水土保持 徑流小區(qū)設(shè)計、觀測

1、徑流小區(qū)的設(shè)計與觀測,張光輝 劉寶元 謝云 北京師范大學(xué)地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院 2004年4月, 徑流小區(qū) 徑流小區(qū)設(shè)計 徑流小區(qū)觀測 小區(qū)的日常維護(hù)管理,徑流小區(qū), 坡面土壤侵蝕監(jiān)測中應(yīng)用最為廣泛的方法。 用于降雨濺蝕、面蝕和細(xì)溝侵蝕的監(jiān)測。 與人工模擬降雨相結(jié)合，可以對坡面侵蝕狀況做出快速測試。,徑流小區(qū)使用徑流小區(qū)的條件, 坡面或區(qū)域水土流失預(yù)警； 水土保持措施有效性的比較； 單個或多個因子對土壤侵蝕影響的定量 評價； 建立土壤侵蝕模型；,徑流小區(qū)天然降雨, 天然降雨 雨滴大小及其分布 雨滴直徑隨著降雨強(qiáng)度的增大而增大，一般在14mm之間，但最大可以達(dá)到7mm。 終點(diǎn)速度及其動能 v(d)

2、 = 3.86d 0.67 e = 916 + 331lgi,徑流小區(qū)天然降雨, 天然降雨 降雨量 降雨強(qiáng)度 降雨歷時 雨型 季節(jié)分布,徑流小區(qū)天然降雨, 天然降雨 無法實(shí)現(xiàn)人工 控制； 時間、空間變 異大； 獲得研究結(jié)果 需要的周期長；,徑流小區(qū)天然降雨, 人工模擬降雨 優(yōu)點(diǎn) 可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，設(shè)計降雨，快速獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果； 缺點(diǎn) 縮短了降雨的間歇時間，使土壤沒有重復(fù)性； 對于大型小區(qū)進(jìn)行降雨，設(shè)備的安裝比較麻煩；,徑流小區(qū)人工模擬降雨,室內(nèi)模擬降雨器,徑流小區(qū)人工模擬降雨,野外模擬降雨,模擬降雨小區(qū)準(zhǔn)備,徑流小區(qū)人工模擬降雨, 有固定邊界的小區(qū) 為了有效監(jiān)測徑流和泥沙，大部分情況下都需要建造固

3、定的小區(qū)邊界，將小區(qū)和周圍地面隔離開。,徑流小區(qū)小區(qū)邊界, 無固定邊界的徑流小區(qū) 在有些情況下，也可以使用沒有固定邊界的徑流小區(qū)，試驗(yàn)時將鐵皮插入土壤圍成小區(qū)，徑流和泥沙用小型徑流桶收集，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后將鐵皮拔掉即可。,徑流小區(qū)小區(qū)邊界,徑流小區(qū)的大小與監(jiān)測目的密切相關(guān) 微型小區(qū) 面積：12m2 監(jiān)測結(jié)果與面積沒有關(guān)系 降雨濺蝕的監(jiān)測,徑流小區(qū)小區(qū)大小, 中等小區(qū) 面積：一般小于100m2（5米寬，20米長） 功能：用于作物管理措施、植被覆蓋措施、輪作措施、監(jiān)測動土措施及其他一些措施的水土保持效益監(jiān)測,徑流小區(qū)小區(qū)大小, 大型小區(qū) 通常在1hm2以內(nèi) 用于監(jiān)測結(jié)果可能與小區(qū)面 積有關(guān)系，入坡面細(xì)溝

4、發(fā)育； 用于對小區(qū)的耕作和農(nóng)作措 施相似性要求比較高的情況； 用于評價諸如梯田、放牧或 牲畜的踐踏作用。,徑流小區(qū)小區(qū)大小, 集水區(qū) 面積：無明確規(guī)定，但通常在幾個km2以內(nèi)，是由分水嶺組合而成的天然集水單元。 功能 ： 1）彌補(bǔ)徑流小區(qū)的缺陷，獲得相對合理的土壤侵蝕量 用徑流小區(qū)測定侵蝕時的缺陷： 第一、集流槽內(nèi)水流以自由出流的形式匯集到徑流桶；,徑流小區(qū)小區(qū)大小, 集水區(qū) 第二、忽略了泥沙淤積。 輸移比：流域出口處的泥沙量與流域內(nèi)侵蝕量的比值 2）對反應(yīng)流域內(nèi)土地情況變化所引起的流域內(nèi)的產(chǎn)流、侵蝕狀況的相應(yīng)變化,徑流小區(qū)小區(qū)大小,徑流小區(qū)設(shè)計原則, 建立徑流小區(qū)的目的是為了收集降雨時小區(qū)內(nèi)

