径流小区

径流小区的设计与观测张光辉刘宝元谢云北京师范大学地理学与遥感科学学院2004年4月▼径流小区▼径流小区设计▼径流小区观测▼小区的日常维护管理径流小区●坡面土壤侵蚀监测中应用最为广泛的方法。●用于降雨溅蚀、面蚀和细沟侵蚀的监测。●与人工模拟降雨相结合，可以对坡面侵蚀状况做出快速测试。418径流小区—使用径流小区的条件●坡面或区域水土流失预警；●水土保持措施有效性的比较；●单个或多个因子对土壤侵蚀影响的定量评价；●建立土壤侵蚀模型；径流小区——天然降雨●天然降雨★雨滴大小及其分布雨滴直径随着降雨强度的增大而增大，一般在1—4mm之间，但最大可以达到7mm。★终点速度及其动能v(D)=3.86D0.67E=916+331lgI径流小区——天然降雨●天然降雨★降雨量★降雨强度★降雨历时★雨型★季节分布径流小区——天然降雨●天然降雨★无法实现人工控制；★时间、空间变异大；★获得研究结果需要的周期长；径流小区——天然降雨●人工模拟降雨★优点可根据实验需求，设计降雨，快速获得实验结果；★缺点缩短了降雨的间歇时间，使土壤没有重复性；对于大型小区进行降雨，设备的安装比较麻烦；径流小区——人工模拟降雨室内模拟降雨器径流小区——人工模拟降雨野外模拟降雨模拟降雨小区准备径流小区——人工模拟降雨●有固定边界的小区为了有效监测径流和泥沙，大部分情况下都需要建造固定的小区边界，将小区和周围地面隔离开。径流小区——小区边界●无固定边界的径流小区在有些情况下，也可以使用没有固定边界的径流小区，试验时将铁皮插入土壤围成小区，径流和泥沙用小型径流桶收集，实验结束后将铁皮拔掉即可。径流小区——小区边界●径流小区的大小与监测目的密切相关●微型小区★面积：1—2m2★监测结果与面积没有关系降雨溅蚀的监测径流小区——小区大小●中等小区面积：一般小于100m2（5米宽，20米长）功能：用于作物管理措施、植被覆盖措施、轮作措施、监测动土措施及其他一些措施的水土保持效益监测径流小区——小区大小418●大型小区★通常在1hm2以内★用于监测结果可能与小区面积有关系，入坡面细沟发育；★用于对小区的耕作和农作措施相似性要求比较高的情况；★用于评价诸如梯田、放牧或牲畜的践踏作用。径流小区——小区大小●集水区★面积：无明确规定，但通常在几个km2以内，是由分水岭组合而成的天然集水单元。★功能：1）弥补径流小区的缺陷，获得相对合理的土壤侵蚀量用径流小区测定侵蚀时的缺陷：第一、集流槽内水流以自由出流的形式汇集到径流桶；径流小区——小区大小●集水区第二、忽略了泥沙淤积。输移比：流域出口处的泥沙量与流域内侵蚀量的比值2）对反应流域内土地情况变化所引起的流域内的产流、侵蚀状况的相应变化径流小区——小区大小径流小区设计——原则★建立径流小区的目的是为了收集降雨时小区内产生的径流和泥沙，从而对土壤侵蚀速率作出正确的评价；★径流小区包括小区径流、泥沙收集系统★在小区规划阶段应考虑小区布设地段；小区面积小区数目；小区内拟采取的措施小区边界的材料；集流方式分水箱的大小及其级别；集流桶的大大小蓄水池的大小；排水沟。。。。。径流小区设计——原则●小区布设的基本原则★径流小区布设应选择在不同水土流失类型区的典型地段，使所建径流小区具有比较好的代表性，能够反应监测区水土流失的基本特点；（《水土保持检测技术规程》）★径流小区应尽可能选取或依托各水土流失区已有的水土保持实验站，并考虑观测和管理的方便性；径流小区设计——原则★选择布设小区的坡面横向应该平整，坡度和土壤条件均一,以消除土壤、地形地貌等因素对观测结果的影响；★在同一流域内布设的小区，应尽量集中，有利于管理和维护。径流小区设计——原则径流小区设计——径流深●设计径流深的获取★计算经验频率收集临近气象站多年降雨资料，按次降雨量的大小将各次降雨从小到大排序，划分降雨量的范围，统计发生在各降雨量范围内的降雨次数，按照下式计算经验频率：（1）式中：Pi为发生在降雨范围i内的经验频率；m为该降雨范围内的降雨次数；n为总的降雨次数；1nmpi径流小区设计——径流深★经验频率曲线在计算经验频率的基础上，用配线法或其他方法做经验频率曲线；★获得设计暴雨通过设计暴雨的频率，从经验频率曲线上查找出相应的降雨量。