一种野外简易土壤径流观测小区的制作方法

本发明涉及水土流失监控技术领域，尤其是涉及一种野外简易土壤径流观测小区。

背景技术：

坡面水土流失是水土保持监测和研究的重要内容，径流小区是观测坡面水土流失量的常用方法，是坡面尺度上研究水土流失规律和机理，评价水土保持措施效益的主要手段。中小尺度的径流小区面积较小，因为其对应的地形地貌、土壤特性、植被情况等更易于掌握，因此常用于土壤侵蚀领域的控制测试。径流小区一般包括保护带、护埂、护埂围成的小区、承水槽、导流管、量水设施、排水系统等部分，常见的径流小区规格为5m×10m、2m×5m、10m×20m、20m×40m、10m×40m等多种规格。目前，野外的径流观测小区常采用水泥板、金属板、混凝土或砌砖砂浆、pvc板等材料进行设置。其存在的局限性有：(1)目前很多实际观测小区多为临时性观测小区，观测时间较短，用这些材料修建径流小区不但工程造价较高，而且不可重复利用，造成资源浪费；(2)在偏远地区，交通不便捷施工难度大，且径流小区受当地人为破坏严重，维护工作较繁琐，一旦破坏，修复成本也较高；(3)用这些材料建造的径流小区，护埂较厚，还需要要专业人员进行作业，对土体扰动较大，容易破坏原地貌，且难以恢复。因此，急需一种成本低，便于野外观测土壤径流的水土流失监测装置。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种野外简易土壤径流观测小区，以解决现有技术中存在的观测小区建造成本高、对土体扰动大、难以修复的技术问题。本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果(简易、便于野外携带、建设成本低、可重复利用、破坏易恢复等)详见下文阐述。

为实现上述目的，本发明提供了一种野外简易土壤径流观测小区，包括至少一个由边梗和沟槽隔离出的观测单元，所述边梗包括围护塑料布，所述围护塑料布与沟槽共同作用将观测单元与其他土体隔开；所述观测单元至少包括坡面土壤基体、引流装置和收集装置，所述坡面土壤基体的上表面从边埂宽边至沟槽逐渐向下倾斜设置，所述坡面土壤基体从上到下依次设置有地表径流层和壤中流层，待测物料经所述引流装置流入所述收集装置内；

所述地表径流层为坡面土壤基体的自然坡面；

所述壤中流层为坡面土壤基体内的自然土体；

所述引流装置包括地表径流引流装置和壤中流引流装置，所述地表径流层、所述地表径流引流装置、所述壤中流层和所述壤中流引流装置从上至下依次设置；

所述收集装置位于观测单元倾斜向下的一侧，包括第一收集装置和第二收集装置，其中所述第一收集装置主要用于收集经所述地表径流引流装置流出的物料，所述第二收集装置主要用于收集经所述壤中流引流装置流出的物料。

通过由围护塑料布构成的边梗，可以将待观测的土壤基体从整个环境中隔离开，另外，还可以通过在该观测单元放置收集装置的一端挖沟的方式放置收集装置；坡面土壤基体的自然坡面为地表径流层，用于观测自然坡面的地表径流，坡面土壤基体内的自然土体为壤中流层，用于观测自然土体的壤中流；通过在两个不同的土壤层中分别设置引流装置便于快速的收集所需的实验物料。

在上述技术方案中，优选的，所述壤中流层靠近所述第二收集装置一侧的垂直剖面上设置有固定装置，所述固定装置用于固定所述壤中流层，避免土体坍塌并随物料流入所述第二收集装置内；

所述固定装置的下端位于所述壤中流引流装置上方且与所述壤中流引流装置间存在供待测物料流出的缝隙。

该固定装置包括固定塑料布和铁条，其中铁条用于将塑料布固定在土体上。该固定塑料布为双层结构，其宽度与土体剖面相当，长度与观测单元的宽度相当，从而防止壤中流侧漏到承水槽外部；所使用的铁条厚度约为2mm，铁条的长度大于所放承水槽平台的长度，该铁条能够方便的将双层塑料布固定在壤中流土体剖面上，从而保证降雨入渗过程中剖面土壤的稳定性，防止土体坍塌。

在上述技术方案中，优选的，所述第一收集装置和所述第二收集装置均由承水槽、导流管和集流桶组成；所述承水槽位于所述坡面土壤基体倾斜向下一侧下方；

所述引流装置一端与所述坡面土壤基体固定连接，另一端与所述承水槽搭接，所述承水槽通过所述导流管与所述集流桶相连，经所述引流装置流入所述承水槽内的物料经所述导流管流入所述集流桶内。

