翻斗流量計測量徑流小區流量的精度與校正

劉瑛娜，劉 剛，劉寶元,，高曉飛，楊 揚，王大安，成聰聰

(1.北京師范大學 地表過程與資源生態國家重點實驗室，北京 100875；2.北京師范大學 地理學與遙感學科學學院，北京100875)

翻斗流量計測量徑流小區流量的精度與校正

劉瑛娜1，劉 剛1，劉寶元1,2，高曉飛2，楊 揚2，王大安2，成聰聰2

(1.北京師范大學 地表過程與資源生態國家重點實驗室，北京 100875；2.北京師范大學 地理學與遙感學科學學院，北京100875)

翻斗流量計；徑流小區；流量監測；精度；校正

隨著我國大規模水土流失監測工作的開展，徑流小區徑流量的自動監測越來越受重視，而翻斗流量計是備選設備之一。為了明確翻斗流量計用于小區監測的適用性，依據已有的小區資料，設計0.1、0.5、1.0、1.5和2.0 L/s共5個流量，0、50、100、300和500 g/L共5個含沙量，通過與徑流桶測量數據對比，測定翻斗流量計的測量精度。結果表明，當流量與含沙量較低時，翻斗流量計所測徑流量精度較高；隨著流量增大，翻斗流量計測量結果比實際值偏小，且誤差逐漸增大；隨著含沙量增大，翻斗流量計測量結果比實際值偏大，且誤差逐漸增大；這些變化有很好的規律性，可以通過線性回歸公式進行校正獲得較好的測量精度。

徑流小區是研究坡面土壤侵蝕和水土流失規律的重要觀測手段，徑流量觀測是徑流小區的主要監測內容[1-2]。徑流過程數據是土壤侵蝕動態過程和土壤侵蝕預報模型研究的基礎。傳統徑流小區徑流量監測一般采用集流池或分水箱加集流桶收集徑流，通過人工量測池/桶水深計算總徑流量，費時費力，且無法監測徑流過程，因此現在人們越來越重視徑流小區徑流量監測中自動監測設備和技術的應用[3]。作為備選設備之一，翻斗流量計能通過翻斗和自動計數器監測小區產流的連續過程。翻斗流量計屬于容積法量水技術，把徑流連續不斷地分割成單個已知的體積部分，并根據測量室重復充滿和排放的次數來測量徑流的體積總量和過程[4]。Barfield等[5]根據翻斗原理設計了測定流量的儀器，通過人工降雨試驗研究其測定徑流小區徑流量的精度，認為在0～200 g/L含沙量情況下測量誤差小于3%。Ahmed等[6]設計了一種翻斗測量系統進行徑流小區流量的測定和泥沙樣品的采集，測定25～50 m2徑流小區的徑流量和產沙量(流量范圍0.03～1.00 L/s)，結果表明整個測量系統誤差包括由小流量導致的泥沙淤積影響誤差和大流量導致的不穩定誤差。曹建生等[7]發明了一種翻斗自記流量測定儀，但沒有對其測量誤差進行研究。由于翻斗流量計在徑流小區中的測量精度及適用范圍并不清楚，因此本研究采用控制試驗的方法，研究翻斗流量計在不同流量條件下和不同含沙量條件下的測量精度，并確定翻斗流量計的適用范圍，希望能為翻斗流量計在坡面徑流小區流量監測中的應用提供依據和指導，推動全國水土流失監測站點徑流小區流量過程的自動監測。

1 材料與方法

1.1 翻斗流量計介紹

翻斗流量計由進水口、翻斗、限位螺絲、軸承、防濺擋板、外箱、感應磁鐵、數據采集器和出水口，以及數據采集存儲與遠程傳輸設備等組成，如圖1所示。翻斗容積為3 L。其工作原理是：一個翻斗接徑流時，另一個翻斗處于等待狀態；當翻斗所接徑流達到預定值(3 kg)時，由于重力作用翻斗立即翻倒，處于等待狀態，另一翻斗處于接徑流狀態；之后當翻斗所接徑流達到預定值時，又自動翻倒，處于等待狀態，從而保證監測水流的連續性。在翻斗側壁上裝有感應磁鐵，它隨翻斗翻動時從干簧管旁掃描，使兩個干簧管輪流通斷，即翻斗每翻倒一次，干簧管便送出一個開關信號(脈沖信號)，每個脈沖信號通過導線傳輸到數據采集器，每記錄一個脈沖信號，便代表3 L徑流量，實現產流過程中的自動監測與記錄。

