魏宏征，盛飛，劉亞麗，魯彥靖，胡冬子

（1.甘肅省子午嶺林業(yè)管理局合水分局，甘肅 合水 745400；2.甘肅省子午嶺林業(yè)管理局合水分局蒿咀鋪林場，甘肅 合水 745403；3.甘肅省慶陽生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，甘肅 慶陽 745000）

地表徑流是森林系統(tǒng)長期定位觀測和森林生態(tài)效益監(jiān)測的重要內(nèi)容[1]，也是土壤侵蝕和坡面水文特性研究的重要手段[2]。徑流測量就是流量測定，規(guī)范建議采用自記翻斗流量計[1]，但傳統(tǒng)上多采用集流池或多孔分流加集流桶法，人工量測池/桶水深計算得到總量。傳統(tǒng)方法費(fèi)時費(fèi)力，只能測得總量，無法監(jiān)測徑流過程，徑流過大時還會因溢流造成數(shù)據(jù)缺失[2-4]。翻斗法為容積（測重）量水技術(shù)，其原理是利用機(jī)械對稱式雙穩(wěn)態(tài)翻斗把水流分割為設(shè)定容積（重量）的單元水體，根據(jù)翻斗交互充—放單元水體的次數(shù)測得流體總量及過程，適用于無壓、低水頭、小流量的水流測定[5]，也用于降水量自動測定。市場上有多種翻斗雨量計銷售，自動記錄存儲數(shù)據(jù)，使用方便。盡管翻斗雨量計技術(shù)成熟，但用于一般徑流場流量和小流量測定的報道很少[6]。由于森林地表徑流泥沙量較小，可經(jīng)集中過濾、沉淀、分流后，使用雨量計測量徑流或小流域溪流流量[7-9]。在甘肅省子午嶺蒿咀鋪林場生態(tài)效益監(jiān)測中，我們試用翻斗式全自動雨量計實(shí)現(xiàn)了徑流自動化測定，效果良好。在小流域溪流測定中，由于量水堰法所用儀器價格高昂、操作復(fù)雜困難[10-11]，我們也曾試用翻斗式全自動雨量計。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，在降水量增大、降水強(qiáng)度增加，徑流量加大的情況下，翻斗式全自動雨量計監(jiān)測數(shù)據(jù)誤差較大，主要原因：一是徑流中的雜物堵塞雨量計受水口，二是來水量超過雨量計量程，導(dǎo)致翻斗不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)[12]。為此，根據(jù)前期監(jiān)測數(shù)據(jù)，我們利用分流原理研制分流裝置，把大股徑流過濾后平均分為多股細(xì)流，控制每股細(xì)流的流量在翻斗式全自動雨量計量程之內(nèi)，不僅確保了測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，還解決了翻斗式全自動雨量計代替量水堰法的測量問題。通過人工模擬徑流測試和現(xiàn)場實(shí)地安裝調(diào)試，測量效果基本達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。現(xiàn)將研究結(jié)果報告如下。

1 材料和方法

1.1 材料

UK-YL-D 翻斗式全自動雨量計（以下簡稱雨量計），內(nèi)徑200 mm，量程0～8 mm/min，工作溫度0～30 ℃，南京云佳智能科技有限公司生產(chǎn)。

分流裝置用材：不銹鋼薄板，厚1.2 mm；不銹鋼圓管，內(nèi)徑6 mm；不銹鋼方管，壁厚40 mm；密封玻璃膠。

過濾材料：聚乙烯絲網(wǎng)，10 目；魚缸過濾棉網(wǎng)，密度40 kg/m3；鋼絲網(wǎng)，14 目，不銹鋼材質(zhì)；木條，長600 mm，高、寬各30 mm。

1.2 分流裝置

3 種分流裝置均應(yīng)用水的勢能，使測量水流依次經(jīng)過過濾層、分流管，形成流量相等的多股細(xì)流，利用雨量計測量其中1 股細(xì)流流量。雨量計加蓋，防止降雨等混入造成測量誤差。

1.2.1 分流圓筒

采用圓筒形設(shè)計，由外筒、過濾筒、緩沖分流器、分流管、支架組成。外筒外徑0.4 m，起緩存作用，根據(jù)雨量計測量時間設(shè)定緩存時間；過濾筒內(nèi)徑0.3 m，高0.3 m，筒內(nèi)填充過濾材料；過濾筒底部設(shè)水平緩沖分流器，分流器底等距焊接多個分流管，分流管穿過外筒壁導(dǎo)出；分流管出水口下方安置雨量計測流。外筒、過濾筒均由不銹鋼薄板焊接而成，分流管采用不銹鋼管，支架由不銹鋼方管焊接而成。分流圓筒水平安裝在徑流出水口下方。見圖1。

