配合翻斗雨量計(jì)測(cè)量徑流的分流裝置研制

魏宏征，盛飛，劉亞麗，魯彥靖，胡冬子

（1.甘肅省子午嶺林業(yè)管理局合水分局，甘肅 合水 745400；2.甘肅省子午嶺林業(yè)管理局合水分局蒿咀鋪林場(chǎng)，甘肅 合水 745403；3.甘肅省慶陽生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，甘肅 慶陽 745000）

地表徑流是森林系統(tǒng)長期定位觀測(cè)和森林生態(tài)效益監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容[1]，也是土壤侵蝕和坡面水文特性研究的重要手段[2]。徑流測(cè)量就是流量測(cè)定，規(guī)范建議采用自記翻斗流量計(jì)[1]，但傳統(tǒng)上多采用集流池或多孔分流加集流桶法，人工量測(cè)池/桶水深計(jì)算得到總量。傳統(tǒng)方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，只能測(cè)得總量，無法監(jiān)測(cè)徑流過程，徑流過大時(shí)還會(huì)因溢流造成數(shù)據(jù)缺失[2-4]。翻斗法為容積（測(cè)重）量水技術(shù)，其原理是利用機(jī)械對(duì)稱式雙穩(wěn)態(tài)翻斗把水流分割為設(shè)定容積（重量）的單元水體，根據(jù)翻斗交互充—放單元水體的次數(shù)測(cè)得流體總量及過程，適用于無壓、低水頭、小流量的水流測(cè)定[5]，也用于降水量自動(dòng)測(cè)定。市場(chǎng)上有多種翻斗雨量計(jì)銷售，自動(dòng)記錄存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，使用方便。盡管翻斗雨量計(jì)技術(shù)成熟，但用于一般徑流場(chǎng)流量和小流量測(cè)定的報(bào)道很少[6]。由于森林地表徑流泥沙量較小，可經(jīng)集中過濾、沉淀、分流后，使用雨量計(jì)測(cè)量徑流或小流域溪流流量[7-9]。在甘肅省子午嶺蒿咀鋪林場(chǎng)生態(tài)效益監(jiān)測(cè)中，我們?cè)囉梅肥饺詣?dòng)雨量計(jì)實(shí)現(xiàn)了徑流自動(dòng)化測(cè)定，效果良好。在小流域溪流測(cè)定中，由于量水堰法所用儀器價(jià)格高昂、操作復(fù)雜困難[10-11]，我們也曾試用翻斗式全自動(dòng)雨量計(jì)。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，在降水量增大、降水強(qiáng)度增加，徑流量加大的情況下，翻斗式全自動(dòng)雨量計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)誤差較大，主要原因：一是徑流中的雜物堵塞雨量計(jì)受水口，二是來水量超過雨量計(jì)量程，導(dǎo)致翻斗不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)[12]。為此，根據(jù)前期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，我們利用分流原理研制分流裝置，把大股徑流過濾后平均分為多股細(xì)流，控制每股細(xì)流的流量在翻斗式全自動(dòng)雨量計(jì)量程之內(nèi)，不僅確保了測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，還解決了翻斗式全自動(dòng)雨量計(jì)代替量水堰法的測(cè)量問題。通過人工模擬徑流測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地安裝調(diào)試，測(cè)量效果基本達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。現(xiàn)將研究結(jié)果報(bào)告如下。

1 材料和方法

1.1 材料

UK-YL-D 翻斗式全自動(dòng)雨量計(jì)（以下簡(jiǎn)稱雨量計(jì)），內(nèi)徑200 mm，量程0～8 mm/min，工作溫度0～30 ℃，南京云佳智能科技有限公司生產(chǎn)。

分流裝置用材：不銹鋼薄板，厚1.2 mm；不銹鋼圓管，內(nèi)徑6 mm；不銹鋼方管，壁厚40 mm；密封玻璃膠。

過濾材料：聚乙烯絲網(wǎng)，10 目；魚缸過濾棉網(wǎng)，密度40 kg/m3；鋼絲網(wǎng)，14 目，不銹鋼材質(zhì)；木條，長600 mm，高、寬各30 mm。

1.2 分流裝置

3 種分流裝置均應(yīng)用水的勢(shì)能，使測(cè)量水流依次經(jīng)過過濾層、分流管，形成流量相等的多股細(xì)流，利用雨量計(jì)測(cè)量其中1 股細(xì)流流量。雨量計(jì)加蓋，防止降雨等混入造成測(cè)量誤差。

1.2.1 分流圓筒

采用圓筒形設(shè)計(jì)，由外筒、過濾筒、緩沖分流器、分流管、支架組成。外筒外徑0.4 m，起緩存作用，根據(jù)雨量計(jì)測(cè)量時(shí)間設(shè)定緩存時(shí)間；過濾筒內(nèi)徑0.3 m，高0.3 m，筒內(nèi)填充過濾材料；過濾筒底部設(shè)水平緩沖分流器，分流器底等距焊接多個(gè)分流管，分流管穿過外筒壁導(dǎo)出；分流管出水口下方安置雨量計(jì)測(cè)流。外筒、過濾筒均由不銹鋼薄板焊接而成，分流管采用不銹鋼管，支架由不銹鋼方管焊接而成。分流圓筒水平安裝在徑流出水口下方。見圖1。

