陳瑾

(甘肅省定西市水土保持科學(xué)研究所,743000,甘肅定西)

徑流小區(qū)最早是水文研究中的一種主要試驗(yàn)方法,目前在水土保持研究和水土保持監(jiān)測(cè)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。在水土保持監(jiān)測(cè)工作中把小區(qū)作為獨(dú)立的客體,進(jìn)行降水、植被、植物截留、土壤下滲、土壤含水量和水勢(shì)、植物蒸騰、蒸發(fā)和徑流、土壤流失量等因子的觀測(cè)。

徑流小區(qū)是科研人員研究地表降雨—徑流—土壤侵蝕規(guī)律的主要科研設(shè)施和方法。徑流小區(qū)的觀測(cè)資料,在流域水土流失監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)分析、流域規(guī)劃中發(fā)揮著重要作用。在其他無(wú)資料同類地區(qū)的生態(tài)建設(shè)和區(qū)域整治工程中都有廣泛的應(yīng)用。

徑流小區(qū)又稱徑流場(chǎng)或水量平衡場(chǎng),指有一定代表性,與周圍沒(méi)有水平水分交換的自然閉合流域或封閉的人工圍成的坡地。一般情況下自然閉合流域小區(qū)呈不規(guī)則形狀,面積大小不一;坡面小區(qū)大多數(shù)多為矩形或棱形,面積由數(shù)十到數(shù)百平方米。

在水蝕區(qū),利用徑流小區(qū),觀測(cè)記錄水土流失及其影響因子變化的狀況,是比較科學(xué)的方法,是研究侵蝕地區(qū)的治理措施規(guī)劃設(shè)計(jì)、流域水沙特點(diǎn)和變化原因以及減水減沙效益的重要手段之一[1],其主要特點(diǎn)是,獨(dú)立掌握小區(qū)土壤前期含水量、植被狀況等下墊面因子的實(shí)際數(shù)值,觀測(cè)一次降雨形成的徑流、土壤流失等信息,直接分析降雨、徑流、土壤侵蝕、植被狀況等因子之間的物理關(guān)系和影響機(jī)制。這些成果,是進(jìn)行水土流失狀況、水土保持效益計(jì)算和預(yù)測(cè)的最基本、最重要的信息資料。這些資料的科學(xué)性和可靠性,是水土保持效益評(píng)估和水土流失預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)成果的根本保證?？梢赃@樣說(shuō),徑流小區(qū)是從微觀尺度上研究和測(cè)驗(yàn)水土流失狀況的最有效方法,是獲取水土保持比較效應(yīng)的基礎(chǔ)資料[2]。因此,徑流小區(qū)的建設(shè)科學(xué)性非常重要。

徑流觀測(cè)小區(qū)由小區(qū)邊界、集流槽和集流池組成。傳統(tǒng)徑流小區(qū)的小區(qū)邊界、集流槽、集流池是用混凝土建造的。

1 傳統(tǒng)徑流小區(qū)的建設(shè)方法

傳統(tǒng)徑流小區(qū)主要由小區(qū)邊埂、集流槽、導(dǎo)流槽、量水設(shè)施組成。由設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及小區(qū)可能產(chǎn)流量,選定集流桶(集流池)尺寸。小區(qū)邊埂邊墻高出地面 10～30 cm,埋入地下 30 cm,由預(yù)制板、砌磚或現(xiàn)澆混凝土圍成矩形,上緣向小區(qū)外呈 60°傾斜。

集流槽設(shè)置在小區(qū)坡面下緣,垂直于徑流流向,一般由混凝土或砂漿抹面制成,長(zhǎng)度與徑流小區(qū)寬度一致,寬度 20～30 cm,表面光滑,上緣與小區(qū)坡底地面同高且水平,槽身由兩端向下中心傾斜,傾斜度以不產(chǎn)生泥沙沉積為準(zhǔn)。集流槽下接由鍍鋅鐵皮、金屬管或 PVC管等做成的導(dǎo)流管(槽),長(zhǎng)度一般 5～100 cm。

