配合翻斗雨量计测量径流的分流装置研制

魏宏征，盛飞，刘亚丽，鲁彦靖，胡冬子

（1.甘肃省子午岭林业管理局合水分局，甘肃 合水 745400；2.甘肃省子午岭林业管理局合水分局蒿咀铺林场，甘肃 合水 745403；3.甘肃省庆阳生态环境监测中心，甘肃 庆阳 745000）

地表径流是森林系统长期定位观测和森林生态效益监测的重要内容[1]，也是土壤侵蚀和坡面水文特性研究的重要手段[2]。径流测量就是流量测定，规范建议采用自记翻斗流量计[1]，但传统上多采用集流池或多孔分流加集流桶法，人工量测池/桶水深计算得到总量。传统方法费时费力，只能测得总量，无法监测径流过程，径流过大时还会因溢流造成数据缺失[2-4]。翻斗法为容积（测重）量水技术，其原理是利用机械对称式双稳态翻斗把水流分割为设定容积（重量）的单元水体，根据翻斗交互充—放单元水体的次数测得流体总量及过程，适用于无压、低水头、小流量的水流测定[5]，也用于降水量自动测定。市场上有多种翻斗雨量计销售，自动记录存储数据，使用方便。尽管翻斗雨量计技术成熟，但用于一般径流场流量和小流量测定的报道很少[6]。由于森林地表径流泥沙量较小，可经集中过滤、沉淀、分流后，使用雨量计测量径流或小流域溪流流量[7-9]。在甘肃省子午岭蒿咀铺林场生态效益监测中，我们试用翻斗式全自动雨量计实现了径流自动化测定，效果良好。在小流域溪流测定中，由于量水堰法所用仪器价格高昂、操作复杂困难[10-11]，我们也曾试用翻斗式全自动雨量计。实践发现，在降水量增大、降水强度增加，径流量加大的情况下，翻斗式全自动雨量计监测数据误差较大，主要原因：一是径流中的杂物堵塞雨量计受水口，二是来水量超过雨量计量程，导致翻斗不能正常运转[12]。为此，根据前期监测数据，我们利用分流原理研制分流装置，把大股径流过滤后平均分为多股细流，控制每股细流的流量在翻斗式全自动雨量计量程之内，不仅确保了测量数据的准确性，还解决了翻斗式全自动雨量计代替量水堰法的测量问题。通过人工模拟径流测试和现场实地安装调试，测量效果基本达到预期目标。现将研究结果报告如下。

1 材料和方法

1.1 材料

UK-YL-D 翻斗式全自动雨量计（以下简称雨量计），内径200 mm，量程0～8 mm/min，工作温度0～30 ℃，南京云佳智能科技有限公司生产。

分流装置用材：不锈钢薄板，厚1.2 mm；不锈钢圆管，内径6 mm；不锈钢方管，壁厚40 mm；密封玻璃胶。

过滤材料：聚乙烯丝网，10 目；鱼缸过滤棉网，密度40 kg/m3；钢丝网，14 目，不锈钢材质；木条，长600 mm，高、宽各30 mm。

1.2 分流装置

3 种分流装置均应用水的势能，使测量水流依次经过过滤层、分流管，形成流量相等的多股细流，利用雨量计测量其中1 股细流流量。雨量计加盖，防止降雨等混入造成测量误差。

1.2.1 分流圆筒

采用圆筒形设计，由外筒、过滤筒、缓冲分流器、分流管、支架组成。外筒外径0.4 m，起缓存作用，根据雨量计测量时间设定缓存时间；过滤筒内径0.3 m，高0.3 m，筒内填充过滤材料；过滤筒底部设水平缓冲分流器，分流器底等距焊接多个分流管，分流管穿过外筒壁导出；分流管出水口下方安置雨量计测流。外筒、过滤筒均由不锈钢薄板焊接而成，分流管采用不锈钢管，支架由不锈钢方管焊接而成。分流圆筒水平安装在径流出水口下方。见图1。

图1 分流筒示意

1.2.2 径流分流槽

采用槽形设计，由外槽、过滤斜面、过滤支架、分流管、支架组成。外槽长0.4 m，宽0.8 m，高0.4 m，槽底一侧设过滤斜面，斜面上设过滤支架，支架上侧设置过滤材料，预设斜面坡度，逐层过滤，按照过滤材料由粗至细的顺序设置3 个过滤层；槽底出水口侧设置沉淀空间，外壁等距穿孔焊接多个分流管；分流管出水口下方安置雨量计测流，分高位和底位供实验测试。外槽由不锈钢薄板焊接而成，分流管采用不锈钢管，支架由不锈钢方管焊接而成。径流分流槽水平安装在径流出水口下方。见图2。

图2 径流分流槽示意

1.2.3 溪流分流槽

采用槽形设计，由外槽、过滤斜面、过滤支架、分流管组成。外槽长0.8 m，宽0.4 m，高0.2 m；槽底设置过滤斜面，斜面上设过滤支架，支架上侧设置过滤材料；槽底出水侧壁等距穿孔焊接分流管；分流管出水口下方安置雨量计测流。外槽由不锈钢薄板焊接而成，分流管采用不锈钢管。根据最大流量计算确定分流管数量，暂设12 个、24 个、32 个，制作时一次性设置32 个分流孔供实验测定。溪流分流槽水平安置在量水堰出水口下方。见图3。

