西白杨沟坡面径流观测场维修改造成效与经验

西白杨沟坡面径流观测场维修改造成效与经验
于萌
（新疆维吾尔自治区水土保持生态环境监测总站，新疆乌鲁木齐８３００００）
中图分类号：Ｓ１５７　文献标志码：Ｂ　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３－５３６６．２０２１．０４．２２
摘要：新疆乌鲁木齐西白杨沟坡面径流观测场维修改造项目建设中，坚持结合地方实际，科学设计，科学管理，精密施工，保质保量完成了监测点维修改造的建设任务。

项目实施后，提高了该监测点观测数据的精度。

对不锈钢材质径流桶设计、施工、分流孔调平、分流比例测定等经验进行了归纳总结，为同地区同类监测点的维修改造或升级改造工作提供了实践经验。

关键词：坡面径流观测场；水蚀监测点；维修改造；径流桶；成效与经验
１　项目基本情况
新疆乌鲁木齐西白杨沟坡面径流观测场位于乌鲁木齐县甘沟乡西白杨沟村境内，距离乌鲁木齐市区５０ｋｍ，布置于全国水土保持区划三级区内的天山北坡人居环境农田防护区。

监测点于２０１２年建成，建设内容主要包括１２个径流小区（全坡面径流小区６个，标准径流小区６个）、气象园、实验室、供水设施、供电设施等，为全国水土保持监测网络和信息系统建设二期工程建设于新疆地区（含兵团）的２４个监测点之一，监测点从２０１３年起纳入《全国水土流失动态监测与公告项目规划（２０１３—２０１７年）》和《全国水土流失动态监测规划（２０１８—２０２２年）》，承担全国水土流失动态监测与公告项目监测点观测任务，为新疆地区（含兵团）承担水蚀观测任务的２个监测点之一。

监测指标包括径流小区径流泥沙、降雨、土壤水分与植被覆盖度。

通过监测点连续观测，现已积累大量数据，为支撑水土流失模型研发、推动年度水土流失动态监测、水土流失综合防治和监管提供了一定的支持和依据。

２　径流观测场存在的问题
新疆乌鲁木齐西白杨沟坡面径流观测场于２０１２年建成，通过多年的运行，径流观测设施设备逐渐暴露出一些问题，具体归纳总结如下：１）径流泥沙观测采用径流桶观测，２级分流，分流桶和集流桶为钢筋混凝土材质。

通过多年运行，桶内壁出现砂浆脱落，桶体渗漏现象，分流桶排水管为ＤＮ２５镀锌钢管，通过观测发现排水管出水高度不一，分流不均，且无法调平，以上问题将严重影响径流小区径流量和泥沙含量的监测数据准确性。

２）径流小区围埂为水泥预制板，砂浆抹面。

因冻胀等原因，个别区域近年逐渐出现砂浆和混凝土破碎脱落的情况，已无法满足隔离外部径流的作用。

３　维修改造措施
为保证西白杨沟坡面径流观测场正常观测，完成年度观测任务，发挥应有的效益，２０１８年已将维修改造项目提上了日程，为保证项目顺利实施，本站将坡面径流观测场的维修改造项目纳入了新疆乌鲁木齐西白杨沟小流域综合观测场２０１９年维修改造工程，保证了资金落实。

同时，总结国内已有的径流观测场改造的成功经验，结合本地区实际，将拟建设内容纳入维修改造设计方案中。

２０１９年我站对西白杨沟坡面径流观测场实施的维修改造内容主要包括两部分：１）对原有的１２套钢筋混凝土径流桶进行了拆除，更换为１２套不锈钢材质径流桶，严格标定分流孔流量，同时径流桶支架底部基础采用现浇钢筋混凝土板结构。

２）对因冻胀等原因损坏的径流小区围埂进行修复，长约３００ｍ。

工程于２０１９年７月初开工建设，７月底完工。

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　２０２１年第４期 水土保持应用技术
４　建设成效与经验
４．１　建设成效
４．１．１　提高径流桶容量，增强径流小区拦蓄和抵御暴雨能力
原混凝土径流桶规格按照５０ａ一遇暴雨设计的径流总量为１．５５ｍ３，本次改造在减小径流桶外部尺寸的情况下，将径流桶有效容量提高２０％，为１．８６ｍ３（见表１）。

