蒙山森林生态站径流小区设计分析

刘昱恒

径流小区是坡面水蚀、径流和泥沙测验的重要手段，是森林生态站水土保持观测和试验的重要组成部分。径流小区的分类和面积大小不一，但规划布设及观测设施、方法、内容基本一致。在我国径流区域分为小区和大区，小区面积100m2，大区多在500～2000m2之间。与径流小区设计相关的规范大多明确了径流小区主体部分设计要求，但具体设计细节阐述并不明确。实际设计工作中常因为忽略了设计细节对实验结果的影响，导致试验结果与实际差异较大。

蒙山森林生态站位于蒙山国家森林公园内，生态站建设包括：森林气象、水文、土壤、水保观测设施等。以蒙山区域森林生态系统为对象，通过长期、全面的监测，重点揭示森林生态系统的组成、结构与气候环境之间的关系，为国家提供本区域资源、环境及有关的社会经济数据库，解决区域生态环境建设基础理论与应用技术难题，为森林生态系统结构与功能研究提供良好的野外研究平台。径流小区是森林生态站的重要组成部分，是对森林坡地降雨、径流及冲刷过程、泥沙和水土流失进行定量研究的测验设施。

1 径流小区前期设计原则

径流小区设置前，应收集相关基本资料，如地质、地貌、土壤、植被、水文等自然条件，以及小区局地植被、降雨、径流、水土流失类型、水保措施和分布等。实地选址时，应满足以下原则和要求：

1）代表性：场地应选择在地形、坡向、土壤、植被等条件有代表性地段上，最好是自然坡面上。同时考虑剖面结构、土层厚土、土壤理化特征等，能代表所选典型区域内的自然条件。

2）自然性：坡面尽可能处于自然状态，不能有土坑、道路、坟墓、土堆等人类痕迹影响径流流动。

3）均一性：各径流场的坡面、土壤、植被应均匀一致，不可在原沟道内填平建设小区，拟建小区坡上和坡底涂层厚度也不应相差太大。

4）重复性和可比性：不同措施的小区要有重复试验和对比试验，各项措施应与本区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：小区选址应考虑交通便利并与生态站总体建设适应，便于与其他监测项目的结合。并要考虑今后监测运行期方便监测数据传输、管理和监测持续性。

2 径流小区设计

根据规范要求，蒙阴森林生态站径流小区设计为标准径流小区，设计标准为50年一遇、24h降雨径流量。小区最大投影面积为100m2（5m×20m），主体包括小区护埂、集流槽、引水管、量水设备（集流桶）。小区四周5m范围设置为保护带。集流槽、引水、集流桶尺寸根据频率暴雨坡面径流量计算并结合实际确定。

径流小区通常设计为矩形，对其长宽比例没有严格规定，但一般认为宽短小区不可取，因为这样会影响细沟发育。因此，我国规范规定标准小区规定尺寸为投影面积100m2（5m×20m）。

2.1 围埂设计

围埂为设置在径流小区边界除下边缘以外的隔离设施。

1）高度。根据规范要求，围埂地表出露10～20cm，埋入地下20～30cm，具体尺寸需根据实际情况确定。地表出露的本质是为防止小区外降水汇流进入小区内，可根据降雨情况取适应值。本次设计考虑到径流小区位于蒙山山麓，雨季有山洪暴发可能并考虑小区长期观测需要，出露及埋地均取大值，出露20cm，埋地30cm。

2）断面形式与尺寸。围埂的断面形式在实际中有很多种，如矩形、三角形、刃形和V形。其中：

矩形围埂在测径流量时无法去除围埂的受雨量，用于对径流泥沙观测精度要求不高且施工环境条件恶劣的试验。刃形与V形围埂能去除围埂受雨对径流观测数据的影响，用于观测精度要求高且施工环境条件较好的试验。其中刃形较V形更容易施工。三角形围埂介于矩形围埂和V形与刃形围埂之间。本设计采用刃形围埂。

3）围埂材料。规范规定围埂材料为不渗水、不吸水的水泥板或金属板。其中：水泥板造价低、易施工，不易变形，缺点为易吸水和冻裂。金属板造价高、不吸水、不易冻裂，缺点为易变形。结合蒙山森林公园实际情况，本次采用80mm厚水泥板。

2.2 测量设备设计

1）相关水力计算方法。查省水文手册，按50年一遇、24h设计标准，查获当地同频率设计降雨量。径流深公式为：H=P·k，式中，H为径流深，mm；P为降雨量，mm；k为径流系数。

根据径流小区投影面积，计算降雨径流量（24h）。径流量公式为W=H·F，式中，W为径流量，m3；H 为径流深，m；F 为集水区面积，m2。

径流小区的洪峰流量（Qm）采用经验公式计算：W=1/2Qmt，式中 t为洪水历时，h。

根据水力学公式，计算集流槽、引水管尺寸。集流槽横断面面积计算公式为:S＝Qm/V，V为流速，m/s，根据谢才公式计算。实际计算时初拟断面20cm×20cm，按公式试算断面流量，计算结果略大于设计流量则满足要求。

引水管设计要求：引水管断面满足过流量大于集流槽最大流量，安装坡度不小于集流槽比降。

2）集流槽。集流槽采用混凝土板，设置在径流小区坡面下缘，垂直于径流流向，长度与径流小区宽度一致，宽度（槽缘宽和槽深宽）20cm。规范中要求集流槽应设盖板，但实际工作中，设置盖板不便于降雨取样后集流槽的清洗，故本次集流槽未设盖板。

3）引水管（槽）。在集流槽下游边缘中部最低处设DN100PVC导流管，将径流和泥沙引入集流池。

4）集流桶（池）。集流池用以收集全部径流和泥沙。采用砖砌水泥砂浆抹面，池深0.5m，顶部加设盖板，盖板材料选择木质，便于后期工作和维护。设PVC材质DN100进水管和DN200排水管，进水管连接集水槽与径流仪，排水管长度以方便排水排沙为准。排水管末端可考虑加装水龙头，以便清理泥沙。

5）分流箱（桶）。结合径流小区设置地点和历年降雨径流情况，本次未设分流箱。对于降雨量大的地区，设置分流箱是必须的。因为分流越多观测数据误差越大，且分流箱施工工艺对分流效果影响也较大，故分流箱在设计和正式使用前，都需进行校核、率定。

6）小区整地设计。森林小区整地设计建议各标准小区间距应超过林木高度，林木管理措施分为地上、地下两个方面。

地上部分管理措施：由于水土保持径流小区面积小，小区树木每年要定期管理，在每年秋冬季进行一次树枝修剪，保持径流小区树枝不超出小区边界。

地下部分管理措施：适时整地是径流小区产生泥沙的基础，因此，在夏季降雨期间要长期保持中耕除草，每年秋冬季要对地表造物进行清除，以免影响次年径流和产沙。

3 结语

径流小区是森林生态站建设工程的重要组成部分，通过以上设计分析也可看出，在实际设计施工过程中，除按照规范进行设计外，还应考虑以下几方面内容：一是设计应考虑尽量降低施工和后期运行管理难度，以便于观测使用。二是设计所使用材料应符合和适应当地气候自然条件。三是应严格控制施工质量，以免影响小区观测精度。