第一收集装置和第二收集装置结构相同，位置不同，均由承水槽、导流管和集流桶组成。

在上述技术方案中，优选的，所述承水槽为半圆柱形，其一端封闭，另一端与导流管相连；所述集流桶位于所述承水槽与导流管相连的一侧且所述集流桶的顶面高度不高于所述承水槽的底面高度。

在上述技术方案中，优选的，所述承水槽通过插设在土体中的l形件固定设置。

承水槽的一侧通过自然土体固定，另外一侧通过插入土体内的l形件固定，因此承水槽能够稳定的放置在土体结构上，不会出现晃动和倾斜，不影响对待测物料的收集。

在上述技术方案中，优选的，所述第一收集装置还包括分流桶，所述分流桶与所述集流桶相连。

当雨势过大时，可以将集流桶内过多的实验物料分流至分流桶内，防止出现因集流桶的容量过小影响实验效果的情况出现。

在上述技术方案中，优选的，所述承水槽与导流管相连一侧的高度低于另一侧高度。

设置承水槽两端的高度不一致，有助于承水槽内的水流出，避免水积存在承水槽内，影响实验结果。

在上述技术方案中，优选的，所述引流装置一端插入所述坡面土壤基体内且插入深度不大于4cm，另一端搭接在所述承水槽内。

引流装置为引流塑料布，其一端通过插入土体内从而固定起来，另一端弯曲并搭在承水槽上，从而使待测物料经引流装置流至承水槽内，并经导流管流至集流桶内。

在上述技术方案中，优选的，所述引流装置为柔性板状结构且其位于所述承水槽内一端自然弯曲，其末端超过所述承水槽的中线。

因为引流装置为柔性结构，因此不会出现水流经引流装置流下时外溅或者直接流到承水槽外部的情况。

在上述技术方案中，优选的，还包括一固定铁条，该固定铁条位于引流装置插入土体内一端的上方，用于固定所述引流装置。

通过该固定铁条可以将引流塑料布牢固的固定在土体内，避免引流塑料布出现因质量过轻被水流冲击出现位移的情况，从而也能避免因引流塑料布位移影响观测结果。

在上述技术方案中，优选的，所述边梗包括钢钎、铁丝和围护塑料布，其中所述钢钎的数量为四个，四个所述钢钎沿长方形的四个角分别插设，所述铁丝沿所述钢钎绕设在所述观测单元周侧，所述围护塑料布沿所述铁丝对折设置从而围护在所述小区的上方和侧部，所述围护塑料布埋入土体中的深度即为待测的所述壤中流层的深度。

钢钎和铁丝用于固定塑料布的位置和形状，从而便于固定该观测单元的具体形状和位置，也方便安装铺设围护塑料布。

相比于现有技术，本发明提供了一种野外简易土壤径流观测小区，该小区包括至少一个由边梗围成的观测单元，在观测单元内依次布设地表径流层和壤中流层，并用不同的集流桶分别对壤中流和地表径流进行实时收集，其结构简单，易操作，可快速得到所需的观测数据。该边埂所用的材料为不锈钢钢钎、塑料布和铁丝，上述材料具有重量轻，携带方便，易采购，安装简便，成本低等优点；另外，通过上述材料建造的观测单元所动用的土方量少，对小区附近植被、地形、地貌等的干扰也较小；通过引流塑料布、pvc承水槽、塑料管和集流桶来代替传统小区中所使用的由混凝土等制造而成的水流收集装置相比，具有安装简便、易操作、施工速度快、破坏后容易快速恢复的优点，大大降低了维护成本和建造成本，在观测试验结束后，小区可快速恢复原貌，建造小区时所用材料可重复利用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明野外简易土壤径流观测小区的结构示意图；

图2是本发明野外简易土壤径流观测小区的俯视图；

图3是本发明野外简易土壤径流观测小区的左侧视图；

图4是图1中边埂部分的结构示意图；

图5是图4中所用的钢钎的结构示意图；

图6是图1中的引流装置与承水槽的俯视结构示意图；

图7是图1中的引流装置与承水槽的侧面剖视结构示意图。

图8是图1中承水槽与钢钎相互作用的结构示意图。

图中：10、边梗；11、钢钎；12、铁丝；13、围护塑料布；20、观测单元；21、地表径流层；22、壤中流层；23、引流装置；231、地表径流引流装置；232、壤中流引流装置；24、收集装置；241、第一收集装置；242、第二收集装置；3、固定装置；4、缝隙；5、承水槽；51、l形件；6、导流管；7、集流桶；8、分流桶。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图1所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