在径流小区设计时，通常采用50年一遇的暴雨作为设计暴雨标准。★实例某站测得62年降水资料，将雨量资料按大小进行分组，计算各组出现的次数、频率、累计次数、累计频率及组内平均频率密度。表中第（3）列为各组内出现的次数，第（4）列为第（3）列自上而下逐组累加的次数，表示年雨量大于或等于该组下限值x出现的次数。第（5）、（6）列是分别将第（3）、（4）列相应各组次数除以总次数62，即为相应的频率。第（7）列是将第（5）列的组内频率ΔP，再除以组距Δx（本例为200mm），它表示频率沿x轴上各组所分布的密集程度。径流小区设计——径流深径流小区设计——径流深径流小区设计——径流深径流小区设计——径流深★径流系数▼通过临近水文站的多年观测资料求得；▼借用临近小区的径流系数；▼附近没有水文站或小区观测资料时，可以对省、区径流系数等值线图进行内插获得。★获取径流深将设计暴雨雨量和径流系数相乘，即可得到小区设计径流深。●小区面积★径流小区常为矩形，对于长与宽的比例没有明确的规定，但一般认为宽短小区是不可取的，因为这样的小区会影响到细沟的发育。★小区的宽度应能保证相关措施的落实，如顺坡垄状耕作，则小区的宽度与沟垄的宽度、拟建沟垄数目密切相关。★对于农地小区，为减小边界效应的影响，应在小区左右两侧和上部修建缓冲带，小区内不容许没有必要的践踏。径流小区设计——小区面积●小区面积★为了提高监测数据的可比性，当分析、研究水土流失区域特征时，必须要使各地的小区大小保持一致，其中的处理措施也应一致。★标准小区垂直投影长20m，宽5m，坡度为5º或15º，坡面经耕耙平后，纵横向平整，至少撂晃1年，无植被覆盖；★无特殊要求时，小区建设的尺寸应尽量参照标准小区的规定确定；径流小区设计——小区面积★非标准小区当监测目的是研究某一特定因素对土壤侵蚀的定量影响时可以选用非标准小区，其面积的选取，应根据小区建设的目的要求进行，且应充分考虑坡度、坡长级别、土地利用方式、耕作制度和水土保持措施。径流小区设计——小区面积●边墙★矩形，高出地面10～20cm，埋入地下30cm左右；●材料★水泥板：长50～60cm、高40～50cm、厚5～10cm。▼埋置要求：埋完后将两侧土壤夯实；水泥板的上缘向小区外倾斜60º；★金属板：厚度1.2～1.5mm的镀锌铁皮。径流小区设计——小区边界径流小区设计——小区边界●小区底端（下坡边）由水泥、砖等材料衬砌而成。表面光滑，上缘与小区内地面同高，槽底向下及向中间倾斜；中部由镀锌铁皮或金属管做成的导流管或导流槽与集流桶或分水箱连接起来。集流槽底集流槽底10cm20cm小区前墙围堤●集流系统设计应考虑的因素★小区面积★降雨特性★土壤入渗性能★地形地貌★产流特征径流小区设计——集流系统分水箱小区边导流管2集流桶导流管1土面●集流系统★集流系统类型集流桶＋排水系统对微型小区而言，只用集流桶即可收集小区内产生的全部径流和泥沙；径流小区设计——集流系统★大集流桶内设计小集流桶主要考虑年内降水性质，小集流桶用于收集一年中多数情况下的中雨和小雨；当发生大暴雨时，小集流桶装满径流后，由大径流桶开始收集径流。径流小区设计——集流系统★分流系统＋集流桶对于面积较大的小区，在发生较大降雨，产流量较大，收集全部径流是不可取的。这样，在实际工作中常采用分水箱对径流进行分流，仅收集部分径流以供观测和取样。径流小区设计——集流系统●集流桶安装与排水★为保证小区内径流向集流桶汇集过程为自由出流，必须使小区出流口和集流桶之间有足够的高差，通常可以挖坑以降低集流桶安装出的高程；★为保证排水的畅通，需要相应地修建排水系统。即便是集流桶内的径流是用水泵抽出，由于水流集中，为避免造成新的土壤侵蚀，也应修建排水系统。