一种野外坡地地表径流和分层壤中流收集监测装置的制作方法

本发明涉及一种监测系统平台，属于水土保持领域，具体为一种野外坡地地表径流和分层壤中流收集监测装置。

背景技术：

径流是大气降水形成的，并通过流域内不同路径进入河流、湖泊或海洋的水流。径流按形成及流经路径可分为壤中流、壤中流和地下水流。其中传统水土保持工作中，注重地表径流的收集，用于监测水土流失状况。但缺乏对壤中流的收集，尤其是分层壤中流的收集。降雨形成的下渗水流在土壤层次不连续界面上受阻积蓄，形成暂时饱和带，形成壤中流。在土壤有分层结构，且下层土壤的下渗能力小于上层土壤时，下渗水流在界面上受阻积蓄，形成饱和带和侧向水力坡度，容易产生分层壤中流。壤中流是一种多孔介质中的水流运动。壤中流不仅是水土流失中径流损失重要组成部分，而且污染物输移的重要载体。因此，野外自然坡地地表径流和壤中流收集监测装置对于地表径流和壤中流研究具有重要意义。

过去的地表径流和壤中流汇集装置存在以下缺陷，1.传统装置注重地表径流监测忽略壤中流监测；2.现在地表径流和壤中流监测装置，建有围埂，但是没有建立底板，没有形成密闭环境，导致装置内外壤中流混合，壤中流有误差；3.现在地表径流和壤中流监测装置没有考虑土体发育层和壤中流分层出流；4.现有地表径流和壤中流装置未考虑分层壤中流过滤汇集装置，导致壤中流出流慢，并且容易导致土体水位上升，形成过饱和层；5.现有装置围埂宽且平顶，增加围埂上雨水进入装置内，增加误差；6.现有壤中流收集装置，无法收集到全部壤中流，增加测量误差；

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种野外坡地地表径流和分层壤中流收集监测装置，该收集监测装置无需大的集流池即可采集大的地表径流和壤中流。

本发明采用的技术方案如下：一种野外坡地地表径流和分层壤中流收集监测装置，主要包括地表径流汇集装置、分层壤中流汇集装置、地表径流收集装置、分层壤中流收集装置、壤中流自动排水装置，其特征在于：地表径流汇集装置和分层壤中流汇集装置分别连接地表径流收集装置、壤中流收集装置，壤中流收集装置安装有壤中流自动排水装置。

进一步的，所述地表径流汇集装置是地表径流集流槽，地表集流槽内底部贴光面瓷砖或涂刷光滑涂料，确保底部光滑，地表径流集流槽底部中设置两边高中间凹的结构，坡比为百分之三，在地表径流集流槽内底部中间的最低点设置了汇流口，确保地表径流集流槽内带泥沙的地表径流全部从汇流口流出。

进一步的，所述分层壤中流汇集装置根据土壤发育层的差异将土体中壤中流分为0-30cm深，30-60cm深，60-150cm深，以及150-300cm深；

其中0-30cm深的汇集装置为不锈钢长方体，高度为10cm，底边宽度20cm，长度与装置内空或小区宽度一致，底部位于土体地面下30cm深处；在汇集装置的顶面和对着土壤面设置了大小均匀的若干2mm孔径的导孔，在汇集装置空心内部装有粗砂，用于汇集0-30cm壤中流；

其中30-60cm深的汇集装置高度为30cm，底边宽度20cm的不锈钢长方体,长度与装置内空或小区宽度一致；在汇集装置的对着土壤面设置了大小均匀的若干2mm口径的导孔，在导流装置空心内部设置了2层过滤层，靠土壤的一面填充粗砂，靠挡土墙的一面填充砾石，两层之间有带有2mm导孔的不锈钢隔板；

其中60-150cm深的汇集装置，高度为90cm，底边宽度20cm，长度与装置内空或小区宽度一致；在汇集装置的对着土壤面设置了大小均匀的若干2mm口径的导孔，在导流装置空心内部设置了2层过滤层，靠土壤的一面填充粗砂，靠挡土墙的一面填充砾石，两层之间有带有2mm导孔的不锈钢隔板；

其中150-300cm深的导流层为一层厚度5cm的反滤层，反滤层由一层过滤网和一层粗砂层组成，粗砂层4.7cm粗砂铺设在地板上，坡度与地板坡度一致，上面再铺设0.3cm的不腐烂的无纺布过滤网。