附图1是本发明野外简易土壤径流观测小区的结构示意图；从图中可以看出该观测小区包括至少一个观测单元，该观测单元的坡面上部和两侧均设置有围护塑料布，坡面下部设置有沟槽，通过围护塑料布和沟槽将该观测单元与其他土体隔离开来，收集装置位于该观测单元的一侧(设置有沟槽处)，水流经观测单元处的引流装置流至收集装置内，其中引流装置和收集装置均有两个，分别对应地表径流层和壤中流层：地表径流经地表径流引流装置流至第一收集装置(图中上部的收集装置)内，壤中流经壤中流引流装置流至第二收集装置(图中下部的收集装置)内。

附图2是本发明野外简易土壤径流观测小区的俯视图；从俯视图中可以看出，该观测单元的四角均设置有钢钎，铁丝绕钢钎设置，引流装置和收集装置位于该观测单元的同一侧。

附图3是本发明野外简易土壤径流观测小区的左侧视图；从该角度视图可以看出观测单元内部为自然土体结构，且该土体结构的顶部为自然坡面，收集装置位于坡面倾斜向下的一端，围护塑料布将该土体结构与其两侧的土体结构隔开，从而保证观测结果的准确性。

附图4是图1中边埂部分的结构示意图；该边梗部分由钢钎、绕钢钎缠绕观测单元一周的铁丝以及沿铁丝对折、围绕在小区的上方和两侧并埋入土中的围护塑料布，该围护塑料布埋入土中的深度依自然土层厚度和观测需要进行调节。

附图5是图4中所用的钢钎的结构示意图；该钢钎为顶部稍微弯折，底部为尖头的钢棒结构，使用时将尖头一端插入土体中，为了不影响观测结果，该钢钎最好为不锈钢钢钎。

附图6是图1中的引流装置与承水槽的俯视结构示意图；其中地表径流引流装置与第一收集装置中的承水槽的俯视图与壤中流引流装置与第二收集装置中的承水槽的俯视图是相同的，从图中可以看出，引流塑料布的一端通过铁条固定在土体中，另一端搭放在承水槽内，承水槽放置在引流塑料布下方，引流塑料布的自由端位于承水槽内。

附图7是图1中的引流装置与承水槽的侧面剖视结构示意图。从图中可以看出，该引流装置的自由端弯曲放置在承水槽内。

附图8是图1中承水槽与钢钎相互作用的结构示意图；承水槽的下端和右端均为土体，l形件一端插入土体内，另一端位于承水槽的左侧，从而将承水槽固定起来避免承水槽出现晃动或倾斜的情况。

如图1-8所示，本发明提供了一种野外简易土壤径流观测小区，该小区包括至少一个由边梗10和沟槽隔离出的观测单元20，该观测单元20主要由地表径流层21、壤中流层22、引流装置、固定装置3和收集装置组成，其中地表径流层21的上表面朝向沟槽所在的位置逐渐向下倾斜，引流装置23和收集装置24均位于沟槽处(也就是倾斜朝下的一端)。引流装置23包括地表径流引流装置231和壤中流引流装置232，地表径流层21、地表径流引流装置231、壤中流层22和壤中流引流装置232从上至下依次设置；收集装置24包括第一收集装置241和第二收集装置242，其中第一收集装置241主要用于收集经地表径流引流装置231流出的物料(该物料是地表径流)，第二收集装置242主要用于收集经壤中流引流装置232流出的物料(该物料是指壤中流)。

具体的，边梗10由不锈钢钢钎11、围护塑料布13和铁丝12组成，其中不锈钢钢钎11插在观测单元20的四角用于固定铁丝12，铁丝12沿钢钎11绕观测单元20一周，从而组成边梗10的骨架结构，围护塑料布13沿铁丝12对折，围绕在小区的上方和两侧，并埋入土中，埋入土中的深度因自然土层厚度以及观测需要而异。钢钎11的尖端插入土中，其另外一端位于土体的上方，从而保证缠绕在钢钎11上的铁丝12位于地面上方，铁丝12具土体的高度约为10-25cm左右，其中最佳的高度为20cm。出于观测数据的要求，一般要求围护塑料布13埋入土体中的深度为20-150cm之间，其中常用的深度为90cm，同时为了保证位于土体上方的塑料布不会受损，可以用土对边梗10进行加固，夯实边梗10。

