裝配式徑流小區研發與應用

［關鍵詞］ 無堿玻璃鋼；裝配式；徑流小區；水土流失；水土保持

［摘" 要］ 徑流小區法是水土流失定量定位觀測的基礎手段，是獲取當地徑流、泥沙量的常用方法之一。徑流小區的科學建造是獲取準確觀測數據的重要保證，現狀徑流小區多是采用磚、混凝土預制件等傳統建筑材料砌筑而成，存在建設擾動大、施工難度大、性能欠穩定等問題。裝配式無堿玻璃鋼徑流小區在青海省大通縣景陽鎮生態清潔小流域的應用表明：采用無堿玻璃鋼材料裝配式建造徑流小區，將原來的土建施工變為產品安裝模式，可提高水土保持行業的產品化水平，實現徑流小區標準化。裝配式徑流小區具有建設擾動減少、施工難度降低、性能更加穩定、建造周期縮短、建管成本可控等優點，使徑流小區建造更加快速便捷、經濟高效、規范標準，可提高監測數據的精準度和客觀性。

［中圖分類號］ S157" ［文獻標識碼］ B" DOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2024.11.008

［引用格式］ 趙方瑩，鞏瀟，魯明輝，等.裝配式徑流小區研發與應用［J］.中國水土保持，2024（11）：37-41.

據2023年度全國水土流失動態監測結果，我國水土流失面積達262.76萬km2。及時、精準地掌握水土流失及其動態變化趨勢是水土保持的基礎工作和必要前提。徑流小區法是水土流失定量定位觀測的基礎手段，是獲取當地徑流、泥沙量最常用、最準確、最經典的方法之一［1］，是從微觀尺度上研究和測驗水土流失狀況的最有效方法［2］。徑流小區是研究地表降水—徑流—土壤侵蝕規律的主要科研設施，把小區作為獨立的客體，對降水、植被、截留、土壤下滲、土壤含水量和水勢、植物蒸騰、蒸發，以及徑流、土壤流失量等因子進行觀測，觀測成果是進行水土流失規律與效益研究的數據資料，數據的科學性和可靠性是開展水土保持效益評估和水土流失預測預報的根本保證［2］。

我國應用徑流小區開展水土流失監測始于1922年，分別在山西省的沁源、寧武和山東省的青島等地修建了徑流小區，以觀測森林植被對土壤流失的影響。在21世紀，徑流小區法得到廣泛應用，涉及領域逐步擴展。2000年水利部水土保持監測中心啟動了全國水土保持監測網絡和信息系統建設項目，截至2014年在全國范圍內共建成監測站點738個［1］。陳瑾［3］開展了多點岀流PVC材料徑流小區建設研究；唐有臻［4］和謝頌華等［5］對水土保持監測徑流小區優化設計及相關計算進行了研究。經過了100多a的發展，徑流小區法逐漸趨于成熟，由粗略統計到精確定量，在水土流失監測、坡面土壤侵蝕定性定量評價、水土保持措施選擇等方面發揮了重要作用［6］。

中共中央、國務院印發的《關于加快推進生態文明建設的意見》和《國務院辦公廳關于印發生態環境監測網絡建設方案的通知》（國辦發〔2015〕56號）中均提出要高度重視水土保持監測工作，水利部制定的《全國水土保持信息化規劃（2013—2020年）》中明確將“國家級水土保持監測點升級”列為重點建設項目。2022年12月，中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發《關于加強新時代水土保持工作的意見》，要求優化水土保持監測站網布局，加強水土保持科技創新，促進科技成果轉化和技術推廣。目前，全國建成的738個監測站點中有的由于建成時間較長，存在設備老化、小區維護不到位、監測技術落后、數據準確性差等問題，因此從2023年開始，我國啟動了國家級監測站點優化升級工作，在全面考慮監測站點代表性的基礎上，選擇198個重要監測站點進行升級改造［7］。

1" 傳統徑流小區建造模式及存在的問題

徑流小區的建造是準確獲取觀測數據的重要保證，目前徑流小區多是采用磚、混凝土預制件等傳統建筑材料砌筑而成，已跟不上現代社會建筑材料的發展趨勢。通過近年來在北京、江西、廣東、福建、河北、吉林、河南等地水土保持科技示范園徑流觀測場的考察調研，以及參與北京市多個徑流小區的建設經驗，筆者總結了徑流小區傳統建造模式存在的問題。