进一步的，所述不同深度的导流装置与混凝土隔板无逢链接；所述0-30cm深的汇集装置、30-60cm深的汇集装置、60-150cm深的汇集装置分别设置在型的一次成型的混凝土隔板上，该隔板水平部分与导流装置等宽，装置内空或小区宽度一致，倾斜部分与地表土体坡度一致，倾斜部分宽30cm，倾斜部分是插入土体的，即倾斜部分向上全部为土体层；150-300cm深的导流层底部就是装置底板，该地板为混凝土浇筑，上面设置一层反滤层，其有混凝土隔板将底部壤中流与装置内外土体隔开来分割上下壤中流。

进一步的，所述地表径流收集装置由导流管、径流桶组成；导流管包括地表径流集水槽和径流桶间的导流管，径流桶间的导流管；径流桶分为径流桶a、径流桶b、径流桶c，径流桶a、径流桶b、径流桶c纵向并排设置，径流桶a的底座高于径流桶b，径流桶b底座高于径流桶c。

进一步的，所述地表径流集水槽和径流桶间的导流管，从地表径流集流槽到径流桶a由圆形导流管连接，导流管一端连接地表径流集流槽，另外一端连接径流桶a。

所述地表径流集流桶桶间的导流管，径流桶a与径流桶b由圆形导流管连接，一端连接径流桶a的中间位置的倒三角形出流口，并且包住整个倒三角形分流口，无缝焊接好，另外一端直接通过圆孔连接径流桶b；径流桶b、径流桶c的导流管连接与径流桶a、径流桶b间连接一致。

进一步的，所述地表径流集流桶为不锈钢制成的圆桶，径流桶a、径流桶b分别设有圆形进水口和倒三角形分流口，径流桶c只有圆形进水口；

径流桶a在高度80cm位置设有圆形进水口，在径流桶a的60cm高的位置、进水口正对面，等间距设置5个或7个大小完全一致的倒三角形分流口；

径流桶b在高度80cm位置设有圆形进水口，在径流桶a的60cm高的位置、进水口正对面，等间距设置5个或7个大小完全一致的倒三角形分流口，其分流口的个数和大小与径流桶a相同，均为边长为10cm的等边三角形；

径流桶c只有进水口；

三个径流桶摆放的台面依次相差20cm高度；所有径流桶均设有圆形遮雨桶盖，径流桶桶底均有带铜阀的圆形放水口。

进一步的，所述壤中流收集装置包括壤中流导流管和壤中流集流池；壤中流导流管一端连接相应土层的壤中流汇集装置，另外一端与壤中流集流池相连；所述壤中流集流池是采用混凝土制成的0.64m³左右的立方池结构，内壁经过防渗涂料处理，四面内壁光滑、垂直，底面光滑平整；壤中流集流池下方底端位置设置了排水口，排水口上设有阀门，阀门对准排水沟。

进一步的，所述壤中流自动排水装置主要由水位监测探头、自动控制器、阀门执行器、开关电源、蓄电池组成；水位监测探头安装在壤中流集流池距离池顶20cm位置，水位监测探头连接自动控制器，自动控制器连接另外三端，第一端自动控制器和电源连接，第二端自动控制器和蓄电池连接；第三端自动控制器和阀门执行器连接。

进一步的，所述自动控制器接收水位监测探头传输的水位数据，一旦自动控制器采集到水位监测数据，就会发送指令到阀门执行器，打开阀门开关放水，水位下降到阈值后就关闭阀门。

本发明的有益效果是：将地表径流、不同层次壤中流分开导出，不仅仅能够无误差的汇集和导出地表径流，同时能够解决原来无法准确导出壤中流的困难，且准确汇集各层的壤中流；地表径流收集装置采用二级分流，可以收集到是水池体积几十倍的地表径流，通过水池内水位定量监测地表径流；分层壤中流收集装置通过水池收集排水装置可以不断收集和定量排放壤中流来监测壤中流。

附图说明

图1为本发明的系统图。

图2为本发明的地下分层壤中流汇集装置的结构示意图。

图3为本发明的地表径流集流槽的截面图一。

图4为本发明的地表径流收集装置结构示意图。

图5为本发明的壤中流收集装置结构示意图。

图6为本发明的壤中流自动排水装置示意图一。

图7为本发明的壤中流自动排水装置示意图二。

在图中，地表径流汇集装置为01、地表径流收集装置为02、壤中流汇集装置为03、壤中流收集装置04、壤中流自动排水装置为05，挡土墙为6、径流小区7、汇流口为8，导流管为9，0-30cm深的汇集装置为10，30-60cm深的汇集装置为11，60-150cm深的汇集装置为12，150-300cm深的导流层为13，汇集装置的顶面为14，汇集装置的土壤面为15，导孔为16，粗砂层为17，砾石层18，不锈钢隔板为19，反滤层为20，混凝土隔板为21；径流桶a为22、径流桶b为23、径流桶c为24，进水口为25，分流口为26，桶盖27，壤中流导流管为28、壤中流集流池为29，水位监测探头30、自动控制器31、阀门执行器32、开关电源33、蓄电池34，阀门35，底板36。

