干旱半干旱高山区优先流观测方法

摘要

本发明公开一种干旱半干旱高山区优先流观测方法，是属于研究森林水文过程，水资源和坡地径流特征的一门技术措施。本发明所述的干旱半干旱区优先流观测场观测的技术和方法，按照森林生态学和森林水文学的理论，观测和研究其融雪径流的发生和发展规律，通过观测、研究、分析，揭示不同气象条件、不同森林植被、不同森林覆盖率、不同人为作用方式和不同坡位坡向条件下优先流的变化规律，从而找到如何增加优先流流量，开发和合理利用水资源、弥补河道枯水期流量，缓解中、下游春耕用水矛盾的有效途径，解决当前农业生产急需解决的实际问题。

说明书

技术领域

本发明提供一种干旱半干旱高山区优先流观测方法，是属于研究森林水文过 程，水资源和坡地径流特征的一门技术措施。强化森林土壤优先流研究，可进一 步揭示森林涵养水源机理，在理论上可加深对森林调节水文过程的认识，在实践 上用于森林经营和预测土地利用变化对水资源和水环境的影响，为森林经营、退 耕还林、天然林保护工程的植被恢复重建，提供理论与决策依据。

背景技术

由林业部科技司主编、中国科学技术出版社出版的《森林生态系统定位研究 方法》和由中国标准出版社出版的《中国生态系统研究网络观测与分析标准方法 ——水环境要素观测与分析》，对坡地径流的观测，以及人工径流场的设置做了 详细的介绍。关于森林的水文过程，以及在降水条件下坡地径流的特征和规律， 国内诸多的机构开展了内容丰富的森林水文过程研究，得出了诸多有学术价值的 研究结论，但目前绝大多数研究都是针对中低山区的地表径流开展研究，对于高 海拔地区优先流的研究，尚未见报道。优先流是一种快速非平衡的土壤水分运动， 早期优先流研究主要针对管流，优先流现象极大地影响了表面径流及地下径形成 机制。在流域暴雨径流形成过程中，优先流运动起到了至关重要的作用，并且优 先流与基质流之间的交换，也对流域径流形成产生较大的影响，由于森林枯落物 层、根系以及蚯蚓等生物活动，引起大孔隙的优先流运动，使得森林流域径流形 成，可以主要受到地下水径流和亚表层径流的控制。

森林植被涵养水源的生态功能，一直是社会关注的重大问题，也是当今生态 科学研究的热点。根系层是形成森林植被水文功能的核心地带，理解根系层水文 过程，是了解森林水文功能形成机制的关键，而优先流是发生在根系层中的水分 快速非平衡运动，它对森林水分整体运动过程有重要的影响，并且优先流研究中 常提到的大孔隙所形成的深层贮水，是半干旱半湿润地区植物水分的重要来源； 所以，强化森林土壤优先流研究，可深化森林涵养水源机理的研究，在理论上可 加深对森林调节水文过程的认识，在实践上用于预测土地利用变化对水资源和水 环境的影响，为退耕还林、天然林保护工程的植被恢复重建，提供理论与决策依 据。

发明内容

本发明的目的是提供干旱半干旱高山区优先流观测方法，用简便易行的方 法，观测和了解干旱半干旱高海拔区优先流的过程和机制，认识产流过程，提出 增加优先流的途径，从而更加合理的调解和利用水资源，以解决工农业生产急需 解决的实际问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

1、优先流观测场地选择：优先流观测场是从典型植被坡面分隔出来的一块 封闭坡地，为一矩形，在研究的区域内选择具有代表性的地块，根据不同的森林 类型、不同森林覆盖率、不同土壤条件、不同人为活动方式，优先流观测场的面 积可以为10米×10米、10米×20米、10米×40米、20米×40米等不等的设计 规格。

2、优先流观测场的建造地点要求：

（1）保留天然的条件，坡地表面无小沟、坑洼、道路，无土堆和凹地等滞 留径流的障碍物；坡地的整个地段上应有基本一致的坡度，地表无地下水的出口。

（2）植物被复和土壤特征一致。

（3）对于坡度大于10°度的坡地，尽可能向西或向东暴露。

（4）森林植被应未遭到破坏。

3、优先流观测场和测量小屋的建造

优先流观测场四周设防护墙，优先流观测场上面建有用于测定优先流的装有 测量装置的测量小屋。

优先流观测场的下方有进水槽，进水槽与装有测量装置的测量小屋相连通。 在测量小屋内装有堰箱，水从进水槽经过连通管流入堰箱中。为了从测量小屋排 水，设有排水管道。沿优先流观测场的上方和两侧有截水沟，用以拦截径流场四 周坡地上来的径流。

