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        蒙山森林生態(tài)站徑流小區(qū)設(shè)計(jì)分析

        2018-03-26 17:00:14劉昱恒
        山東水利 2018年10期
        關(guān)鍵詞:流槽蒙山徑流

        劉昱恒

        徑流小區(qū)是坡面水蝕、徑流和泥沙測(cè)驗(yàn)的重要手段,是森林生態(tài)站水土保持觀測(cè)和試驗(yàn)的重要組成部分。徑流小區(qū)的分類(lèi)和面積大小不一,但規(guī)劃布設(shè)及觀測(cè)設(shè)施、方法、內(nèi)容基本一致。在我國(guó)徑流區(qū)域分為小區(qū)和大區(qū),小區(qū)面積100m2,大區(qū)多在500~2000m2之間。與徑流小區(qū)設(shè)計(jì)相關(guān)的規(guī)范大多明確了徑流小區(qū)主體部分設(shè)計(jì)要求,但具體設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)闡述并不明確。實(shí)際設(shè)計(jì)工作中常因?yàn)楹雎粤嗽O(shè)計(jì)細(xì)節(jié)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響,導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際差異較大。

        蒙山森林生態(tài)站位于蒙山國(guó)家森林公園內(nèi),生態(tài)站建設(shè)包括:森林氣象、水文、土壤、水保觀測(cè)設(shè)施等。以蒙山區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)為對(duì)象,通過(guò)長(zhǎng)期、全面的監(jiān)測(cè),重點(diǎn)揭示森林生態(tài)系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)與氣候環(huán)境之間的關(guān)系,為國(guó)家提供本區(qū)域資源、環(huán)境及有關(guān)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)庫(kù),解決區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設(shè)基礎(chǔ)理論與應(yīng)用技術(shù)難題,為森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能研究提供良好的野外研究平臺(tái)。徑流小區(qū)是森林生態(tài)站的重要組成部分,是對(duì)森林坡地降雨、徑流及沖刷過(guò)程、泥沙和水土流失進(jìn)行定量研究的測(cè)驗(yàn)設(shè)施。

        1 徑流小區(qū)前期設(shè)計(jì)原則

        徑流小區(qū)設(shè)置前,應(yīng)收集相關(guān)基本資料,如地質(zhì)、地貌、土壤、植被、水文等自然條件,以及小區(qū)局地植被、降雨、徑流、水土流失類(lèi)型、水保措施和分布等。實(shí)地選址時(shí),應(yīng)滿足以下原則和要求:

        1)代表性:場(chǎng)地應(yīng)選擇在地形、坡向、土壤、植被等條件有代表性地段上,最好是自然坡面上。同時(shí)考慮剖面結(jié)構(gòu)、土層厚土、土壤理化特征等,能代表所選典型區(qū)域內(nèi)的自然條件。

        2)自然性:坡面盡可能處于自然狀態(tài),不能有土坑、道路、墳?zāi)?、土堆等人?lèi)痕跡影響徑流流動(dòng)。

        3)均一性:各徑流場(chǎng)的坡面、土壤、植被應(yīng)均勻一致,不可在原溝道內(nèi)填平建設(shè)小區(qū),擬建小區(qū)坡上和坡底涂層厚度也不應(yīng)相差太大。

        4)重復(fù)性和可比性:不同措施的小區(qū)要有重復(fù)試驗(yàn)和對(duì)比試驗(yàn),各項(xiàng)措施應(yīng)與本區(qū)域的水土流失防治的耕作措施、工程措施、植被措施匹配。

        5)便于管理:小區(qū)選址應(yīng)考慮交通便利并與生態(tài)站總體建設(shè)適應(yīng),便于與其他監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的結(jié)合。并要考慮今后監(jiān)測(cè)運(yùn)行期方便監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸、管理和監(jiān)測(cè)持續(xù)性。

        2 徑流小區(qū)設(shè)計(jì)

        根據(jù)規(guī)范要求,蒙陰森林生態(tài)站徑流小區(qū)設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū),設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇、24h降雨徑流量。小區(qū)最大投影面積為100m2(5m×20m),主體包括小區(qū)護(hù)埂、集流槽、引水管、量水設(shè)備(集流桶)。小區(qū)四周5m范圍設(shè)置為保護(hù)帶。集流槽、引水、集流桶尺寸根據(jù)頻率暴雨坡面徑流量計(jì)算并結(jié)合實(shí)際確定。

        徑流小區(qū)通常設(shè)計(jì)為矩形,對(duì)其長(zhǎng)寬比例沒(méi)有嚴(yán)格規(guī)定,但一般認(rèn)為寬短小區(qū)不可取,因?yàn)檫@樣會(huì)影響細(xì)溝發(fā)育。因此,我國(guó)規(guī)范規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)規(guī)定尺寸為投影面積100m2(5m×20m)。

        2.1 圍埂設(shè)計(jì)

        圍埂為設(shè)置在徑流小區(qū)邊界除下邊緣以外的隔離設(shè)施。

        1)高度。根據(jù)規(guī)范要求,圍埂地表出露10~20cm,埋入地下20~30cm,具體尺寸需根據(jù)實(shí)際情況確定。地表出露的本質(zhì)是為防止小區(qū)外降水匯流進(jìn)入小區(qū)內(nèi),可根據(jù)降雨情況取適應(yīng)值。本次設(shè)計(jì)考慮到徑流小區(qū)位于蒙山山麓,雨季有山洪暴發(fā)可能并考慮小區(qū)長(zhǎng)期觀測(cè)需要,出露及埋地均取大值,出露20cm,埋地30cm。

