具体实施方式

下面结合附图对本发明的坡面径流-基质流-优先流水分运移过程观测系统和方法作进一步阐述。以下的说明本质上仅仅是示例性的而并不是为了限制本发明。

图1为根据本发明一个实施方案的野外原位观测坡面径流-基质流-优先流水分运移系统的整体结构示意图；图2为根据本发明一个实施方案的坡面径流集水装置的结构示意图；图3为根据本发明一个实施方案的土壤水流量收集器的结构示意图。

参考图1-3，根据本发明的野外原位观测坡面径流-基质流-优先流水分运移系统可以包括模拟降雨器10、坡面径流集水装置20、土壤水集水装置30、坡面径流流量收集器40、土壤水流量收集器50以及数据采集处理器60。

模拟降雨器10是模拟自然降雨的一种装置,其设置在待观测的坡面上方用于模拟自然降雨。模拟降雨器10为本领域所熟知，例如可以采用旋转下喷式降雨喷头技术来模拟降雨，在本文中不再赘述。可以利用自来水或者天然湖泊水来进行模拟实验，并且在水中加入适当的示踪剂，以便于后续观测。例如可以使用染料示踪剂如亮蓝溶液，还可以使用其他染色示踪剂(若丹明、亚甲基蓝、酸性红等)以及其他类型示踪剂，例如同位素示踪剂(³H、¹⁸O等)、无机阴离子示踪剂(Cl^-、I^-、Br^-等)、荧光素示踪剂等。当采用染料示踪剂时，后续可以采用摄取影像的方式来观测土壤中流体的流动特征，例如采用高分辨率的相机等。

坡面径流集水装置20包括坡面径流集流框21以及坡面径流集流槽22。如图所示，所述坡面径流集流框21设置在待观测的野外坡面上，所述坡面径流集流框21包括开口211，模拟降雨器10中的降雨降落到待观测的野外坡面上之后，坡面径流流经所述开口211进入坡面径流集流槽22中；然后进入坡面径流流量收集器40中。

所述坡面径流集流槽22可以包括集水管221、集水过渡部222以及盖 223。集水过渡部222的一端用于邻接所述开口211，另一端连接集水管221，盖223用于集水过渡部222的封盖，以防止水分蒸发或者溅落。在集水过渡部222的朝向集水管221逐渐收窄的倾斜面222’上还可以设置防泥沙布224，防止表面径流携带泥沙进入坡面径流流量收集器40中。

土壤水集水装置30包括底面31、设置在底面部分周边上的挡水板32 以及设置在挡水板上的集水口33。如图3所示，土壤水集水装置30的底面 31呈长方形，在三个边上形成有挡水板32，另一个边上不设置挡水板32，以方便在使用过程中将土壤水集水装置30插入到地下水平集水剖面中。在一个挡水板上设置集水口33，土壤水集水装置30设置地下水平集水剖面中，以收集来自模拟降雨器10中降雨流经土壤之后的基质流和优先流，之后通过该集水口进入土壤水流量收集器50中。另外，为了防止泥沙进入土壤水流量收集器50中，可以在集水口33上设置防泥沙布。

所述坡面径流流量收集器40和土壤水流量收集器50分别设置用于接受来自坡面径流集水装置20和土壤水集水装置30的流体。收集器例如可以为圆柱形，具有已知的口径，并且具有在收集器的底部中设置有压力传感器(例如来自Sinomeasure的SIN-P300，量程为0-50KPa)，能够实时监测收集器中流体的压力。所述数据采集处理器60与所述坡面径流流量收集器40和土壤水流量收集器50中的压力传感器连接，用于采集并处理数据。这样结合收集器的口径以及压力数值的变化可以计算出坡面径流和壤中流的动态变化数据。

图4为根据本发明一个实施方案的野外原位观测坡面径流-基质流-优先流水分运移过程的方法的流程示意图；图5为根据本发明一个实施方案的水平剖面挖取区和垂直剖面挖取区的示意图；以及图6为根据本发明一个实施方案的水平剖面和垂直剖面挖取示意图。

