一种检测喀斯特坡面产流位置的装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种检测喀斯特坡面产流位置的装置及方法。将内部填充细纱网、管壁钻有进水孔的PVC管两端套入到三通中，三通两端套入一端密封的储水管和管帽，管帽中插入上端带有管塞的导水管深入到储水管下端。坡面选点的基础上，按照坡位以及异质性小生境类型于地表埋设装置；每场降雨后，查看产流情况、收集水样，测定基本水化学指标；综合分析一个水文年内坡面各点产流概率和水化学指标的时空分布，最终完成对坡面产流位置的判断。本发明制作简单、投入小、安装便捷，解决了传统研究方法在喀斯特等土被不连续的地区检测坡面产流位置所遇到的难点，能为该类地区有限水资源的合理利用、土地利用合理布局、植被恢复策略等方面提供技术手段。
【专利说明】一种检测喀斯特坡面产流位置的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于水文、生态、土壤侵蚀和水土保持领域，更具体涉及一种检测喀斯特坡面产流位置的装置，同时还涉及一种检测喀斯特坡面产流位置的方法，适合于教学、科研和环保部门进行自然和人为影响下的坡地水文过程、水分和养分输移的系统测定和研究。
【背景技术】
[0002]喀斯特地区地表地下二元空间结构发育，土被不连续，地表异质性极其强烈。喀斯特坡面这种坡面物理构造的异质性必然会导致坡面水文过程的复杂性，坡面水文过程除传统意义上的地表径流、壤中流、地下径流以外，还存在表层岩溶带径流。
[0003]在坡面尺度上，准确判断坡面产流位置是开展多方面工作的基础。首先，判断坡面产流位置是划分径流成分、分析坡面产流机制的前提；其次，坡面产流位置的确定，能够指导野外水文试验的监测布点；第三，在社会生产实践方面，准确判断坡面产流位置能够为坡面水资源的合理利用、土地利用合理布局、水土保持和面源污染防治工程合理布点等提供科学依据。
[0004]在土被连续分布的区域，如北方黑土、黄土区，以及南方红壤区，判断坡面产流位置的方法相对简单，通常根据降雨特征、土壤水力学性质、地形地貌指标等起始边界条件，通过小区观测或模型模拟就能比较准确地判断。然而，喀斯特地区表现出独特的土被不连续性和地上地下结构的极强异质性，适用于土被连续区用于判断坡面产流位置的方法在该区域显然不能照搬。因此，亟需提出适合于类似喀斯特地区这种土被不连续且异质性明显的坡面产流位置判别的新方法，以期为该地区有限水资源的合理利用、土地利用合理布局、植被恢复策略等方面提供技术手段。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是在于提供了一种检测喀斯特坡面产流位置的装置，制作简单、投入小、安装便捷，在判断所在位置是否产流的同时，能够对产流水样进行保护性存储，同时该装置具有较高的水文识别分辨率，能对小尺度异质性小生境的产流过程和产流机制进行定性分析，解决了高异质性地区坡面水文研究过程中普遍识别率不高的问题。
[0006]本发明的另一个目的是在于提供了一种检测喀斯特坡面产流位置的方法，方法易行，操作简便，解决了传统研究方法在类似喀斯特等土被不连续的地区检测坡面产流位置所遇到的技术难点，能够为该类地区有限水资源的合理利用、土地利用合理布局、植被恢复策略等方面提供技术手段。
[0007]为实现上述目的，本发明采取了以下技术方案:
[0008]一种检测喀斯特坡面产流位置的装置，它包括PVC管(DN25)、第一三通(DN25)、第二三通(DN25)(横向端为主管，垂直端为支管)、第一储水管、第二储水管、第一管帽(带孔)、第二管帽(带孔)、第一导水管、第二导水管、第一管塞、第二管塞、细纱网。其连接关系为:将一根内部填充细纱网、长25cm的PVC管(DN25)两端分别均套入到第一 DN25三通(垂直端为支管)支管中、第二 DN25三通(垂直端为支管)支管中，保证第一三通(DN25)、第二三通(DN25)(横向端为主管，垂直端为支管)主管平行；第一三通(DN25)、第二三通(DN25)主管两端分别套入第一储水管、第二储水管和第一管帽(带孔)、第二管帽(带孔)，第一储水管、第二储水管另一端密封，第一管帽(带孔)、第二管帽(带孔)孔中插入与其相同孔径的第一导水管、第二导水管，第一导水管、第二导水管插入端管口深入到第一储水管、第二储水管下端，第一导水管、第二导水管外露端管口塞入第一管塞、第二管塞。将第一储水管、第二储水管密封端放于水平面上，在PVC管(DN25)管身的圆周四分之一圆周区域钻孔，便于经流水进入，四分之一圆周区域的上边界为经过PVC管(DN25)中心线的铅垂平面与PVC管(DN25)的相交线，下边界为经过PVC管(DN25)中心线的水平面与PVC管(DN25)的相交线；PVC管(DN25)内部填充细纱网，以防泥沙进入堵塞管道；第一管塞、第二管塞的作用在于，一方面保护管口清洁，一方面便于抽提第一储水管、第二储水管中收集到的产流水。
[0009]一种检测喀斯特坡面产流位置的方法，其步骤是:
[0010]1、坡面选点。埋设装置前，先选取坡面上基本对称的两条典型样线(样线走向垂直等高线)，将其划分为坡顶、坡肩、背坡、坡脚、洼地等坡位，然后进行现场选点。选点遵循以下两个原则:首先，根据每个坡位的坡长，将沿坡等间距节点确定为安装点，由于喀斯特地区极强的异质性，喀斯特峰丛洼地建议沿坡设置间距为10至15m ;在此基础上，通过增加安装点数量保证所选安装点基本囊括土面、裸岩、石槽、石缝等典型异质性小生境类型，最终使得每个小生境类型下选择有10?30个点。每个位置点布置三个装置作为重复，同时记录各点经纬度、海拔、坡度坡向、裸岩盖度、植被覆盖度、砾石覆盖度、土层厚度、土壤分层、质地等地理位置信息，并对每个选点进行编号。
[0011]2、埋设装置。在以上确定的每个位点上埋设坡面流检测装置:为了避免埋设过程对土体的扰动，用土钻钻取与储水管直径相当的土孔，然后将储水管主管下端放入其中，装置有孔的一面管壁面向上坡，且保证PVC管(DN25)放置方向与等高线平行，同时不断调整土孔深度，直至PVC管(DN25)紧贴土面为止，最后塞紧管塞，并在每个埋设装置上挂上编有与该位置点对应的编号牌。
[0012]3、收集水样。自然降雨过程中，如有坡面产流，顺坡而下的上坡来水将被横向放置的带孔PVC管(DN25)承接，水流通过细纱网过滤后，顺着PVC管(DN25)横向流入储水管。每次降雨过后两小时内，沿坡从下向上或从上向下顺次收集产流水，具体操作为:打开管塞，用注射器插入导水管外露端管口抽提储存水分，查看储水管中是否含有水，如有产流，则测量体积并采集水样，将产流情况和水样编号进行记录。同时收集该场次降雨的雨水样品。
[0013]4、测定水化学指标。在室内测定采集水样和雨水样的水化学指标跟常规离子浓度，EC、pH、T、DO采用便携多功能水质监测仪测定；HC0 —3、Cl —、Ca2+、Mg2+用滴定法测定；NO 一 3和SO2 + 4用TU-1810紫外可见分光光度计测定；K+和Na+用原子吸收法测定(一般情况下，每组除K+、Na+之外所有离子都在8h内测定完成);水样中的氢氧同位素含量采用液态水同位素分析仪测定，样品同位素值通过下式计算得出:
[0014]δ D ( δ 18O) %。= (Rsample / Rstandard -DXlOOO