具体实施方式

如图1-7所示，本发明采用如下技术方案：一种野外坡地地表径流和分层壤中流收集监测装置，主要包括地表径流汇集装置01、地表径流收集装置02、壤中流汇集装置03、壤中流收集装置04、壤中流自动排水装置05，其特征在于：地表径流汇集装置01和壤中流汇集装置02分别连接地表径流收集装置03、壤中流收集装置04，壤中流收集装置04连接壤中流自动排水装置05。

进一步的，所述地表径流汇集装置01是地表径流集流槽(详见附图4，其中附图4中的集流槽设有盖板)。地表径流集流槽内底部贴光面瓷砖或涂刷光滑涂料，确保底部光滑，地表径流集流槽底部中设置两边高中间凹的结构，坡比为百分之三，在地表径流集流槽内底部中间的最低点设置了汇流口8，确保集流槽内带泥沙的地表径流全部从汇流口8流出，地表径流集流槽设置在径流小区7和挡土墙6之间。

所述分层壤中流汇集装置03根据土壤发育层的差异将土体中壤中流分为0-30cm深，30-60cm深，60-150cm深，以及150-300cm深；其中0-30cm深的壤中流汇集装置10为不锈钢长方体，高度为10cm，底边宽度20cm，长度与装置内空或小区宽度一致，底部位于土体地面下30cm深处；在汇集装置的顶面14和对着汇集装置的土壤面15设置了大小均一的若干2mm孔径的导孔16，在汇集装置空心内部装有粗砂，用于汇集0-30cm壤中流；其中30-60cm深的汇集装置11高度为30cm，底边宽度20cm的不锈钢长方体,60-150cm深的汇集装置12，高度为90cm，底边宽度20cm，长度与装置内空或小区宽度一致；在汇集装置的对着土壤面15设置了大小均一的若干2mm口径的导孔16，在导流装置空心内部设置了2层过滤层，靠土壤的一面填充粗砂17，靠挡土墙的一面填充砾石18，两层之间有带有2mm导孔的不锈钢隔板19；其中150-300cm深的导流层13为一层厚度5cm的反滤层20，反滤层20由一层过滤网和一层粗砂层组成，粗砂层4.7cm粗砂铺设在底板36上，坡度与底板36坡度一致，上面再铺设0.3cm的不腐烂的无纺布过滤网。

进一步的，不同深度的导流装置与混凝土隔板为21无逢链接；所述0-30cm、30-60cm、60-150cm的三个导流装置分别设置在型的一次成型的混凝土隔板21上，该混凝土隔板21水平部分与导流装置等宽(20cm)，装置内空或小区宽度一致，倾斜部分与地表土体坡度一致，倾斜部分宽30cm，倾斜部分是插入土体的，即倾斜部分向上全部为土体层；150-300cm深的导流层13底部就是装置底板36，该地板为混凝土浇筑，上面设置一层反滤层，其有混凝土隔板21将底部壤中流与装置内外土体隔开来分割上下壤中流。

进一步的，所述地表径流收集装置02由导流管9、径流桶a(22)径流桶b(23)、径流桶c(24)组成；导流管9包括地表径流集水槽和径流桶间的导流管9，径流桶间的导流管9；径流桶分为径流桶a(22)径流桶b(23)、径流桶c(24)，径流桶a、径流桶b、径流桶c纵向并排设置，径流桶a的底座高于径流桶b，径流桶b底座高于径流桶c。

所述地表径流集水槽和径流桶间的导流管9，其特征在于从地表径流集流槽到径流桶a(22)由圆形导流管连接，导流管9一端连接地表径流集流槽，另外一端连接径流桶a(22)。

所述地表径流集流桶桶间的导流管9，其特征在于径流桶a与径流桶b由圆形导流管连接，一端连接径流桶a的中间位置的倒三角形出流口26，并且包住整个倒三角形分流口26，并且无缝焊接好，另外一端直接通过圆孔连接径流桶b；径流桶b、径流桶c的导流管9连接与径流桶a、径流桶b间连接一致。

