劉昱恒
徑流小區(qū)是坡面水蝕、徑流和泥沙測驗的重要手段,是森林生態(tài)站水土保持觀測和試驗的重要組成部分。徑流小區(qū)的分類和面積大小不一,但規(guī)劃布設(shè)及觀測設(shè)施、方法、內(nèi)容基本一致。在我國徑流區(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)計相關(guān)的規(guī)范大多明確了徑流小區(qū)主體部分設(shè)計要求,但具體設(shè)計細節(jié)闡述并不明確。實際設(shè)計工作中常因為忽略了設(shè)計細節(jié)對實驗結(jié)果的影響,導致試驗結(jié)果與實際差異較大。
蒙山森林生態(tài)站位于蒙山國家森林公園內(nèi),生態(tài)站建設(shè)包括:森林氣象、水文、土壤、水保觀測設(shè)施等。以蒙山區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)為對象,通過長期、全面的監(jiān)測,重點揭示森林生態(tài)系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)與氣候環(huán)境之間的關(guān)系,為國家提供本區(qū)域資源、環(huán)境及有關(guān)的社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)庫,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。徑流小區(qū)是森林生態(tài)站的重要組成部分,是對森林坡地降雨、徑流及沖刷過程、泥沙和水土流失進行定量研究的測驗設(shè)施。
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、水土流失類型、水保措施和分布等。實地選址時,應(yīng)滿足以下原則和要求:
1)代表性:場地應(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、墳墓、土堆等人類痕跡影響徑流流動。
3)均一性:各徑流場的坡面、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)重復性和可比性:不同措施的小區(qū)要有重復試驗和對比試驗,各項措施應(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)測項目的結(jié)合。并要考慮今后監(jiān)測運行期方便監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸、管理和監(jiān)測持續(xù)性。
根據(jù)規(guī)范要求,蒙陰森林生態(tài)站徑流小區(qū)設(shè)計為標準徑流小區(qū),設(shè)計標準為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)置為保護帶。集流槽、引水、集流桶尺寸根據(jù)頻率暴雨坡面徑流量計算并結(jié)合實際確定。
徑流小區(qū)通常設(shè)計為矩形,對其長寬比例沒有嚴格規(guī)定,但一般認為寬短小區(qū)不可取,因為這樣會影響細溝發(fā)育。因此,我國規(guī)范規(guī)定標準小區(qū)規(guī)定尺寸為投影面積100m2(5m×20m)。
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)外降水匯流進入小區(qū)內(nèi),可根據(jù)降雨情況取適應(yīng)值。本次設(shè)計考慮到徑流小區(qū)位于蒙山山麓,雨季有山洪暴發(fā)可能并考慮小區(qū)長期觀測需要,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:
矩形圍埂在測徑流量時無法去除圍埂的受雨量,用于對徑流泥沙觀測精度要求不高且施工環(huán)境條件惡劣的試驗。刃形與V形圍埂能去除圍埂受雨對徑流觀測數(shù)據(jù)的影響,用于觀測精度要求高且施工環(huán)境條件較好的試驗。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:水泥板造價低、易施工,不易變形,缺點為易吸水和凍裂。金屬板造價高、不吸水、不易凍裂,缺點為易變形。結(jié)合蒙山森林公園實際情況,本次采用80mm厚水泥板。
1)相關(guān)水力計算方法。查省水文手冊,按50年一遇、24h設(shè)計標準,查獲當?shù)赝l率設(shè)計降雨量。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)驗公式計算:W=1/2Qmt,式中 t為洪水歷時,h。
根據(jù)水力學公式,計算集流槽、引水管尺寸。集流槽橫斷面面積計算公式為:S=Qm/V,V為流速,m/s,根據(jù)謝才公式計算。實際計算時初擬斷面20cm×20cm,按公式試算斷面流量,計算結(jié)果略大于設(shè)計流量則滿足要求。
引水管設(shè)計要求:引水管斷面滿足過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。設(shè)PVC材質(zhì)DN100進水管和DN200排水管,進水管連接集水槽與徑流儀,排水管長度以方便排水排沙為準。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)置地點和歷年降雨徑流情況,本次未設(shè)分流箱。對于降雨量大的地區(qū),設(shè)置分流箱是必須的。因為分流越多觀測數(shù)據(jù)誤差越大,且分流箱施工工藝對分流效果影響也較大,故分流箱在設(shè)計和正式使用前,都需進行校核、率定。
6)小區(qū)整地設(shè)計。森林小區(qū)整地設(shè)計建議各標準小區(qū)間距應(yīng)超過林木高度,林木管理措施分為地上、地下兩個方面。
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)樹木每年要定期管理,在每年秋冬季進行一次樹枝修剪,保持徑流小區(qū)樹枝不超出小區(qū)邊界。
地下部分管理措施:適時整地是徑流小區(qū)產(chǎn)生泥沙的基礎(chǔ),因此,在夏季降雨期間要長期保持中耕除草,每年秋冬季要對地表造物進行清除,以免影響次年徑流和產(chǎn)沙。
徑流小區(qū)是森林生態(tài)站建設(shè)工程的重要組成部分,通過以上設(shè)計分析也可看出,在實際設(shè)計施工過程中,除按照規(guī)范進行設(shè)計外,還應(yīng)考慮以下幾方面內(nèi)容:一是設(shè)計應(yīng)考慮盡量降低施工和后期運行管理難度,以便于觀測使用。二是設(shè)計所使用材料應(yīng)符合和適應(yīng)當?shù)貧夂蜃匀粭l件。三是應(yīng)嚴格控制施工質(zhì)量,以免影響小區(qū)觀測精度。