導(dǎo)流槽下接量水設(shè)施,一般根據(jù)區(qū)域條件的差異及產(chǎn)流量的大小,采用集流桶或集流池等形式。集流桶采用鍍鋅鐵皮或鋼板等材料制作,集流池采用砌磚方式修筑。如產(chǎn)流量大,可采用一級(jí)或多級(jí)分流桶(分流池)進(jìn)行分流。分流孔的數(shù)量根據(jù)可能的產(chǎn)流而定,并均勻設(shè)置。集流槽、導(dǎo)流槽以及量水設(shè)施均需設(shè)置蓋板,以防止雨水直接流入集流池而導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真。

2 傳統(tǒng)徑流小區(qū)的局限性分析

2.1 傳統(tǒng)徑流小區(qū)在建造技術(shù)層面上的局限性及改進(jìn)方法

傳統(tǒng)的徑流小區(qū)建設(shè)時(shí),工程量大,建設(shè)周期長(zhǎng),在建設(shè)、管理和使用方面都存在很大的局限性,主要表現(xiàn)在以下 7方面。

1)修筑邊埂時(shí),需要開(kāi)挖 50 cm寬、50 cm深的溝,然后夯實(shí)回填,以保證混凝土塊不沉陷。這樣的話就要破壞坡面的原始狀態(tài),導(dǎo)致小區(qū)建好后 3～5年不能反映原始坡面數(shù)據(jù),小區(qū)不能正常使用。

2)混凝土塊的質(zhì)量很大,運(yùn)輸難度大、費(fèi)用高。

3)造價(jià)高。一般情況下,用混凝土塊作為邊埂的徑流小區(qū),邊埂單位長(zhǎng)度的造價(jià)要達(dá)到 40～50元/m。PVC材料邊界造價(jià)只有 7～8元/m。

4)用混凝土塊作為邊埂,在不規(guī)則坡面上建徑流小區(qū)難度很大。

5)科研人員往往需要研究不同形狀集流區(qū)域的降雨徑流,需要建不同形狀的徑流小區(qū)。如橢圓、菱形等形狀。用混凝土塊作為邊埂,建成任意形狀的徑流小區(qū)難度很大。

6)科研人員需要研究不同面積集流區(qū)域的降雨徑流,需要建極小面積的徑流小區(qū),如投影面積 1 m2的徑流小區(qū),用混凝土塊作為邊埂建就很難實(shí)現(xiàn)。

7)混凝土集流槽由于容易凍脹,形成裂縫,容易導(dǎo)致小區(qū)中徑流的滲漏,產(chǎn)生觀測(cè)誤差。

針對(duì)上述問(wèn)題,經(jīng)過(guò)研究提出用 PVC板材和管材薄型材料建設(shè)多點(diǎn)岀流徑流小區(qū),就可以解決上述問(wèn)題,為科研人員提供建設(shè)徑流小區(qū)的新方法。

2.2 應(yīng)用技術(shù)層面上的局限性和改進(jìn)后的應(yīng)用范圍

傳統(tǒng)的徑流小區(qū)在集流槽上只設(shè)一個(gè)出流口,在應(yīng)用技術(shù)層面上也有一定的局限性,主要表現(xiàn)在4方面。

1)需要監(jiān)測(cè)坡面漫流狀態(tài)下土壤侵蝕的量和過(guò)程時(shí),在同一個(gè)坡長(zhǎng)的小區(qū)內(nèi),小區(qū)集流槽只有一個(gè)出流口,雖然觀測(cè)到的徑流量和侵蝕量是小區(qū)真實(shí)的量,但觀測(cè)到的出流過(guò)程與小區(qū)實(shí)際出流過(guò)程不符,多出了一段集流槽的匯流時(shí)間。增加集流槽的出流口,把集流槽單點(diǎn)出流改為多點(diǎn)出流,盡量減少集流槽的匯流時(shí)間,就可以在一定程度上減小這個(gè)誤差,使監(jiān)測(cè)結(jié)果盡可能地反映真實(shí)的小區(qū)出流過(guò)程。同一坡長(zhǎng)多點(diǎn)岀流徑流小區(qū)如圖 1。

