多点岀流 PVC材料径流小区建设

陈瑾

(甘肃省定西市水土保持科学研究所,743000,甘肃定西)

径流小区最早是水文研究中的一种主要试验方法,目前在水土保持研究和水土保持监测中已经得到广泛应用。在水土保持监测工作中把小区作为独立的客体,进行降水、植被、植物截留、土壤下渗、土壤含水量和水势、植物蒸腾、蒸发和径流、土壤流失量等因子的观测。

径流小区是科研人员研究地表降雨—径流—土壤侵蚀规律的主要科研设施和方法。径流小区的观测资料,在流域水土流失监测、预测分析、流域规划中发挥着重要作用。在其他无资料同类地区的生态建设和区域整治工程中都有广泛的应用。

径流小区又称径流场或水量平衡场,指有一定代表性,与周围没有水平水分交换的自然闭合流域或封闭的人工围成的坡地。一般情况下自然闭合流域小区呈不规则形状,面积大小不一;坡面小区大多数多为矩形或棱形,面积由数十到数百平方米。

在水蚀区,利用径流小区,观测记录水土流失及其影响因子变化的状况,是比较科学的方法,是研究侵蚀地区的治理措施规划设计、流域水沙特点和变化原因以及减水减沙效益的重要手段之一[1],其主要特点是,独立掌握小区土壤前期含水量、植被状况等下垫面因子的实际数值,观测一次降雨形成的径流、土壤流失等信息,直接分析降雨、径流、土壤侵蚀、植被状况等因子之间的物理关系和影响机制。这些成果,是进行水土流失状况、水土保持效益计算和预测的最基本、最重要的信息资料。这些资料的科学性和可靠性,是水土保持效益评估和水土流失预测预报成果的根本保证。可以这样说,径流小区是从微观尺度上研究和测验水土流失状况的最有效方法,是获取水土保持比较效应的基础资料[2]。因此,径流小区的建设科学性非常重要。

径流观测小区由小区边界、集流槽和集流池组成。传统径流小区的小区边界、集流槽、集流池是用混凝土建造的。

1 传统径流小区的建设方法

传统径流小区主要由小区边埂、集流槽、导流槽、量水设施组成。由设计标准及小区可能产流量,选定集流桶(集流池)尺寸。小区边埂边墙高出地面 10～30 cm,埋入地下 30 cm,由预制板、砌砖或现浇混凝土围成矩形,上缘向小区外呈 60°倾斜。

集流槽设置在小区坡面下缘,垂直于径流流向,一般由混凝土或砂浆抹面制成,长度与径流小区宽度一致,宽度 20～30 cm,表面光滑,上缘与小区坡底地面同高且水平,槽身由两端向下中心倾斜,倾斜度以不产生泥沙沉积为准。集流槽下接由镀锌铁皮、金属管或 PVC管等做成的导流管(槽),长度一般 5～100 cm。

导流槽下接量水设施,一般根据区域条件的差异及产流量的大小,采用集流桶或集流池等形式。集流桶采用镀锌铁皮或钢板等材料制作,集流池采用砌砖方式修筑。如产流量大,可采用一级或多级分流桶(分流池)进行分流。分流孔的数量根据可能的产流而定,并均匀设置。集流槽、导流槽以及量水设施均需设置盖板,以防止雨水直接流入集流池而导致数据失真。

2 传统径流小区的局限性分析

2.1 传统径流小区在建造技术层面上的局限性及改进方法

传统的径流小区建设时,工程量大,建设周期长,在建设、管理和使用方面都存在很大的局限性,主要表现在以下 7方面。

1)修筑边埂时,需要开挖 50 cm宽、50 cm深的沟,然后夯实回填,以保证混凝土块不沉陷。这样的话就要破坏坡面的原始状态,导致小区建好后 3～5年不能反映原始坡面数据,小区不能正常使用。

2)混凝土块的质量很大,运输难度大、费用高。

3)造价高。一般情况下,用混凝土块作为边埂的径流小区,边埂单位长度的造价要达到 40～50元/m。PVC材料边界造价只有 7～8元/m。

4)用混凝土块作为边埂,在不规则坡面上建径流小区难度很大。

5)科研人员往往需要研究不同形状集流区域的降雨径流,需要建不同形状的径流小区。如椭圆、菱形等形状。用混凝土块作为边埂,建成任意形状的径流小区难度很大。

6)科研人员需要研究不同面积集流区域的降雨径流,需要建极小面积的径流小区,如投影面积 1 m2的径流小区,用混凝土块作为边埂建就很难实现。

7)混凝土集流槽由于容易冻胀,形成裂缝,容易导致小区中径流的渗漏,产生观测误差。

针对上述问题,经过研究提出用 PVC板材和管材薄型材料建设多点岀流径流小区,就可以解决上述问题,为科研人员提供建设径流小区的新方法。

2.2 应用技术层面上的局限性和改进后的应用范围

传统的径流小区在集流槽上只设一个出流口,在应用技术层面上也有一定的局限性,主要表现在4方面。

1)需要监测坡面漫流状态下土壤侵蚀的量和过程时,在同一个坡长的小区内,小区集流槽只有一个出流口,虽然观测到的径流量和侵蚀量是小区真实的量,但观测到的出流过程与小区实际出流过程不符,多出了一段集流槽的汇流时间。增加集流槽的出流口,把集流槽单点出流改为多点出流,尽量减少集流槽的汇流时间,就可以在一定程度上减小这个误差,使监测结果尽可能地反映真实的小区出流过程。同一坡长多点岀流径流小区如图 1。