小尺寸的优先流观测场适用在坡度较大，透水性小，土壤湿度大的地区。优 先流观测场在坡地上的布置，应使长边垂直于等高线，短边平行于等高线。

高山优先流观测场可建造成一对，这时其中一道护墙为两个观测场所共用， 而堰箱放在一个小屋内。也允许建造三个或多个联在一起的优先流观测场。

优先流观测场的护墙可以用混凝土、木材、粘土或镀锌板做成。由于高海拔 区域冬季积雪较厚，护墙高出地面不少于40～60cm，埋入土中至基岩层或冻土 层。在径流场下方积雪很厚的坡地上或在观测场下方的三分之一处，护墙的高度 应增加10～20cm。截水沟靠近观测场的边坡，距护墙不应少于50cm。截水沟 的平均尺寸如下：深30cm，顶宽50cm，底宽30cm。

截水沟的尺寸视上面坡长和坡度并考虑最大流量的排泄。沟的长度应略长于 侧护墙的长度，以保证完全地排出径流场的水和消除沟被淹的可能性。

优先流观测场的进水槽一般为矩形，由高标号的钢筋混凝土做成，槽底和外 侧槽壁的厚度为10cm，向着优先流观测场的一面的内槽壁的厚度为15cm。

进水槽的断面积一般由计算公式确定。计算公式为：

$W=\frac{Q}{V}$

式中W——进水槽流水的断面积

Q——采用的最大流量

V——槽中水流的平均流速

V值按谢才（chezy）公式确定：系数混凝土的糙率n 采用0.011，而水力比降i采用槽的坡度。水力半径按公式确定，式中X为 槽的湿周，指数由公式确定。

进水槽宽不应小于20cm。在某些情况下允许建造木槽，槽底和内壁面涂上沥 青。槽的外壁高出内壁20cm，高出地面10cm，进水槽走向测量小屋应有0.02～ 0.03的坡度。进水槽不可分离的部分是盖在其中的遮板（铁片、木板或油毡）， 它们由许多张铁片或油毛毡拼成（图1），彼此重叠，遮板借纵轴固定于进水槽上。 纵轴是一根固定在外槽上的金属或木质杆，在遮板的内外面各有支杆可支持遮板 或张开或关闭的形状。优先流观测场进水槽横剖面如所示图1。

为了防止水从旁侧地段进入进水槽，围绕观测场的侧护墙应沿坡地从进水槽 向下延0.5m。

水从进水槽通过与进水槽相连的管（连通管）进入堰箱，与进水槽相连的连 通管穿过测量小屋的墙，并有0.03～0.05的坡度。管的截面应相当于进水槽的 末段最满时的断面面积。连通管一般设在进水槽的末端或中间，在连通管和进水 槽的连接处，把槽挖深8～10cm。连通管和排水管的输水能力可采用水力学公式 计算：

$Q=7.86\frac{a^3\sqrt{i}}{1+2\sqrt{a}}$

式中a——管的直径（m）

Q——管的输水能力（m³/s）

i——管的坡度

单一观测场的测量小屋的内部尺寸：平面为1.5×2.0m，高1.8～2.0m，成 对观测场的尺寸为2.0×2.0m，高1.8～2.0m。每个观测场备有堰箱、水尺、水 位计。

优先流观测场堰箱设计示意图如图2所示，堰箱（图2）由厚2.0～4mm的铁 板焊成，它的标准尺寸为长1.5m，宽0.4m，高1.0m，堰箱由两块厚2～4mm 的铁板作成的内隔板分成三部分，以使堰箱在注水时不变形，两端部分在一侧用 宽5cm、与箱的侧壁等高的缝彼此联通。后端的一部分长40cm，用作自记水位 计的测井，在它的中央安放浮子，中间部分的尺寸为35×40cm，是一个承水器， 承受从进水槽通过连通管进入堰箱的水。在距堰箱上缘10cm处，在连通管下面 装有一可拆下的金属网络，其孔大小为1～2mm²，作为辅助的消浪器并用于拦住 垃圾。在前槽壁上用螺栓固定堰。上述尺寸的箱用顶角为45°，60°和90°的 三角形堰。水头为18～30cm。在靠近堰的内隔板的下部，每经2cm有宽0.6cm 从底起到50cm的纵向裂缝以形成消浪器。在靠近屋壁的堰箱侧壁上，距堰60cm 处，在木质或金属框架上固定有钩形水尺。堰箱前壁的下部，堰的下面焊有一放 水龙头，以保证能迅速放空堰箱。堰箱安置在测量小屋地板上的木梁上，其两侧 砌混凝土固定之。堰箱的设置必须使堰顶角的分角线为垂直。自记水位计安装在 堰箱上空的专门支架上（图2）。

