祁连山及山前绿洲荒漠区生态水文研究：试验样地监测与计算方法

4.1.1　气象监测场和仪器设备布设

根据《地面气象观测规范》，在祁连山大野口流域沟口建立地面气象站（100°17′18.1″E，38°34′01.4″N，海拔2579 m）。各种气象仪器均按《地面气象观测规范》的要求进行布置。

4.1.2　气象监测与订正

实行每日8：00、14：00和20：00点定点三次观测。观测和数据的订正整理都严格按照《地面气象观测规范》的要求进行。

4.1.3　降水监测

气象站内布设雨量器、虹吸式自动降水量测定仪器，对降水进行实时监测（如表5）。

表5　祁连山大野口流域降水、空气湿度、土壤水、河川径流数据来源

4.1.4　冻土冻融监测

2013年10月份，根据流域海拔、坡向、坡度和植被类型的不同和代表性，设置15块样地（样地概况用样地号标注，如表6）。每块样地内布设冻土器对冻土冻融现象进行监测。冻土器安装：根据土壤的厚度将长为300 cm或200 cm或150 cm、直径5 cm的外套管打入地下，同时将长与外套管相等、直径1 cm的橡胶冻结管内注入水，然后将外套管与土壤之间的缝隙回填好，防止降水进入。根据冻土器内水柱冻结的刻度，测定冻土冻融的变化过程。

表6　样地编号及其基本情况

续表

4.1.5　土壤特性测定及计算

利用环刀法和土壤吸水量法进行土壤特性测定。在海拔2700 m处选择青海云杉林内外设置对照样地，按照土壤发生的自然层次或机械分层（0～10、10～20、20～40 cm）用大环刀（体积200 cm3）每处做3次重复采取土样带回室内处理。首先将环刀土样放置于水层高度不超过环刀上沿的平底塑料容器（容器高15 cm）中，让其充分吸水24 h后称量土壤孔隙完全吸水的土重（g1，g）；接着将土样环刀在铺有干沙的平底方形塑料容器中放置2 h后再称量毛管吸水的土重（g2，g），并在烘箱内105℃下烘干至恒重后再称量干土重（g3，g），计算公式为：

土壤孔隙度（P1）％=（g1-g3）/200×100

非毛管孔隙度（P2）％=（g1-g2）/200×100

毛管孔隙度（P3）％=（g2-g3）/200×100

土壤容重（w）g/cm3=g3/200

式中“200”为环刀或土壤体积（cm3）。

4.1.6　土壤蒸发量测定及计算

在海拔2700 m处选择青海云杉林内外设置对比样地，即在林内样地和林外草地上各布置3个土壤蒸发器。2004—2006年采用实测法（土壤蒸发器测量），根据水量平衡原理计算土壤蒸发量。土壤蒸发器由两个内外壁接触的雪花铁皮桶组成，外桶底部带漏斗，漏斗下安设贮水瓶，收集来自蒸发器的渗透水；内桶平底带网孔，可漏水或通气。在样地内取原状土柱放入蒸发器内桶，土柱表面与蒸发器外沿及周围地表相平。同时配置传统的降水量测定器、水面蒸发器。土壤蒸发量计算公式为：

E=10（E1-E2）S-1d-1+P-R

式中，E为土壤蒸发量（mm），E1为上次土柱称重（g），E2为本次土柱称重（g），P为两次称重间隔期的降水量（mm），R为两次称重间隔期的渗透量（mm），d为水的密度（g/cm3），S为土柱底面面积（cm2）。

4.1.7　降雪消融样地监测法

（1）样地布设

根据立地类型，在祁连山大野口流域乔木林内外、灌丛林内外、阴阳坡和不同坡位分别布设对照监测样地，共布设6类监测样地（如表7），每类样地内布设2个重复监测。

表7　祁连山大野口流域降雪消融对照监测点

（2）降雪消融监测与计算方法

在监测样地内选择有代表性的监测点，将两根长约40 cm的铁条插入地面约15 cm（稳固不晃动为原则），铁条之间距离约40 cm。铁条分别贴上标签，标明地点、测点重复次号和“左”“右”标记。在铁条两端上部距地面水平绷直拉一根弹性很小的细线，用墨水在细线上均匀做10个黑点标记。每个立地观测点有2个重复。用钢卷尺以细线上每个黑点标记为起点垂直地面量取标记点到地面（雪面）的距离，10个标记点从左到右测量。2002—20011年的12月1日开始，翌5月份结束，测定时间为16：00—17：00。