5、產(chǎn) 生的徑流和泥沙，從而對土壤侵蝕速率作出正確 的評價； 徑流小區(qū)包括 小區(qū) 徑流、泥沙收集系統(tǒng), 在小區(qū)規(guī)劃階段應(yīng)考慮 小區(qū)布設(shè)地段； 小區(qū)面積 小區(qū)數(shù)目； 小區(qū)內(nèi)擬采取的措施 小區(qū)邊界的材料； 集流方式 分水箱的大小及其級別；集流桶的大大小 蓄水池的大?。?排水溝 。,徑流小區(qū)設(shè)計原則, 小區(qū)布設(shè)的基本原則 徑流小區(qū)布設(shè)應(yīng)選擇在不同水土流失類型區(qū)的典型地段，使所建徑流小區(qū)具有比較好的代表性，能夠反應(yīng)監(jiān)測區(qū)水土流失的基本特點(diǎn)；（水土保持檢測技術(shù)規(guī)程） 徑流小區(qū)應(yīng)盡可能選取或依托各水土流失區(qū)已有的水土保持實(shí)驗(yàn)站，并考慮觀測和管理的方便性；,徑流小區(qū)設(shè)計原則,選擇布設(shè)小區(qū)的坡面橫向應(yīng)該平整，坡度

6、和土壤條件均一,以消除土壤、地形地貌等因素對觀測結(jié)果的影響 ； 在同一流域內(nèi)布設(shè)的小區(qū)，應(yīng)盡量集中，有利于管理和維護(hù)。,徑流小區(qū)設(shè)計原則,徑流小區(qū)設(shè)計徑流深, 設(shè)計徑流深的獲取 計算經(jīng)驗(yàn)頻率 收集臨近氣象站多年降雨資料，按次降雨量的大小將各次 降雨從小到大排序，劃分降雨量的范圍，統(tǒng)計發(fā)生在各降 雨量范圍內(nèi)的降雨次數(shù)，按照下式計算經(jīng)驗(yàn)頻率： （1） 式中：pi為發(fā)生在降雨范圍i內(nèi)的經(jīng)驗(yàn)頻率；m為該降雨范 圍內(nèi)的降雨次數(shù)；n為總的降雨次數(shù)；,徑流小區(qū)設(shè)計徑流深, 經(jīng)驗(yàn)頻率曲線 在計算經(jīng)驗(yàn)頻率的基礎(chǔ)上，用配線法或其他方法做經(jīng) 驗(yàn)頻率曲線； 獲得設(shè)計暴雨 通過設(shè)計暴雨的頻率，從經(jīng)驗(yàn)頻率曲線上查找出相應(yīng)

7、 的降雨量。在徑流小區(qū)設(shè)計時，通常采用50年一遇的 暴雨作為設(shè)計暴雨標(biāo)準(zhǔn)。, 實(shí)例 某站測得62年降水資料，將雨量資料按大小進(jìn)行分組，計算各組出現(xiàn)的次數(shù)、頻率、累計次數(shù)、累計頻率及組內(nèi)平均頻率密度。表中第（3）列為各組內(nèi)出現(xiàn)的次數(shù)，第（4）列為第（3）列自上而下逐組累加的次數(shù)，表示年雨量大于或等于該組下限值x出現(xiàn)的次數(shù)。第（5）、（6）列是分別將第（3）、（4）列相應(yīng)各組次數(shù)除以總次數(shù)62，即為相應(yīng)的頻率。第（7）列是將第（5）列的組內(nèi)頻率p，再除以組距x（本例為200mm），它表示頻率沿x軸上各組所分布的密集程度。,徑流小區(qū)設(shè)計徑流深,徑流小區(qū)設(shè)計徑流深,徑流小區(qū)設(shè)計徑流深,徑流小區(qū)設(shè)計徑流

