弃渣试验径流小区设计

谢颂华，武 艺，王 农

（江西省水土保持科学研究院，江西 南昌 330029）

在江西水土保持生态科技园内建设弃渣试验小区的主要研究目的是以南方红壤区不同成土母质发育的土壤和主要生产建设弃土（渣）类型为对象，研究在生产建设实践中必然产生的弃土 （渣）区域水土流失规律，探索生产建设活动造成的“迹地”的快速恢复技术。

1 研究区概况

江西水土保持生态科技园位于江西省北部、鄱阳湖水系博阳河西岸的德安县工业园区内，地理位置介于东经 115°42′38″～115°43′06″，北纬 29°16′37″～29°17′40″之间。地貌类型以构造剥蚀低丘为主，海拔高度一般在 30～90 m 之间，坡度多在 5°～25°之间。 研究区地处亚热带季风气候区，多年平均降雨量为1350.9 mm，最大年降雨量为 1807.7 mm，最小年降雨量为 865.6 mm，多年平均蒸发量为1558 mm。区内多年平均气温16.7℃，极端最低气温-11.9℃，极端最高气温38℃，多年平均日照时数为1882.5 h，多年平均无霜期为249 d。年太阳辐射量达451.7 kj/cm2，稳定通过10℃温度保证率80%的积温为 5176.4℃。

2 试验方法及小区布设

试验方法采用径流小区法。根据江西开发建设项目特点，共设置8种弃土弃渣类型（见表1）：花岗岩发育的红壤、红砂岩发育的红壤、第四纪红土发育的红壤、紫色页岩发育的紫色土、稀土尾矿、煤矸石、房渣土和电厂灰渣。径流小区针对野外扰动和弃土弃渣方式进行设计，修建24个10 m×5 m试验小区。

3 径流小区设计

3.1 设计依据

本试验过程按照《水土保持监测技术规程》（SL277-2002）、《水土保持监测设施通用技术条件》（SL342-2006）要求进行设计。

3.2 设计标准[1-3]

根据《水土保持监测设施通用技术条件》（SL342-2006），径流小区按50年一遇24 h降雨径流量设计。

据江西省水文手册，项目区50年一遇最大24 h降雨量 H24，2%＝229.05 mm。

（1）小区面积：本项目所涉及的径流小区最大投影面积为 50 m2（5 m×10 m），

（2）工程设计：径流小区主体包括小区护埂、集流槽、导流管、量水设备（集流桶和分流桶）等4个部分。集流槽、导流管、量水设备尺寸根据设计频率暴雨坡面径流量计算确定，则：

式中：H—径流深，mm；

P—降雨量，mm；

k—径流系数（裸露地径流系数参考德安科技园4号径流小区（裸地）2001～2009年的次降雨径流系数确定为0.8；农耕地径流系数参考江西水土保持生态（德安）科技园8号径流小区（柑橘间作农作物）2001～2009年的次降雨径流系数确定为 0.4）；

式中：W—径流量，m3；

H—径流深，m；

F—集水区面积，m2。

表1 弃土（渣）试验小区（规格10m×5m）布设情况表

图1 径流小区平面图图

图2 围梗立面设计图

3.3 设计的规范要求[1]、[2]

3.3.1 围埂

围埂设置在径流小区边界上除下边缘外的隔离设施。围埂的建筑材料要求不渗水、不吸水的水泥板或金属板。围埂应互相连（搭）接紧密，埋深牢靠，围埂地表出露 10～20 cm，埋入地下 20～30 cm，上缘向小区外呈60°倾斜。

3.3.2 集流槽

集流槽设置在径流小区坡面下缘，垂直于径流流向，一般由混凝土或砌砖砂浆抹面制成，长度与径流小区宽度一致，宽度（槽缘宽和槽身宽）20～30 cm，槽缘应与小区坡底同高且水平，槽身由两端向下中心倾斜，倾斜度以不产生泥沙沉积为准，顶部加设盖板。槽身表面光滑，应不拦挂泥污。

3.3.3 导流管（槽）

导流管（槽）镶嵌在集流槽下游边缘（通常做成小区挡土墙）中部的最低处，以输导收集的径流和泥沙。导流管由镀锌铁皮、金属管或PVC管制成，长度一般为50～100 cm，上部开口与集流槽紧密连接，下部通向集流桶（池）或分流箱。

