棄渣試驗(yàn)徑流小區(qū)設(shè)計(jì)

謝頌華，武 藝，王 農(nóng)

（江西省水土保持科學(xué)研究院，江西 南昌 330029）

在江西水土保持生態(tài)科技園內(nèi)建設(shè)棄渣試驗(yàn)小區(qū)的主要研究目的是以南方紅壤區(qū)不同成土母質(zhì)發(fā)育的土壤和主要生產(chǎn)建設(shè)棄土（渣）類型為對象，研究在生產(chǎn)建設(shè)實(shí)踐中必然產(chǎn)生的棄土 （渣）區(qū)域水土流失規(guī)律，探索生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)造成的“跡地”的快速恢復(fù)技術(shù)。

1 研究區(qū)概況

江西水土保持生態(tài)科技園位于江西省北部、鄱陽湖水系博陽河西岸的德安縣工業(yè)園區(qū)內(nèi)，地理位置介于東經(jīng) 115°42′38″～115°43′06″，北緯 29°16′37″～29°17′40″之間。地貌類型以構(gòu)造剝蝕低丘為主，海拔高度一般在 30～90 m 之間，坡度多在 5°～25°之間。 研究區(qū)地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均降雨量為1350.9 mm，最大年降雨量為 1807.7 mm，最小年降雨量為 865.6 mm，多年平均蒸發(fā)量為1558 mm。區(qū)內(nèi)多年平均氣溫16.7℃，極端最低氣溫-11.9℃，極端最高氣溫38℃，多年平均日照時(shí)數(shù)為1882.5 h，多年平均無霜期為249 d。年太陽輻射量達(dá)451.7 kj/cm2，穩(wěn)定通過10℃溫度保證率80%的積溫為 5176.4℃。

2 試驗(yàn)方法及小區(qū)布設(shè)

試驗(yàn)方法采用徑流小區(qū)法。根據(jù)江西開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目特點(diǎn)，共設(shè)置8種棄土棄渣類型（見表1）：花崗巖發(fā)育的紅壤、紅砂巖發(fā)育的紅壤、第四紀(jì)紅土發(fā)育的紅壤、紫色頁巖發(fā)育的紫色土、稀土尾礦、煤矸石、房渣土和電廠灰渣。徑流小區(qū)針對野外擾動(dòng)和棄土棄渣方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，修建24個(gè)10 m×5 m試驗(yàn)小區(qū)。

3 徑流小區(qū)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

本試驗(yàn)過程按照《水土保持監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》（SL277-2002）、《水土保持監(jiān)測設(shè)施通用技術(shù)條件》（SL342-2006）要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[1-3]

根據(jù)《水土保持監(jiān)測設(shè)施通用技術(shù)條件》（SL342-2006），徑流小區(qū)按50年一遇24 h降雨徑流量設(shè)計(jì)。

據(jù)江西省水文手冊，項(xiàng)目區(qū)50年一遇最大24 h降雨量 H24，2%＝229.05 mm。

（1）小區(qū)面積：本項(xiàng)目所涉及的徑流小區(qū)最大投影面積為 50 m2（5 m×10 m），

（2）工程設(shè)計(jì)：徑流小區(qū)主體包括小區(qū)護(hù)埂、集流槽、導(dǎo)流管、量水設(shè)備（集流桶和分流桶）等4個(gè)部分。集流槽、導(dǎo)流管、量水設(shè)備尺寸根據(jù)設(shè)計(jì)頻率暴雨坡面徑流量計(jì)算確定，則：

式中：H—徑流深，mm；

P—降雨量，mm；

k—徑流系數(shù)（裸露地徑流系數(shù)參考德安科技園4號徑流小區(qū)（裸地）2001～2009年的次降雨徑流系數(shù)確定為0.8；農(nóng)耕地徑流系數(shù)參考江西水土保持生態(tài)（德安）科技園8號徑流小區(qū)（柑橘間作農(nóng)作物）2001～2009年的次降雨徑流系數(shù)確定為 0.4）；

