一种原位降雨入渗和径流分配测量系统和方法与流程

本发明涉及水文学、环境科学及地质学技术领域，具体涉及一种原位降雨入渗和径流分配测量系统和方法。

背景技术：

降水是气候特征的重要体现，是重要的水文和气候要素，入渗及径流特征是土壤水分平衡、生态系统水循环的重要影响因素，是生态系统水文研究的重要组成部分，对区域资源的时空分布、生态环境形成与演变及农业生产起着决定性的作用。降雨、入渗、径流等水文过程都伴随着自然环境变化与物质迁移现象，涉及到水文学、环境科学、农业学以及林业学等，准确获取一定时间段降雨分配到入渗、径流量比例和过程，是研究其中涉及的水文过程、污染物迁移规律、水土流失、水资源再分配的基础。

目前，降雨科研观测设备大部分集中在人工模拟降雨系统，降雨入渗试验装置通常是通过在实验室内设计并制作入渗测量实验装置，然后模拟人工降雨，将供试土壤运输至实验室重新回填后进行入渗试验测量，然而，这些装置在使用中不可避免的是，首先，在土壤的攫取、搬运以重装的过程中，土壤的各种物理参数发生了很大变化，很难保持土壤的原状性，第二，实验环境无法完全模拟真实环境，尺寸规模受到限制，边界效应等影响测试结果，导致结果误差较大，不能如实反映真实的降水入渗情况。同样的，对土壤水入渗的测量方法很多，如单环入渗仪、双环入渗仪、张力入渗仪等，然而，这些方法都是在一定的水头驱动下，测定土壤在饱和情况下的导水能力，一方面，由于上述实验方法与天然降水情况差异较大，另一方面，仪器安装过程中对土面的破坏引起的边界效应等问题凸显，导致这些方法的测定值与天然降水的入渗情况有较大的差异。传统的径流分配测量系统需构建径流场，径流场通常由边埂、边埂围成的小区、集流槽、径流和泥沙集蓄设备、保护带及排水系统组成，该测量系统及方法的工程造价较高，运行费用大且测量误差不易控制，这些给传统的径流分配测量带来诸多不便和困难。CN201620330519的专利公开了一种原位土壤降雨入渗测量装置，但其装置结构复杂众多，使用不便，更重要的是，其装置中降雨箱体、尤其是底部入渗板的设置，大大影响了自然降雨的地表入渗和径流过程，且其中存在较大的边界影响，其测得的土壤入渗数据必然与真实情况差距较大。能同时在实际研究中真实测量降雨过程中土壤入渗与径流分配的测试装置及方法目前还很缺乏，对水文、环境科学等的研究受到了较大的限制。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种原位降雨入渗和径流分配测量系统和方法，用以解决现有降雨入渗、径流分配测量误差大、测量过程困难复杂、工程造价高的问题，本发明通过在测试区域现场构建测量系统，科学安装测量装置，实现了真实测量自然降雨环境下的入渗和径流分配，结果准确，可靠性强。

为实现上述目的，本发明首先提供一种原位降雨入渗和径流分配测量系统，作为本发明的关键是，所述测量系统包括设置在测试区域的降雨测量系统、入渗测量系统和径流测量系统，所述降雨测量系统中包括借助支架固定在测试区域的雨量计；入渗测量系统包括借助剖面安装管布设在土壤不同深度的水分传感器；径流测量系统包括集水池、挖设在测试区域周边并与集水池联通的集流沟和设置在集流沟与集水池接口处的水位及水量测量装置。

优选的，所述测量系统中还包括控制系统，所述控制系统中包括信号输入端分别与雨量计水分传感器水位及水量测量装置连接的采集器、与采集器信号输出端连接的综合处理器和与综合处理器信号输出端分别连接的存储器及客户端，所述测量系统借助控制系统形成自动测量。