所述地表径流集流桶，其特征在于不锈钢制成的圆桶，径流桶a、径流桶b不仅包括圆形进水口25，而且包括倒三角形分流口26，径流桶c只有圆形进水口25。圆形进水口为50mm口径。径流桶a在高度80cm位置设有圆形进水口25，在径流桶a的60cm高的位置、进水口25正对面，等间距设置5个或7个大小完全一致的倒三角形分流口26；径流桶b在高度80cm位置设有圆形进水口25，在径流桶a的60cm高的位置、进水口正对面，等间距设置5个或7个大小完全一致的倒三角形分流口，其分流口的个数和大小与径流桶a相同，均为边长为10cm的等边三角形；径流桶桶c只有进水口。三个径流桶摆放的台面依次相差20cm高度。所有径流桶均设有圆形遮雨桶盖27。

所述径流桶是不锈钢制成的圆桶，圆桶上设有桶盖27；圆桶不渗水，底面光滑平整，径流桶底面光滑平整有利于容量的标定；桶盖防止了降雨进入桶中，对地表径流产生误差；所述径流桶内放有10mm的底水，径流桶底面可能不平整，加入底水，水面是平整的，减小测量误差。

本发明对地表径流的具体计算公式：

s＝a+k(b+kc)

s--总流量；

a、b、c--径流桶a、b、c内的水体积；

k--分流口的数量。

va、vb、vc为径流桶a、b、c的最大储水容积。最后通过地表径流收集装置所能收集到的最大水量为径流桶a、b、c的最大容积的倍，节省了所需集流桶的体积。

进一步的，所述壤中流收集装置04包括壤中流导流管28和壤中流集流池29。壤中流导流管28一端连接相应土层的壤中流汇集装置，另外一端与壤中流集流池29相连；所述壤中流集流池29是采用混凝土制成的0.64m³左右的立方池结构，内壁经过防渗涂料处理，底面光滑平整。壤中流集流池下方底端位置设置了排水口，排水口上设有阀门35，阀门35对准排水沟。

进一步的，所述壤中流自动排水装置主要由水位监测探头30、自动控制器31、阀门执行器32、开关电源33、蓄电池34组成；其特征在于：水位监测探头30安装在壤中流集流池29距离池顶20cm位置，水位监测探头30连接自动控制器31，自动控制器连接另外三端，第一端自动控制器和电源33连接，第二端自动控制器和蓄电池34连接；第三端自动控制器和阀门执行器32连接。自动控制器接收水位监测探头传输的水位数据，一旦自动控制器采集到水位监测数据，就会发送指令到阀门执行器，打开阀门开关放水，水位下降到阈值后就关闭阀门35。

具体的，一般在集流池上部位置距离池底20cm高度位置安装水位监测探头，水位监测探头负责监测水位，当水位到达该位置后，水位监测探头发出到达预定水位的信号给自动控制器，水位监测探头型号为丰功sw-gz；自动控制器是整个系统的控制核心，型号为丰功kz-10，接收各类信号、进行各种逻辑判断并发出各种控制指令。自动控制器收到水位监测探头发出的到达预定水位信号后，给阀门执行器(受自动控制器控制进行阀门的开关，又具备机械手动开关功能。)发出开启指令，同时延迟一定的时长后给阀门执行器发出关闭指令；阀门执行器用于开启或关闭球阀，型号为丰功fm-1s,电磁阀的结构不适合本环境，故选择球阀加阀门执行器来实现排水或蓄水，球阀型号为dn50；开关电源为本系统提供供电，实现交流220v转换为直流24v。开关电源具有充电控制器，型号为科瑞drc-100b，铝蓄电池型号为奥驰24v-10ah，具有多种电源，保障电源稳定。自动控制器具备触摸屏，与水位监测探头相连，接收水位数据，控制阀门执行器开关，可进行水位阈值调控，人工控制阀门开关。可在触摸屏上直接操作控制阀门执行器进行开启或关闭。

自动排水装置的功能:1.实现各蓄水池中水位到达一定高度后，具体高度现场确定，自动开启各自的排水球阀，并保持一定开启时长进行排水，至水位为2cm时自动关闭排水球阀。2.实现人工操作，单独控制各排水球阀的开启或关闭,以供试验所需。

其中壤中流的计算：由于具有自动排水阀，所以壤中流能够完整收集并能得到水位数据。

各层壤中流流量计算：

q＝[(w测-w底)+k×(w排-w底)]×s

q——壤中流流量；

w测——最后的检测水位；

w排——设计的排水水位；

w底——设定好的底水位，为2cm；

k——排水次数；

s——径流池底面积。