圖1 翻斗自動流量計組成及部件

1.2 試驗設計

該試驗在北京師范大學房山實驗基地人工模擬降雨大廳進行。試驗小區為寬1 m、長5 m的人工土槽，土壤是北京郊區的褐土，土槽坡度5°。用水泵抽水注入小區模擬徑流，流量由分流器上的閥門控制。試驗分兩組，一組測定小區出口流量對翻斗流量計測量精度的影響，另一組研究含沙量大小對測量精度的影響。測定流量的影響時用清水，模擬徑流直接注入小區匯流槽，設計流量為0.1、0.5、1.0、1.5和2.0 L/s。測定含沙量的影響時用流量為1.0 L/s的渾水，設計渾水含沙量為0、50、100、300和500 g/L。徑流量的測定分兩部分：一是用翻斗流量計自動記錄，下載數據后計算流量過程線和總徑流量；二是將翻斗流量計流出的徑流引入集流桶，每次試驗完根據水位和集流桶底面積計算總徑流量，以此為標準計算翻斗流量計的測量精度。

試驗中選定的流量和含沙量的范圍能代表我國主要徑流小區監測范圍。表1列舉了全國五大水蝕區代表性小區的含沙量狀況。流量是根據黃河水利委員會子洲徑流場的資料擬定的。

表1 全國五大水蝕區代表性小區的含沙量狀況

2 結果與分析

翻斗流量計靠重量翻轉并計數，精度可能受徑流流入時的沖擊力、徑流濺出翻斗、翻轉過程中的損失和含沙量大小的影響。前三種是受流量大小影響，最后一種是受含沙量影響。

2.1 流量對測量精度的影響與校正

根據對試驗過程的觀察和分析，翻斗流量計測量的流量值可能小于實際流量值。為了確定測量精度，以徑流桶的總徑流量作為標準與翻斗流量計的測量結果進行對比。集流桶為圓柱體，體積固定，一次試驗的徑流總量很容易測量準確。對5個流量情況下的徑流總量進行對比(表2、圖2)，發現翻斗流量計測量徑流量(W斗，L)與實際徑流量(W實，L)的比率(γ)隨流量(Q，L/s)的增加呈線性下降趨勢(圖2)，擬合公式為

γ=0.937-0.075Q(R2=0.93)

(1)

式中：γ為翻斗流量計所測徑流量與集流桶測定徑流量之比；Q為流量，L/s；R2為決定系數。

表2 翻斗流量計與集流桶實測徑流總量對比

圖2 翻斗流量計所測徑流量與實際徑流量的比率隨流量的變化

當Q=0時，γ=0.937，這說明翻斗每次翻轉時的容積超過擬定數值(3 L)，需要通過限位螺絲調節到設定容積。調整到設定容積后，γ=1，公式(1)改為

γ=1-0.075Q

(2)

為了校正流量對觀測結果的影響，在計算實際徑流量時可用下式

W實=W斗/(1-0.075Q)

(3)

2.2 含沙量對測量精度的影響與校正

翻斗流量計的設計是按容積計數，但翻轉是按重量實現。含沙水流由于密度比清水的大，不到設計容積就會翻轉，導致測量流量大于實際流量，而且含沙量越大這種差異越大。5種不同含沙量的試驗表明，翻斗流量計所測徑流量與實測徑流量的比率(γ)隨含沙量的增大而增大(圖3)。含沙量的這種影響可以通過理論推導求得。根據含沙水流質量與設計清水質量相等的原理，得到如下等式

M設=W斗ρ水

(4)

M設=M沙+M水

(5)

