九渠分流与虹吸原理在土壤流失量监测的应用

范礼国 刘湘 陈林

摘 要：本文以金沙江阿海水电站工程为例，通过对水电站水土保持监测工作中土壤流失量常规监测设施的布设及监测原理简要分析，结合日常监测情况，总结出常规监测方法在水电站工程土壤流失量监测方面所存在优缺点。本文结合九渠分流原理和虹吸原理，将九渠分流设施和虹吸设施组合出一套可用于水电站工程水土保持土壤流失量的监测设施，结合金沙江阿海水电站工程地形进行布设，用以探究其在水电站工程土壤流失量监测中的可行性。

关键词：水电站 土壤流失量监测 九渠分流原理 虹吸原理

土壤流失量是土壤及其母质在侵蚀营力作用下产生位移并通过某一观察断面的泥沙数量，是水土保持监测中水土流失状况监测指标之一。在水电站工程建设过程中，针对土壤流失量的监测方法的常规监测方法主要有径流小区法、侵蚀沟法和测钎法。常规监测方法所布设的监测设施往往需选择特定的位置，该位置既不能受到工程施工扰动影响，也不能影响工程主体建设施工，因此常规监测方法无法对施工区土壤流失量做到全面、持续有效的监测，最终得到的土壤流失量也存在较大误差。

本文结合九渠分流原理和虹吸原理，以金沙江阿海水电站工程为例，设计一套能够较为准备监测水电站工程施工区土壤流失量的监测设施。

1.项目及项目区概况

金沙江阿海水电站工程是金沙江中游河段水电规划的“一级八库”水电开发方案的第四个梯级。工程枢纽建筑主要由挡水大坝、坝后厂房、左岸溢流表孔及消力池、左岸泄洪（冲沙）底孔、右岸排沙底口、坝后主副厂房等组成。水库正常蓄水位为1504m，死水位1492.0m，相应于正常蓄水位的库容为8.06×108m3，调节库容2.38×108m3，最大坝高132m，装机容量2000MW（5×400MW），多年平均发电量89.92亿kW·h。工程总占地面积427.14hm2（仅含坝区），工程于2007年4月（含“三通一平”）开工建设，2014年6月建设完工。

项目所在地地貌属滇西纵谷山原区兰坪高山峡谷亚区地貌单元，施工区河流流向大致由北向南，河谷为“V”型，两岸地形坡度一般30°～45°;坝址区两岸基岩大多裸露，从上游至下游依次出露有泥盆系（D）、志留系（S）和奥陶系（O）层状地层、华力西晚期顺层侵入的辉绿岩（βμ43）以及零星分布于地表及河床的第四系松散堆积物;坝址区水文条件简单，金沙江为区内最低排泄基准面，坝址两岸冲沟发育，只有右岸的白云沟、青云沟有常年流水，且水量较小，其余冲沟均为季节性水流。

2.常规监测方法优缺点分析

2.1阿海水电站工程土壤流失量监测设施概述

在工程“三通一平”阶段，共布设固定监测点46个，其中土壤流失量监测点41个，主要监测设施有桩钉土壤流失量监测样方、侵蚀沟土壤流失量监测样方。

在主体工程施工建设阶段，共布设固定监测点位18个，布设监测设施32个，其中布设土壤流失量监测设施14个，主要为简易水土流失观测场（测钎法）、侵蚀沟样地和径流小区等。

综合金沙江阿海水电站工程建设各阶段针对土壤流失量的监测主要采取的监测方法都是现阶段行业内常用的监测方法：简易水土流失观测场（测钎法）、侵蚀沟法和径流小区法三种。

2.2常规监测方法优缺点

在金沙江阿海水电站工程建设过程中针对土壤流失量的监测，采用的监测方法主要为简易水土流失观测场法（测钎法）、侵蚀沟法和径流小区法，各监测方法均为土壤流失量常规监测方法。

结合本行业从事者的工作经验，总结出土壤流失量常规监测方法的优缺点如下：

优点：（1）监测设施组成简单，可就地取材，成本较为低廉;（2）操作简单，数据采集方便;（3）布设程序简单，对布设位置的要求相对较低;（4）各类监测设施已被使用多年，可借鉴经验丰富。