[0015]其中，δ D和δ 18O分别为对应样品的氢和氧同位素值，Rsample和Rstandari分别为样品和国际通用标准物中元素的重轻同位素丰度之比(如180/160)。SD值的测试误差不超过1%。，δ 18O值的测试误差不超过0.2%0。[0016]5、坡面产流位置判断。收集至少一年的降雨产流观测资料，按照降雨强度将产流数据进行分类，一般分为大、中、小强度降雨三种类型，其分别对应24h总降雨量>120、60?120、<60mm的降雨。首先，将收集到的产流信息按照坡位和异质性小生境类型进行汇总和电脑录入，在此基础上运用数理统计软件对每个选点上的径流水收集情况进行统计分析，得出某一坡位或异质性小生境的产流概率(P=产流次数/总监测降雨场次X100)。其次，结合室内水样的水化学指标分析，得出某一坡位或异质性小生境的各水化学指标的平均值。第三，将点尺度的产流概率和水化学指标等信息放入到整个实验坡面尺度进行比较，通过分析产流概率和水化学指标等在空间上的分异规律，结合雨水水化学指标，进而初步得出坡面超渗地表径流、饱和地表径流、直接径流、壤中流、回归流等坡面产流类型的发生位置；同时，分析点尺度的产流概率和水化学指标等信息随时间的变化特征，结合降雨强度、历时、降雨量等指标的分析，得出坡面某点上产流过程对降雨的响应规律，进而能得到坡面产流位置随时间的变化特征。在以上确定坡面产流位置时空变异的基础上，综合该地区历年气象水文资料，能够为坡面水资源的合理利用、土地利用合理布局、水土保持工程合理布点等提供科学依据。
[0017]本发明具有以下优点和效果:
[0018]1、本发明在定性判断坡面产流部位的同时，还能够将收集的产流水样在室内进行基本水化学性质的定量分析；
[0019]2、本发明具有良好的密封性，管壁光滑，流体粘附损失少，同时装置采用注射器抽提检测，抽提前的三通出水管处于封闭状态，降雨过后即使蒸发作用也不会影响到产流水的水溶物浓度，从而大大降低了野外物理试验采集样品的数据误差；
[0020]3、整套装置组件间采用胶合剂粘合，制作和组装过程简单快速，且轻便易携带，在较短时间内可完成对整个流域范围的布设；
[0021]4、检测装置采用PVC管，抗拉抗压强度大、耐腐蚀性强以及防咬啮等优点，能够在各种异质性小生境内密集布设，适合野外定点长时间连续监测；
[0022]5、设备采用小直径PVC管材，能够最小限度减少埋设设备对土体和土壤结构的破坏，保证试验结果真实可靠。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1为一种检测喀斯特坡面产流位置的装置示意图；
[0024]图2为一种检测喀斯特坡面产流位置的装置剖面图。
[0025]其中:PVC管(DN25)1、第一三通(DN25)2A、第二三通(DN25)2B、第一储水管3A、第二储水管3B、第一管帽(带孔)4A、第二管帽(带孔)4B、第一导水管5A、第二导水管5B、第一管塞6A、第二管塞6B、细纱网7。
【具体实施方式】
[0026]实施例1:
[0027]下面结合说明书附图对本发明的工作原理做进一步描述:
[0028]如图1、图2所示，一种检测喀斯特坡面产流位置的装置，它包括PVC管(DN25) 1、第一三通(DN25)2A、第二三通(DN25)2B (横向端为主管，垂直端为支管)、第一储水管3A、第二储水管3B、第一管帽(带孔)4A、第二管帽(带孔)4B、第一导水管5A、第二导水管5B、第一管塞6A、第二管塞6B、细纱网7。本发明的工作原理为:当地表产流时，水流会通过PVC管(DN25 ) I壁上钻孔进入管内，然后向两侧分流，流入第一三通(DN25 ) 2A、第二三通(DN25 ) 2B主管，进而储存在第一储水管3A、第二储水管3B中。