具体的，由于围护塑料布13埋入土中的深度即为所测壤中流层的厚度，因此当需要观测从地表向下30cm处土体的壤中流时，需要将塑料布至少埋入土中30cm。

具体的，该围护塑料布13由pe材料制成。

由于地表径流层21为观测小区的自然坡面，壤中流层22为观测小区内的自然土体，为了保证观测所需的水能够正常流入收集装置内，需要将收集装置24设置在引流装置23下方2-5cm处。

具体的，为了收集地表径流，第一收集装置241位于沟槽处，且其顶面低于地表，地表径流引流装置231一端插入土体、另一端延伸至第一收集装置241处，从而将地表径流由地表引流至第一收集装置241内；为了收集壤中流，如需要收集30cm处土体深度处的壤中流，则需要将壤中流引流装置232设置在土体内距离地表30cm处，第二收集装置242的位置不应高于壤中流引流装置232的高度，从而便于壤中流经相应的引流装置流入第二收集装置242内。

作为可选地实施方式，引流装置23为柔性板状材料，如塑料布，该塑料布的长度与观测单元20的宽度相当，其一端插入土体内从而固定起来，另一端与收集装置相连。

具体的，为了保证该收集装置与土体之间连接的稳定性，还需要一个宽度与小区宽度相当或略小于小区宽度的固定铁条，该固定铁条位于引流塑料布的上方，从而能够将塑料布固定在地表与土体中，使引流装置23能够顺利的引导地表径流和壤中流分别流入相对应的收集装置24内。

通过该固定铁条可以将引流塑料布牢固的固定在土体内，避免引流塑料布出现因质量过轻被水流冲击出现位移的情况，从而也能避免因引流塑料布位移影响观测结果。

作为可选地实施方式，第一收集装置241和第二收集装置242位置不同，结构相同，均由承水槽5、导流管6和集流桶7组成；承水槽5位于坡面土壤基体倾斜向下一侧下方；引流装置一端与土体相连，另一端搭放在承水槽5上，承水槽5通过导流管6与集流桶7相连，经引流装置流入承水槽5内的物料经导流管6流入集流桶7内。

作为可选地实施方式，承水槽5为半圆柱形，其一端封闭，另一端与导流管6相连；集流桶7位于承水槽5与导流管相连的一侧且集流桶7的顶面高度不高于承水槽5底面的高度。

具体的，该承水槽5主要由pvc管和塑料布组成，pvc管的直径依据当地产流量大小而定，产流量越大直径越大，将该pvc管切割成两个半圆形管道(可以沿中线切割)，把半圆形管道的一端用塑料布进行围合并用防水胶带和白乳胶等粘性材料进行固定，防止漏水；另一端先用ab胶将导流管6固定在pvc管体上，随后再用塑料布、防水胶带、白乳胶做防水措施，保证水流在pvc管中沿导流管6流出。

导流管6由柔性材料制成，能够随意弯曲，也可以是透明的pe材料制成。

具体的，为了确保能够及时的将流入承水槽5内的水导出，该导流管6的直径应当根据当地产流量来进行选择，一般选用直径为1-3cm的管材。

具体的，导流管6以20-30°倾角沿坡向下倾斜布设。

集流桶7由塑料材料制成，可以在该观测单元20下缘处挖一个土槽用于放置集流桶7，集流桶7的容积也需要根据当地产流量大小进行选择，导流管6的下端插入集流桶7内，进行径流量的收集。

具体的，为了不影响对径流的收集，需要设置集流桶7的桶口高度低于承水槽底面，集流桶7容积要大于产流量。

作为可选地实施方式，第一收集装置241和/或第二收集装置242还包括分流桶8，分流桶8与集流桶7相连。

当雨势过大时，可以将集流桶7内过多的实验物料分流至分流桶8内，防止因集流桶7的容量过小、径流溢出影响实验效果的情况出现。

作为可选地实施方式，为防止雨水直接流入产流导致数据失效，可以在引流装置23、收集装置24上方设置不透水塑料遮盖物或盖板，以保证数据有效。

作为可选地实施方式，承水槽5通过插设在土体中的l形件51固定设置。

承水槽5的一侧通过自然土体固定，另外一侧通过插入土体内的l形件51固定，因此承水槽5能够稳定的放置在土体结构上，不会出现晃动和倾斜，不影响对待测物料的收集。待测物料是指收集到的水以及水中的杂质、包括水力侵蚀作用形成的地表径流产沙量。