圖1 分流筒示意

1.2.2 徑流分流槽

采用槽形設(shè)計，由外槽、過濾斜面、過濾支架、分流管、支架組成。外槽長0.4 m，寬0.8 m，高0.4 m，槽底一側(cè)設(shè)過濾斜面，斜面上設(shè)過濾支架，支架上側(cè)設(shè)置過濾材料，預(yù)設(shè)斜面坡度，逐層過濾，按照過濾材料由粗至細(xì)的順序設(shè)置3 個過濾層；槽底出水口側(cè)設(shè)置沉淀空間，外壁等距穿孔焊接多個分流管；分流管出水口下方安置雨量計測流，分高位和底位供實(shí)驗(yàn)測試。外槽由不銹鋼薄板焊接而成，分流管采用不銹鋼管，支架由不銹鋼方管焊接而成。徑流分流槽水平安裝在徑流出水口下方。見圖2。

圖2 徑流分流槽示意

1.2.3 溪流分流槽

采用槽形設(shè)計，由外槽、過濾斜面、過濾支架、分流管組成。外槽長0.8 m，寬0.4 m，高0.2 m；槽底設(shè)置過濾斜面，斜面上設(shè)過濾支架，支架上側(cè)設(shè)置過濾材料；槽底出水側(cè)壁等距穿孔焊接分流管；分流管出水口下方安置雨量計測流。外槽由不銹鋼薄板焊接而成，分流管采用不銹鋼管。根據(jù)最大流量計算確定分流管數(shù)量，暫設(shè)12 個、24 個、32 個，制作時一次性設(shè)置32 個分流孔供實(shí)驗(yàn)測定。溪流分流槽水平安置在量水堰出水口下方。見圖3。

圖3 溪流分流槽示意

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 模擬徑流測試

100 L 清水緩慢流入自制分流裝置，計時操作，以接近森林地表徑流的流量和流速為準(zhǔn)。分流裝置設(shè)定1 個或多個分流口，先用量筒測量，待分流測量誤差≤5%，再用雨量計實(shí)驗(yàn)測流。另設(shè)分流圓筒高位水平分流口、徑流分流槽高位傾斜分流口、徑流分流槽低位水平分流口測試，3次重復(fù)。

1.3.2 模擬過濾測試

實(shí)驗(yàn)在徑流分流槽上進(jìn)行，分流口12 個，高位配置。100 L 清水加入泥沙5 kg，容器稱量，攪拌均勻后緩慢流入分流裝置；恒溫干燥箱烘干過濾材料稱量，計算濾積泥沙量。

實(shí)驗(yàn)設(shè)置7 種過濾材料：聚乙烯絲網(wǎng)，魚缸過濾棉網(wǎng)，鋼絲網(wǎng)，木條，組合一（聚乙烯絲網(wǎng)∶魚缸過濾棉網(wǎng)∶鋼絲網(wǎng)=6 ∶2 ∶2），組合二（聚乙烯絲網(wǎng)∶魚缸過濾棉網(wǎng)∶木條=6 ∶2 ∶2），組合三（聚乙烯絲網(wǎng)∶魚缸過濾棉網(wǎng)∶木條=5 ∶3 ∶2）。每種過濾材料3 次重復(fù)。

1.3.3 徑流場測量實(shí)驗(yàn)

2019 年7 月21 日，實(shí)驗(yàn)在甘肅省子午嶺蒿咀鋪林場三關(guān)橋進(jìn)行。徑流場規(guī)格5 m×20 m，共3 處，分別為油松純林、針闊混交林、闊葉混交林。其中：油松純林平均胸徑8.8 cm，平均高12.0 m，密度3 437 株/hm2，蓄積131.82 m3/hm2，郁閉度0.8；闊葉混交林優(yōu)勢樹種為硬闊類，平均胸徑13.5 cm，平均高8.7 m，密度1 275 株/hm2，蓄積70 m3/hm2，郁閉度0.8；針闊混交林優(yōu)勢樹種為油松，平均胸徑9.2 cm，平均高11.1 m，密度2 525株/hm2，蓄積109.4 m3/hm2，郁閉度0.9。

使用徑流分流槽；組合過濾材料，聚乙烯絲∶純棉網(wǎng)∶木條=5 ∶3 ∶2；12 個分流管，分流出水口與分流槽底相對高差50 mm。雨量計設(shè)置10 min 自計1 次數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 模擬徑流測試