圖 1 同一坡長(zhǎng)多點(diǎn)出流小區(qū)示意圖Fig.1 Sketch ofmulti-outflow runoff plot with same slope length

2)需要研究同一狀態(tài)坡面上的不同坡長(zhǎng)的水土流失規(guī)律,利用傳統(tǒng)的混凝土徑流小區(qū),就要花費(fèi)很高的成本去建設(shè)不同坡長(zhǎng)的徑流小區(qū),費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、費(fèi)錢,且效率很低。建設(shè)多點(diǎn)岀流的 PVC材料徑流小區(qū)省時(shí)、省力、省錢,基本上可以實(shí)現(xiàn)建成即用。不同坡長(zhǎng)多點(diǎn)岀流徑流小區(qū)如圖 2。

圖 2 不同坡長(zhǎng)多點(diǎn)出流小區(qū)示意圖Fig.2 Sketch ofmulti-outflow runoff plot with varied slope length

3)監(jiān)測(cè)不同下墊面的水土流失狀況,需要建設(shè)不同下墊面的徑流小區(qū);但傳統(tǒng)的徑流小區(qū)在建設(shè)過(guò)程中,要開(kāi)挖坡面修筑小區(qū)邊界,邊界墻開(kāi)挖槽至少需要 50 cm,這樣就破壞了小區(qū)坡面的植被,一般狀況下,恢復(fù)這部分區(qū)域的植被到原始的狀態(tài),需要3年以上的時(shí)間,這樣就大大降低了監(jiān)測(cè)的效率。

4)研究面積大小和坡型特征[3]不同的集流面的水土流失狀況時(shí),利用傳統(tǒng)的混凝土徑流小區(qū),研究成本都很高,效率很低,有的甚至難以實(shí)現(xiàn),多點(diǎn)岀流 PVC材料的徑流小區(qū)就很容易實(shí)現(xiàn)各種形狀的徑流小區(qū)的建造。

3 多點(diǎn)出流 PVC材料徑流小區(qū)建造方法

多點(diǎn)出流 PVC材料徑流小區(qū)和傳統(tǒng)徑流小區(qū)的構(gòu)件一樣,也由小區(qū)邊埂、集流槽、導(dǎo)流槽、量水設(shè)施組成。主要差別是建造材料和出流口的數(shù)量。建設(shè)時(shí)首先選擇需要監(jiān)測(cè)和研究的坡面,按照設(shè)計(jì)的形狀劃定徑流小區(qū)的區(qū)域。

3.1 小區(qū)邊界的施工

小區(qū)邊界建設(shè)材料選擇 PVC板材,規(guī)格為寬度是 20 cm,按照邊界的長(zhǎng)度,截取需要的長(zhǎng)度。施工時(shí),沿小區(qū)邊界,在地面上用小鏟開(kāi) 10 cm×10 cm的溝,然后將截好的板材沿開(kāi)好的溝槽擺放,回填溝槽,壓實(shí)即可。邊界墻高出地面 10 cm。

3.2 集水槽施工

按照小區(qū)設(shè)計(jì)徑流量,選擇一定直徑的 PVC排水管,沿管軸線一分為二。選擇同樣直徑的 PVC三通,同樣沿軸線一分為二,在小區(qū)下沿挖開(kāi)集水槽,搗實(shí),然后用水泥砂漿將 PVC管固定在小區(qū)下沿即可。將截好的三通連接到集流桶,建成整個(gè)小區(qū)。集流桶的施工和傳統(tǒng)徑流小區(qū)建設(shè)方法一樣。

圖 3 多點(diǎn)出流 PVC材料徑流小區(qū)Fig.3 Multi-outflow runoff plotwith PVCmaterial

4 2種小區(qū)的建造材料費(fèi)用對(duì)比分析

4.1 混凝土徑流小區(qū)