图 1 同一坡长多点出流小区示意图Fig.1 Sketch ofmulti-outflow runoff plot with same slope length

2)需要研究同一状态坡面上的不同坡长的水土流失规律,利用传统的混凝土径流小区,就要花费很高的成本去建设不同坡长的径流小区,费时、费力、费钱,且效率很低。建设多点岀流的 PVC材料径流小区省时、省力、省钱,基本上可以实现建成即用。不同坡长多点岀流径流小区如图 2。

图 2 不同坡长多点出流小区示意图Fig.2 Sketch ofmulti-outflow runoff plot with varied slope length

3)监测不同下垫面的水土流失状况,需要建设不同下垫面的径流小区;但传统的径流小区在建设过程中,要开挖坡面修筑小区边界,边界墙开挖槽至少需要 50 cm,这样就破坏了小区坡面的植被,一般状况下,恢复这部分区域的植被到原始的状态,需要3年以上的时间,这样就大大降低了监测的效率。

4)研究面积大小和坡型特征[3]不同的集流面的水土流失状况时,利用传统的混凝土径流小区,研究成本都很高,效率很低,有的甚至难以实现,多点岀流 PVC材料的径流小区就很容易实现各种形状的径流小区的建造。

3 多点出流 PVC材料径流小区建造方法

多点出流 PVC材料径流小区和传统径流小区的构件一样,也由小区边埂、集流槽、导流槽、量水设施组成。主要差别是建造材料和出流口的数量。建设时首先选择需要监测和研究的坡面,按照设计的形状划定径流小区的区域。

3.1 小区边界的施工

小区边界建设材料选择 PVC板材,规格为宽度是 20 cm,按照边界的长度,截取需要的长度。施工时,沿小区边界,在地面上用小铲开 10 cm×10 cm的沟,然后将截好的板材沿开好的沟槽摆放,回填沟槽,压实即可。边界墙高出地面 10 cm。

3.2 集水槽施工

按照小区设计径流量,选择一定直径的 PVC排水管,沿管轴线一分为二。选择同样直径的 PVC三通,同样沿轴线一分为二,在小区下沿挖开集水槽,捣实,然后用水泥砂浆将 PVC管固定在小区下沿即可。将截好的三通连接到集流桶,建成整个小区。集流桶的施工和传统径流小区建设方法一样。

图 3 多点出流 PVC材料径流小区Fig.3 Multi-outflow runoff plotwith PVCmaterial

4 2种小区的建造材料费用对比分析

4.1 混凝土径流小区

按 SL 277—2002《水土保持监测技术规程》的要求,建设 1个标准小区,投影面积为 20 m×5m,主要工程量有:开挖小区边界沟槽,规格 0.5m×0.5m×30m,开挖土方 7.5m3;夯实回填土方约 7.5 m3;预制混凝土边界墙 0.1×0.5×0.5×100(块)=2.5m3;浇注混凝土集流槽,一般大约需要 0.1m3;放置集流桶,开挖土方 2m3,集流桶约需1000元/个;平整场地 182m2,(包括保护行和观测通道)。

具体概算土建工程建造及材料费用见表 1,合计造价为 3 385.05元。

表 1 混凝土小区造价概算表Tab.1 Estimation of run off plot with concrete material

4.2 PVC材料径流小区

同样按 SL 277—2002《水土保持监测技术规程》的要求,建设 1个标准小区,投影面积 20m×5 m,主要工程量有:开挖小区边界沟槽,规格 0.1m×0.1m×30m,开挖土方 0.3m3;夯实回填土方约0.3m3;PVC集流槽需直径 100mm PV管材 5m;小区边界墙用 PVC板材(宽 20 cm)30m;放置集流桶,开挖土方 2 m3;集流桶约需 1 000元/个;平整场地182m2(包括保护行和观测通道)。

具体概算土建工程建造及材料费用见表 2,合计造价为 1 317.56元。

4.3 2种小区的费用比较

2种小区的主要区别在于小区边界的材料和集流槽的材料不同,从而导致建造材料费用的差异。从造价概算表可以看出,传统径流小区的建造费用(不包括集流桶)为 2 385.05元,PVC径流小区的建造费用(不包括集流桶)为 317.56元。前者的建造费用是后者 7.5倍。如果不计资金的时间价值,投资约 8次,PVC径流小区造价才能达到传统径流小区的造价。假如没有人为的破坏,PVC材料的寿命可以超过 5年;因此,可以看出 PVC材料径流小区在经济上是合算的。在技术上也是可行的。

表 2 PVC材料小区造价概算表Tab.2 Estimation of runoff plot with PVC material

5 结语

材料的改进,引起建设进度和建筑工序的改进,从而大大缩短了径流小区从建设到使用的时间,提高了径流小区收集资料的效率和精度。在一些大型固定研究基地,除了多年固定的径流实验场上建设混凝土径流小区外,PVC材料径流小区[4]为研究一些特殊坡面的水土流失提供了更为有效、省时、省钱、快捷的方法。在生态建设工程和建设项目水土保持监测中,也会得到广泛应用。

[1] 孟庆枚.黄土高原水土保持[M].郑州:黄河水利出版社,1999:269-272

[2] 陈本兵,穆兴民.我国水土保持监测与发展的思考[J].水土保持通报,2009,29(2):83-84

[3] 水利部水土保持监测中心.水土保持监测技术指标体系[M].北京:中国水利水电出版社,2006:28-30

[4] 陈瑾.一种野外观测径流小区的设施:中国,201020261742.7[P].2010-11-02