蒙山森林生態(tài)站徑流小區(qū)設計分析

劉昱恒

徑流小區(qū)是坡面水蝕、徑流和泥沙測驗的重要手段，是森林生態(tài)站水土保持觀測和試驗的重要組成部分。徑流小區(qū)的分類和面積大小不一，但規(guī)劃布設及觀測設施、方法、內容基本一致。在我國徑流區(qū)域分為小區(qū)和大區(qū)，小區(qū)面積100m2，大區(qū)多在500～2000m2之間。與徑流小區(qū)設計相關的規(guī)范大多明確了徑流小區(qū)主體部分設計要求，但具體設計細節(jié)闡述并不明確。實際設計工作中常因為忽略了設計細節(jié)對實驗結果的影響，導致試驗結果與實際差異較大。

蒙山森林生態(tài)站位于蒙山國家森林公園內，生態(tài)站建設包括：森林氣象、水文、土壤、水保觀測設施等。以蒙山區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)為對象，通過長期、全面的監(jiān)測，重點揭示森林生態(tài)系統(tǒng)的組成、結構與氣候環(huán)境之間的關系，為國家提供本區(qū)域資源、環(huán)境及有關的社會經濟數(shù)據(jù)庫，解決區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設基礎理論與應用技術難題，為森林生態(tài)系統(tǒng)結構與功能研究提供良好的野外研究平臺。徑流小區(qū)是森林生態(tài)站的重要組成部分，是對森林坡地降雨、徑流及沖刷過程、泥沙和水土流失進行定量研究的測驗設施。

1 徑流小區(qū)前期設計原則

徑流小區(qū)設置前，應收集相關基本資料，如地質、地貌、土壤、植被、水文等自然條件，以及小區(qū)局地植被、降雨、徑流、水土流失類型、水保措施和分布等。實地選址時，應滿足以下原則和要求：

1）代表性：場地應選擇在地形、坡向、土壤、植被等條件有代表性地段上，最好是自然坡面上。同時考慮剖面結構、土層厚土、土壤理化特征等，能代表所選典型區(qū)域內的自然條件。

2）自然性：坡面盡可能處于自然狀態(tài)，不能有土坑、道路、墳墓、土堆等人類痕跡影響徑流流動。

3）均一性：各徑流場的坡面、土壤、植被應均勻一致，不可在原溝道內填平建設小區(qū)，擬建小區(qū)坡上和坡底涂層厚度也不應相差太大。

4）重復性和可比性：不同措施的小區(qū)要有重復試驗和對比試驗，各項措施應與本區(qū)域的水土流失防治的耕作措施、工程措施、植被措施匹配。

5）便于管理：小區(qū)選址應考慮交通便利并與生態(tài)站總體建設適應，便于與其他監(jiān)測項目的結合。并要考慮今后監(jiān)測運行期方便監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸、管理和監(jiān)測持續(xù)性。

2 徑流小區(qū)設計

根據(jù)規(guī)范要求，蒙陰森林生態(tài)站徑流小區(qū)設計為標準徑流小區(qū)，設計標準為50年一遇、24h降雨徑流量。小區(qū)最大投影面積為100m2（5m×20m），主體包括小區(qū)護埂、集流槽、引水管、量水設備（集流桶）。小區(qū)四周5m范圍設置為保護帶。集流槽、引水、集流桶尺寸根據(jù)頻率暴雨坡面徑流量計算并結合實際確定。

徑流小區(qū)通常設計為矩形，對其長寬比例沒有嚴格規(guī)定，但一般認為寬短小區(qū)不可取，因為這樣會影響細溝發(fā)育。因此，我國規(guī)范規(guī)定標準小區(qū)規(guī)定尺寸為投影面積100m2（5m×20m）。

2.1 圍埂設計

圍埂為設置在徑流小區(qū)邊界除下邊緣以外的隔離設施。

1）高度。根據(jù)規(guī)范要求，圍埂地表出露10～20cm，埋入地下20～30cm，具體尺寸需根據(jù)實際情況確定。地表出露的本質是為防止小區(qū)外降水匯流進入小區(qū)內，可根據(jù)降雨情況取適應值。本次設計考慮到徑流小區(qū)位于蒙山山麓，雨季有山洪暴發(fā)可能并考慮小區(qū)長期觀測需要，出露及埋地均取大值，出露20cm，埋地30cm。

