基于梯田拦截地表径流的山洪防护方法及监测系统

技术领域

本发明涉及山洪防护技术，具体涉及一种基于梯田拦截地表径流的山洪防护方法及监测系统。

背景技术

梯田是在山区坡地上沿等高线建造的阶梯式农田，不但对山区小流域山洪等灾害有预防作用，而且也是改善农业生产条件，涵养水源和治理水土流失的有效措施。

目前对山区梯田的研究主要集中在文化效应以及水土侵蚀等方面，又或者只研究其土壤含水量的变化。在北方山区雨水较少，产流模式多以超渗产流为主，且其地势陡峭，地形复杂，交通不便，不易到达，使得山区的水文监测较为困难，尤其是山区的山洪防护难以实现。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的基于梯田拦截地表径流的山洪防护方法及监测系统能够通过调整梯田的新建面积进行山洪的防护。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

提供一种基于梯田拦截地表径流的山洪防护方法，其包括步骤：

S1、获取上年度形成地面径流的降雨场次对应的降雨量、蒸发量和下渗量；

S2、选取所有降雨场次中的最大降雨量，并判断最大降雨量是否大于与其相邻年度的最大降雨量，若是，进入步骤S3，否则，梯田能够防止山洪暴发；

S3、根据降雨场次对应的降雨量、蒸发量、下渗量和植物截留量，计算每个降雨场次的累计净雨量，并基于所有累计净雨量计算年平均净雨量；

S4、根据年平均净雨量，计算需新增拦截山洪的梯田面积：

其中，ΔS为需新增拦截山洪的梯田面积，m

第二方面，提供一种梯田降雨量与地表径流监测系统，其包括用于监测梯田径流的监测装置、用于采集土壤的蒸发量和下渗量的蒸渗仪及用于监测雨量的雨量监测仪；

监测装置包括固定于梯田边缘的导水槽，导水槽的长度方向安装有一块三角形薄壁堰，且三角形薄壁堰将导水槽分割成两个独立的第一槽体和第二槽体；第二槽体底面上开设有出水孔及对出水孔流出的流量进行计量的径流计量装置。

本发明的有益效果为：本方案的防护方法通过对上年度和上上年度的最大降雨量的对比，确定目前所有梯田是否具备防山洪的能力，在不具备防洪能力时，通过上年度的平均净雨量和梯田面积进行下年度新增梯田面积计算，以确保新增梯田后能够保证梯田的防山洪能力。

本方案的监测系统能够对山区梯田降雨、蒸散发和渗流进行监测，并通过径流计量装置对梯田产生的径流进行监测，对山区水文循环的探究以及山洪灾害的防治都有重要意义。

附图说明

图1为基于梯田拦截地表径流的山洪防护方法的流程图。

图2为梯田降雨量与地表径流监测系统布置在两块梯田上的示意图。

图3为监测装置布置在梯田上的示意图。

图4为径流计量装置的结构示意图。

其中，1、监测装置；11、导水槽；111、第一槽体；112、第二槽体；113、；出水孔；12、三角形薄壁堰；13、第三槽体；131、出水口；14、翻斗；2、蒸渗仪；3、雨量监测仪。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

参考图1，图1示出了基于梯田拦截地表径流的山洪防护方法的流程图；如图1所示，该方法包括步骤S1至步骤S4。

在步骤S1中，获取上年度形成地面径流的降雨场次对应的降雨量、蒸发量和下渗量；其中，降雨量可以采用雨量监测仪或雨量筒进行监测，蒸发量和下渗量可以采用蒸渗仪2进行采集。

