土壤侵蝕實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀稱重法選擇

邵 明,王 帥,葉碎高

(1.浙江省水利河口研究院,浙江杭州 310020;2.中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100085;3.中國(guó)科學(xué)院研究生院,北京 100049)

土壤侵蝕實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀稱重法選擇

邵 明1,王 帥2,3,葉碎高1

(1.浙江省水利河口研究院,浙江杭州 310020;2.中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100085;3.中國(guó)科學(xué)院研究生院,北京 100049)

土壤侵蝕;徑流泥沙監(jiān)測(cè);實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀;雙斗連續(xù)稱重法;單斗取樣稱重法

浙江省水利河口研究院于 2008年 3月研制成功了土壤侵蝕實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀,儀器的基本思路是從徑流中取樣、稱重并與清水比較,從而計(jì)算出徑流中的泥沙含量。介紹了監(jiān)測(cè)儀的工作原理和方法,重點(diǎn)探討了雙斗連續(xù)稱重法和單斗取樣稱重法的比較。采用單斗取樣制成的土壤侵蝕實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀經(jīng)過(guò)多次控制性實(shí)地監(jiān)測(cè)應(yīng)用,證明可以滿足野外環(huán)境下的水土流失監(jiān)測(cè)要求。

[項(xiàng)目來(lái)源]浙江省科學(xué)技術(shù)廳“水土流失實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備研發(fā)”項(xiàng)目

1 儀器研制背景

水土流失是我國(guó)生態(tài)環(huán)境惡化的表現(xiàn),同時(shí)也是生態(tài)進(jìn)一步惡化和群眾貧困的根源,已成為全球性環(huán)境災(zāi)害問(wèn)題之一,水土保持則是扭轉(zhuǎn)生態(tài)惡化和群眾脫貧的關(guān)鍵。認(rèn)識(shí)水土流失規(guī)律、定量監(jiān)測(cè)侵蝕過(guò)程和研究水土流失影響因素是有效開(kāi)展水土保持工作的前提[1]。針對(duì)傳統(tǒng)的水土流失監(jiān)測(cè)方法只能測(cè)量土壤侵蝕總量而不能反映土壤侵蝕的動(dòng)態(tài)過(guò)程,難以建立土壤侵蝕過(guò)程與降雨過(guò)程之間的關(guān)系,對(duì)監(jiān)測(cè)人員的依賴程度過(guò)高和樣品采集效率低等缺陷,特別是隨著全國(guó)水土保持監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)與信息系統(tǒng)建設(shè)和科學(xué)研究以及開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目對(duì)水土流失監(jiān)測(cè)精度、效率要求的逐漸提高,開(kāi)展水土流失實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究就具有重要的意義。鑒于此,浙江省水利河口研究院于 2008年 3月研制成功了土壤侵蝕實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀(見(jiàn)圖 1),并申報(bào)了一項(xiàng)發(fā)明專利和兩項(xiàng)實(shí)用新型專利,其中兩項(xiàng)實(shí)用新型專利已經(jīng)通過(guò)了國(guó)家專利局的批準(zhǔn)。

圖 1 土壤侵蝕實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀

2 土壤侵蝕實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀工作原理與方法

2.1 工作原理

利用固定體積的料斗從徑流中取樣,得到滿斗渾水(水沙混合體)的質(zhì)量、徑流產(chǎn)生和結(jié)束時(shí)間、雨量等參數(shù),將以上參數(shù)通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)平臺(tái)后再下載到各客戶端進(jìn)行處理,與清水進(jìn)行比較,即可計(jì)算出徑流中的泥沙含量。

2.2 工作方法

2.2.1 雙斗連續(xù)稱重法

雙斗連續(xù)稱重法指稱重支撐點(diǎn)上有兩個(gè)相鄰的接水斗,當(dāng)一個(gè)接水斗裝滿稱重后翻到倒水狀態(tài),另一個(gè)斗則處于接水狀態(tài),如此循環(huán)直到徑流結(jié)束(見(jiàn)圖 2)。按照水文水樣計(jì)算法計(jì)算出每斗渾水所含的泥沙量,將其相加后得到一次降雨產(chǎn)生的總泥沙量,同時(shí)也可得到相應(yīng)的泥沙含量變化過(guò)程線。通過(guò)時(shí)間記錄和循環(huán)次數(shù)還可以計(jì)算出一次降雨的徑流總量。