通过增加径流桶有效容量，增强径流小区拦蓄径流泥沙和抵御暴雨的能力。

表１　不同材质径流桶容量对比表１）
材质Ｈ／ｃｍＤｗ／ｃｍＤｎ／ｃｍＨｆ／ｃｍＮ／孔Ｈｃ／ｃｍＶ／ｍ３混凝土８５９２７２５６５６５１．５５不锈钢８５７９７８６５５６５１．８６１）Ｈ为总高度，ｃｍ；Ｄｗ为外径，ｃｍ；Ｄｎ为内径，ｃｍ；Ｈｆ为分流孔高度，ｃｍ；Ｎ为分流孔数量，孔；Ｈｃ为集流桶有效高度，ｃｍ；Ｖ为有效容量，ｍ３。

４．１．２　精准施策，提高观测精度
通过对径流小区围埂的修复，围埂顶部均高出地面２０ｃｍ，解决了外部径流进入径流小区的现象。

修复采用的砂浆为抗冻砂浆，同时在修复损坏的围埂中横向加入钢筋，可有效增加围埂的抗冻裂性能。

将混凝土径流桶更换为不锈钢径流桶，更是彻底解决了径流桶砂浆脱落，桶体渗漏现象。

径流桶支架底部基础采用现浇钢筋混凝土板结构，将减少后期地基变形，影响分流比例。

再通过对分流孔精细调整和分流比例标定，大大提高了在溢流情况下的径流总量观测。

本次径流桶安装中对每套分流桶的分流孔进行了流量标定，通过测量—调整—测量的反复过程，最终使大流量和小流量条件下分流量都趋于均匀，进入分流桶的径流量比例接近总径流量的２０％，误差控制在３．５％以内（最大３．４０％），计算得出分流系数（详见表２）。

后期观测中通过系数调整，最终准确计算出每个径流小区总径流量。

通过以上措施的实施，将大大提高径流小区径流泥沙观测的精度。

表２　径流桶分流比例和分流系数标定计算表１）
径流桶编号标定次数
分流孔编号及径流量／ｍＬ
１２３（集流桶）４５
η／（％）Δ／（％）ε
１２１９８０１９５０２０２０１８９０１９３０２０．６８３．４００．９７２２２０００２０１０１９００１８６０１８５０１９．７４－１．３１１．０１３２１８４０１９９０２０２０１９６０１９８０２０．６４３．１９０．９７４２２０３０１９５０１９００１９００１９９０１９．４５－２．７６１．０３５２１８９０２０２０１９７０１８５０１９００２０．４６２．２８０．９８６４３８９０３９４０３９６０４０２０３７８０２０．２２１．０８０．９９７３２９１０２９１０２９３０２９７０３０５０１９．８５－０．７４１．０１８４３９３０３８６０４０５０４１００３８９０２０．４２２．１２０．９８９３２８００２８６０２９６０３０００２８６０２０．４４２．２１０．９８１０３２９００３０４０３０００２９７０３０００２０．１２０．６００．９９１１４３８５０４０００３９００３８３０４０１０１９．９２－０．４２１．００１２４３８９０３８９０４０４０３９２０３９５０２０．５２２．６２０．９７１）η为３号孔分流比例，（％）；Δ为误差，（％）；ε为分流系数。

４．２　建设经验
４．２．１　结合地方实际，科学设计
（１）径流泥沙采样设备的选择。

此次制作安装的径流泥沙观测设备为人工采样设备，选择的原因：①当地多年平均降水量为４５２．０２ｍｍ，通过近５ａ观测，年内产生径流次数最多为１０次，最少年份为４次，人工观测工作量不大。

②现有的自动监测设备不成熟，运行不稳定，如本监测点２０１４年购置的一批自动径流泥沙监测设备对于０．３Ｌ／ｓ以下的径流无法观测，而此次分流比例标定中，最小流量测定到０．０６Ｌ／ｓ（１２号径流桶），且分流较均匀，误差仅１．７１％。

综合以上因素，选择人工采样设备适宜本监测点实际工作需求，且观测精度高。

（２）径流桶材质选取。

西白杨沟径流观测场位于乌鲁木齐市南部山区，海拔高度１７４０ｍ，辐射较强，多年平均气温１．５３℃，极端最高气温３１．９℃（２００６年７月３１日），极端最低气温－３５．２℃（２００１年１２月１１日）。