具体的，该l形件51可以由钢钎11制作而成，对长条形的钢钎11进行弯折处理，可以使该钢钎11变为l形结构，随后将钢钎11的尖端插入土体内，另一端对承水槽5进行固定。

作为可选地实施方式，承水槽5与导流管6相连一侧的高度低于另一侧高度。

设置承水槽5两端的高度不一致，有助于承水槽5内的水流出，避免水积存在承水槽5内，影响实验结果。

具体的，承水槽倾斜的角度为5°-10°，无导流管6相连的一端要略高于有导流管6的一端，以便径流顺势流向导流管6中。

作为可选地实施方式，壤中流层22靠近第二收集装置242一侧的垂直剖面上设置有固定装置3，固定装置3用于固定壤中流层22，避免土体坍塌并随物料流入第二收集装置242内。

固定装置3的下端位于壤中流引流装置232上方且与壤中流引流装置232间存在供待测物料流出的缝隙4。

该固定装置3包括固定塑料布和铁条，其中铁条用于将塑料布固定在土体上。该固定塑料布为双层结构，其宽度与土体剖面相当，长度与观测单元20的宽度相当，从而防止壤中流侧漏到承水槽5外部；所使用的铁条厚度约为2mm，由于铁条需要插到土体中才能起到固定作用，因此铁条的长度需要大于放置承水槽5的平台的长度，铁条的长度要比放置承水槽5的平台的长度长5-10cm，该铁条能够方便的将双层塑料布固定在壤中流土体剖面上，从而保证降雨入渗过程中剖面土壤的稳定性，防止土体坍塌。

具体的，用于围合边埂的塑料布绕铁丝12对折后形成双层结构，从而保证小区上方及两侧三个面不透水，避免测试结果受附近土壤水分影响。

具体的，引流塑料布伸向承水槽5一端的自然弯曲的末端超过承水槽的中线位置。

具体的，地表径流承水槽和壤中流承水槽均为半圆形槽，用不锈钢钢钎11进行固定，且承水槽的长度略大于观测单元20的宽度。

实施例1：

在青海省西宁市大通县，选择典型自然坡地进行了试验示范，主要步骤如下：

(1)选取沿坡长5m，宽1m，横纵向平整，坡度和土壤条件均一的自然坡面；

(2)沿护埂边界向外开挖宽10cm，深30cm的土槽，将宽5mm，厚2mm,长45cm的不锈钢钢钎11垂直插入小区边界四个角中，插入土中深度为20cm,在地上部分20cm处弯曲钢钎11，在弯曲处固定铁丝12。

(3)用铁丝12沿钢钎11围合小区一周，制成边埂结构骨架。

(4)把塑料布裁剪成长11m，宽105m的长方形，以塑料布宽边中线沿铁丝123进行对折，把对折后的双层塑料布放入挖好的土槽中，用土填埋夯实，形成上方与两侧的三面边埂。

(5)裁剪1m长的铁条和长1m，宽30cm的不透水塑料布，用铁条把塑料布固定到边埂下方地表层中，壤中流引流塑料布布设方法与此方法相同。

(6)裁剪长140cm的铁条和长1m宽40cm的塑料布，把塑料布对折放至壤中流土壤剖面处，把铁条插入两侧的土中进行固定，做成土体剖面固定装置3，防止土体坍塌。

(7)选择直径为10cm的pvc管，切割成长120cm的圆柱，沿圆柱中线切割成两个半圆形槽，一端用塑料布及防水胶带封口，另一端与导流管6粘连后用塑料布封口，制成承水槽5(两个承水槽)。

(8)在地表径流的固定铁条下方10cm处挖一个宽10cm倾斜平台，放置地表径流承水槽，用不锈钢钢钎11进行固定，无导流管6连接一端位于倾斜平台高的一处；在平台下方20cm处布置壤中流引流装置232，在壤中流的固定铁条下方10cm处挖宽10cm倾斜平台，放置壤中流承水槽5，用不锈钢钢钎进行固定，无导流管6连接一端位于倾斜平台高的一处。

(9)在小区坡底挖一个长50cm,宽50cm，深60cm土槽,放置2个长15cm，宽20cm，高20cm集流桶7，分别收集地表径流与壤中流，且使集流桶7低于壤中流承水槽，即形成野外简易土壤径流观测小区。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。