堰箱上还设有清洗龙头，当放水龙头出现故障时备用以及清洗堰箱底部沉淀 污垢。

堰箱上还设有咀，为起取水作用的管件。

测定优先流的径流量可用三种方法；（α）堰，（b）根据堰箱中水位增高的 体积法；（c）根据量器灌注时间的定时测量法。

用体积法定时测量流量，在径流场上，必需有如下的测量器具：容积20～30L 的量水箱，10L和2L的量器和500m³量筒。

由本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的干旱半干旱区优先流观测 场观测的技术和方法，按照森林生态学和森林水文学的理论，观测和研究其融雪 径流的发生和发展规律，通过观测、研究、分析，揭示不同气象条件、不同森林 植被、不同森林覆盖率、不同人为作用方式和不同坡位坡向条件下优先流的变化 规律，从而找到如何增加优先流流量，开发和合理利用水资源、弥补河道枯水期 流量，缓解中、下游春耕用水矛盾的有效途径，解决当前农业生产急需解决的实 际问题。

附图说明

图1中（a）和（b）均是优先流观测场进水槽横剖面；

图2是优先流观测场堰箱设计示意图；

图中标号：101-槽上木制遮板；102-金属遮板；103-薄金属板；1-连通缝； 2-放水龙头；3-清洗龙头；4-消浪器；5-堰；6-装水尺地点；7-金属网络；8-进 水管或槽；9-咀。

具体实施方式

下面的实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式 限制本发明。

实施例

干旱半干旱高山区优先流观测方法：

1、优先流观测场地选择：优先流观测场是从典型植被坡面分隔出来的一块 封闭坡地，为一矩形，在研究的区域内选择具有代表性的地块，根据不同的森林 类型、不同森林覆盖率、不同土壤条件、不同人为活动方式，优先流观测场的面 积可以为10米×10米、10米×20米、10米×40米、20米×40米等不等的设计 规格。

2、优先流观测场的建造地点要求：

（1）保留天然的条件，坡地表面无小沟、坑洼、道路，无土堆和凹地等滞 留径流的障碍物；坡地的整个地段上应有基本一致的坡度，地表无地下水的出口。

（2）植物被复和土壤特征一致。

（3）对于坡度大于10°度的坡地，尽可能向西或向东暴露。

（4）森林植被应未遭到破坏。

3、优先流观测场和测量小屋的建造

优先流观测场四周设防护墙，优先流观测场上面建有用于测定优先流的装有 测量装置的测量小屋。

优先流观测场的下方有进水槽，进水槽与装有测量装置的测量小屋相连通。 在测量小屋内装有堰箱，水从进水槽经过连通管流入堰箱中。为了从测量小屋排 水，设有排水管道。沿优先流观测场的上方和两侧有截水沟，用以拦截径流场四 周坡地上来的径流。

小尺寸的优先流观测场适用在坡度较大，透水性小，土壤湿度大的地区。优 先流观测场在坡地上的布置，应使长边垂直于等高线，短边平行于等高线。

高山优先流观测场可建造成一对，这时其中一道护墙为两个观测场所共用， 而堰箱放在一个小屋内。也允许建造三个或多个联在一起的优先流观测场。

优先流观测场的护墙用混凝土做成。由于高海拔区域冬季积雪较厚，护墙高 出地面不少于40cm，埋入土中至基岩层或冻土层。在径流场下方积雪很厚的坡地 上或在观测场下方的三分之一处，护墙的高度应增加10cm。截水沟靠近观测场 的边坡，距护墙不应少于50cm。截水沟的平均尺寸如下：深30cm，顶宽50cm， 底宽30cm。

截水沟的尺寸视上面坡长和坡度并考虑最大流量的排泄。沟的长度应略长于 侧护墙的长度，以保证完全地排出径流场的水和消除沟被淹的可能性。

优先流观测场的进水槽一般为矩形，由高标号的钢筋混凝土做成，槽底和外 侧槽壁的厚度为10cm，向着优先流观测场的一面的内槽壁的厚度为15cm。

进水槽的断面积一般由计算公式确定。计算公式为：

$W=\frac{Q}{V}$

式中W——进水槽流水的断面积

Q——采用的最大流量

V——槽中水流的平均流速

V值按谢才（chezy）公式确定：系数混凝土的糙率n 采用0.011，而水力比降i采用槽的坡度。水力半径按公式确定，式中X为 槽的湿周，指数由公式确定。

进水槽宽不应小于20cm。在某些情况下允许建造木槽，槽底和内壁面涂上沥 青。槽的外壁高出内壁20cm，高出地面10cm，进水槽走向测量小屋应有0.03的 坡度。进水槽不可分离的部分是盖在其中的遮板（铁片、木板或油毡），它们由 许多张铁片或油毛毡拼成（图1），彼此重叠，遮板借纵轴固定于进水槽上。纵轴 是一根固定在外槽上的金属或木质杆，在遮板的内外面各有支杆可支持遮板或张 开或关闭的形状。优先流观测场进水槽横剖面如所示图1。