圖1 分流筒示意

1.2.2 徑流分流槽

采用槽形設(shè)計(jì)，由外槽、過濾斜面、過濾支架、分流管、支架組成。外槽長0.4 m，寬0.8 m，高0.4 m，槽底一側(cè)設(shè)過濾斜面，斜面上設(shè)過濾支架，支架上側(cè)設(shè)置過濾材料，預(yù)設(shè)斜面坡度，逐層過濾，按照過濾材料由粗至細(xì)的順序設(shè)置3 個(gè)過濾層；槽底出水口側(cè)設(shè)置沉淀空間，外壁等距穿孔焊接多個(gè)分流管；分流管出水口下方安置雨量計(jì)測(cè)流，分高位和底位供實(shí)驗(yàn)測(cè)試。外槽由不銹鋼薄板焊接而成，分流管采用不銹鋼管，支架由不銹鋼方管焊接而成。徑流分流槽水平安裝在徑流出水口下方。見圖2。

圖2 徑流分流槽示意

1.2.3 溪流分流槽

采用槽形設(shè)計(jì)，由外槽、過濾斜面、過濾支架、分流管組成。外槽長0.8 m，寬0.4 m，高0.2 m；槽底設(shè)置過濾斜面，斜面上設(shè)過濾支架，支架上側(cè)設(shè)置過濾材料；槽底出水側(cè)壁等距穿孔焊接分流管；分流管出水口下方安置雨量計(jì)測(cè)流。外槽由不銹鋼薄板焊接而成，分流管采用不銹鋼管。根據(jù)最大流量計(jì)算確定分流管數(shù)量，暫設(shè)12 個(gè)、24 個(gè)、32 個(gè)，制作時(shí)一次性設(shè)置32 個(gè)分流孔供實(shí)驗(yàn)測(cè)定。溪流分流槽水平安置在量水堰出水口下方。見圖3。

圖3 溪流分流槽示意

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 模擬徑流測(cè)試

100 L 清水緩慢流入自制分流裝置，計(jì)時(shí)操作，以接近森林地表徑流的流量和流速為準(zhǔn)。分流裝置設(shè)定1 個(gè)或多個(gè)分流口，先用量筒測(cè)量，待分流測(cè)量誤差≤5%，再用雨量計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)流。另設(shè)分流圓筒高位水平分流口、徑流分流槽高位傾斜分流口、徑流分流槽低位水平分流口測(cè)試，3次重復(fù)。

1.3.2 模擬過濾測(cè)試

實(shí)驗(yàn)在徑流分流槽上進(jìn)行，分流口12 個(gè)，高位配置。100 L 清水加入泥沙5 kg，容器稱量，攪拌均勻后緩慢流入分流裝置；恒溫干燥箱烘干過濾材料稱量，計(jì)算濾積泥沙量。

實(shí)驗(yàn)設(shè)置7 種過濾材料：聚乙烯絲網(wǎng)，魚缸過濾棉網(wǎng)，鋼絲網(wǎng)，木條，組合一（聚乙烯絲網(wǎng)∶魚缸過濾棉網(wǎng)∶鋼絲網(wǎng)=6 ∶2 ∶2），組合二（聚乙烯絲網(wǎng)∶魚缸過濾棉網(wǎng)∶木條=6 ∶2 ∶2），組合三（聚乙烯絲網(wǎng)∶魚缸過濾棉網(wǎng)∶木條=5 ∶3 ∶2）。每種過濾材料3 次重復(fù)。

1.3.3 徑流場(chǎng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)

2019 年7 月21 日，實(shí)驗(yàn)在甘肅省子午嶺蒿咀鋪林場(chǎng)三關(guān)橋進(jìn)行。徑流場(chǎng)規(guī)格5 m×20 m，共3 處，分別為油松純林、針闊混交林、闊葉混交林。其中：油松純林平均胸徑8.8 cm，平均高12.0 m，密度3 437 株/hm2，蓄積131.82 m3/hm2，郁閉度0.8；闊葉混交林優(yōu)勢(shì)樹種為硬闊類，平均胸徑13.5 cm，平均高8.7 m，密度1 275 株/hm2，蓄積70 m3/hm2，郁閉度0.8；針闊混交林優(yōu)勢(shì)樹種為油松，平均胸徑9.2 cm，平均高11.1 m，密度2 525株/hm2，蓄積109.4 m3/hm2，郁閉度0.9。

使用徑流分流槽；組合過濾材料，聚乙烯絲∶純棉網(wǎng)∶木條=5 ∶3 ∶2；12 個(gè)分流管，分流出水口與分流槽底相對(duì)高差50 mm。雨量計(jì)設(shè)置10 min 自計(jì)1 次數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 模擬徑流測(cè)試