[0029]其连接关系为:将一根内部填充细纱网7、长25cm的PVC管(DN25) I两端分别套入到第一三通(DN25)(垂直端为支管)2A支管中、第二三通(DN25)(垂直端为支管)2B支管中，保证第一三通(横向端为主管)2A、第二三通(横向端为主管)2B主管平行；第一三通(DN25) 2A、第二三通(DN25) 2B主管两端分别套入第一储水管3A、第二储水管3B和第一管帽(带孔)4A、第二管帽(带孔)4B，第一储水管3A、第二储水管3B另一端密封，第一管帽(带孔)4A、第二管帽(带孔)4B孔中插入与其相同孔径的第一导水管5A、第二导水管5B，第一导水管5A、第二导水管5B插入端管口深入到第一储水管3A、第二储水管3B下端，第一导水管5A、第二导水管5B外露端管口塞入第一管塞6A、第二管塞6B。将第一储水管3A、第二储水管3B密封端放于水平面上，在PVC管(DN25) I管身的圆周四分之一圆周区域钻孔，便于经流水进入，四分之一圆周区域的上边界为经过PVC管(DN25) I中心线的铅垂平面与PVC管(DN25) I的相交线，下边界为经过PVC管(DN25) I中心线的水平面与PVC管(DN25) I的相交线；PVC管(DN25) I内部填充细纱网7，以防泥沙进入堵塞管道；第一管塞6A、第二管塞6B的作用在于，一方面保护管口清洁，一方面便于抽提第一储水管3A、第二储水管3B中收集到的产流水。
[0030]实施例2:
[0031]一种检测喀斯特坡面产流位置的方法，其步骤是:
[0032]1、坡面选点。埋设装置前，先选取坡面上基本对称的两条典型样线(样线走向垂直等高线)，将其划分为坡顶、坡肩、背坡、坡脚、洼地等坡位，然后进行现场选点。选点遵循以下两个原则:首先，根据每个坡位的坡长，将沿坡等间距节点确定为安装点，由于喀斯特地区极强的异质性，喀斯特峰丛洼地建议沿坡设置间距为10至15m ;在此基础上，通过增加安装点数量保证所选安装点基本囊括土面、裸岩、石槽、石缝等典型异质性小生境类型，最终使得每个小生境类型下选择有10?30个点。每个位置点布置三个装置作为重复，同时记录各点经纬度、海拔、、坡度坡向、裸岩盖度、植被覆盖度、砾石覆盖度、土层厚度、土壤分层、质地等地理位置信息，并对每个选点进行编号。
[0033]2、埋设装置。在以上确定的每个位点上埋设坡面流检测装置:为了避免埋设过程对土体的扰动，用土钻钻取与第一储水管3A、第二储水管3B直径相当的土孔，然后将第一储水管3A、第二储水管3B主管下端放入其中，装置有孔的一面管壁面向上坡，且保证PVC管(DN25)1放置方向与等高线平行，同时不断调整土孔深度，直至PVC管(DN25)1紧贴土面为止，最后塞紧第一管塞6A、第二管塞6B，并在每个埋设装置上挂上编有与该位置点对应的编号牌。
[0034]3、收集水样。自然降雨过程中，如有坡面产流，顺坡而下的上坡来水将被横向放置的带孔PVC管(DN25)1承接，水流通过细纱网7过滤后，顺着PVC管(DN25)1横向流入第一储水管3A、第二储水管3B。每次降雨过后两小时内，沿坡从下向上或从上向下顺次收集产流水，具体操作为:打开第一管塞6A、第二管塞6B，用注射器插入第一导水管5A、第二导水管5B外露端管口抽提储存水分,查看第一储水管3A、第二储水管3B中是否含有水,如有产流，则测量体积并采集水样，将产流情况和水样编号进行记录。同时收集该场次降雨的雨水样品。
[0035]4、测定水化学指标。在室内测定采集水样和雨水样的水化学指标跟常规离子浓度，EC、pH、T、DO采用便携多功能水质监测仪测定；HC0 —3、Cl —、Ca2+、Mg2+用滴定法测定；NO 一 3和SO2 + 4用TU-1810紫外可见分光光度计测定；K+和Na+用原子吸收法测定(一般情况下，每组除K+、Na+之外所有离子都在8h内测定完成);水样中的氢氧同位素含量采用液态水同位素分析仪测定，样品同位素值通过下式计算得出:
[0036]δ D ( δ 18O) %。= (Rsample / Rstandard — I) X 1000
[0037]其中，δ D和δ 18O分别为对应样品的氢和氧同位素值，Rsample和Rstandari分别为样品和国际通用标准物中元素的重轻同位素丰度之比(如180/160)。SD值的测试误差不超过1%。，δ 18O值的测试误差不超过0.2%0。
[0038]5、坡面产流位置判断。收集至少一年的降雨产流观测资料，按照降雨强度将产流数据进行分类，一般分为大、中、小强度降雨三种类型，其分别对应24h总降雨量>120、60?120、<60mm的降雨。首先，将收集到的产流信息按照坡位和异质性小生境类型进行汇总和电脑录入，在此基础上运用数理统计软件对每个选点上的径流水收集情况进行统计分析，得出某一坡位或异质性小生境的产流概率(P=产流次数/总监测降雨场次X100)。其次，结合室内水样的水化学指标分析，得出某一坡位或异质性小生境的各水化学指标的平均值。第三，将点尺度的产流概率和水化学指标等信息放入到整个实验坡面尺度进行比较，通过分析产流概率和水化学指标等在空间上的分异规律，结合雨水水化学指标，进而初步得出坡面超渗地表径流、饱和地表径流、直接径流、壤中流、回归流等坡面产流类型的发生位置；同时，分析点尺度的产流概率和水化学指标等信息随时间的变化特征，结合降雨强度、历时、降雨量等指标的分析，得出坡面某点上产流过程对降雨的响应规律，进而能得到坡面产流位置随时间的变化特征。在以上确定坡面产流位置时空变异的基础上，综合该地区历年气象水文资料，能够为坡面水资源的合理利用、土地利用合理布局、水土保持工程合理布点等提供科学依据(表I)。
[0039]表I
【权利要求】
1.一种检测喀斯特坡面产流位置的装置，它包括PVC管(I)、第一三通(2A)、第一储水管(3A)、第一管帽(4A)、第一导水管(5A)、第一管塞(6A)、第二管塞6B、细纱网7，其特征在于:将一根内部填充细纱网(7)、长25cm的PVC管(I)两端分别套入到第一三通(2A)支管、第二三通(2B)支管中，第一三通(2A)、第二三通(2B)主管平行；第一三通(2A)、第二三通(2B )主管两端分别套入第一储水管(3A)、第二储水管(3B )和第一管帽(4A)、第二管帽(4B)，第一储水管(3A)、第二储水管(3B)另一端密封，第一管帽(4A)、第二管帽(4B)孔中插入与其相同孔径的第一导水管(5A)、第二导水管(5B)，第一导水管(5A)、第二导水管(5B)插入端管口深入到第一储水管(3A)、第二储水管(3B)下端，第一导水管(5A)、第二导水管(5B)外露端管口塞入第一管塞(6A)、第二管塞(6B)。
2.根据权利要求1所述的一种检测喀斯特坡面产流位置的装置，其特征在于:所述的第一储水管(3A)、第二储水管(3B)密封端放于水平面上，在PVC管(I)管身的圆周四分之一圆周区域钻孔，四分之一圆周区域的上边界为经过PVC管(I)中心线的铅垂平面与PVC管Cl)的相交线，下边界经过PVC管(I)中心线的水平面与PVC管(I)的相交线。
3.根据权利要求1所述的一种检测喀斯特坡面产流位置的装置，其特征在于:所述的PVC管(I)内部填充细纱网(7)。