缺点：（1）土壤流失量常规监测设施均布设在开挖或回填的边坡上，无法对施工区做到全面的监测;（2）在不同施工期，特别是在工程施工高峰期，工程对原地貌扰动较为剧烈，常规监测设施无法及时布设在工程施工工作面上，无法对施工高峰期的土壤流失量做到及时监测;（3）为保证动态监测的连续性，在布设监测点时十分注意监测点的稳定性，往往都选择避开施工扰动剧烈的区域，由于监测设施所选位置及周边非施工扰动剧烈区，从而用该区域监测数据代表该工作面的土壤流失情况或整个项目区的土壤流失情况是不符合实际情况;（4）通过土壤流失量常规监测设施，获得的监测数据往往仅是针对某一坡面，将该数据用来计算整个项目区的土壤流失量也与实际情况不符。

3.利用九渠分流原理和虹吸原理对水电站工程土壤流失量监测的构思

3.1九渠分流原理简介

标准径流小区分流箱是在产流量大、集流桶容积有限时，或安置区狭小不能增多集流桶等情况下采用，可一级或多级分流。分流箱往往是由薄钢板或混凝土浇筑，在分流箱上部设置分流孔（分流孔数量根据汇流情况确定），分流孔规格一致，排列均匀，布置在同一水平面上，因此可以起到分流的效果

3.2虹吸原理

虹吸原理是利用液面高度差的作用力，将液体充满一根倒U形的管状结构内后，将开口高的一端置于装满液体的容器中，容器内的液体会持续通过虹吸管向更低的位置流出。在生活中，虹吸原理利用较多的主要为虹吸式雨量计、虹吸式屋面排水系统。

3.3利用九渠分流原理和虹吸原理设计土壤流失量监测设施

3.3.1利用金沙江阿海水电站工程布设土壤流失监测设施的构想

本文结合金沙江阿海水电站工程区地形，上游监测设施布设在工程区征地红线外侧上游河道，下游监测设施布设在征地红线外侧下游河道，从而保证整个施工扰动区域均在监测范围内。

3.3.2土壤流失量监测设施结构设计

土壤流失量监测设施主要由两部分组成：取水设施和分流设施。

取水设施利用虹吸原理，在河道上布设取水口，通过虹吸管，引水至分流设施。

分流设施利用九渠分流原理，将虹吸管引进的河水，经过一级或二级（或多级）分流，分流出多余的河水通过水渠汇入河流中，作为测量样方的河水最终流入集水池中，进行泥沙含量实验取样使用。

集水池泥沙含量計算可参照径流小区泥沙含量计算方法进行。

3.3.3土壤流失量监测设施原理

施工前，在规划施工区红线上游、下游各布设一套土壤流失监测设施，通过测量出一段时间内上、下游断面泥沙含量，并结合该时段内施工区内河流流量，即可计算出施工前施工区规划红线范围内原生土壤流失量。

3.3.4土壤流失量监测设施可行性分析

土壤流失量监测设施可利用河流自然落差所存在的势能，通过计算选择合适位置布设监测设施即可满足监测设施取水需要。

通过多级分流，可减少汇入集流池内的样方水量，能够减少集水池的尺寸，也能够满足以往监测频次要求，即雨季每月一次常规监测的需求。

该土壤流失量监测设施不仅能够做到对施工区土壤流失量的全面监测，而且还可以根据实际需要，做到某一次强降雨前后施工区土壤流失量的变化情况。

4.结语

本文仅是提出一种新的土壤流失量监测设施的构想，要用于实际监测工作中，还需要经过更多的论证及结构优化设计。因此希望更多的工作者参与探讨，不断提高土壤流失量监测方法的技术水平，并提出更多的土壤流失量监测方法。

参考文献：

[1]GB/T20465—2006，水土保持术语[S].北京：中国标准出版社，2006：5-7.

[2]喻权刚.新技术在开发建设项目水土保持监测中的应用[J].水土保持通报，2007，27（4）：5-9.

[3]SL342—2006，水土保持监测设施通用技术条件[S].