        2)斷面形式與尺寸。圍埂的斷面形式在實(shí)際中有很多種,如矩形、三角形、刃形和V形。其中:

        矩形圍埂在測(cè)徑流量時(shí)無(wú)法去除圍埂的受雨量,用于對(duì)徑流泥沙觀測(cè)精度要求不高且施工環(huán)境條件惡劣的試驗(yàn)。刃形與V形圍埂能去除圍埂受雨對(duì)徑流觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響,用于觀測(cè)精度要求高且施工環(huán)境條件較好的試驗(yàn)。其中刃形較V形更容易施工。三角形圍埂介于矩形圍埂和V形與刃形圍埂之間。本設(shè)計(jì)采用刃形圍埂。

        3)圍埂材料。規(guī)范規(guī)定圍埂材料為不滲水、不吸水的水泥板或金屬板。其中:水泥板造價(jià)低、易施工,不易變形,缺點(diǎn)為易吸水和凍裂。金屬板造價(jià)高、不吸水、不易凍裂,缺點(diǎn)為易變形。結(jié)合蒙山森林公園實(shí)際情況,本次采用80mm厚水泥板。

        2.2 測(cè)量設(shè)備設(shè)計(jì)

        1)相關(guān)水力計(jì)算方法。查省水文手冊(cè),按50年一遇、24h設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),查獲當(dāng)?shù)赝l率設(shè)計(jì)降雨量。徑流深公式為:H=P·k,式中,H為徑流深,mm;P為降雨量,mm;k為徑流系數(shù)。

        根據(jù)徑流小區(qū)投影面積,計(jì)算降雨徑流量(24h)。徑流量公式為W=H·F,式中,W為徑流量,m3;H 為徑流深,m;F 為集水區(qū)面積,m2。

        徑流小區(qū)的洪峰流量(Qm)采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算:W=1/2Qmt,式中 t為洪水歷時(shí),h。

        根據(jù)水力學(xué)公式,計(jì)算集流槽、引水管尺寸。集流槽橫斷面面積計(jì)算公式為:S=Qm/V,V為流速,m/s,根據(jù)謝才公式計(jì)算。實(shí)際計(jì)算時(shí)初擬斷面20cm×20cm,按公式試算斷面流量,計(jì)算結(jié)果略大于設(shè)計(jì)流量則滿足要求。

        引水管設(shè)計(jì)要求:引水管斷面滿足過(guò)流量大于集流槽最大流量,安裝坡度不小于集流槽比降。

        2)集流槽。集流槽采用混凝土板,設(shè)置在徑流小區(qū)坡面下緣,垂直于徑流流向,長(zhǎng)度與徑流小區(qū)寬度一致,寬度(槽緣寬和槽深寬)20cm。規(guī)范中要求集流槽應(yīng)設(shè)蓋板,但實(shí)際工作中,設(shè)置蓋板不便于降雨取樣后集流槽的清洗,故本次集流槽未設(shè)蓋板。

        3)引水管(槽)。在集流槽下游邊緣中部最低處設(shè)DN100PVC導(dǎo)流管,將徑流和泥沙引入集流池。

        4)集流桶(池)。集流池用以收集全部徑流和泥沙。采用磚砌水泥砂漿抹面,池深0.5m,頂部加設(shè)蓋板,蓋板材料選擇木質(zhì),便于后期工作和維護(hù)。設(shè)PVC材質(zhì)DN100進(jìn)水管和DN200排水管,進(jìn)水管連接集水槽與徑流儀,排水管長(zhǎng)度以方便排水排沙為準(zhǔn)。排水管末端可考慮加裝水龍頭,以便清理泥沙。

        5)分流箱(桶)。結(jié)合徑流小區(qū)設(shè)置地點(diǎn)和歷年降雨徑流情況,本次未設(shè)分流箱。對(duì)于降雨量大的地區(qū),設(shè)置分流箱是必須的。因?yàn)榉至髟蕉嘤^測(cè)數(shù)據(jù)誤差越大,且分流箱施工工藝對(duì)分流效果影響也較大,故分流箱在設(shè)計(jì)和正式使用前,都需進(jìn)行校核、率定。

        6)小區(qū)整地設(shè)計(jì)。森林小區(qū)整地設(shè)計(jì)建議各標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)間距應(yīng)超過(guò)林木高度,林木管理措施分為地上、地下兩個(gè)方面。

        地上部分管理措施:由于水土保持徑流小區(qū)面積小,小區(qū)樹(shù)木每年要定期管理,在每年秋冬季進(jìn)行一次樹(shù)枝修剪,保持徑流小區(qū)樹(shù)枝不超出小區(qū)邊界。

        地下部分管理措施:適時(shí)整地是徑流小區(qū)產(chǎn)生泥沙的基礎(chǔ),因此,在夏季降雨期間要長(zhǎng)期保持中耕除草,每年秋冬季要對(duì)地表造物進(jìn)行清除,以免影響次年徑流和產(chǎn)沙。

        3 結(jié)語(yǔ)

        徑流小區(qū)是森林生態(tài)站建設(shè)工程的重要組成部分,通過(guò)以上設(shè)計(jì)分析也可看出,在實(shí)際設(shè)計(jì)施工過(guò)程中,除按照規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)外,還應(yīng)考慮以下幾方面內(nèi)容:一是設(shè)計(jì)應(yīng)考慮盡量降低施工和后期運(yùn)行管理難度,以便于觀測(cè)使用。二是設(shè)計(jì)所使用材料應(yīng)符合和適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂蜃匀粭l件。三是應(yīng)嚴(yán)格控制施工質(zhì)量,以免影響小區(qū)觀測(cè)精度。

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