4.权利要求1所述的一种检测喀斯特坡面产流位置装置的方法，其步骤是: A、坡面选点:埋设装置前，先选取坡面上对称的两条典型样线，将其划分为坡顶、坡肩、背坡、坡脚、洼地坡位，然后进行现场选点:首先，根据每个坡位的坡长，将沿坡间距节点确定为安装点，喀斯特地区的异质性，喀斯特峰丛洼地沿坡设置间距为10至15m ;增加安装点数量保证所选安装点基本囊括土面、裸岩、石槽、石缝等典型异质性小生境类型，最终使得每个小生境类型下选择有 10-30个点，每个位置点布置三个装置作为重复，同时记录各点经纬度、海拔、、坡度坡向、裸岩盖度、植被覆盖度、砾石覆盖度、土层厚度、土壤分层、质地地理位置信息，对每个选点进行编号； B、埋设装置:在以上确定的每个位点上埋设坡面流检测装置，用土钻钻取与第一储水管(3Α)、第二储水管(3Β)直径相当的土孔，将第一储水管(3Α)、第二储水管(3Β)主管下端放入其中，装置有孔的一面管壁面向上坡，PVC管(I)放置方向与等高线平行，同时不断调整土孔深度，直至PVC管(I)紧贴土面，最后塞紧第一管塞(6Α)、第二管塞(6Β)，在每个埋设装置上挂上编有与该位置点对应的编号牌； C、收集水样:自然降雨过程中，顺坡而下的上坡来水将被横向放置的带孔PVC管(I)承接，水流通过细纱网(7)过滤后，顺着PVC管(I)横向流入第一储水管(3Α)、第二储水管(3Β)，每次降雨过后两小时内，沿坡从下向上或从上向下顺次收集产流水，操作为:打开第一管塞(6Α)、第二管塞(6Β)，用注射器插入第一导水管(5Α)、第二导水管(5Β)外露端管口抽提储存水分，查看第一储水管(3Α)、第二储水管(3Β)中产流情况，测量体积并采集水样，将产流和水样编号进行记录，同时收集该场次降雨的雨水样品； D、测定水化学指标:在室内测定采集水样和雨水样的水化学指标跟常规离子浓度，EC、pH、T、DO采用便携多功能水质监测仪测定；HC0 —3、Cl —、Ca2+、Mg2+用滴定法测定；N0 —3和S02 —4用TU-1810紫外可见分光光度计测定；K+和Na+用原子吸收法测定；水样中的氢氧同位素含量采用液态水同位素分析仪测定，样品同位素值通过下式计算得出:
δ? (δ180)%0 = (Rsample / Rstandard - D X 1000其中，SD和δ 18O分别为对应样品的氢和氧同位素值，Rsample和Rstandari分别为样品和国际通用标准物中元素的重轻同位素丰度之比，S D值的测试误差不超过1%。，δ 18O值的测试误差不超过0.2%0 ； Ε、坡面产流位置判断:收集至少一年的降雨产流观测资料，按照降雨强度将产流数据进行分类，分为大、中、小降雨三种类型，其分别对应24 h总降雨量>120、6(Tl20、〈60 mm的降雨，首先，将收集到的产流信息按照坡位和异质性小生境类型进行汇总和电脑录入，运用数理统计软件对每个选点上的径流水收集情况进行统计分析，得出某一坡位或异质性小生境的产流概率:P =产流次数/总监测降雨场次X 100 ;其次，结合室内水样的水化学指标分析，得出一坡位或异质性小生境的各水化学指标的平均值；第三，将点尺度的产流概率和水化学指标信息放入到整个实验坡面尺度进行比较，通过分析产流概率和水化学指标在空间上的分异规律，结合雨水水化学指标，得出坡面超渗地表径流、饱和地表径流、直接径流、壤中流、回归流坡面产流类型的发生位置；同时，分析点尺度的产流概率和水化学指标信息随时间的变化特征，结合降雨强度、历时、降雨量指标的分析，得出坡面产流位置随时间的变化特征，确定坡面产流位置时空变异，根据该地区历年气象水文资料，为坡面水资源的合理利用、土地利用合理布局、水土保持工`程合理布点等提供科学依据。
【文档编号】G09B25/06GK103594020SQ201310544156
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年11月6日 优先权日:2013年11月6日
【发明者】付智勇, 陈洪松, 王克林, 王发 申请人:中国科学院亚热带农业生态研究所