计算公式为：

其中，Sh为积雪消融值，Lh1为本次细线到雪面距离观测值，Lh2为上次细线到雪面距离观测值，Ph为降雪厚度，单位均为cm。

（3）降雪密度调查与计算方法

当积雪厚度大于7 cm时，在每个监测点选择有代表性的地点，用中环刀取降雪样品，每个观测点取5次，将样品装入自封袋，体积为1000 cm3，带回实验室，测定其质量，求算积雪密度。每次降雪后（厚度足够环刀取样）及时取样一次，在长时间不降雪时，可每半月取样一次，测定积雪密度。

4.1.8　土壤水热监测

（1）样地布设与仪器安装

2013年6月份，将探头（U30-NRC，产品序列号为：10673689）分别埋设在土壤0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm深度的土层中。为了方便研究，将土壤0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm深度的土层分别标记为S1、S2、S3、S4、S5，其体积含水率分别标记为S1w、S2w、S3w、S4w、S5w，其温度分别标记为S1t、S2t、S3t、S4t、S5t；将样地概况用样地号标注（如表8）。

表8　祁连山大野口流域样地编号及其基本情况

（2）土壤水热调查

在49块25 m×25 m的大野口流域青海云杉固定样地中，土壤剖面应设置在代表性较广的地形部位上，在固定样地外下方选择土壤水热监测样地，与苔藓枯落物监测同步进行。一般挖成1 m×（1.5～2 m）的长方形土坑，其深度因土而异。祁连山由于存在冻土，土壤通常深不到1 m；先自上而下按0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm划分层次，接着用针式土壤温度测量仪测量各层土壤温度，每层土壤测3次重复，取平均值；然后在各层次用土壤环刀取样，每层取2次重复，将各层土样带回实验室进行土壤含水率测定。

4.1.9　林分结构固定样地监测

按照森林生态系统长期定位观测方法结合目前国际上森林生态学的最新研究方法，于2013年在植被生长季期间，在大野口流域内建立了49块25 m×25 m的固定样地（如表9），乔木林主要是青海云杉林，土壤为山地森林灰褐土，水热条件较好，空气湿度相对较大。调查内容和方法包括样地封面因子调查（基本概况、地形地势、海拔、坡向、坡度、坡位、小地形、经营历史）和乔木每木检尺。(www.xing528.com)

表9　祁连山大野口流域青海云杉样地信息统计（2013年）

在祁连山大野口流域选取的49块固定样地，纬度跨度为3′11.9"，经度跨度3′23.94"；海拔从中山到亚高山（2733～3123 m），海拔梯度区域390 m，是青海云杉主要垂直分布区；坡向主要集中在阴坡和半阴坡，坡度以缓坡为主，最陡坡为38.7°；25 m×25 m的固定样地内乔木株数和郁闭度分别为（57.53±2.77）株和（0.62±0.0199），样地内树木最少是15株，最多是116株。

4.1.10　林冠截留监测样地及计算

在大野口流域的49块固定样地中，选择其中的观台样地建立林冠截留监测点。在林冠截留槽的布设过程中，选择网格布设和单株布设两种方式。

（1）网格样地

在样地内按照10 m的间隔划出正方形网格，在网格中心点上布设林冠截留槽。槽长1 m，宽0.2 m，高0.25 m，共布设6个林冠截留槽。在林外空旷地随机布设1个直径0.2 m的雨量筒监测降水。

（2）单株样地

在样地内按照径级50～60 cm、40～50 cm、30～40 cm、20～30 cm、10～20 cm、＜10 cm的青海云杉作为监测对象，其下布设长宽高分别为1 m、0.2 m、0.25 m的林冠截留槽或直径为0.2 m的截留筒，其中径级50～60 cm的青海云杉靠树干向外沿同一方向按冠幅级0～1 m、1～2 m、2～3 m、3～4 m分别布设截留槽1个，共布设4个；依次类推，径级40～50 cm和30～40 cm的分别布设截留槽3个，共布设6个；径级20～30 cm和10～20 cm的靠树干向外沿不同方向布设3个截留槽作为重复对照监测，共布设6个；径级＜10 cm的青海云杉更新林随机布设5个截留筒作为重复对照监测。在林外空旷地随机布设3个直径0.2 m的雨量筒监测降水。

（3）林冠截留率计算

L=A/P×100％，其中A=P-Pl。

式中，L为林冠截留率（％）；A为林冠截留量（mm）；P为林外（林冠上）降水量（mm）；Pl为林内降水量，包括穿透水和滴水量（mm）。

4.1.11　苔藓枯落物监测

在49块25 m×25 m的大野口流域青海云杉固定样地中，除了调查乔木的胸径、树高、冠幅、枝下高、年龄以及样地内物种组成、生长状况等，同时记录胸径小于1.0 cm的活立木木本植物株数和高度及草本植物物种组成、生长状况等，还要同步调查苔藓枯落物及其土壤水热状况。在样地四角的中间部位选择5个0.2 m×0.2 m的苔藓枯落物小样方，测定枯枝落物层的厚度，精确到0.1 cm，并将样品装入塑料袋内带回实验室，称取鲜重，60℃烘干至恒重以后称取干重，精确到0.1 g。