结合近年监测点运行实际，最终选择不锈钢材质制作径流桶。

优点是坚固耐用、不生锈、不渗水、分流孔可塑性强（易于调节流量）。

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５水土保持应用技术 ２０２１年第４期　
（３）径流桶规格设计。

遵循外部尺寸不增加，容量标准不降低的原则，做到科学设计、改善观测条件和节约材料相结合，将径流桶有效容量提高２０％，增强径流小区拦蓄径流泥沙和抵御暴雨的能力。

（４）导流管、分流孔和排水设计。

采用φ１１０ＰＥ管制作导流管，外部出露２０ｃｍ，进水口用雨水篦子过滤较大杂物，下部用５ｍｍ滤网拦截较小杂物，保证无较大杂物阻挡分流孔溢流。

导流管在分流桶下沿约４ｃｍ开孔进入长度１０ｃｍ。

以导流管下沿作为分流孔上沿，保证桶内径流在分流孔溢流。

分流管采用ＤＮ４０不锈钢管，导入集流桶的分流管长２０ｃｍ，伸入集流桶１０ｃｍ。

外排分流管长１０ｃｍ并均匀分布于导入集流桶分流管两侧，间距１５ｃｍ，分流管垂直于径流桶焊接，为分流均匀提供保证。

桶底焊接ＤＮ５０钢管接球阀作为排水管，保证采样后排除径流泥沙不堵塞。

（５）径流桶支架基础设计。

径流桶支架基础的稳定是分流桶分流量均匀的根本保证，为保证径流桶安装和后期运行中基础尽量不沉降不变形，径流桶支架底部基础采用１５ｃｍ厚现浇Ｃ２０钢筋混凝土板结构，面层单层双向１０号钢筋间距２００ｍｍ，保护层厚度３ｃｍ，并预留伸缩缝。

４．２．２　科学管理，精密施工
（１）科学管理。

为保证项目顺利实施，将坡面径流观测场的维修改造项目纳入到新疆乌鲁木齐西白杨沟小流域综合观测场２０１９年维修改造工程中，保证了资金落实。

项目建设全过程推行项目法人责任制、工程建设招投标制、工程监理制、资金报账制和项目竣工验收制，不锈钢径流桶制作与安装工作与土建工程做到了同时设计、同时审查、同时监理、协同施工、同时验收。

确保工程建设按计划、质量按标准实施和资金使用透明到位。

（２）精密施工。

为保证分流均匀，保证测量精度，建设中采用了以下几步进行控制：①原有径流桶和基础拆除前，土建施工单位和不锈钢径流桶制作与安装单位对现场标高进行测量，控制和掌握后期基础标高。

②径流桶支架根据基础坡度现场制作，采用高低腿的结构形式，水平尺调平后，支架与基础采用膨胀螺栓固定。

③径流桶放置于支架上，水平尺调平后固定。

④径流桶外部焊接ＤＮ４０分流管（内径３８ｍｍ）后，在分流桶内采用电子水平仪确定开孔位置，利用专用开孔电钻进行开孔，孔径２２ｍｍ，５个分流孔底部高度误差可控制在１ｍｍ以内，同时分流孔直径小于分流管内径，为后期精细调平预留空间。

⑤分流桶灌水至分流孔位置，减小入桶流量，然后观察每个孔是否同时分流，同时用１Ｌ量桶测定每个孔的流量并计时。

对分流量较小分流孔进行打磨，且做到底部为原有的圆弧状，然后再灌水进行测定，且要进行不同流量情况下的测定，如此反复４～５次可将分流孔出水流量调整至均匀，误差控制在３．５％以内。

⑥根据观测不同流量并记录下的分流比例，计算分流系数。

通过以上步骤，可保证后期观测中径流测定的精度。

５　总结及展望
新疆乌鲁木齐西白杨沟坡面径流观测场维修改造项目的实施，保证了该监测点观测数据的精度。

项目建设过程中的经验总结，为同地区同类监测点的维修改造或升级改造工作提供了实践经验，丰富了监测手段的选择，促进了径流观测场水土流失监测科学技术进步。

收稿日期：２０２１－０２－１５
作者简介：于萌（１９８６—），男，河南商丘人，高级工程师，学士，主要从事区域水土流失动态监测、水土保持监测点运行和管理工作。

（责任编辑　郑娟　责任校对　赵旭珍） 。