在步骤S2中，选取所有降雨场次中的最大降雨量，并判断最大降雨量是否大于与其相邻年度的最大降雨量，若是，进入步骤S3，否则，梯田能够防止山洪暴发。

在步骤S3中，根据降雨场次对应的降雨量、蒸发量、下渗量和植物截留量，计算每个降雨场次的累计净雨量：

h

其中，h

基于所有累计净雨量计算年平均净雨量：

其中，n为上年度内梯田台面蓄水量达到阈值的次数(a)；

实施时，本方案优选植物截留量的获取方法包括：

在试验梯田中采用五点采样法选择五处样方，并取样方内完整健康植株，测定单株植物的鲜重；

利用针孔降雨器按照预设降雨强度和预设降雨时长进行人工降雨，并在降雨结束后测量单株植物的重量；

根据单株植物的鲜重和单株植物的重量，计算梯田中所有植株的总截留量：

其中，I为梯田中所有植株的总截留量，mm；S为梯田总面积，m

在步骤S4中，根据年平均净雨量，计算需新增拦截山洪的梯田面积：

其中，ΔS为需新增拦截山洪的梯田面积，m

实施时，本方案中每个降雨场次对应的梯田临界雨量的获取方法可以为：

S41、实时采集梯田内的蓄水量阈值；

S42、判读蓄水量阈值是否大于预设阈值，若是，进入步骤S43，否则进入步骤S44；

其中，预设阈值的获取方法为：

获取与上年度相邻年度内每场降雨的最大蓄水量阈值；并采用所有最大蓄水量阈值的平均值作为下一年度的预设阈值。

S43、累计降雨起始时刻至当前时刻的所有降雨量作为梯田临界雨量；

S44、判断当前降雨是否结束，若结束，则采用所有降雨量作为梯田临界雨量，否则返回步骤S41。

实施时，本方案每个降雨场次对应的梯田临界雨量的获取方法还可以为：

A1、判断所有的梯田是否均已产生地面径流；若是，累计降雨起始时刻至当前时刻的所有降雨量作为梯田临界雨量；否则，进入步骤A2；

A2、判断当前降雨是否结束，若结束，则采用所有降雨量作为梯田临界雨量，否则返回步骤A1。

如图2至图4所示，本方案还提供一种梯田降雨量与地表径流监测系统，其包括用于监测梯田径流的监测装置1、用于采集土壤的蒸发量和下渗量的蒸渗仪2及用于监测雨量的雨量监测仪3。

监测装置1包括固定于梯田边缘的导水槽11，导水槽11的长度方向安装有一块三角形薄壁堰12，且三角形薄壁堰12将导水槽11分割成两个独立的第一槽体111和第二槽体112；第二槽体112底面上开设有出水孔113及对出水孔113流出的流量进行计量的径流计量装置。

本方案三角形薄壁堰12的设置，可以对进入导水槽11内中的泥沙和杂质进行拦截，三角形薄壁堰12顶端中部的缺口，可以方便雨水流出的同时，还可以对较大的漂浮物进行拦截。

如图3和图4所示，径流计量装置包括固定于第二槽体112底面、并与出水孔113连通的第三槽体13，第三槽体13内通过铰链连接有一翻斗14，翻斗14在盛满水翻转后，其出水侧正对第三槽体13侧壁上开设的出水口131；第三槽体13上安装有一个对翻斗14翻转次数进行计数的计数器；蒸渗仪2、雨量监测仪3和所有的计数器均与控制器连接。

本方案采用翻斗14直接与雨水接触，一方面其成本低，另一方面相较于电器部件计量而言，其即便长期被浸泡，也不担心进水而损坏；计数器可以设置在高于出水口131的第三槽体13侧壁上，这样可以避免被雨水浸泡，保证其使用寿命。

本方案的控制器在进行梯田径流统计时，先统计每场降雨中每块梯田产生的径流，将山区所有最后一级梯田产生的径流进行相加作为每场降雨山区最终产生的径流。

实施时，本方案优选第二槽体112内平铺有一过滤网，过滤网可以对通过缺口进入的微小漂浮物进行拦截，以避免出水口131及出水孔113被堵塞。导水槽11的底面与水平面相交，这样设置可以方便每块梯田形成的径流快速地流出导水槽11。

本方案的梯田降雨量与地表径流监测系统还包括用于采集梯田内每个降雨场次的蓄水量阈值的TDR土壤水监测器。

综上所述，通过本方案的防护方法及监测系统，能够根据采集的数据判断当前的梯田是否能够对山洪进行有效的拦截，及在不能拦截时，应该进行怎样的山洪防护措施；通过该种方式能够降低山区山洪发生的可能性，同时还可以对降雨进行合理利用，以缓解山区水资源缺乏的问题。