3.3.4 量水设备

（1）集流桶。集流桶用以收集导流管输导下来的全部径流量和泥沙。可用厚度〉0.75 mm镀锌铁皮或薄钢板制成，也可用砖（石）砌成，底部装有排泄阀门（或孔口），顶部加设盖板。当集流桶（池）容积有限时，可以多个联用。

（2）分流桶。分流桶是在产流量大、集流桶容积有限时，或安置区狭小不能增多集流桶等情况下采用，可一级或多级分流。分流桶布置在集流桶前或两个（或多个）集流桶之间。分流桶规格容积较小，可由镀锌铁皮或薄钢板制成圆柱体或长方体，并设若干分流孔，顶部加设盖板。分流孔必须大小一致，排列均匀，并在同一水平面上。使用分流桶前，必须进行校验求得分流系数。

3.4 设计内容

径流小区主体包括小区护埂、集流槽、引水管、量水设备（集流桶和分流桶）等4部分。

小区护埂采用砖砌结构砂浆抹面，护埂宽0.12 m，基础深0.45 m，高出地面0.30 m，基础两侧的回填土要夯实。护埂顶部做成倾角45°的单面刃形斜坡，斜面朝外，防止护埂处的降雨因滴溅进人小区内部，影响观测精度。

根据径流小区的汇流特点或者试验要求，合理确定集流槽、引水管流量的设计标准以及量水设备的容量。集流槽断面为矩形，采用混凝土结构，表面用M10的水泥砂浆抹面，中部通过引水管与分流、集流设备相连，槽底部设计为两侧向中间倾斜的形式，坡度为0.03，便于水流向引水口集中和减少泥沙淤积。集流槽中的水位应低于顶部5～8 cm，防止水流外溢和滴溅。为防止外部水流进入集流槽内，影响观测结果，集流槽顶部应当采取遮盖措施，遮盖可采取塑料板进行遮盖。

分流桶、集流桶采用2 mm镀锌铁板焊接而成，顶部加盖、加锁，分流桶的分流孔采用钢管焊接在分流桶外壁，选择中间一孔将分流水量引入下一分流桶或集流桶中。分流桶、集流桶底部连接钢管安装阀门，并作为排水孔。

3.5 集流槽和导流管的设计

3.5.1 洪峰流量

小区50年一遇24 h降雨径流量W：

径流小区的洪峰流量采用经验公式计算：

3.5.2 集流槽和引水管横断面设计

式中，V为流速；R为水力半径；J为比降。

设：集流槽横断面为矩形，底宽 0.20 m，深 0.15 m，比降 0.03。

导流管选用 Φ100 mmPPR管，安装比降取 0.05；则，R＝0.025，n 取0.013。

3.6 量水设备设计

径流观测方法采用体积法。由于径流量大，量水设备采用集流桶和分流桶。利用分水设备将实验区内全部径流加以分割，只取其小部分通过量水设备，最后按分水比例还原计算，以避免过大的量水设备。采用7孔分流法，分流孔用50 mm分流管。设计公式：

式中：r—分流桶半径（m）；

R—集流桶半径（m）；

h分1—1级分流桶分流孔孔底高度（m）；

h分2—2级分流桶分流孔孔底高度（m）；

h—集流桶进水孔孔底高度（m）；

W设—总量水体积（m3）。

设计分流孔孔底高度0.6 m，集流桶进水孔孔底高度0.6 m，分流桶及集流桶直径均为0.8 m，其核算结果见表2。

表2 量水设备核算结果表m

W设〉W2%，集流桶、分流桶尺寸符合设计要求。

考虑到制作误差因素，使用中，首先必须对各桶逐一进行量测，而后，根据实际尺寸，对观测成果进行计算，详见图3。

图3 集流槽、导流管和量水设备立面图

4 结束语

径流小区试验最初由美国密苏里农业试验站的M.F密尔洛及其同事于1917年创建，目前国内外应用已相当普遍，它是水土保持观测试验的重要方法之一，是测验径流、泥沙的主要手段。但是，对于径流小区的设计，在相关的国家和行业规范中只有要求，并没有详细的设计，因此，笔者以江西水土保持生态科技园的弃渣试验小区为例，对径流小区的主体内容进行了设计，以供广大水土保持研究人员及工作者参考。

[1］SL342-2006，水土保持监测设施通用技术条件[S］.

[2］SL419-2007，水土保持试验规程[S］.

[3］江西省水文局.江西省水文手册[R］.1973.