优选的，所述集水池为矩形、正方形、圆形或椭圆形，集流沟的截面形状为倒等腰三角形或矩形。

优选的，所述水分传感器在土壤的每个深度至少布置3个。

优选的，所述集流沟和/或集水池的边缘分别加设高度为5-10cm的过滤板。

本发明还提供一种原位降雨入渗和径流分配测量方法，基于上述包括降雨测量系统、入渗测量系统和径流测量系统的原位降雨入渗和径流分配测量系统，所述方法包括以下步骤：

(1)选定测试区域；

(2)安装原位降雨入渗和径流分配测量系统

2-a、安装入渗测量系统：以土壤选定的各深度分别作为入渗测量单元，每个入渗测量单元安装至少一个水分传感器；

2-b、安装降雨测量系统：借助支架在测试区域固定安装雨量计；

2-c、布设径流测量系统：沿测试区域周边挖设矩形集流沟，并开挖与集流沟联通的集水池，最后在集流沟与集水池接口处设置水位及水量测量装置；

(3)降雨开始后，收集测试时间段内雨量计采集的降雨深度H和入渗测量系统采集的测试结束时的土壤含水量θ_n、各水分传感器测量的土壤土层厚度H_n及其对应控制的土壤面积S_n，

(4)根据采集数据计算

4-a、根据I＝SH计算测试时间段降雨量I，式中S为测试区域面积；

4-b、根据Q_总＝Q₁+Q₂+…+Q_n，Q_n＝S_nH_n(θ_n-θ_ns)，计算测试时间段土壤第n个入渗测量单元对应的土层土壤水量变化Q_n和测试区域土层土壤总水量变化Q_总，式中θ_ns为初始土壤含水量；

4-c、根据R_总＝R_池+R_沟计算测试时间段内测试区域的总径流量R_总，集水池的水流量变化值R_池＝S_池H_池，集流沟的水流量R_沟＝B_沟H_沟L_沟，式中：S_池为集水池底面积，H_池为测试时间段集水池水位高度变化值，B_沟为集流沟宽度，H_沟为测试时间段集流沟内水位高度变化值，L_沟为集流沟长度；

4-d、根据水量平衡公式I＝Q_总+R_总+Q_截，计算下垫面截留水量Q_截。

优选的，所述方法还包括校准步骤(5)，采集集流沟和集水池接口处流量计数值R_测与计算所得的总径流量R_总比较，当(R_总-R_测)/R_总绝对值≧10-30％，则处理集水池液面水平后，返回步骤4-b。

优选的，所述测量系统中还包括控制系统，所述控制系统中包括信号输入端分别与雨量计、水分传感器、水位及水量测量装置连接的采集器和与采集器信号输出端连接的综合处理器及与综合处理器信号输出端分别连接的存储器、客户端，所述测量系统借助控制系统形成自动控制测量，所述步骤(3)中，降雨开始后，控制系统接收雨量计的信号并立即进行系统初始化，首先采集初始土壤含水量θns。

优选的，所述集水池挖设形状为矩形、正方形、圆形或椭圆形。

本发明方法具有如下优点：

(1)本发明提供的降雨入渗和径流分配测量系统方便携带，可快速安装，造价低，使用和维护方便简单，使用完毕后方便拆卸回收，便于下次需要时重复使用；

(2)本降雨入渗和径流分配测量系统能够在多种地表及野外条件下适用监测测量，避免了实验室的误差与环境限制，符合科学试验重复性原则，得出的结果更为真实准确；

(3)本系统可根据测量对象安装在不同地面覆盖(草地、裸地和作物等)、不同坡度的下垫面上，适用范围广。

附图说明

图1为本发明的原位降雨入渗和径流分配测量系统的平面布置示意图。

图2为本发明的入渗测量系统安装的剖面示意图。

图3为本发明的实施例集水池剖面示意图。

图4为本发明的实施例集流沟剖面示意图。

图中，1代表雨量计，2代表入渗测量系统，21代表水分传感器，22代表安装管，23代表安装孔，3代表径流测量系统，31代表集流沟,311代表集流沟边缘过滤板，312代表集流沟盖，32代表集水池，321代表集水池边缘过滤板，322代表集水池盖，33代表水位计，34代表流量计。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