3 種自制分流裝置分別設(shè)置高位和低位2 種分流口，每次測試用水100 L，模擬測量結(jié)果見表1、表2。由表1 數(shù)據(jù)可見，經(jīng)過分流裝置后的測定值均低于測試用水量，說明新研究的裝置帶來一定測量誤差。3 種分流裝置測試精度以徑流分流槽最高，溪流分流槽與之相近，分流圓筒測試誤差較大。2 種分流口位置中，高位分流口測試精度優(yōu)于低位分流口，說明徑流在分流裝置內(nèi)經(jīng)過緩沖平衡，水位平穩(wěn)，分流效果較好。由表2 數(shù)據(jù)可見，徑流分流槽高位傾斜分流口測試精度最高。綜合分析，高位徑流分流槽測量精度高，效果最優(yōu)。

表1 3 種自制分流裝置模擬徑流測試統(tǒng)計 L

表2 自制分流裝置分流口形式模擬徑流測試統(tǒng)計

2.2 模擬過濾測試

每次測試用水100 L，用泥沙5 kg，模擬測量結(jié)果見表3。由表3 數(shù)據(jù)可見，不同材料的過濾性能差異較大，對流量測定精度的影響有所不同但效果接近，其中網(wǎng)絲網(wǎng)過濾性能最差，而且過濾效果不穩(wěn)定；魚缸過濾棉網(wǎng)、組合二的過濾性能最好，過濾效果也比較穩(wěn)定；組合一、組合三的過濾性能和效果略低于組合二，聚乙烯絲網(wǎng)、木條過濾性能與鋼絲網(wǎng)相近。綜合分析，魚缸過濾棉網(wǎng)、組合一、組合二、組合三過濾性能優(yōu)良。

表3 模擬過濾測試統(tǒng)計

2.3 徑流場測量實(shí)驗(yàn)

2019 年7 月21 日降雨，當(dāng)日地表徑流最大值達(dá)到0.23 mm。分流后測流雨量計測試記錄總值302.4 mm，累計測流時間390 min，平均0.8 mm/min。測試情況見表4。由表4 數(shù)據(jù)可見，在降雨當(dāng)日徑流過程中，分流后測流雨量計記錄值均≤8 mm，未超過其量程，工作正常。說明徑流分流槽達(dá)到預(yù)期分流效果。

表4 徑流較大時雨量計記錄值統(tǒng)計

3 結(jié)論與討論

1）3 種分流裝置均能對森林地表徑流進(jìn)行緩沖、過濾、沉淀、分流，解決了徑流量超過翻斗式全自動雨量計量程和徑流雜物堵塞雨量計受水口的問題。在分流裝置出水口配置中，以高位傾斜出水口分流效果好，配合翻斗式全自動雨量計測流精度較高；低位水平出水口配置分流略不均勻。在徑流測量中，徑流分流槽測流效果優(yōu)于分流圓筒，可以實(shí)際應(yīng)用于徑流測量。

2）分流裝置中過濾效果優(yōu)良的材料為魚缸過濾棉網(wǎng)、聚乙烯絲網(wǎng)∶魚缸過濾棉網(wǎng)∶木條=6 ∶2 ∶2、聚乙烯絲網(wǎng)∶魚缸過濾棉網(wǎng)∶鋼絲網(wǎng)=6 ∶2 ∶2、聚乙烯絲網(wǎng)∶魚缸過濾棉網(wǎng)∶木條=5 ∶3 ∶2，聚乙烯、鋼絲網(wǎng)、木條3 種材料單用過濾效果較差。

本文研制的3 種分流裝置，制作簡單，成本較低，配合翻斗式全自動雨量計基本實(shí)現(xiàn)徑流自動化測量目標(biāo)。但模擬徑流測試誤差大多超過2%，甚至超過10%，測量精度和穩(wěn)定性均不太理想。分析其原因，一是自制裝置制作精密度較差，分流口位置、分流管內(nèi)徑的差異，以及裝置安裝水平度偏差，都會造成分流不均勻，進(jìn)而導(dǎo)致翻斗式全自動雨量計測定誤差，需要在以后的研制工作加以改進(jìn)。二是翻斗式全自動雨量計測量誤差，流量增大、泥沙含量增加、泥沙密度的不同都會造成翻斗計量誤差[4]，翻斗自身也會存在無法克服的技術(shù)性計量誤差[5]，這些系統(tǒng)性誤差可以通過試驗(yàn)予以校正。