1.1" 傳統建造模式

《水土保持監測設施通用技術條件》（SL 342—2006）和《水土保持試驗規程》（SL 419—2007）（以下簡稱《規程》）對徑流小區主體部分，即圍埂、集流槽、導流管（槽）、集流桶（池）、分流箱（桶）分別作了具體規定。圍埂的建筑材料要求為不滲水、不吸水的水泥板或金屬板，地表出露10～20 cm，埋入地下20～30 cm，上緣向小區外呈60°傾斜；集流槽一般由混凝土或磚砌水泥抹面制成，寬度（槽緣寬和槽身寬）20～30 cm，槽緣與小區坡底同高且水平，槽身由兩端向下中心傾斜，傾斜度以不產生泥沙沉積為準，頂部加設蓋板，槽身表面光滑，應不攔掛泥污；導流管（槽）鑲嵌在集流槽下游邊緣中部的最低處，用于輸導收集的徑流和泥沙，由鍍鋅鐵皮、金屬管或PVC管制成，長度一般為50～100 cm。基于傳統建造模式的徑流小區采用磚砌水泥抹面、預制混凝土板勾縫的固定形式，也有部分采用金屬板、石材為圍埂、集流槽材料，或以PVC為圍埂材料的臨時徑流小區。集流桶（池）用于收集徑流小區產生的徑流和泥沙，當產流量較大時，集流桶（池）容積有限，可采用一級或多級分流箱（桶）進行分流。集流桶（池）和分流箱（桶）需在頂部加設蓋板，底部裝備排泄閥門。集流桶（池）的分流孔數量根據產流量確定，所有孔徑尺寸應一致，且均勻分布在同一水平面上。集流桶（池）和分流箱（桶）一般采用鍍鋅鐵皮或鋼板等材料制作，也可采用磚石砌筑。

1.2" 存在的主要問題

1）建設擾動大。使用磚砌水泥、石材或預制混凝土板修筑圍埂，需要開挖寬、深各50 cm的基礎溝槽，然后夯實回填或砌筑基礎，以保證基礎穩定。在基礎開挖、土方堆放、材料運輸和堆放過程中均會加大對環境的破壞和擾動，改變下墊面的植被條件、土壤結構甚至局部地形，影響徑流匯集和入滲，進而影響土壤侵蝕量測算的準確性、真實性。

2）施工難度大。由于徑流小區經常會建設在交通不便的山坡地或高海拔地區，有些位置甚至沒有機動車道，因此磚、石材或預制混凝土板的運輸非常困難。在坡度較大的坡面施工時，砌磚水泥抹面、石材或預制混凝土板施工作業難度大。磚砌水泥抹面由于小區圍埂一般單面邊墻多修成刀刃形斜角，上緣向小區外呈60°傾斜，連體邊墻多做成V形用于排水，因此施工工藝要求高，施工難度大。

3）性能欠穩定。磚砌水泥抹面圍埂易受凍脹危害，導致水泥抹面老化剝落、基礎沉降起伏、墻體變形斷裂。石板或預制混凝土板圍埂的板塊之間通過勾縫銜接，各砌塊相對獨立，當基礎略有變形后，就會出現砌塊位移，造成圍埂斷裂，直接導致徑流小區內、外徑流相互滲漏，產生觀測誤差。金屬板圍埂受材料特性影響，在側向水平方向會產生明顯變形。PVC材料圍埂在露天條件下易老化，耐久性變差，且該材料較為單薄、強度低，容易發生變形和遭人為、動物的破壞。

4）建造周期長。傳統模式徑流小區圍埂施工時工程量較大；土建施工需要多道工序且只能順序銜接，不能平行施工；預制混凝土板需要加工定制及專業遠距離運輸；土建施工受季節限制。以上影響因素均會造成傳統模式徑流小區的建造周期長。

5）建管成本高。由于磚、水泥、石板及預制混凝土板質量大，建造材料的運輸費用和施工二次運輸成本高，以及在坡面的土建施工難度大、效率低，因此建造成本較高。雖然這些建筑材料的原始購買成本不高，但在徑流小區特定施工建設條件下，建造成本大幅攀升。利用符合建造標準的金屬材料制作徑流小區，由于原材料價格高，因此建造成本也會相應偏高。

另外，徑流小區圍埂等設施建成后的性能欠穩定、持久性差，造成后期維護工作量大、運維成本高，使得總體建管成本進一步升高。

6）修筑不標準。因傳統模式集流槽槽底坡度設計未經過水流量計算及施工后期基礎沉降等，造成集流槽坡降偏小或坡底不平順，加上施工銜接、抹光等工藝問題，使得槽底糙率偏大，達不到《規程》中“槽身表面光滑，應不攔掛泥污”的標準，會造成流速減緩、泥沙阻滯，泥沙在集流槽段發生沉積。

