坡面径流过程流量自动观测方法

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1、第25卷第4期地理研究VoI．25，NO．42006年7月GEOGRAPHICALRESEARCHJuly，2006坡面径流过程流量自动观测方法李发东，宋献方，刘昌明。，于静洁，杨聪，刘相超，胡垄，唐常源(1．中国科学院地理科学与资源研究所，陆地水循环与地表过程重点实验室，北京100101；2．日本千叶大学，干叶263—8522；3．中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心，石家庄050021)摘要：坡面径流过程中的流量自动观测是目前野外实验的难点问题。通过室内试验和野外人工模拟降雨径流场试验，分析了翻斗式雨量

2、计与2O。和3O。三角堰中自记水位计在测量15l／min以下的小流量上的差异。获得了不同流量条件下2O。和3O。堰角的流量系数。以该系数的计算结果与实测流量对比表明，随水头的减小和堰角的增大而误差增加。野外实验结果表明，自记水位计测定小流量的结果偏低约15，在流量很小时无法记录到数据，不能完整记录整个退水过程。依据试验结果，实现了以翻斗式流量计与自记水位计相结合的组合式流量监测方法的设计，为精确测量低含沙的小流量和变化流量的流域水文实验提供了监测手段。关键词：小流量；流量测定；翻斗式流量计；三角堰文章编号：1000—0

3、585(2006)04—0666—071引言小流量(1owflow)是指处于长时期干旱天气条件下的河流的水流量]。小流量通常源自地下水出流或来自湖泊、沼泽、融化的冰川引起的地表水出流。国内外对小流量进行过不少研究_2]。Smakhtin_7曾对小流量的研究进行过很好的总结，指出认识河流小流量的数量和变化频率对于供水规划与设计、废物负荷的配置、水库蓄水设计方案以及维护灌溉、水循环再生、野生动物保护所必需的水质和水量等方面，均具有重要意义。在我国北方地区，受地形、地质、气候条件的影响，近几十年来许多河流的上游来水量减少，变

4、为小流量。在此，我们将小流量引至坡面径流场尺度，是指三角堰水位低于10mm时的流量，具体在15l／rain以下的出流量。对于坡面尺度而言，测量其径流量的常用方法以三角堰为主_8]。根据测定流量的要求，可以设计不同的堰口角度，以精确测量小流量。然而，当堰口的水头小于50mm时，测量精度仍受很大影响_】。在产流初期和退水期，流出堰口的水很少，水头很低，有时甚至不到1mm，无法用三角形量水堰精确测得产流初期涨水和后期径流消退过程。尽管翻斗式雨量计技术已经很成熟并广泛应用l_】]，但该技术应用于径流场流量和小流量测定的报道很少

5、l_】]。在干旱半干旱地区，坡面流、地表径流和基流均以小流量水流为主l_】，这部分水收稿日期：2005—08—09；修订日期：2005—12—28基金项目；国家自然科学基金(40371025，50279049)；中国科学院地理科学与资源研究所创新主干计划(CX10G-E0卜08—02)作者简介：李发东(1972一)，男，广西阳朔人，博士，现在日本千叶大学留学。主要研究方向为流域水文过程。E—mall：lifd@igsnrr．aCocnlifadong@gmal1．com4期李发东等：坡面径流过程流量自动观测方法667量

6、对维持区域生态环境的稳定具有重要意义，然而，现在的方法很少能准确测量小流量。本研究的目的是通过野外径流场实际观测资料和室内的标定试验，获得三角堰应用于小流量测定的流量系数。2试验方法本试验分野外坡面径流场的人工模拟降雨试验和室内标定试验两部分。2．1野外坡面径流场的人工模拟降雨试验野外实验在中国科学院地理科学与资源研究所东台沟水循环实验基地的坡面径流场进行。径流场位于东台沟流域中部，坡向南偏东3O。，坡度3O。。径流场的土壤、植被、坡度在实验流域中有典型的代表性。土壤组成为山地褐土，土层松散、浅薄，仅5～30cm，并有

7、少量岩石裸露；土壤贫瘠，N、P、K含量低，有机质含量为19／6左右。径流场面积为：5mx10m。径流场上方水平放置5．5m长、间距55cm均匀分布的16根喷灌带组成的降雨喷淋网，喷淋强度为高1．5m，宽2m(直径)，喷淋网最高处距离地面6．0m，最低处0．5m，水滴向上喷淋。出流量分地表径流、壤中流、基岩风化带出流3层分别盛接。地表径流流量用堰口角度为3O。的三角堰堰箱(长410mm×宽210mm×高305mm，堰箱内部面积780cm。)和自计水位计(SmartRFLevelTransmitter，L303S一3L(3

8、0cm)N)每分钟采集，壤中流和基岩风化带出流流量较小，三角堰堰口角度为2O。。为了进一步准确地测得退水过程，在降雨停止后，流量较小时，同时用自记翻斗雨量计(DataLoggingraingauge，RG2一M，MA，USA，精度0．2mm)测量出流量，流量的实时变化过程用HOBO事件记录仪(HOBOEventLogger，H07