4.1.12　基于雷达的河川径流监测及算法

（1）水面比降测量及算法

以雷达测水位处的河流断面为中心部位，在距离断面两边分别取3 m、5 m、10 m、20 m、30 m、40 m的测量点，用水准仪测得河道相对高程。水面比降I=ΔH/Lr，式中ΔH为河流方向的高程差，Lr为雷达测点两边河流长度。

（2）4横断面测量及算法

在雷达监测水位处河川横断面上方从南岸到北岸水平拉50 m的皮尺，从南岸开始，在皮尺测点处间隔0.2 m从河床底直立水准尺，用水准仪依次读取水准尺刻度，一直测量到河道北岸，得到的一列读数记为Hw，测量雷达探测器正下方皮尺至水面的距离记为Ha，以及该处的水准仪读数记为Hs，将雷达测点处河床位置调整为0，计算河川横断面相对水位H0=Hs+Ha-Hw。雷达监测到的水位为Hr，计算河道水深h=Hr-H0（其中当Hr-H0＜0时，计h=0，当Hr-H0＞0时，h=Hr-H0）。

河川横断面可看作由n个以相邻两水位为上底和下底组成的梯形，计算河川横断面面积，式中hn、hn+1分别为相邻两测点河道水深，s为测点之间的距离。

（3）河道水力半径算法

雷达监测水位处河道湿周，式中hn、hn+1分别为相邻两测点河道水深，s为测点之间的距离。

河道水力半径R=A/L，式中A为河川横断面面积，L为河道湿周。

（4）流速仪实测流量及算法

在雷达监测水位处，在河川横断面上方从南岸到北岸水平拉50 m的皮尺，以一定的间隔距离s=0.2 m（2013年6月28日测流间隔距离）或0.3 m（2013年7月20日测流间隔距离）的皮尺测点处用流速测定仪（南京水利水文自动化研究所制造，XZ-3型通用智能流速仪计数器）测量该处的河川径流速度Vn，流速仪实测流量，其中An为第n个测点处的河川横断面面积，Vn为第n个测点处的河川径流速度。2013年6月28日（雷达测得的水位为0.25 m）和2013年7月20日（雷达测得的水位为0.34 m）2次测定河川径流量分别为0.5531 m3和1.7261 m3。

（5）河川横断面糙率和谢才系数算法

谢才系数，式中Qf为流速仪实测流量，A为河川横断面面积，R为水力半径，I为水面比降。

河道糙率N=R1/6/C，R为水力半径，C为谢才系数。将多次计算所得的河川糙率加权平均后，可引入河川径流量的计算参数。

（6）河川径流量算法

雷达监测水位处河川径流量，式中A为河川横断面面积，C为谢才系数，R为水力半径，I为水面比降。根据雷达监测水位与相应的河川径流绘制水位流量图。

4.1.13　基于水库河川径流量监测及算法

从1983年1月1日至今，每天8：00和20：00用目测水尺法测定大野口水库水位，将监测到的水位数据和水库库容曲线表对照查算，可得出水库蓄水量，一段时间的前后蓄水量之差，可求得这一段时间的流域来水量（单位：m3），为了使河川径流量与降水量的单位一致而便于比较，用单位时间的来水量除以流域总面积，可求得这一段时间内流域河川径流深（mm），通常也称流域河川径流量（mm）。为了使河川径流和地面气象站监测数据在时间上相匹配，提取1994年1月1日至2011年12月31日水库每日水库来水量和地面气象站监测数据进行气温、降水和流域河川径流分析。

4.1.14　基于量水堰的河川径流量监测及算法

河川径流测定采取2种方法：河川径流封冻之前，在祁连山排露沟流域出口处修建三角形（60°）量水堰（100°17′9.6"E，38°33′25.2"N），海拔2642 m，用自记水位计监测河川径流量；河川径流封冻之后，将冰层打破，采用容积法测定冰下水流量（流满一桶水所用的时间，桶的容积除以时间，可得河川径流速度）。

量水堰和自记水位计测河川径流速度计算公式为：

式中，，P是三角形堰的顶角到堰底的距离，B为堰的宽度，h为水头高度，g为重力加速度，θ为三角量水堰的顶角度数，H为实测水位（cm），Q为河川径流速度（m3/s）。

经计算，祁连山排露沟流域60°三角量水堰计算公式中，Ce=0.6，K＝0.081835，Q＝0.0818.5×H5/2÷100000。

破冰和容积法测河川径流计算公式为：

式中，Vt为测量桶的容积（m3），S为流满容积所用时间（s）。经测定，祁连山排露沟河川径流测量桶容积Vt=0.017783 m3。