7）數據不精確。目前，全國絕大部分徑流小區數據采集仍然采用傳統方法。每次降水后都要全面收集水土流失量，包括集流槽滯留的泥沙、徑流池和分流桶內的懸移質與推移質［1］。泥沙、推移質在集流槽的沉積滯留，不僅造成土壤侵蝕總量不準確，同時造成產流產沙過程和歷時發生偏差，采集的數據不能客觀反映真實情況，從而影響監測成果的精準度和真實性。由于磚砌水泥抹面、石板或預制混凝土板集流槽的墻體都有一定的寬度，因此泥沙會在內側墻體頂部沉積，尤其是暴雨時會沉積一定厚度的泥沙，這部分泥沙的分割計算方式對測量偏差影響非常大，直接影響測量數據的客觀性。

2" 裝配式無堿玻璃鋼徑流小區

“PE（聚丙烯）＋PA（尼龍）”材質圍埂的便攜式徑流小區（專利號201120414963.8），主要應用于生產建設項目臨時監測點的布設。利用無堿玻璃鋼模塊材料組裝搭建固定監測的徑流小區，主要由無堿玻璃鋼立柱、圍埂板、集流槽及上蓋、導流管、金屬封邊條，以及不同方式的徑流、泥沙計量系統組成，可提高水土保持行業的產品化供應水平。

2.1" 建造方法

1）基礎工作。按照徑流小區設計要求定點放線。徑流小區的長度為投影長度，需要注意坡度變化和梯田等不規則地形對定點放線的影響，并且集流槽寬度不應計入徑流小區的長度范圍。在圍埂安裝位置開挖寬20 cm的基礎溝，深度以圍埂上沿控制高程為準，一般情況下深度滿足20 cm即可。由于采用無堿玻璃鋼材料圍埂板，材質輕便，因此不必深挖基礎，在集流槽安裝位置開挖30 cm×20 cm（寬×深）基礎溝即可。開挖的所有土方有序堆放于徑流小區外側，下部采用防護材料襯墊。

2）圍埂組裝。圍埂由無堿玻璃鋼模塊立柱、圍埂板及金屬封邊條組成。圍埂板厚40 mm、寬500 mm，板之間及板與立柱間通過凸凹卡槽連接，立柱分180°直線銜接和90°拐角銜接。金屬封邊條為鋁合金定型產品，斷面分為V形和M形，單邊時采用V形，共用小區圍埂時采用M形。封邊條安裝可增加圍埂的整體性，進一步防止圍埂變形。

3）集流槽組裝。集流槽由集流槽槽體、支撐架、上蓋3部分組成。集流槽槽體為無堿玻璃鋼模塊，按照小區設計徑流量進行集流槽的斷面尺寸確定，底部兩側向中間留有坡度，中間最深處預留有導流口用于銜接導流管。集流槽支撐架為不銹鋼方管，設置于集流槽外圍，以防止集流槽變形。集流槽上蓋為無堿玻璃鋼材質，上蓋設計有導流孔，可避免蓋上雨水流入徑流小區或集流槽。上蓋安裝不得妨礙小區內徑流流入，且可自由開啟，便于清理維護和觀察。

4）導流管組裝。導流管采用金屬管或抗老化PVC管。根據水文設計計算結果，選擇導流管斷面尺寸時要與集流槽的選型匹配。導流管可以連接集流桶，也可以連接其他類型自動測流裝置和泥沙測定裝置。若采用傳統的測流和泥沙測定方法，則集流桶（池）的建造與傳統徑流小區建設方法相同。

2.2" 建造優勢

采用無堿玻璃鋼模塊建造徑流小區，將原來的土建施工改為定制安裝模式，具有明顯的優勢。

1）建設擾動減少。無堿玻璃鋼模塊安裝時，基礎施工作業只需要開挖寬20 cm的溝槽，施工作業開挖寬度小，并且用于堆放土方的場地也隨之減小，因此擾動破壞減少，保持了原地貌的植被與地表。另外，無堿玻璃鋼材質輕、運輸需求小，施工道路建設對周邊環境的破壞和擾動也隨之減小。

2）施工難度降低。無堿玻璃鋼模塊材料屬于輕質材料，在交通不便和高海拔施工現場的運輸和二次搬運工作量明顯減少。土建施工模式改為成品或預制成品組裝模式，按照設計要求進行施工定點放線、產品組裝就能順利完成，大幅降低了坡面施工難度。

3）性能更加穩定。無堿玻璃鋼模塊材料具有良好的強度和剛性，在高溫和低溫情況下不易變形，保證了徑流小區監測的精準性。材料具有抗老化特性，性能穩定持久，強度和硬度良好，可有效防止人為、動物的破壞。無堿玻璃鋼模塊材料還具有良好的防火性能，可避免在火災情況下受到破壞。

4）建造周期縮短。目前，無堿玻璃鋼模塊材料已產品化，可以直接購買成品或定制加工，施工受季節影響小，工期短、速度快。

5）建管成本可控。無堿玻璃鋼模塊材料材質輕、材料用量小，材料的運輸費用和施工二次運輸成本降低，坡面施工難度低、效率高，建造成本降低。由于性能穩定，因此后期管護工作量小，成本也隨著降低，總體建管綜合成本明顯降低。

