滲、壤中流流動與匯集路徑與匯流測定體系2融為一體，因此可有效測定壤中流過程。在降雨產流事件中，通過壤中流導流管22將徑流小區1產生的壤中流導入分流池，大降雨事件中多余的壤中流通過分流孔24自由排放，需測定的壤中流經分流導流管25進入測量池，產流結束后分別測定分流池和測定池的流量。利用此系統可測定歷次降雨事件中的壤中流徑流過程和通量。
本實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，以保證準確分流。導流管22、分流池23、分流孔24、分流導流管25、測量池26的容積和尺寸均按照最大暴雨產流速率和流量來設計，最大分流孔數的設置也依照此原則。本發明實例中，導流管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，分流導流管25管徑20mm，測量池26容積3m3。
如圖4所示，匯流槽21由兩邊高中間低的凹槽構成，匯流槽頂部與土壤-基巖界面相齊，槽內建造由上層細砂211、中層粗砂212和下層卵石213組成的反濾層。本實施例中上層3cm厚細砂、中層5cm厚粗砂、下層5cm厚卵石。該設置可防止壤中流匯流剖面垮塌和泥沙物質進入壤中流匯流測定系統。
如圖5所示，本發明的地表徑流匯流測定系統3與壤中流匯流測定系統2結構基本相同，地表徑流測定系統導流管(33)位于徑流小區地表下端出口；兩個系統結合可同時測定降雨事件中坡地壤中流和地表徑流。
本發明工作過程如下第一步先建造水系獨立的坡地徑流小區1。將小區內的表土全部取走，暴露出透水性極弱的基巖，按要求設置坡度，并將基巖面的坡度修改至所需坡度，劃定水泥隔墻的位置，在小區的側面11及上邊12砌磚墻并用水泥補縫，形成長8m，寬4m，高60cm的水泥隔墻，防止滲水，注意兩邊坡度須符合設定坡度。第二步建造匯流槽21。在小區下方基巖面下挖長4米，寬20cm，深13-15cm的凹槽，凹槽最低處安裝導流管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上層細沙211。第三步在凹槽下邊砌水泥擋墻13，擋墻與上邊12和側面11規格一樣，擋墻建好后與上邊12、側面11隔墻形成四面封閉的獨立體系。第四步建造地表徑流匯流溝，在下邊擋墻外面建4m長，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流管。第五步建造分流池23、分流孔24和測量池26，安裝導流管。分流池、分流孔和測量池均為兩套，分別用于壤中流和地表徑流。然后檢查四面隔墻和分流池、測量池是否滲水，若滲水須補漏，同時在小區內澆水檢查導流、分流是否暢通、是否漏水。第六步回填土壤，按照土壤發育層次依次反向回填挖出的土壤，直至整個小區填滿，并注意小區地面坡度符合設定要求，回填小區經幾場自然降雨使土壤自然落實并補齊土壤厚度至60cm，同時保持地面設定坡度，待回填土壤結構基本與正常土壤相似時，薄層坡地壤中流觀測系統建造完畢，可以進行壤中流和地表徑流觀測。壤中流和地表徑流觀測過程降雨產流時，記錄產流時間，在不同時間觀測并記錄分流池、測量池的水位，降雨產流結束后測定分流池、測量池的水位，通過計算可獲得小區的壤中流、地表徑流流量。
權利要求
1.薄層坡地壤中流測定系統，其特征在于由水系獨立完整的坡地徑流小區(1)、壤中流匯流測定系統(2)和地表徑流匯流測定系統(3)構成，坡地徑流小區(1)由深達基巖面的水泥磚墻隔斷上部與側部水流，構成水系獨立完整的坡地徑流小區，在該徑流小區下部土壤與巖石或母質界面處建立壤中流匯流測定系統(2)，收集測定整個徑流小區的壤中流，然后通過地表徑流匯流測定體系(3)測定地表徑流，二者(2、3)結合，可同時測定壤中流與地表徑流，全面反映坡地徑流分配過程和動態，揭示坡地徑流過程與分配特點，同時根據匯流面積與壤中流、地表徑流測定水量，直接計算徑流通量。
2.根據權利要求1所述的薄層坡地壤中流測定系統，其特征在于所述的壤中流匯流測定系統(2)由匯流槽(21)、壤中流匯流導流管(22)、壤中流分流池(23)、壤中流分流孔(24)、壤中流分流導流管(25)、壤中流測量池(26)構成，在坡地徑流小區(1)的下方按照土壤剖面發育特點，在土壤與基巖界面建立壤中流匯流槽(21)，再于匯流槽(21)最低點埋設導流管(22)，將匯流槽(21)與壤中流分流池(23)連接起來，徑流通過壤中流分流孔(24)和壤中流分流導流管(25)進入壤中流測量池(26)。
3.根據權利要求2所述的薄層坡地壤中流測定系統，其特征在于所述壤中流匯流收集系統(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成，凹槽內建造上層細砂(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.根據權利要求2所述的薄層坡地壤中流測定系統，其特征在于所述壤中流匯水導流管(22)進口位于匯流槽(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流管(25)，且兩種導流管均水平或略向下傾斜放置，以達到自流狀態。
5.根據權利要求2所述的薄層坡地壤中流測定系統，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.根據權利要求2所述的薄層坡地壤中流測定系統，其特征在于在所述的壤中流測量池(26)中安裝可開關的壤中流排污孔(27)，且壤中流測量池(26)四周和底部(28)均用水泥密封，上邊加蓋。
7.根據權利要求2所述的薄層坡地壤中流測定系統，其特征在于所述導流管(22，25)與分流孔(24)尺寸均大于設計最大暴雨時的洪峰流量，且分流池(23)和測量池(26)的體積大于設計最大暴雨時的洪水體積。
8.根據權利要求2所述的薄層坡地壤中流測定系統，其特征在于地表徑流測定系統(3)的徑流收集系統與壤中流匯流收集系統(2)相同。
全文摘要
薄層坡地壤中流測定系統，由水系獨立完整的坡地徑流小區、壤中流和地表匯流測定系統構成；坡地徑流小區由深達基巖面的水泥磚墻隔斷上部與側部水流，構成水系獨立完整的坡地徑流小區，在該徑流小區下方土壤與巖石或母質界面處建立壤中流匯流測定系統，收集測定整個徑流小區的壤中流，并通過地表徑流匯流測定系統測定地表徑流，使得該系統能夠同時測定坡地壤中流與地表徑流，完整反映坡地徑流分配過程和動態，揭示坡地徑流過程規律，同時根據測定結果及匯流面積，直接計算徑流通量。本發明系統結構緊湊、合理、簡單，易于實現，為該類型坡地水文過程、水分和養分平衡及運移提供科學而合理的地塊尺度測定系統，在水土保持領域有較大的推廣應用價值。
文檔編號G01D21/00GK101017104SQ200710064068
公開日2007年8月15日 申請日期2007年2月26日 優先權日2007年2月26日
發明者朱波, 羅貴生, 唐家良, 王玉寬, 徐泰平, 汪濤 申請人:中國科學院、水利部成都山地災害與環境研究所