参考图4-6，根据本发明实施例的野外原位观测坡面径流-基质流-优先流水分运移过程的方法可以包括以下步骤：

首先在野外选取适当的坡面样地，例如选取较为平坦无明显积水的坡面区域，然后对野外坡面样地进行处理，包括清除地表枯落物并剪除地表杂草，挖出坡面下游土壤以在下游形成土壤垂直剖面(优选该剖面为自然土壤剖面)，并利用剪刀小心除去露在剖面之外的根系，用小刷子对对剖面残留松土进行细致清理。依据地质情况以及通过模拟降雨预试验结果设定挖取深度，在土壤垂直剖面的底部挖取一个地下水平剖面，以形成地下水平集水剖面，具体尺寸参照待布置的土壤水集水装置30的尺寸，用小刷子对水平面下表面进清理，以防止过多泥沙带入收集的土壤水中。

然后在处理后的坡面上设置本发明的装置。更具体地，将坡面径流集水装置20的表面径流集流框21设置在处理后的坡面上以限定出试验坡面；坡面径流集流槽22与表面径流集流框21相连，由此设置在土壤垂直剖面的前方。其中，表面径流集流框21的一部分可以插入到坡面的泥土中，由此将整个坡面径流集水装置20固定。另外，将土壤水集水装置30插入地下水平集水剖面中。土壤水集水装置30可以利用金属材质制成例如不锈钢，以方便插入。

设置模拟降雨器10来进行模拟降雨试验。利用示踪液，例如染色溶液，优选亮蓝溶液，对试验坡面进行模拟降雨试验。更具体地，根据试验所需降雨量配置亮蓝溶液，将配置好的亮蓝溶液作为示踪剂加入模拟降雨器中，进行模拟降雨试验。

利用所述坡面径流流量收集器40和土壤水流量收集器50实时收集通过坡面径流集水装置20流出的坡面径流和通过土壤水集水装置30流出的壤中流；所述坡面径流集水装置20、土壤水集水装置30中均可以设置防泥沙布，以防止泥沙等流入收集器；并利用数据采集处理器60采集和处理实时数据。例如，采集处理器60可以为无纸记录仪(Sinomeasure，SIN-R2000)，可以设定每30s进行一次压力读数，通过收集器口径以及压力数值的变化可以计算出坡面径流和壤中流的动态变化数据。其中，雨水流的收集和数据的采集时间与模拟降雨试验一致，或者可以稍微的延迟，直至没有水流出为止。

在模拟降雨结束后，可以先移除模拟降雨器，再利用防水覆盖物来覆盖所述坡面径流集水装置20以及试验坡面。例如可以采用塑料防水帆布对研究点进行覆盖防止降雨的输入和地表蒸发的输出以及避免染色剖面受到降雨、野外动物等影响。在预定时间例如24小时之后，移除防水覆盖物以及坡面径流集水装置20。

之后，在试验坡面中选取水平剖面挖取区和垂直剖面挖取区，分别在水平剖面挖取区和垂直剖面挖取区进行挖取，以依次形成多个水平剖面以及多个垂直剖面，并且在形成每一个水平剖面和每一个垂直剖面时利用记录设备例如图像采集设备来记录剖面特征。

考虑到布设试验装置前挖取坡面及装置的砸入与移走均会对边缘的土壤结构产生影响，以及模拟降水试验在边界部分的差异，为了避免边界效应的影响，可以选择在距离表面径流集流框21四周一定距离(缓冲区)的中间核心区进行土壤剖面的挖掘；另外，所述水平剖面挖取区与所述垂直剖面挖取区之间也可以设置类似的缓冲区。可以基于获得的上述多个水平剖面以及多个垂直剖面来分析流体流动特征。

为了方便挖取，可以先挖取靠近所述土壤垂直剖面的区域，也即，下游的区域，然后再挖取其他区域。

在挖取形成多个水平剖面以及多个垂直剖面的过程中，还可以包括采取土壤样品，用于优先流垂直方向和水平方向流动特征分析。

最后，可以利用获得的坡面径流和壤中流的动态变化数据以及上述流体流动特征，来分析径流-基质流-优先流水分运移过程。例如，拍照照片能反应出水分运移情况，根据染色面积判断优先流发生的情况；样品中含有有示踪物质，可以提取计算浓度，进而定量推算水分运移量；取剖面土样中也能挖到染色和未染色的根系和石砾，可以分析根石对优先流的影响情况等等。