8、深, 徑流系數(shù) 通過臨近水文站的多年觀測資料求得； 借用臨近小區(qū)的徑流系數(shù)； 附近沒有水文站或小區(qū)觀測資料時，可以對省、 區(qū)徑流系數(shù)等值線圖進(jìn)行內(nèi)插獲得。 獲取徑流深 將設(shè)計暴雨雨量和徑流系數(shù)相乘，即可得到小區(qū)設(shè) 計徑流深。, 小區(qū)面積 徑流小區(qū)常為矩形，對于長與寬的比例沒有明確的規(guī)定， 但一般認(rèn)為寬短小區(qū)是不可取的，因?yàn)檫@樣的小區(qū)會影 響到細(xì)溝的發(fā)育。 小區(qū)的寬度應(yīng)能保證相關(guān)措施的落實(shí)，如順坡壟狀耕作， 則小區(qū)的寬度與溝壟的寬度、擬建溝壟數(shù)目密切相關(guān)。 對于農(nóng)地小區(qū)，為減小邊界效應(yīng)的影響，應(yīng)在小區(qū)左右 兩側(cè)和上部修建緩沖帶，小區(qū)內(nèi)不容許沒有必要的踐踏。,徑流小區(qū)設(shè)計小區(qū)面積, 小區(qū)面積 為了

9、提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的可比性，當(dāng)分析、研究水土流失區(qū)域 特征時，必須要使各地的小區(qū)大小保持一致，其中的處理 措施也應(yīng)一致。 標(biāo)準(zhǔn)小區(qū) 垂直投影長20m，寬5m，坡度為5或15，坡面 經(jīng)耕耙平后，縱橫向平整，至少撂晃1年，無植被覆蓋； 無特殊要求時，小區(qū)建設(shè)的尺寸應(yīng)盡量參照標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)的規(guī) 定確定 ；,徑流小區(qū)設(shè)計小區(qū)面積, 非標(biāo)準(zhǔn)小區(qū) 當(dāng)監(jiān)測目的是研究某一特定因素對土壤侵蝕的定量影響時可以選用非標(biāo)準(zhǔn)小區(qū) ，其面積的選取，應(yīng)根據(jù)小區(qū)建設(shè)的目的要求進(jìn)行，且應(yīng)充分考慮坡度、坡長級別、土地利用方式、耕作制度和水土保持措施。,徑流小區(qū)設(shè)計小區(qū)面積, 邊墻 矩形，高出地面10 20cm，埋入地下30cm左右； 材料

10、水泥板：長5060cm、高4050cm、厚510cm。 埋置要求： 埋完后將兩側(cè)土壤夯實(shí)； 水泥板的上緣向小區(qū)外傾斜60； 金屬板：厚度1.21.5mm的鍍鋅鐵皮 。,徑流小區(qū)設(shè)計小區(qū)邊界,徑流小區(qū)設(shè)計小區(qū)邊界, 小區(qū)底端（下坡邊） 由水泥、磚等材料襯砌而成。表面光滑，上緣與小區(qū)內(nèi)地面同高，槽底向下及向中間傾斜；中部由鍍鋅鐵皮或金屬管做成的導(dǎo)流管或?qū)Я鞑叟c集流桶或分水箱連接起來。, 集流系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)考慮的因素 小區(qū)面積 降雨特性 土壤入滲性能 地形地貌 產(chǎn)流特征,徑流小區(qū)設(shè)計集流系統(tǒng), 集流系統(tǒng) 集流系統(tǒng)類型 集流桶排水系統(tǒng) 對微型小區(qū)而言，只用集流桶即可收集小區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的全部徑流和泥沙；,徑流小

11、區(qū)設(shè)計集流系統(tǒng), 大集流桶內(nèi)設(shè)計小集流桶 主要考慮年內(nèi)降水性質(zhì)，小集流桶用于收集一年中多數(shù)情況下的中雨和小雨；當(dāng)發(fā)生大暴雨時，小集流桶裝滿徑流后，由大徑流桶開始收集徑流。,徑流小區(qū)設(shè)計集流系統(tǒng), 分流系統(tǒng)集流桶 對于面積較大的小區(qū)，在發(fā)生較大降雨，產(chǎn)流量較大，收集全部徑流是不可取的。這樣，在實(shí)際工作中常采用分水箱對徑流進(jìn)行分流，僅收集部分徑流以供觀測和取樣。,徑流小區(qū)設(shè)計集流系統(tǒng), 集流桶安裝與排水 為保證小區(qū)內(nèi)徑流向集流桶匯集過程為自由出流，必須使小區(qū)出流口和集流桶之間有足夠的高差，通?？梢酝诳右越档图魍鞍惭b出的高程； 為保證排水的暢通，需要相應(yīng)地修建排水系統(tǒng)。即便是集流桶內(nèi)的徑流是用水泵