式中：W—徑流量，m3；

H—徑流深，m；

F—集水區(qū)面積，m2。

表1 棄土（渣）試驗(yàn)小區(qū)（規(guī)格10m×5m）布設(shè)情況表

圖1 徑流小區(qū)平面圖圖

圖2 圍梗立面設(shè)計(jì)圖

3.3 設(shè)計(jì)的規(guī)范要求[1]、[2]

3.3.1 圍埂

圍埂設(shè)置在徑流小區(qū)邊界上除下邊緣外的隔離設(shè)施。圍埂的建筑材料要求不滲水、不吸水的水泥板或金屬板。圍埂應(yīng)互相連（搭）接緊密，埋深牢靠，圍埂地表出露 10～20 cm，埋入地下 20～30 cm，上緣向小區(qū)外呈60°傾斜。

3.3.2 集流槽

集流槽設(shè)置在徑流小區(qū)坡面下緣，垂直于徑流流向，一般由混凝土或砌磚砂漿抹面制成，長度與徑流小區(qū)寬度一致，寬度（槽緣寬和槽身寬）20～30 cm，槽緣應(yīng)與小區(qū)坡底同高且水平，槽身由兩端向下中心傾斜，傾斜度以不產(chǎn)生泥沙沉積為準(zhǔn)，頂部加設(shè)蓋板。槽身表面光滑，應(yīng)不攔掛泥污。

3.3.3 導(dǎo)流管（槽）

導(dǎo)流管（槽）鑲嵌在集流槽下游邊緣（通常做成小區(qū)擋土墻）中部的最低處，以輸導(dǎo)收集的徑流和泥沙。導(dǎo)流管由鍍鋅鐵皮、金屬管或PVC管制成，長度一般為50～100 cm，上部開口與集流槽緊密連接，下部通向集流桶（池）或分流箱。

3.3.4 量水設(shè)備

（1）集流桶。集流桶用以收集導(dǎo)流管輸導(dǎo)下來的全部徑流量和泥沙?？捎煤穸取?.75 mm鍍鋅鐵皮或薄鋼板制成，也可用磚（石）砌成，底部裝有排泄閥門（或孔口），頂部加設(shè)蓋板。當(dāng)集流桶（池）容積有限時(shí)，可以多個(gè)聯(lián)用。

（2）分流桶。分流桶是在產(chǎn)流量大、集流桶容積有限時(shí)，或安置區(qū)狹小不能增多集流桶等情況下采用，可一級或多級分流。分流桶布置在集流桶前或兩個(gè)（或多個(gè)）集流桶之間。分流桶規(guī)格容積較小，可由鍍鋅鐵皮或薄鋼板制成圓柱體或長方體，并設(shè)若干分流孔，頂部加設(shè)蓋板。分流孔必須大小一致，排列均勻，并在同一水平面上。使用分流桶前，必須進(jìn)行校驗(yàn)求得分流系數(shù)。

3.4 設(shè)計(jì)內(nèi)容

徑流小區(qū)主體包括小區(qū)護(hù)埂、集流槽、引水管、量水設(shè)備（集流桶和分流桶）等4部分。

小區(qū)護(hù)埂采用磚砌結(jié)構(gòu)砂漿抹面，護(hù)埂寬0.12 m，基礎(chǔ)深0.45 m，高出地面0.30 m，基礎(chǔ)兩側(cè)的回填土要夯實(shí)。護(hù)埂頂部做成傾角45°的單面刃形斜坡，斜面朝外，防止護(hù)埂處的降雨因滴濺進(jìn)人小區(qū)內(nèi)部，影響觀測精度。