本实施例提供一种原位降雨入渗和径流分配测量系统，参见图1-4，所述测量系统包括设置在测试区域的降雨测量系统、入渗测量系统2和径流测量系统3，所述降雨测量系统中包括借助支架固定在测试区域的雨量计1，雨量计1用来测量雨量和雨强，通过支架安装有效防止了移动和破坏，其中安装支架可选用工程塑料、有机玻璃或不锈钢等材质，其大小与雨量计1匹配。入渗测量系统2包括借助剖面的安装管22布设在土壤不同深度的水分传感器21，安装管22上预留有水分传感器21的安装孔23，使用时，以各深度为准分成多个入渗测量单元，处于每个深度的水分传感器21用于测量对应入渗测量单元的土壤含水量，为减小误差，通常在选定的每个深度的土壤至少布置3个水分传感器21，以其平均值为准，如地表以下0-5cm为第一入渗测量单元，地表以下5-10cm为第二入渗测量单元，在每个入渗测量单元中至少均布3个水分传感器21。径流测量系统3包括集水池32、集流沟31和设置在集流沟31及集水池32内的水位及水量测量装置，集流沟31挖设在测试区域的周边，形成地表封闭区域，集流沟31与集水池32联通，降雨时集流沟31形成的地表封闭区域内的地表径流汇入集水池32；水位及水量测量装置可以是水位计33、流量计34，集流沟31和集水池32内都设置有水位计33，用于测量水位(液面高度)，流量计34优选设置在集流沟31与集水池32的接口处，用于测量流入集水池32的径流量。

所述集水池32为矩形、正方形、圆形或椭圆形，如图1和图3所示，集水池32平面设置成上述形状，一方面便于施工，一方面使用时计算方便，准确度高；更优选的是集水池32设置为边缘平滑的圆形或椭圆形，大大避免了边角不均引起的水流真实性差及计算误差；集流沟31的截面形状为倒等腰三角形(如图4所示)或矩形。

所述集流沟31和/或集水池32的边缘分别加设高度为5-10cm的过滤板，分别参见图3及图4，集流沟31的边缘加设集流沟边缘过滤板311，集水池32的边缘加设集水池边缘过滤板321，过滤板的材料可选用无纺布、钢丝网等有过滤功能的材料，过滤板的设置，有效防止了泥沙等杂物随径流流动造成的堵塞。

实施例2

与实施例1相比，本实施例中的原位降雨入渗和径流分配测量系统中的集流沟31和集水池32的上方夹设了盖子，如图3及图4所示，集流沟31的上方覆盖有集流沟盖312，集水池32的上方覆盖有集水池盖322，盖子的设置可以将雨水误差降至最低，保证了测量结果的准确可靠。

实施例3

与实施例1不同的是，本实施例中的原位降雨入渗和径流分配测量系统中还包括控制系统，所述控制系统中包括信号输入端分别与雨量计1、水分传感21和水位及水量测量装置连接的采集器、与采集器信号输出端连接的综合处理器和与综合处理器信号输出端分别连接的存储器及客户端，所述测量系统借助控制系统形成自动测量。本测量系统在具体使用中，采集器采集雨量计1、水分传感21和水位及水量测量装置的数据，并将数据传输至综合处理器，综合处理器将数据整理计算后一方面传输至存储器，一方面通过无线/有线通信方式传输至客户端。其中，综合处理器中存储有所涉及的采集数据表格及计算公式。所形成的自动测量，其启动有两种触发模式，可选用雨量计1采集到数据即启动测量，或采用客户端一间触发，控制综合处理器启动采集、存储及通信传输。

实施例4

本发明还提供一种原位降雨入渗和径流分配测量方法，基于上述任一实施例所述的包括降雨测量系统、入渗测量系统和径流测量系统的原位降雨入渗和径流分配测量系统，所述方法包括以下步骤：