12、抽出，由于水流集中，為避免造成新的土壤侵蝕，也應(yīng)修建排水系統(tǒng)。,徑流小區(qū)設(shè)計集流系統(tǒng),徑流小區(qū)設(shè)計分流系統(tǒng), 分流系統(tǒng)的類型,分流槽,徑流小區(qū)設(shè)計分流系統(tǒng), 分流系統(tǒng)的類型,分水箱,徑流小區(qū)設(shè)計分流系統(tǒng), 分流系統(tǒng)的類型,分水箱, 分水箱常用厚度為1.2mm的鍍鋅鐵皮或厚度為2mm或3mm的鐵板制作而成。 黃土高原地區(qū)所用的分水箱多為圓形，直徑和高度介于在0.8m1.0m之間，分流孔離分水箱底部的高度為0.5m。 分流孔多為直徑35cm的圓孔，間距在1015cm左右，為保證分流均勻，分流孔間的距離應(yīng)該相等。 在東北地區(qū)也有采用寬2cm、高5cm的矩形分流孔的，其功能與圓型分流孔沒有差異。,徑流

13、小區(qū)設(shè)計分水箱,分流孔的數(shù)目應(yīng)根據(jù)小區(qū)面積大小、設(shè)計徑流深及集流桶的體積來綜合確定，以保證設(shè)計徑流深條件下分流桶不溢流為基本原則，常見的分流孔數(shù)目為5、7、9、11。 為防止徑流中攜帶的雜草阻塞導(dǎo)流管，在分水箱內(nèi)應(yīng)安裝紗網(wǎng)或其他過濾設(shè)施，紗網(wǎng)的網(wǎng)眼不能太細(xì)，應(yīng)大于1cm2，如果過細(xì)則會引起水流不暢，導(dǎo)致分水箱溢流的結(jié)果。,徑流小區(qū)設(shè)計分水箱,徑流小區(qū)設(shè)計分水箱,集流桶也常用厚度為1.2mm的鍍鋅鐵皮 和厚度為2mm或3mm的鐵板制作而成，為了便于攪動徑流和泥沙取樣，集流桶全為圓形的，尺寸與分水箱相當(dāng)或略大于分流箱。,徑流小區(qū)設(shè)計集流桶,在小區(qū)下建設(shè)大型水池收集徑流，是另一種收集徑流和泥沙的方法

14、，當(dāng)小區(qū)較大時，泥沙取樣的精度不高，同時水池內(nèi)泥沙的清除也是一大問題。,徑流小區(qū)設(shè)計集流桶,為防止降水和沙塵直接進(jìn)入分流箱或集流箱，一般要給分水箱和集流箱安裝蓋子。 分流箱和集流箱的安裝應(yīng)保持水平。 為了排放徑流，分流箱和集流箱的底部應(yīng)開直徑為12cm左右的圓形孔，收集徑流時用閥將圓形孔堵住，觀測完畢后打開圓孔將徑流和泥沙排掉。,徑流小區(qū)設(shè)計分流箱、集流桶, 觀測時間： 每日早8點(diǎn)準(zhǔn)時開始 觀測方法 普通雨量計 檢查承水瓶，如有雨水，倒入雨量筒中測量，并在降雨觀測記錄表中做準(zhǔn)確記錄。 每次降雨過后，應(yīng)及時測量，盡量減少蒸發(fā)。,徑流小區(qū)觀測降雨,徑流小區(qū)觀測降雨,自記雨量計 如果前一天沒有降雨,

15、用注入少量清水的方法，使自記雨量計的指針上調(diào)一格（1mm），手動旋轉(zhuǎn)自記鐘， 調(diào)整指針指向正確的時間。在連續(xù)沒有降雨的情況下，一 張自記紙可以連續(xù)使用7天。,徑流小區(qū)觀測降雨,自記雨量計 如果前一天有降雨，更換自計紙。新的自記紙 更換前需要填寫觀測日期、初算人等相應(yīng)項(xiàng)目。換下的自 記紙應(yīng)及時填寫取紙日期。帶回室內(nèi)初算雨量，并于自記 紙和觀測記錄本上各記錄一份，且應(yīng)妥善保存。,徑流小區(qū)觀測降雨,每場降雨后應(yīng)觀測小區(qū)徑流量，并取泥沙樣， 清洗分水箱和集流桶。 準(zhǔn)備工作 取樣前，準(zhǔn)備好取樣瓶，米尺，扳手，鐵鍬，舀子，筆，記錄表等，放入工具籃中，帶至小區(qū)。 取樣步驟 首先對照記錄表填寫好小區(qū)號、觀測日

