一套泥炭沼泽的储水量时空变化与水量平衡监测方法与流程

本发明涉及环境工程、高原湿地、泥炭沼泽的野外测量技术领域。

背景技术：

泥炭沼泽是重要的“蓄水池”，其中蕴藏的水资源是湿地上动植物赖以生存的最关键要素，同时也是周围河流主要的水源补给。对于小流域尺度的泥炭沼泽中究竟蕴含了多少水量，这一直是湿地科学上热门的问题，却目前为止并未有一个让大多数学者认同的答案，这其中的主要原因有以下几个：

1、泥炭沼泽空间分布不连续，厚度变化没有明显规律。通常的厚度为1-3m，但是据调查，有的地方却可以达到10m以上。因此，若是在一片流域上测量泥炭沼泽的厚度，一定要去实地测量，至少也要保证达到中小流域的尺度。

2、泥炭沼泽的储水量并不完全取决于泥炭厚度，还受到泥炭层的物理性质、地下水位的高低及其变化的直接影响，主要表现为三维空间的变化及其复杂，所以在测量时一定要保证对角度、长时期、大面积，以确定数据具有一般性，而这就需要投入大量的人力、物力，若是运用良好的观测手段将可以获得大量且宝贵的泥炭沼泽的第一手数据。

3、有的泥炭沼泽上面有人类活动的痕迹，具体来说就是存在人工沟渠，对该片泥炭沼泽进行了排水疏干，这一类的扰动对泥炭沼泽的储水量影响极大，无论是时间上还是空间上，所以如何区分同一片泥炭沼泽上的人工沟渠与自然沟壑对该片泥炭沼泽的影响也是一个难题。

目前的技术手段与监测方法都是以各种公司生产的成品工具进行单一要素的测量，没有系统性地对一个小流域尺度的泥炭沼泽进行多水文要素的长期监测，如单一对河流进行水量检测，单一对雨量进行观测，单一获得地形、地质条件等。若是可以系统地掌握野外地区小流域尺度的泥炭沼泽在“一个水文年内降雨期和非降雨期”内的泥炭层中各种水文过程和储水量的时空变化及水量平衡，对于认识泥炭沼泽的储水机理与萎缩机制将具有十分重要的科学意义。所以对泥炭沼泽的储水量时空变化与水量平衡进行野外监测(尤其是自然条件恶劣、人迹罕至的三江源地区)，并发明与之相适应且系统的监测方法就更为重要，这也是解决泥炭沼泽的地下水相关问题的最基础的一步。

技术实现要素：

本发明要解决的问题是：

1、泥炭层厚度探测点、地下水头观测点、成组地下水变化趋势线观测点、自记水位计布置点、渗透点，共5种点位的布点。

2、观测点选定之后的仪器选择、工具制作、仪器架设、测量、数据分析。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

1、在遥感影像上初步选择几个代表性的泥炭沼泽区域，这些区域之间应有基本的交通条件，然后前往实地进行进一步的考察选择，最后确定一个较封闭的泥炭沼泽区域(以下简称a区)。

2、在a区上先进行地形测量，使用的仪器有差分gps、全站仪、无人机地形扫描组件。获得地形图后先分析河道、沟壑的走向，再选择观测点。

3、在a区上选择泥炭层厚度探测点，并进行钻探。泥炭层厚度探测点需要以均匀分布为前提，特殊地形要多设置探测点(如山脚、已漏出粘土层的沟壑、无植被处)，最后使用自制的工具与土壤取样器对a区的泥炭层进行钻探(至少要打穿泥炭层)，确定a区的泥炭层厚度。

4、在a区上进行地下水头观测点的选择与仪器布置工作。地下水头观测点需要以泥炭层厚度分布情况为依据进行选点，在变化均匀的位置处，布点可以相隔较远，在变化剧烈的位置处则要进行多处布点，在沟壑、河道旁要采取单排密集布点(沟壑、河流旁的地下水头下降较多，有时需采用不同深度的测量管)。对于地下水头的获取，若要进行长周期的测量，需要在核心位置布置自记水位计，核心位置通常为地面有渗水处、有沟壑形成迹象处、下游河道出口处、a区正中心。

5、在a区上进行渗透点的选择与仪器布置工作。渗透点布置的仪器为自行制作的、可控制长度的渗透管，渗透管的长度依赖于地下水头的高度。如果地下水头高，则渗透管较短，反之则更长。渗透点的布置遵循均匀布置的原则，特殊地点可以增加渗透管。由于渗透过程十分缓慢，测量的时间间隔在两小时以上较好。

6、在a区上架设自记雨量计监测降雨量，蒸发蒸腾仪监测地表的蒸散量。

本套泥炭沼泽的储水量时空变化与水量平衡监测方法的具体要求如下，它至少包括一种小流域尺度上的泥炭沼泽区域确定方法、一种地形测量方法、一种地下水头监测方法、一种渗透率监测方法。监测方法实施步骤为：①确定具有代表性的泥炭沼泽的位置。②获得该处泥炭沼泽的地形图。③泥炭层厚度及其分布的钻探测量。④地下水头观测点的布置与测量。⑤渗透点的布置与测量。⑥雨量、蒸发量相关仪器的布置。

对于地形的获取，一定要去实地进行测量，光是靠遥感影像的精度是不够的，测量方式可自行选择，使用无人机航测或者是差分gps都可以，高程精度保证在0.5m以内。泥炭层的钻探主要依赖于人工或自动冲压钻，深度的测量须准确，可以用到的相关仪器有土壤取样器。地下水头观测点的监测需少量布置自记水位计，主要工具是自行制作的以钢管为主体、边上带有等间距孔洞的水头管。渗透点的主要观测工具为自行制作，以钢管为主体、一端塞住并有4排孔洞的渗透管。雨量计与蒸发蒸腾仪可以自行选择。