(1)选定测试区域；根据试验、监测等要求选定合适面积的测试区域，通常选定面积范围在1-1000m²。

(2)安装原位降雨入渗和径流分配测量系统

2-a、安装入渗测量系统：以土壤选定的各深度分别作为入渗测量单元，每个入渗测量单元安装至少一个水分传感器，入渗测量系统以选定的各土壤深度为准分别作为入渗测量单元，本实施例中设置三个入渗测量单元，如图2所示，地表以下0-5cm为第一入渗测量单元，水分传感器21安装在中间高度即地表下2.5cm处，地表以下5-10cm为第二入渗测量单元，地表以下10-15cm为第三入渗测量单元，在每个入渗测量单元中至少均布3个水平高度一致的水分传感器21，如图1所示，可见本实施例中的入渗测量单元选取的3个均布的典型点，安装水分传感器21，本实施例中共安装9个水分传感器21。

2-b、安装降雨测量系统：借助支架在测试区域固定安装雨量计1用来测量雨量和雨强；

2-c、布设径流测量系统：沿测试区域周边挖设矩形的集流沟31和集水池32(如图1所示)，所述集水池32挖设形状为矩形、正方形、圆形或椭圆形，本实施例中挖设为矩形(如图1、图3所示)，集流沟31截面为等腰三角形(如图4所示)或矩形，本实施例中挖设矩形，集流沟31与集水池32联通，最后在集流沟31、集水池32及集流沟31与集水池32的接口处设置水位计33、流量计34，如图1、图3、图4所示；

(3)降雨开始后，收集测试时间段内雨量计1采集的降雨深度H和入渗测量系统采集的测试结束时第n个入渗测量单元的土壤含水量θ_n、各水分传感器21测量的土层厚度H_n及其对应控制的土壤面积s_n，

(4)根据采集数据计算

4-a、根据I＝SH计算测试时间段降雨量I，式中S为测试区域面积。

4-b、根据Q_总＝Q₁+Q₂+…+Q_n，Q_n＝S_nH_n(θ_n-θ_ns)，计算测试时间段土壤第n个入渗测量单元对应的土层土壤水量变化Q_n和测试区域土层土壤总水量变化Q_总，式中θ_ns为初始土壤含水量。

具体的，本实施例中共设置3各入渗单元，安装有9个水分传感器21，测试区域总深度为15cm，每个入渗测量单元的土层土壤水量变化Q_n计算方法为该入渗测量单元的土层厚度H_n乘以对应控制的土壤面积s_n，再乘以3个水分传感器21测定的含水量变化的平均值，即每个入渗测量的土壤含水量θ_n、初始土壤含水量θ_ns的数值均为所设置的3个水分传感器21测定的平均值，最终Q_总＝Q₁+Q₂+Q₃。

4-c、根据R_总＝R_池+R_沟计算测试时间段内测试区域的总径流量R_总，集水池32的水流量变化值R_池＝S_池H_池，集流沟31的水流量R_沟＝B_沟H_沟L_沟，即水流的体积，式中：S_池为集水池32底面积，H_池为水位计33测得的测试时间段始末集水池32水位高度变化值，B_沟为集流沟31宽度，H_沟为测试时间段集流沟31内水位高度变化值，L_沟为集流沟31的总长度。

4-d、根据水量平衡公式I＝Q_总+R_总+Q_截，计算下垫面截留水量Q_截。

实施例5

与实施例4不同的是，本实施例的方法还包括校准步骤，所述方法还包括校准步骤(5)，采集集流沟31和集水池32接口处流量计数值R_测与计算所得的总径流量R_总比较，当(R_总-R_测)/R_总绝对值≧10-30％，则处理集水池32液面水平后，返回步骤4-b，处理集水池32液面至水平的方法为常规搅拌均匀等。

实施例6

与实施例4不同的是，本方法中采用的测量系统中还包括控制系统，所述控制系统中包括信号输入端分别与雨量计1、水分传感器21、水位及水量测量装置连接的采集器和与采集器信号输出端连接的综合处理器及与综合处理器信号输出端分别连接的存储器、客户端，所述测量系统借助控制系统形成自动控制测量，所述步骤(3)中，降雨开始后，控制系统接收雨量计1的信号并立即进行系统初始化，首先采集初始土壤含水量θ_ns，或人工控制客户端将触发信号发送至综合处理器，综合处理器控制采集器采集数据，该设置保证了所采集数据的时效，大大提高了测试的准确度。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。