为了防止水从旁侧地段进入进水槽，围绕观测场的侧护墙应沿坡地从进水槽 向下延0.5m。

水从进水槽通过与进水槽相连的管（连通管）进入堰箱，与进水槽相连的连 通管穿过测量小屋的墙，并有0.03的坡度。管的截面应相当于进水槽的末段最 满时的断面面积。连通管一般设在进水槽的末端或中间，在连通管和进水槽的连 接处，把槽挖深10cm。连通管和排水管的输水能力可采用水力学公式计算：

$Q=7.86\frac{a^3\sqrt{i}}{1+2\sqrt{a}}$

式中a——管的直径（m）

Q——管的输水能力（m³/s）

i——管的坡度

单一观测场的测量小屋的内部尺寸：平面为1.5×2.0m，高2.0m，成对观 测场的尺寸为2.0×2.0m，高2.0m。每个观测场备有堰箱、水尺、水位计。

优先流观测场堰箱设计示意图如图2所示，堰箱（图2）由厚2.0mm的铁板 焊成，它的标准尺寸为长1.5m，宽0.4m，高1.0m，堰箱由两块厚2mm的铁板 作成的内隔板分成三部分，以使堰箱在注水时不变形，两端部分在一侧用宽5cm、 与箱的侧壁等高的缝彼此联通。后端的一部分长40cm，用作自记水位计的测井， 在它的中央安放浮子，中间部分的尺寸为35×40cm，是一个承水器，承受从进 水槽通过连通管进入堰箱的水。在距堰箱上缘10cm处，在连通管下面装有一可 拆下的金属网络，其孔大小为2mm²，作为辅助的消浪器并用于拦住垃圾。在前槽 壁上用螺栓固定堰。上述尺寸的堰箱用顶角为45°，60°和90°的三角形堰。 水头为30cm。在靠近堰的内隔板的下部，每经2cm有宽0.6cm从底起到50cm 的纵向裂缝以形成消浪器。在靠近屋壁的堰箱侧壁上，距堰60cm处，在木质或 金属框架上固定有钩形水尺。堰箱前壁的下部，堰的下面焊有一放水龙头，以保 证能迅速放空堰箱。堰箱安置在测量小屋地板上的木梁上，其两侧砌混凝土固定 之。堰箱的设置必须使堰顶角的分角线为垂直。自记水位计安装在堰箱上空的专 门支架上（图2）。

堰箱上还设有清洗龙头，当放水龙头出现故障时备用以及清洗堰箱底部沉淀 污垢。

堰箱上还设有咀，为起取水作用的管件。

测定优先流的径流量可用三种方法；（α）堰，（b）根据堰箱中水位增高的 体积法；（c）根据量器灌注时间的定时测量法。

用体积法定时测量流量，在径流场上，必需有如下的测量器具：容积20～30L 的量水箱，10L和2L的量器和500m³量筒。

采用上述方法可进行如下研究，具体内容包括：

1、气候变化条件下优先流的观测与研究

从优先流发生初期（4月底5月初）开始到结束期（9—10月），进行定时观 测，至优先流结束。观测优先流发生的时间和过程，包括每次径流开始和结束的 时间，径流量等，研究、探讨气候变化对优先流的影响机制。

2、不同森林植被条件下优先流的观测与研究

干旱半干旱区不同森林植被条件下，其优先流发生的时间、过程和特征各有 不同，观测和研究不同植被条件下的优先流径流特征，揭示不同的森林植被对优 先流的贡献率，从而进行有效的森林经营，以达到增加径流、弥补河道枯水期流 量，缓解中、下游春耕用水矛盾的目的。

3、不同森林覆被率条件下优先流的观测研究

利用在不同森林覆被率条件下建造的优先流观测场进行融雪径流的观测与 研究，探讨不同森林覆被的林分与优先流的关系，从而认识森林覆被率对优先流 的影响机制。

4、不同人为作用方式下优先流的观测研究

利用不同人为作用方式下优先流的观测与研究，探讨不同人为方式下人类活 动与优先流的关系，了解和认识人类活动对优先流的影响机制。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局 限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易 想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护 范围应该以权利要求的保护范围为准。