图3 溪流分流槽示意

1.3 实验方法

1.3.1 模拟径流测试

100 L 清水缓慢流入自制分流装置，计时操作，以接近森林地表径流的流量和流速为准。分流装置设定1 个或多个分流口，先用量筒测量，待分流测量误差≤5%，再用雨量计实验测流。另设分流圆筒高位水平分流口、径流分流槽高位倾斜分流口、径流分流槽低位水平分流口测试，3次重复。

1.3.2 模拟过滤测试

实验在径流分流槽上进行，分流口12 个，高位配置。100 L 清水加入泥沙5 kg，容器称量，搅拌均匀后缓慢流入分流装置；恒温干燥箱烘干过滤材料称量，计算滤积泥沙量。

实验设置7 种过滤材料：聚乙烯丝网，鱼缸过滤棉网，钢丝网，木条，组合一（聚乙烯丝网∶鱼缸过滤棉网∶钢丝网=6 ∶2 ∶2），组合二（聚乙烯丝网∶鱼缸过滤棉网∶木条=6 ∶2 ∶2），组合三（聚乙烯丝网∶鱼缸过滤棉网∶木条=5 ∶3 ∶2）。每种过滤材料3 次重复。

1.3.3 径流场测量实验

2019 年7 月21 日，实验在甘肃省子午岭蒿咀铺林场三关桥进行。径流场规格5 m×20 m，共3 处，分别为油松纯林、针阔混交林、阔叶混交林。其中：油松纯林平均胸径8.8 cm，平均高12.0 m，密度3 437 株/hm2，蓄积131.82 m3/hm2，郁闭度0.8；阔叶混交林优势树种为硬阔类，平均胸径13.5 cm，平均高8.7 m，密度1 275 株/hm2，蓄积70 m3/hm2，郁闭度0.8；针阔混交林优势树种为油松，平均胸径9.2 cm，平均高11.1 m，密度2 525株/hm2，蓄积109.4 m3/hm2，郁闭度0.9。

使用径流分流槽；组合过滤材料，聚乙烯丝∶纯棉网∶木条=5 ∶3 ∶2；12 个分流管，分流出水口与分流槽底相对高差50 mm。雨量计设置10 min 自计1 次数据。

2 结果与分析

2.1 模拟径流测试

3 种自制分流装置分别设置高位和低位2 种分流口，每次测试用水100 L，模拟测量结果见表1、表2。由表1 数据可见，经过分流装置后的测定值均低于测试用水量，说明新研究的装置带来一定测量误差。3 种分流装置测试精度以径流分流槽最高，溪流分流槽与之相近，分流圆筒测试误差较大。2 种分流口位置中，高位分流口测试精度优于低位分流口，说明径流在分流装置内经过缓冲平衡，水位平稳，分流效果较好。由表2 数据可见，径流分流槽高位倾斜分流口测试精度最高。综合分析，高位径流分流槽测量精度高，效果最优。

表1 3 种自制分流装置模拟径流测试统计 L

表2 自制分流装置分流口形式模拟径流测试统计

2.2 模拟过滤测试

每次测试用水100 L，用泥沙5 kg，模拟测量结果见表3。由表3 数据可见，不同材料的过滤性能差异较大，对流量测定精度的影响有所不同但效果接近，其中网丝网过滤性能最差，而且过滤效果不稳定；鱼缸过滤棉网、组合二的过滤性能最好，过滤效果也比较稳定；组合一、组合三的过滤性能和效果略低于组合二，聚乙烯丝网、木条过滤性能与钢丝网相近。综合分析，鱼缸过滤棉网、组合一、组合二、组合三过滤性能优良。

表3 模拟过滤测试统计

2.3 径流场测量实验

2019 年7 月21 日降雨，当日地表径流最大值达到0.23 mm。分流后测流雨量计测试记录总值302.4 mm，累计测流时间390 min，平均0.8 mm/min。测试情况见表4。由表4 数据可见，在降雨当日径流过程中，分流后测流雨量计记录值均≤8 mm，未超过其量程，工作正常。说明径流分流槽达到预期分流效果。

表4 径流较大时雨量计记录值统计

3 结论与讨论

1）3 种分流装置均能对森林地表径流进行缓冲、过滤、沉淀、分流，解决了径流量超过翻斗式全自动雨量计量程和径流杂物堵塞雨量计受水口的问题。在分流装置出水口配置中，以高位倾斜出水口分流效果好，配合翻斗式全自动雨量计测流精度较高；低位水平出水口配置分流略不均匀。在径流测量中，径流分流槽测流效果优于分流圆筒，可以实际应用于径流测量。

2）分流装置中过滤效果优良的材料为鱼缸过滤棉网、聚乙烯丝网∶鱼缸过滤棉网∶木条=6 ∶2 ∶2、聚乙烯丝网∶鱼缸过滤棉网∶钢丝网=6 ∶2 ∶2、聚乙烯丝网∶鱼缸过滤棉网∶木条=5 ∶3 ∶2，聚乙烯、钢丝网、木条3 种材料单用过滤效果较差。

本文研制的3 种分流装置，制作简单，成本较低，配合翻斗式全自动雨量计基本实现径流自动化测量目标。但模拟径流测试误差大多超过2%，甚至超过10%，测量精度和稳定性均不太理想。分析其原因，一是自制装置制作精密度较差，分流口位置、分流管内径的差异，以及装置安装水平度偏差，都会造成分流不均匀，进而导致翻斗式全自动雨量计测定误差，需要在以后的研制工作加以改进。二是翻斗式全自动雨量计测量误差，流量增大、泥沙含量增加、泥沙密度的不同都会造成翻斗计量误差[4]，翻斗自身也会存在无法克服的技术性计量误差[5]，这些系统性误差可以通过试验予以校正。