式中：M設為翻斗設計容積對應的清水質，kg；M沙為實際徑流中泥沙的質量，kg；M水為實際徑流中清水的質量，kg；ρ水為清水的密度，g/cm3。

其中

(6)

M水=V水ρ水

(7)

(8)

(9)

上四式中：c為實際徑流的含沙量，g/L；V水為實際徑流中清水的體積，L；ρ沙為泥沙的密度，g/cm3；V實為實際徑流的體積，L。

將式(6)、(7)、(8)，帶入式(4)、(5)得到

(10)

為了校正含沙量對測量結果的影響，在計算實際徑流量時可用下式

(11)

圖3 翻斗流量計所測徑流量與實際徑流量的比率隨含沙量的變化

2.3 翻斗流量計所測流量的校正

對翻斗流量計實測流量進行校正，先進行流量對測量精度影響的校正，再進行含沙量對測量精度影響的校正，即根據公式(3)、(11)將不同流量和含沙量條件下翻斗流量計測定的流量進行修訂。測定含沙量影響時試驗設計流量為1L/s，實際流量為0.946L/s，試驗測定的褐土泥沙的密度為2.45g/cm3。圖4為校正前后的翻斗流量計測定徑流量與徑流桶測定徑流量的關系，校正后的點緊密分布在1 ∶1線附近。經流量影響和含沙量影響校正公式修訂后的徑流量結果與集流桶實測值非常接近。

圖4 校正前后翻斗流量計測量徑流量與徑流桶測量徑流量比較

3 結 論

(1)試驗結果表明采用翻斗流量計進行徑流小區的流量過程監測是可行的，建議3L的翻斗流量計在面積為100m2以下的徑流小區使用。3L翻斗流量計的流量測量范圍是0～2L/s。

(2)隨著流量增大，翻斗流量計所測流量結果比實際值偏小，且誤差逐漸增大；隨著含沙量增大，流量測量結果比實際值偏大，且誤差逐漸增大。規律的翻斗流量的測量誤差可以通過公式進行校正，以獲得較好的測量精度。

(3)當含沙量小于100g/L時，可不考慮含沙量影響，直接根據流量進行修訂；當含沙量大于100g/L時，則需根據泥沙密度進行含沙量對測定結果影響的修訂。一般情況下，褐土泥沙密度可采用2.45g/cm3，其他地區土壤試驗前需測定土壤泥沙密度。

[1]HudsonN.SoilConservation[M].AMES:IowaStateUniversityPress,1995:165-169.

[2] 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[J].中國水土保持,2014(12):63-66.

[3] 張玉新,魯勝力,王瑩,等.我國水土保持監測工作現狀及探討[J].中國水土保持,2014(4):6-9.

[4] 曹建生,劉昌明,張萬軍.基于翻斗法的自動量水技術及其應用[J].水利水電科技進展,2005,25(2):49-52．

[5]BarfieldBJ,HirschiMC.Tippingbucketflowmeasurementsonerosionplots[J].TransactionoftheASAE,1986,2(6): 1600-1604.

[6]AhmedAH,Khan,ChinKO.Designandcalibrationoftippingbucketsystemforfieldrunoffandsedimentquantification[J].Journalofsoilandwaterconservation,1997,52(6):437-443.

[7] 曹建生,劉昌明,張萬軍.基于翻斗法的雙輥打點式自記流量測定儀[J].中國農村水利水電,2005,25(1):112-114.

(責任編輯 李楊楊)

中央高校基本科研業務費專項資金項目(2013NT36)；中國博士后科學基金資助項目(2014M550646)；地表過程與資源生態國家重點實驗室資助項目(2015-RC-02)；國家自然科學基金委員會資助項目(41321001)

S157.1

A

1000-0941(2015)10-0044-03

劉瑛娜(1982—)，女，河北唐山市人，工程師，博士，主要從事土壤侵蝕及其環境影響方面的研究；通信作者劉寶元(1958—)，男，陜西佳縣人，教授，博士，主要從事土壤侵蝕與水土保持方面的研究。

2015-06-04