圖 2 連續(xù)稱重法示意圖

2.2.2 單斗取樣稱重法

單斗取樣稱重法指在稱重架上掛有一個(gè)稱重翻斗(見(jiàn)圖3),當(dāng)產(chǎn)生徑流時(shí),進(jìn)水管移至稱重翻斗上方,稱重翻斗即開(kāi)始接水;當(dāng)水面超過(guò)滿斗水面線時(shí),渾水開(kāi)始從三角缺口外溢,此時(shí)進(jìn)水管移至旁路,即圖 3中進(jìn)水管虛線位置;當(dāng)渾水停止從三角缺口外溢、水面穩(wěn)定在滿斗水面線時(shí)開(kāi)始稱重;完成稱重后,稱重翻斗由箭頭方向運(yùn)行 180°翻斗倒水(即至虛線位置),然后稱重翻斗再返回接水狀態(tài)重新開(kāi)始運(yùn)行,重復(fù)進(jìn)行直至徑流結(jié)束。同樣,按照上述方法計(jì)算出每斗渾水的泥沙含量,并可利用滿斗時(shí)間、附加等待時(shí)間(包括溢流穩(wěn)定時(shí)間、稱重穩(wěn)定時(shí)間和倒水等待時(shí)間),通過(guò)插值補(bǔ)償,計(jì)算得到徑流和泥沙總量及其變化過(guò)程線。

圖 3 單斗取樣稱重法示意圖

3 兩種工作方法比較

3.1 雙斗連續(xù)稱重法的特點(diǎn)

雙斗連續(xù)稱重法由于采用了雙斗連續(xù)接水,徑流量和泥沙量沒(méi)有損失,因此泥沙總量和徑流總量計(jì)算比較方便,只要通過(guò)簡(jiǎn)單的相加即可。但是,該方法也存在以下難以解決的技術(shù)難點(diǎn):①由于雙斗始終處于進(jìn)水狀態(tài),水面波動(dòng)造成的滿斗判斷困難,每斗容積相差較大;②進(jìn)水對(duì)水面造成沖擊力,而進(jìn)水流量和含沙量又是變化的,稱重時(shí)很難分辨進(jìn)水沖擊力的大小,難以扣除進(jìn)水沖擊力對(duì)稱重的影響;③倒斗中水時(shí)不可能使斗口朝下,所以殘留的泥沙較多,由于是連續(xù)接水,因此殘留量難以扣除。受以上因素的影響,此方法對(duì)稱重的準(zhǔn)確性有較大的影響,計(jì)算結(jié)果的誤差也較明顯。

3.2 單斗取樣稱重法的特點(diǎn)

單斗取樣稱重法使用單斗取樣接水,其泥沙含量計(jì)算與雙斗相同,其泥沙總量和徑流總量計(jì)算的準(zhǔn)確性與所采樣本的密度有關(guān)。

單斗取樣稱重法解決了雙斗連續(xù)稱重法難以滿足的技術(shù)要求,當(dāng)水面超過(guò)滿斗水面線時(shí),渾水開(kāi)始從三角缺口外溢,此時(shí)進(jìn)水管移至旁路,直至水面穩(wěn)定在三角缺口底部且平穩(wěn)時(shí)為止,這樣就保證了每斗容量的一致性和準(zhǔn)確性,且無(wú)進(jìn)水沖擊力的干擾,從而保證了稱重的準(zhǔn)確。此外,由于倒水時(shí)斗口朝下,渾水快速倒向地面,斗中殘存的泥沙極少,計(jì)算中也容易扣除殘留的泥沙,這就進(jìn)一步保證了稱重的準(zhǔn)確性。采用單斗取樣稱重法稱重,數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性高,技術(shù)上也比較容易滿足要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)比雙斗連續(xù)稱重法和單斗取樣稱重法的稱重方法、工作特點(diǎn)后可以得出以下認(rèn)識(shí):①雙斗連續(xù)稱重法與單斗取樣稱重法機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度基本相當(dāng);②雙斗連續(xù)稱重法與單斗取樣稱重法計(jì)算泥沙含量的方法相同;③與單斗取樣稱重法相比,雙斗連續(xù)稱重法由于受進(jìn)水沖擊力的影響,增加了滿斗重量測(cè)定的難度,因此也影響到泥沙含量和徑流總量計(jì)算的準(zhǔn)確性;④雙斗連續(xù)稱重法與單斗取樣稱重法計(jì)算泥沙總量和徑流總量時(shí),前者直接累加,后者則需在累加后插值補(bǔ)償。

采用單斗取樣制成的土壤侵蝕實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀經(jīng)過(guò)多次控制性實(shí)地監(jiān)測(cè)應(yīng)用,其結(jié)果與實(shí)際值的相關(guān)系數(shù)達(dá)到 0.98～0.99。目前,我們將單斗取樣土壤侵蝕實(shí)測(cè)監(jiān)測(cè)儀安裝在浙江省安吉縣水土保持示范園區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn),實(shí)踐證明該儀器可以滿足野外環(huán)境下的監(jiān)測(cè)要求。

[1]水土保持專家劉寶元先生論:水土流失監(jiān)測(cè)的概念、種類與方法[J].水土保持通報(bào),2007,27(4):F 0002.

S 157

A

1000-0941(2010)10-0062-02

邵明(1954-),男,山東文登市人,高級(jí)工程師,學(xué)士,主要研究方向?yàn)樗亮魇ПO(jiān)測(cè)儀器研制;通信作者王帥(1982-),男,內(nèi)蒙古鄂爾多斯市人,博士研究生,主要從事水土資源保護(hù)與利用方面的研究。

2010-05-31

(責(zé)任編輯 趙文禮)