3 種自制分流裝置分別設(shè)置高位和低位2 種分流口，每次測(cè)試用水100 L，模擬測(cè)量結(jié)果見表1、表2。由表1 數(shù)據(jù)可見，經(jīng)過分流裝置后的測(cè)定值均低于測(cè)試用水量，說明新研究的裝置帶來一定測(cè)量誤差。3 種分流裝置測(cè)試精度以徑流分流槽最高，溪流分流槽與之相近，分流圓筒測(cè)試誤差較大。2 種分流口位置中，高位分流口測(cè)試精度優(yōu)于低位分流口，說明徑流在分流裝置內(nèi)經(jīng)過緩沖平衡，水位平穩(wěn)，分流效果較好。由表2 數(shù)據(jù)可見，徑流分流槽高位傾斜分流口測(cè)試精度最高。綜合分析，高位徑流分流槽測(cè)量精度高，效果最優(yōu)。

表1 3 種自制分流裝置模擬徑流測(cè)試統(tǒng)計(jì) L

表2 自制分流裝置分流口形式模擬徑流測(cè)試統(tǒng)計(jì)

2.2 模擬過濾測(cè)試

每次測(cè)試用水100 L，用泥沙5 kg，模擬測(cè)量結(jié)果見表3。由表3 數(shù)據(jù)可見，不同材料的過濾性能差異較大，對(duì)流量測(cè)定精度的影響有所不同但效果接近，其中網(wǎng)絲網(wǎng)過濾性能最差，而且過濾效果不穩(wěn)定；魚缸過濾棉網(wǎng)、組合二的過濾性能最好，過濾效果也比較穩(wěn)定；組合一、組合三的過濾性能和效果略低于組合二，聚乙烯絲網(wǎng)、木條過濾性能與鋼絲網(wǎng)相近。綜合分析，魚缸過濾棉網(wǎng)、組合一、組合二、組合三過濾性能優(yōu)良。

表3 模擬過濾測(cè)試統(tǒng)計(jì)

2.3 徑流場(chǎng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)

2019 年7 月21 日降雨，當(dāng)日地表徑流最大值達(dá)到0.23 mm。分流后測(cè)流雨量計(jì)測(cè)試記錄總值302.4 mm，累計(jì)測(cè)流時(shí)間390 min，平均0.8 mm/min。測(cè)試情況見表4。由表4 數(shù)據(jù)可見，在降雨當(dāng)日徑流過程中，分流后測(cè)流雨量計(jì)記錄值均≤8 mm，未超過其量程，工作正常。說明徑流分流槽達(dá)到預(yù)期分流效果。

表4 徑流較大時(shí)雨量計(jì)記錄值統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)論與討論

1）3 種分流裝置均能對(duì)森林地表徑流進(jìn)行緩沖、過濾、沉淀、分流，解決了徑流量超過翻斗式全自動(dòng)雨量計(jì)量程和徑流雜物堵塞雨量計(jì)受水口的問題。在分流裝置出水口配置中，以高位傾斜出水口分流效果好，配合翻斗式全自動(dòng)雨量計(jì)測(cè)流精度較高；低位水平出水口配置分流略不均勻。在徑流測(cè)量中，徑流分流槽測(cè)流效果優(yōu)于分流圓筒，可以實(shí)際應(yīng)用于徑流測(cè)量。

2）分流裝置中過濾效果優(yōu)良的材料為魚缸過濾棉網(wǎng)、聚乙烯絲網(wǎng)∶魚缸過濾棉網(wǎng)∶木條=6 ∶2 ∶2、聚乙烯絲網(wǎng)∶魚缸過濾棉網(wǎng)∶鋼絲網(wǎng)=6 ∶2 ∶2、聚乙烯絲網(wǎng)∶魚缸過濾棉網(wǎng)∶木條=5 ∶3 ∶2，聚乙烯、鋼絲網(wǎng)、木條3 種材料單用過濾效果較差。

本文研制的3 種分流裝置，制作簡(jiǎn)單，成本較低，配合翻斗式全自動(dòng)雨量計(jì)基本實(shí)現(xiàn)徑流自動(dòng)化測(cè)量目標(biāo)。但模擬徑流測(cè)試誤差大多超過2%，甚至超過10%，測(cè)量精度和穩(wěn)定性均不太理想。分析其原因，一是自制裝置制作精密度較差，分流口位置、分流管內(nèi)徑的差異，以及裝置安裝水平度偏差，都會(huì)造成分流不均勻，進(jìn)而導(dǎo)致翻斗式全自動(dòng)雨量計(jì)測(cè)定誤差，需要在以后的研制工作加以改進(jìn)。二是翻斗式全自動(dòng)雨量計(jì)測(cè)量誤差，流量增大、泥沙含量增加、泥沙密度的不同都會(huì)造成翻斗計(jì)量誤差[4]，翻斗自身也會(huì)存在無法克服的技術(shù)性計(jì)量誤差[5]，這些系統(tǒng)性誤差可以通過試驗(yàn)予以校正。