径流小区设计——集流系统径流小区设计——分流系统●分流系统的类型分流槽径流小区设计——分流系统●分流系统的类型分水箱径流小区设计——分流系统●分流系统的类型分水箱●分水箱常用厚度为1.2mm的镀锌铁皮或厚度为2mm或3mm的铁板制作而成。●黄土高原地区所用的分水箱多为圆形，直径和高度介于在0.8m～1.0m之间，分流孔离分水箱底部的高度为0.5m。●分流孔多为直径3～5cm的圆孔，间距在10～15cm左右，为保证分流均匀，分流孔间的距离应该相等。●在东北地区也有采用宽2cm、高5cm的矩形分流孔的，其功能与圆型分流孔没有差异。径流小区设计——分水箱●分流孔的数目应根据小区面积大小、设计径流深及集流桶的体积来综合确定，以保证设计径流深条件下分流桶不溢流为基本原则，常见的分流孔数目为5、7、9、11。●为防止径流中携带的杂草阻塞导流管，在分水箱内应安装纱网或其他过滤设施，纱网的网眼不能太细，应大于1cm2，如果过细则会引起水流不畅，导致分水箱溢流的结果。径流小区设计——分水箱径流小区设计——分水箱100cm分流孔60cm60cm6cm10cm12cm进水孔1cm20cm30cm10cm2cm●集流桶也常用厚度为1.2mm的镀锌铁皮和厚度为2mm或3mm的铁板制作而成，为了便于搅动径流和泥沙取样，集流桶全为圆形的，尺寸与分水箱相当或略大于分流箱。径流小区设计——集流桶100cm距离边缘10cmD=90cm6cm14cm3cmD=10cm底面排水孔●在小区下建设大型水池收集径流，是另一种收集径流和泥沙的方法，当小区较大时，泥沙取样的精度不高，同时水池内泥沙的清除也是一大问题。径流小区设计——集流桶小区5m1.1m1m蓄水池10cm●为防止降水和沙尘直接进入分流箱或集流箱，一般要给分水箱和集流箱安装盖子。●分流箱和集流箱的安装应保持水平。●为了排放径流，分流箱和集流箱的底部应开直径为12cm左右的圆形孔，收集径流时用阀将圆形孔堵住，观测完毕后打开圆孔将径流和泥沙排掉。径流小区设计——分流箱、集流桶●观测时间：每日早8点准时开始●观测方法★普通雨量计检查承水瓶，如有雨水，倒入雨量筒中测量，并在《降雨观测记录表》中做准确记录。每次降雨过后，应及时测量，尽量减少蒸发。径流小区观测——降雨径流小区观测——降雨★自记雨量计如果前一天没有降雨,用注入少量清水的方法，使自记雨量计的指针上调一格（1mm），手动旋转自记钟，调整指针指向正确的时间。在连续没有降雨的情况下，一张自记纸可以连续使用7天。径流小区观测——降雨★自记雨量计如果前一天有降雨，更换自计纸。新的自记纸更换前需要填写观测日期、初算人等相应项目。换下的自记纸应及时填写取纸日期。带回室内初算雨量，并于自记纸和观测记录本上各记录一份，且应妥善保存。径流小区观测——降雨●每场降雨后应观测小区径流量，并取泥沙样，清洗分水箱和集流桶。●准备工作取样前，准备好取样瓶，米尺，扳手，铁锹，舀子，笔，记录表等，放入工具篮中，带至小区。●取样步骤★首先对照记录表填写好小区号、观测日期、观测人等项目。然后按照以下步骤进行取样。★检查小区、分水箱、集流桶等是否有异常现象，主要侧重于有无溢流、严重淤积及分流孔堵塞等现象发生，若有情况，做好相应的记录。径流小区观测——径流★对照记录表填好集流桶号，打开桶盖，将米尺垂直放入桶中至桶底，读取水面所在刻度值，填入记录表中。每个集流桶，应在不同位置测量水深4次。★用铁锹搅动集流桶中的泥水，使泥沙与水充分混合达到均匀，用舀子取样，装入取样瓶中，记录瓶号。每个集流桶内取样两个。★打开集流桶底阀，然后一边搅动，一边放出泥水，最后用清水将集流桶冲洗干净。★拧紧底阀，盖好桶盖，进入下一个小区的取样工作。★每次产流后，应及时检查分水箱的分流孔，发现有淤泥时应及时清理，不能影响出水。径流小区观测——径流●当集流系统仅为集流桶，没有分流箱时：（2）式中：R为径流泥沙体积（m3）；r为集流桶的半径（m）；h为集流桶内径流泥沙混合溶液的深度（m）。径流小区观测——径流hRr2