按 SL 277—2002《水土保持監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程》的要求,建設(shè) 1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)小區(qū),投影面積為 20 m×5m,主要工程量有:開(kāi)挖小區(qū)邊界溝槽,規(guī)格 0.5m×0.5m×30m,開(kāi)挖土方 7.5m3;夯實(shí)回填土方約 7.5 m3;預(yù)制混凝土邊界墻 0.1×0.5×0.5×100(塊)=2.5m3;澆注混凝土集流槽,一般大約需要 0.1m3;放置集流桶,開(kāi)挖土方 2m3,集流桶約需1000元/個(gè);平整場(chǎng)地 182m2,(包括保護(hù)行和觀測(cè)通道)。

具體概算土建工程建造及材料費(fèi)用見(jiàn)表 1,合計(jì)造價(jià)為 3 385.05元。

表 1 混凝土小區(qū)造價(jià)概算表Tab.1 Estimation of run off plot with concrete material

4.2 PVC材料徑流小區(qū)

同樣按 SL 277—2002《水土保持監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程》的要求,建設(shè) 1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)小區(qū),投影面積 20m×5 m,主要工程量有:開(kāi)挖小區(qū)邊界溝槽,規(guī)格 0.1m×0.1m×30m,開(kāi)挖土方 0.3m3;夯實(shí)回填土方約0.3m3;PVC集流槽需直徑 100mm PV管材 5m;小區(qū)邊界墻用 PVC板材(寬 20 cm)30m;放置集流桶,開(kāi)挖土方 2 m3;集流桶約需 1 000元/個(gè);平整場(chǎng)地182m2(包括保護(hù)行和觀測(cè)通道)。

具體概算土建工程建造及材料費(fèi)用見(jiàn)表 2,合計(jì)造價(jià)為 1 317.56元。

4.3 2種小區(qū)的費(fèi)用比較

2種小區(qū)的主要區(qū)別在于小區(qū)邊界的材料和集流槽的材料不同,從而導(dǎo)致建造材料費(fèi)用的差異。從造價(jià)概算表可以看出,傳統(tǒng)徑流小區(qū)的建造費(fèi)用(不包括集流桶)為 2 385.05元,PVC徑流小區(qū)的建造費(fèi)用(不包括集流桶)為 317.56元。前者的建造費(fèi)用是后者 7.5倍。如果不計(jì)資金的時(shí)間價(jià)值,投資約 8次,PVC徑流小區(qū)造價(jià)才能達(dá)到傳統(tǒng)徑流小區(qū)的造價(jià)。假如沒(méi)有人為的破壞,PVC材料的壽命可以超過(guò) 5年;因此,可以看出 PVC材料徑流小區(qū)在經(jīng)濟(jì)上是合算的。在技術(shù)上也是可行的。

表 2 PVC材料小區(qū)造價(jià)概算表Tab.2 Estimation of runoff plot with PVC material

5 結(jié)語(yǔ)

材料的改進(jìn),引起建設(shè)進(jìn)度和建筑工序的改進(jìn),從而大大縮短了徑流小區(qū)從建設(shè)到使用的時(shí)間,提高了徑流小區(qū)收集資料的效率和精度。在一些大型固定研究基地,除了多年固定的徑流實(shí)驗(yàn)場(chǎng)上建設(shè)混凝土徑流小區(qū)外,PVC材料徑流小區(qū)[4]為研究一些特殊坡面的水土流失提供了更為有效、省時(shí)、省錢、快捷的方法。在生態(tài)建設(shè)工程和建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)中,也會(huì)得到廣泛應(yīng)用。

[1] 孟慶枚.黃土高原水土保持[M].鄭州:黃河水利出版社,1999:269-272

[2] 陳本兵,穆興民.我國(guó)水土保持監(jiān)測(cè)與發(fā)展的思考[J].水土保持通報(bào),2009,29(2):83-84

[3] 水利部水土保持監(jiān)測(cè)中心.水土保持監(jiān)測(cè)技術(shù)指標(biāo)體系[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2006:28-30

[4] 陳瑾.一種野外觀測(cè)徑流小區(qū)的設(shè)施:中國(guó),201020261742.7[P].2010-11-02