2）斷面形式與尺寸。圍埂的斷面形式在實際中有很多種，如矩形、三角形、刃形和V形。其中：

矩形圍埂在測徑流量時無法去除圍埂的受雨量，用于對徑流泥沙觀測精度要求不高且施工環(huán)境條件惡劣的試驗。刃形與V形圍埂能去除圍埂受雨對徑流觀測數(shù)據(jù)的影響，用于觀測精度要求高且施工環(huán)境條件較好的試驗。其中刃形較V形更容易施工。三角形圍埂介于矩形圍埂和V形與刃形圍埂之間。本設計采用刃形圍埂。

3）圍埂材料。規(guī)范規(guī)定圍埂材料為不滲水、不吸水的水泥板或金屬板。其中：水泥板造價低、易施工，不易變形，缺點為易吸水和凍裂。金屬板造價高、不吸水、不易凍裂，缺點為易變形。結合蒙山森林公園實際情況，本次采用80mm厚水泥板。

2.2 測量設備設計

1）相關水力計算方法。查省水文手冊，按50年一遇、24h設計標準，查獲當?shù)赝l率設計降雨量。徑流深公式為：H=P·k，式中，H為徑流深，mm；P為降雨量，mm；k為徑流系數(shù)。

根據(jù)徑流小區(qū)投影面積，計算降雨徑流量（24h）。徑流量公式為W=H·F，式中，W為徑流量，m3；H 為徑流深，m；F 為集水區(qū)面積，m2。

徑流小區(qū)的洪峰流量（Qm）采用經驗公式計算：W=1/2Qmt，式中 t為洪水歷時，h。

根據(jù)水力學公式，計算集流槽、引水管尺寸。集流槽橫斷面面積計算公式為:S＝Qm/V，V為流速，m/s，根據(jù)謝才公式計算。實際計算時初擬斷面20cm×20cm，按公式試算斷面流量，計算結果略大于設計流量則滿足要求。

引水管設計要求：引水管斷面滿足過流量大于集流槽最大流量，安裝坡度不小于集流槽比降。

2）集流槽。集流槽采用混凝土板，設置在徑流小區(qū)坡面下緣，垂直于徑流流向，長度與徑流小區(qū)寬度一致，寬度（槽緣寬和槽深寬）20cm。規(guī)范中要求集流槽應設蓋板，但實際工作中，設置蓋板不便于降雨取樣后集流槽的清洗，故本次集流槽未設蓋板。

3）引水管（槽）。在集流槽下游邊緣中部最低處設DN100PVC導流管，將徑流和泥沙引入集流池。

4）集流桶（池）。集流池用以收集全部徑流和泥沙。采用磚砌水泥砂漿抹面，池深0.5m，頂部加設蓋板，蓋板材料選擇木質，便于后期工作和維護。設PVC材質DN100進水管和DN200排水管，進水管連接集水槽與徑流儀，排水管長度以方便排水排沙為準。排水管末端可考慮加裝水龍頭，以便清理泥沙。

5）分流箱（桶）。結合徑流小區(qū)設置地點和歷年降雨徑流情況，本次未設分流箱。對于降雨量大的地區(qū)，設置分流箱是必須的。因為分流越多觀測數(shù)據(jù)誤差越大，且分流箱施工工藝對分流效果影響也較大，故分流箱在設計和正式使用前，都需進行校核、率定。

6）小區(qū)整地設計。森林小區(qū)整地設計建議各標準小區(qū)間距應超過林木高度，林木管理措施分為地上、地下兩個方面。

地上部分管理措施：由于水土保持徑流小區(qū)面積小，小區(qū)樹木每年要定期管理，在每年秋冬季進行一次樹枝修剪，保持徑流小區(qū)樹枝不超出小區(qū)邊界。

地下部分管理措施：適時整地是徑流小區(qū)產生泥沙的基礎，因此，在夏季降雨期間要長期保持中耕除草，每年秋冬季要對地表造物進行清除，以免影響次年徑流和產沙。

3 結語

徑流小區(qū)是森林生態(tài)站建設工程的重要組成部分，通過以上設計分析也可看出，在實際設計施工過程中，除按照規(guī)范進行設計外，還應考慮以下幾方面內容：一是設計應考慮盡量降低施工和后期運行管理難度，以便于觀測使用。二是設計所使用材料應符合和適應當?shù)貧夂蜃匀粭l件。三是應嚴格控制施工質量，以免影響小區(qū)觀測精度。