实施例，下面结合实施例，详细说明本发明的装置以及方法的具体实施过程。

以亮蓝溶液为示踪剂模拟降雨，在北京的某一林地坡面进行实验。

(1)清除地表枯落物并剪除地表杂草，用铁锹在下坡方向挖取一个土壤垂直剖面，该剖面深度50cm，所挖区域及表面径流集流框21尺寸均为1.2 m×0.6m。利用剪刀小心除去露在垂直剖面之外的根系，用小刷子对对剖面残留松土进行细致清理。随后，在土壤垂直剖面的45cm深处挖取一个1.2 m×0.6m的地下水平剖面，厚度为5cm，并用小刷子对水平剖面下表面进清理，以防止后续实验中过多泥沙带入收集的土壤水中，然后在该水平剖面布设土壤水集水装置30(材质为软铁片制成，尺寸为1.2m×0.6m×0.05 cm)；随后布设模拟降雨器10、坡面径流集水装置20、坡面径流流量收集器40、土壤水流量收集器50以及数据采集处理器60等装置。

(2)根据试验所需降雨量为40mm/24h(大雨雨量)，使用浓度为4 g/L的亮蓝溶液；根据布设的染色样方表面积和实际消耗量计算出染色示踪试验，本试验所需亮蓝溶液为28.8L。将配置好的亮蓝溶液作为示踪剂加入模拟降雨器中，进行模拟降雨试验。模拟降雨试验开始后，剖面径流和入渗的壤中流分别通过坡面径流流量收集器40、土壤水流量收集器50收集实时流量，实验设定每30s进行一次压力读数，采用无纸记录仪(Sinomeasure，SIN-R2000)记录和处理数据，通过收集器口径和压力的数值变化可以计算出坡面径流和壤中流的动态变化数据。

(3)当模拟降雨试验结束后，先移除模拟降雨器，并用塑料防水帆布对研究点进行覆盖，防止降雨的输入和地表蒸发的输出以及避免染色剖面受到降雨、野外动物等影响。示踪试验结束的24h之后，缓慢去除坡面径流集水装置20和防水帆布。

(4)选择在距离铁槽四周5cm(缓冲距离)的中间核心区(1.1m×0.5 m)进行土壤染色剖面在挖掘，本实验剖面挖取深度为40cm，用小铲子从剖面顶部至下进行小心挖取，用刷子小心清理剖面后，用安装有三脚架的高分辨率数码相机(佳能5DMARK-IID，日本产)拍摄垂直剖面照片，并配合测量标尺和灰阶比色卡对垂直染色剖面进行拍摄，镜头焦距为25mm，照片分辨率为300dip，拍摄过程中使用遮阳伞，以避免曝光度过高对剖面拍摄产生影响。并用环刀挖取剖面土样(包含根和石砾)以供后期进行优先流垂直方向运移特征分析。

(5)以10cm为间隔的土层需要用小铲子从剖面顶部至下进行小心挖取，重复(4)步骤，共挖取5层垂直剖面。

(6)除去垂直剖面与水平剖面中间的缓冲区土壤(0.1m×0.5m×0.4 m)，拍摄第一层水平方向剖面染色图像，水平剖面尺寸为0.5m×0.5m，配合三脚架进行水平方向拍照，拍照过程与垂直染色剖面拍照相方式相同，并用环刀取样，用于优先流水平方向运移特征分析。

(7)以10cm为垂直方向间隔，挖取水平剖面，挖取剖面时，用小铲子从剖面左端至右进行小心挖取，并对挖掘剖面进行修整，重复(6)步骤，本试验剖面挖取深度为40cm，挖取4层，共得到5张水平剖面照片。

取样的过程例如可以包括将每层的剖面划分单元，例如10cm*10cm为一个单元，然后利用环刀在每个单元进行取样。

(8)之后，基于步骤(2)中的动态变化数据以及步骤(4)-(7)所得的垂直剖面和水平剖面以及所取样品，来分析径流-基质流-优先流水分运移过程。

例如，可以基于上述获取的信息和数据来构建模型，对水分运移过程进行定性和定量描述，模型例如有土壤水流运动模型、地表径流运动模型等等，这些模型为本领域中所熟知，在此并不赘述。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。