16、期、觀測人等項(xiàng)目。然后按照以下步驟進(jìn)行取樣。 檢查小區(qū)、分水箱、集流桶等是否有異常現(xiàn)象，主要側(cè)重于有無溢流、嚴(yán)重淤積及分流孔堵塞等現(xiàn)象發(fā)生，若有情況，做好相應(yīng)的記錄。,徑流小區(qū)觀測徑流,對照記錄表填好集流桶號，打開桶蓋，將米尺垂直放入桶中至桶底，讀取水面所在刻度值，填入記錄表中。每個集流桶，應(yīng)在不同位置測量水深4次。 用鐵鍬攪動集流桶中的泥水，使泥沙與水充分混合達(dá)到均勻，用舀子取樣，裝入取樣瓶中，記錄瓶號。每個集流桶內(nèi)取樣兩個。 打開集流桶底閥，然后一邊攪動，一邊放出泥水，最后用清水將集流桶沖洗干凈。 擰緊底閥，蓋好桶蓋，進(jìn)入下一個小區(qū)的取樣工作。 每次產(chǎn)流后，應(yīng)及時檢查分水箱的分流孔，發(fā)現(xiàn)有

17、淤泥時應(yīng)及時清理，不能影響出水。,徑流小區(qū)觀測徑流,當(dāng)集流系統(tǒng)僅為集流桶，沒有分流箱時： （2） 式中：r為徑流泥沙體積（m3）；r為集流桶的半徑（m）；h為集流桶內(nèi)徑流泥沙混合溶液的深度（m）。,徑流小區(qū)觀測徑流, 當(dāng)集流系統(tǒng)由一個分流箱和集流桶組成時： （3） 式中：n1為分流箱分流孔的數(shù)目，其他符號意義同前。 當(dāng)集流系統(tǒng)由兩個分流箱和集流桶組成時： （4） 式中：n2為第二個分水箱的分流孔數(shù)目。當(dāng)分流箱為多個級別時，其徑流量的計算方法，依此類推。,徑流小區(qū)觀測徑流,當(dāng)泥沙濃度不大時，上述方法獲得的水沙混合物的體積，即可近似為小區(qū)徑流量. 當(dāng)侵蝕劇烈，集流桶內(nèi)泥沙淤積厚度較大時，應(yīng)相應(yīng)地扣

18、除泥沙所占的體積。 在徑流深度量測時，可以先用鐵鍬將集流桶內(nèi)沉積的泥沙灘平，然后再測定徑流深度，測定時應(yīng)注意用力分寸，使水尺接觸到泥沙即可，為避免泥沙的高低不平，徑流測定應(yīng)在不同位置進(jìn)行，最后取其平均值。,徑流小區(qū)觀測徑流,對于以蓄水池為徑流收集系統(tǒng)的小區(qū)，因?yàn)橐话阈钏剌^大，采用攪拌的方法取樣難度較大，其代表性較差。 可以考慮先沉積泥沙灘平，等泥沙沉降后，在不同位置量測徑流深度，等取樣完成以后讓蓄水池中的水沙混合物沉積幾天，然后將上面的清水用水泵或虹吸法抽出，進(jìn)一步量測泥沙量。 當(dāng)研究目的與降雨的次數(shù)有關(guān)時，測定完徑流、取完泥沙樣以后，應(yīng)及時將蓄水池中的泥沙清理掉，避免對下次測定造成誤差。,徑流小區(qū)觀測徑流,小區(qū)取樣完畢，將樣品帶回室內(nèi)按照以下步驟進(jìn) 行處理。 轉(zhuǎn)移：將取樣瓶內(nèi)的水沙樣搖動數(shù)次，讓水沙充 分混合，然后將500ml左右的水沙樣倒入鋁盒中， 用清水沖洗量筒，使筒內(nèi)泥沙全部倒入鋁盒，同 時在徑流觀測記錄表中記錄相應(yīng)的鋁盒編號。 沉淀：靜置鋁盒數(shù)小時，使泥沙沉淀，然后倒掉 鋁盒上部的清水，再沉淀，再倒掉上部清水，注 意不要倒掉泥沙。,徑流小區(qū)觀測泥沙,烘干：把鋁盒放入烘箱，在105c下烘干8小時。關(guān)閉烘箱電源，冷卻半小時。 稱量：取出鋁盒，用電子天平依次稱量，在記錄表中做好相應(yīng)的記錄。 將取樣瓶、鋁盒清洗干凈妥善擺放。 泥沙量計算 泥沙重,徑流小區(qū)