根據(jù)徑流小區(qū)的匯流特點(diǎn)或者試驗(yàn)要求，合理確定集流槽、引水管流量的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以及量水設(shè)備的容量。集流槽斷面為矩形，采用混凝土結(jié)構(gòu)，表面用M10的水泥砂漿抹面，中部通過引水管與分流、集流設(shè)備相連，槽底部設(shè)計(jì)為兩側(cè)向中間傾斜的形式，坡度為0.03，便于水流向引水口集中和減少泥沙淤積。集流槽中的水位應(yīng)低于頂部5～8 cm，防止水流外溢和滴濺。為防止外部水流進(jìn)入集流槽內(nèi)，影響觀測結(jié)果，集流槽頂部應(yīng)當(dāng)采取遮蓋措施，遮蓋可采取塑料板進(jìn)行遮蓋。

分流桶、集流桶采用2 mm鍍鋅鐵板焊接而成，頂部加蓋、加鎖，分流桶的分流孔采用鋼管焊接在分流桶外壁，選擇中間一孔將分流水量引入下一分流桶或集流桶中。分流桶、集流桶底部連接鋼管安裝閥門，并作為排水孔。

3.5 集流槽和導(dǎo)流管的設(shè)計(jì)

3.5.1 洪峰流量

小區(qū)50年一遇24 h降雨徑流量W：

徑流小區(qū)的洪峰流量采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

3.5.2 集流槽和引水管橫斷面設(shè)計(jì)

式中，V為流速；R為水力半徑；J為比降。

設(shè)：集流槽橫斷面為矩形，底寬 0.20 m，深 0.15 m，比降 0.03。

導(dǎo)流管選用 Φ100 mmPPR管，安裝比降取 0.05；則，R＝0.025，n 取0.013。

3.6 量水設(shè)備設(shè)計(jì)

徑流觀測方法采用體積法。由于徑流量大，量水設(shè)備采用集流桶和分流桶。利用分水設(shè)備將實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)全部徑流加以分割，只取其小部分通過量水設(shè)備，最后按分水比例還原計(jì)算，以避免過大的量水設(shè)備。采用7孔分流法，分流孔用50 mm分流管。設(shè)計(jì)公式：

式中：r—分流桶半徑（m）；

R—集流桶半徑（m）；

h分1—1級分流桶分流孔孔底高度（m）；

h分2—2級分流桶分流孔孔底高度（m）；

h—集流桶進(jìn)水孔孔底高度（m）；

W設(shè)—總量水體積（m3）。

設(shè)計(jì)分流孔孔底高度0.6 m，集流桶進(jìn)水孔孔底高度0.6 m，分流桶及集流桶直徑均為0.8 m，其核算結(jié)果見表2。

表2 量水設(shè)備核算結(jié)果表m

W設(shè)〉W2%，集流桶、分流桶尺寸符合設(shè)計(jì)要求。

考慮到制作誤差因素，使用中，首先必須對各桶逐一進(jìn)行量測，而后，根據(jù)實(shí)際尺寸，對觀測成果進(jìn)行計(jì)算，詳見圖3。

圖3 集流槽、導(dǎo)流管和量水設(shè)備立面圖

4 結(jié)束語

徑流小區(qū)試驗(yàn)最初由美國密蘇里農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站的M.F密爾洛及其同事于1917年創(chuàng)建，目前國內(nèi)外應(yīng)用已相當(dāng)普遍，它是水土保持觀測試驗(yàn)的重要方法之一，是測驗(yàn)徑流、泥沙的主要手段。但是，對于徑流小區(qū)的設(shè)計(jì)，在相關(guān)的國家和行業(yè)規(guī)范中只有要求，并沒有詳細(xì)的設(shè)計(jì)，因此，筆者以江西水土保持生態(tài)科技園的棄渣試驗(yàn)小區(qū)為例，對徑流小區(qū)的主體內(nèi)容進(jìn)行了設(shè)計(jì)，以供廣大水土保持研究人員及工作者參考。

[1］SL342-2006，水土保持監(jiān)測設(shè)施通用技術(shù)條件[S］.

[2］SL419-2007，水土保持試驗(yàn)規(guī)程[S］.

[3］江西省水文局.江西省水文手冊[R］.1973.