本发明具有如下优点：通过2-3次野外实地的勘测，对代表性小流域的泥炭沼泽至少需要测量得到地形、泥炭层厚度、地下水头、渗透率4个部分的多个降雨期和非降雨期的测量数据，才能获得泥炭沼泽的储水量时空变化与水量平衡相关数据。本方法中只用到了极少量的自动仪器(这类仪器通常价格昂贵，且对抗极端天气效果差)，大量使用的水头管、渗透管都是在附近的县、乡、镇获得，其所需要的加工手段在一般的五金店即可完成，成本低，制作周期短。整个区域的选点方法科学合理且工作量小，测量人员至多5人便可完成对该片泥炭沼泽的地形扫描、泥炭厚度测量、地下水头测量、渗透率测量等工作。

附图说明

图1是本发明的小流域尺度泥炭沼泽的位置示意图。

图2是本发明的泥炭沼泽点位布置示意图(各类观测点分布图)。

图3是本发明的成组地下水变化趋势线观测点示意图。

附图标记说明：1-泥炭层厚度探测点，2-地下水头观测点，3-成组地下水变化趋势线观测点，4-自记水位计布置点，5-渗透点。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步的详细说明。

本发明监测的主要对象是地下水，主要包括1-泥炭层厚度探测点，2-地下水头观测点，3-成组地下水变化趋势线观测点，4-自记水位计布置点，5-渗透点，共5种点位。

泥炭沼泽位置的选取应首先如图1所示，先在大尺度的遥感影像上选取，然后逐步细分筛选，最后确定几处相隔较近的泥炭沼泽地(最远距离不能超过半天车程)，此时到实地进行进一步的考察，最终便可以确定所需观测的泥炭沼泽。该片小流域尺度上的泥炭沼泽(以下简称沼泽a)需要有较强的代表性，可以很好的体现周围地区的地下水规律，这就要求选取三面封闭，一面出流的半封闭流域。

确定泥炭沼泽区域后开始进行地形扫描，这一步可以使用多种工具，如差分gps、无人机、全站仪等。地形数据获得之后可以采用相对应的后处理软件(如arcgis、envi等)制作出沼泽a的三维地形图，然后开始对5种点位依次进行分布探讨，步骤如下：

①泥炭层厚度探测点的布设。泥炭厚度在沼泽a流域内的分布并不均匀，首先考虑的是沟壑、河道处的泥炭层状况，布点时通常较密；其次为山脚衔接处，这是因为可能存在滑坡，使该处的泥炭层变化无规律；最后便是沼泽a上的普通地形，可以进行较稀疏但等间隔的探测点分布。

②地下水头观测点的分布。在获得了沼泽a的泥炭厚度分布之后，通过水头观测点所使用的自行制作的水头管的长度便可以确定。水头观测点应以泥炭层厚度探测点的分布为基础，进一步加密各点之间的联系。与泥炭层厚度探测点布设一样，特殊地形需要特殊处理，山脚处要沿山脚线布点；沟壑、河道要沿程布点；地表渗水处则可以跳过，无需布点。点位确定之后便可以打入自制的水头管。

③成组地下水变化趋势线观测点的布设。在沟壑、河道旁除了沿程布置的下水头观测点，还需要垂直于沟壑、河道进行竖直排列的成组地下水变化趋势线观测点的布置。如图3所示，1组有5对(ap1与a1是一对，依次类推)水头管，在一条直线上，该直线垂直于沟壑、河道。在泥炭沼泽中，因沟壑、河道的存在会使附近的地下水头迅速下降，在沟壑中形成小水流或者是直接进入河道中，因此必须垂直河道进行成组地下水变化趋势线观测点的布置，才能获得准确的地下水头趋势线。

④自记水位计的布设。以上3个点位布置完后，沼泽a的大致区域划分也就完成了，此时对每一个区域中心布置一个自记水位计(可以使用各类公司的产品，满足观测条件即可)，然后需对每一个沟壑、河道汇入处布置一个，最后在流域的出口处布置一个即可。自记水位计通常价格昂贵，且易丢失，因此需谨慎布置。

⑤渗透点的分布。渗透管的长度只有在水头管测量中获得了地下水头分布情况之后才能确定。渗透点是布置最多的点，采用的是自行制作的渗透管，且通过大量的野外实地测验，得出了每200m²布置一根渗透管即可获得足够精度的地下水空间分布。点位确定之后便可以打入自制的渗透管。

⑥自记雨量计与蒸发蒸腾仪的布置。至少需要布置4个点，形成正方形，且要结合该地区主要风向，正方形对角线为主要风向所在直线。

以上步骤中，步骤①至步骤⑤的顺序不能颠倒，因为后一步都需要前一步的数据支持，步骤⑥可以自行调整，各类点位布置好之后就可以进行相关的测量。

在沼泽a的出口处按照步骤④布置完自记水位计之后，还需要对此处河道断面进行测量，以此建立一个野外观测流量站点。先使用流速仪测量该段面的平均流速，再用地下水自记水位计测量段面某处的点水深，结合过水断面积分，得出流量-水深的关系式。之后便可根据在该处安装的自记水位计连续测量得到的主河道中的水深，利用已得到的流量-水深的关系式，计算流域出口相应的径流量。

当然，以上只是本发明的具体应用范例，本发明还有其他的实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求的保护范围之内。