6）安裝規范標準。無堿玻璃鋼模塊材料集流槽的斷面尺寸由徑流小區設計徑流量計算確定，集流槽可整體化生產，穩定無變形；槽底和槽壁光滑，可有效減少集流槽內泥沙沉積量；無堿玻璃鋼模塊材料集流槽槽壁較薄，徑流小區內產生的橫向過流泥沙在槽壁上不會被截留和產生沉積。裝配式修筑使徑流小區更加規范標準，可極大提高監測數據的精準度和客觀性。

3" 應用案例

青海省大通縣景陽鎮生態清潔小流域建設時，為掌握中低山區降水規律、水土流失動態變化情況、不同耕作措施引起的水土流失情況，彌補大通縣中山峽谷地貌與低中山丘陵地貌水土流失監測的空白，實現監測數字化、自動化，在小流域內建設了水土流失徑流觀測場。徑流觀測場位于高海拔地區，由于無施工道路且不具備修建施工道路的條件，因此無法使用施工機械，施工難度較大。經過方案比選，最終確定全部采用裝配式無堿玻璃鋼徑流小區，徑流小區的圍埂板、圍埂封邊條、集流槽、集流槽上蓋、立柱分別見圖1（a）～圖1（e），建成后的示范徑流小區、土坎梯田徑流小區、坡面徑流小區分別見圖1（f）～圖1（h）。

按照《規程》要求，1個標準小區的投影面積為20 ｍ×5 ｍ（長×寬），從施工建設內容、建造費用、養護工作內容、使用壽命及養護費用等方面，對傳統模式徑流小區和裝配式無堿玻璃鋼徑流小區進行對比分析，見表1。

4" 結論與建議

4.1" 結論

采用無堿玻璃鋼材料建造徑流小區，將原來的土建施工變為產品安裝模式，提高了水土保持行業的產品化水平，實現了徑流小區標準化。裝配式徑流小區具有建設擾動減少、施工難度降低、性能更加穩定、建造周期縮短、建管成本可控等優點，還可使徑流小區建造更加快速便捷、經濟高效、規范標準，提高了監測數據的精準度和客觀性，具有較強的推廣價值和較好的應用前景。

4.2" 建議

1）《規程》中明確要求圍埂“應由水泥板或金屬板等邊墻圍成矩形”，但隨著新材料不斷涌現，多種材料皆能滿足需求且更適用，建議不限定圍埂材質；《規程》要求“邊界埋入地下30 cm”，但在北方寒冷地區，該埋深不足，土建基礎存在凍脹危害，建議根據不同地區確定埋深，輕質材料可不受限制。

2）《規程》中的“集流槽槽身由兩端向下中心傾斜”，建議改為“槽底由兩端向下中心傾斜為宜”。集流槽斷面和傾斜度需要根據不同地區降水量經過水文計算確定。在徑流量小的地區，若傾斜度偏小，則會產生泥沙沉積現象，因此傾斜度需要適當增大。《規程》中的“頂部加設蓋板”建議增加“不影響徑流流入集流槽”的條件，且蓋板上部的積水需排到徑流小區和集流槽以外。

3）《規程》中明確“導流管（槽）由鍍鋅鐵皮、金屬管或PVC管制成”，但“鍍鋅鐵皮”屬于金屬材質，“PVC管”的功能不全面，建議不限定導流管（槽）材質。《規程》中規定“長度一般為50～100 cm”，建議當在土石山區有地質條件限制時可適當調整長度；若選擇導流槽，則應封閉導流槽的上部。《規程》中未明確導流管（槽）的直徑和坡度，建議增加“滿足水文計算和泥沙不沉積”的相關要求。

4）利用集流桶人工方式采集徑流量和泥沙量數據，誤差大、時效性差，無法滿足精準和高效監測的要求，建議盡快推進在線自動監測設備應用，實現徑流泥沙監測的精準化、自動化。

［參考文獻］

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［3］ 陳瑾.多點岀流PVC材料徑流小區建設［J］.中國水土保持科學，2011，9（2）：28-31.

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［5］ 謝頌華，方少文，王農.水土保持試驗徑流小區設計探討［J］.人民長江，2013，44（17）：83-86.

［6］ 李月，周運超，白曉永，等.徑流小區法監測水土流失的百年歷程（1915—2014年）［J］.中國水土保持，2014（12）：63-66.

［7］ 王愛娟.我國水土保持監測點工作現狀及規范化建議［J］.中國水土保持，2017（4）：66-68.

收稿日期： 2024-06-01

第一作者： 趙方瑩（1974—），男，江蘇揚州人，教授級高級工程師，博士，主要從事水土保持生態修復研究與科技產業化工作。

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（責任編輯" 李佳星）