徑流泥沙監測方法研究現狀與展望

展小云，曹曉萍，郭明航，趙 軍

(1.西北農林科技大學 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，陜西 楊凌 712100；2.中國科學院/水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100)

徑流泥沙監測方法研究現狀與展望

展小云1,2，曹曉萍1,2，郭明航1,2，趙 軍1,2

(1.西北農林科技大學 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，陜西 楊凌 712100；2.中國科學院/水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100)

水土流失；監測方法；徑流量；含沙量；自動化

徑流泥沙監測是土壤侵蝕過程和機理研究的難點，也是水土流失動態評估和防治的基礎。針對徑流泥沙組成復雜、監測現場變異性大、監測技術和方法不統一、測量結果可比性差等研究現狀，從測量原理出發，綜述了幾十年來國內外徑流泥沙監測技術和方法的研究進展，分析了徑流泥沙不同監測方法的適用環境、測量精度及局限性，并且針對目前徑流泥沙監測方法存在的問題和水土保持學科發展需求，提出了徑流泥沙監測自動化、精準化和信息化的發展方向。

1 開展徑流泥沙監測的必要性及現狀

據統計，全球有水土流失面積約1 640萬km2，占土地總面積的10.95%[1]。水土流失不僅會導致土壤退化、土地生產力降低，影響農業生產和糧食安全，而且隨徑流、泥沙運移的污染物會對相鄰地區的生態環境和社會經濟發展帶來嚴重影響[2]。中國是世界上水土流失最嚴重的國家之一，水土流失面廣量大，不僅廣泛發生在丘陵區和風沙區，而且發生在城市周邊和開發建設區。根據第三次全國土壤侵蝕遙感調查，我國土壤侵蝕總面積161萬km2，其中輕度、中度、強烈、極強烈和劇烈侵蝕面積分別占51.4%、32.7%、10.7%、3.7%和1.5%。為保障經濟社會的可持續發展，我國已將水土保持確定為一項長期的基本國策。

國際上對水土流失進行試驗研究始于1877年德國土壤學家WOLLNY。此后，針對土壤侵蝕開展了一系列大型研究計劃，例如全球變化陸地生態系統研究(Global Change and Terrestrial Ecosystems Core Project, GCTE)、土地利用與土地覆被變化(Land Use and Land Cover Changes)等[3]。我國對水土流失的研究始于20世紀20年代在晉魯豫地區進行的水土流失調查及徑流監測，大規模開展水土流失研究并取得重要成果則是從20世紀50年代開始的，20世紀70年代末改革開放戰略的實施和深入推進為水土保持科學研究提供了更為廣闊的發展空間。

徑流泥沙是衡量土壤侵蝕的重要參數之一，可為土壤侵蝕動力過程的模擬與研究、土壤侵蝕預報模型的建立等提供基礎資料，為水土流失的監測、防治等提供科學依據。長期以來，人們一直嘗試著利用各種物理方法實現對徑流泥沙較為準確的測量，但是徑流泥沙組成復雜、具有沉降黏附特性、監測現場環境條件錯綜復雜等，使得徑流泥沙的測量方法和技術存在難以推廣應用的缺陷，并且相應的儀器設備品種較少。目前市場上已有流域卡口站量水堰徑流泥沙樣品自動采樣器等相關產品，但仍然缺乏徑流泥沙在線自動測量的實用儀器。本研究計劃歸納徑流泥沙測量的主要方法，包括烘干法、γ射線法、振動法、超聲波法、電容法、光電法、激光法和遙感法等[4-6]，并就其原理、技術、儀器設備和效果等進行比較分析，針對現有方法存在的問題，依據目前發展的新理論和新技術，結合水土保持學科發展的需求，提出自動化、精準化、信息化測量徑流泥沙的新方向。

2 徑流泥沙監測方法

2.1 烘干法

烘干法又稱稱重法，即取一定量的樣品，測量其原始質量和烘干后的質量，從而確定樣品的含沙量。采用烘干法測量時，高溫與長期加熱會造成土壤中的有機質被碳化[7]，使得測量的含沙量遠小于實際含沙量，因此一般來說，傳統烘干法測量結果相對誤差范圍為-89.95%～-42.05%，平均為-75.54%，90%以上的樣本誤差超過50%[8]。此外，該方法測量周期長、過程繁瑣，不能在線實時測量，測量結果只是隨機時間段內的平均值，無法反映含沙量的即時變化。由于烘干法相對容易實現，因此至今仍被廣泛應用[9-11]，但是樣品采集的精度及自動化程度是該方法的主要限制因素。目前，徑流泥沙測量主要采用人工方法，不僅費時費力，而且攪拌取樣代表性難以保證，還無法得到徑流泥沙變化過程的樣品。為了克服上述缺點，符素華等[12]針對傳統測量方法在石質山區的不適用性，提出了分層測量的方法，大大改進了測量的精度，使得測量的平均誤差降低為-2.77%；葉芝菡等[8]研制了集流桶含沙量全深剖面采樣器，以一種簡單的采樣技術代替傳統方法來提高徑流泥沙的測量精度；為實現小流域徑流泥沙的動態監測，曹建生等[13]研制了一種小流域徑流泥沙自動采集器，并且通過模擬試驗驗證了采集器的適用性、可靠性和監測精度，與標準值的平均相對誤差僅為0.42%。關于流域卡口站徑流泥沙樣品的采集，由于暴雨徑流發生時間存在不確定性及徑流量偏大的特點，因此傳統的人工采集方法與集水池法很難實現對徑流泥沙樣品的準確采集。德國ISCO轉盤式水樣自動采集器可定時采集泥沙樣品，采樣瓶一般為24個，每個采樣瓶的容積為250 mL，但是該方法采樣體積太小，且無法現場測量徑流泥沙。

2.2 γ射線法

為了克服傳統方法的缺陷，FERGUSON et al.[14]提出了一種新的測量方法，即γ射線法，最初該方法被廣泛用于土壤含水量的測定中。γ射線在含沙水溶液中發生康普敦-吳有訓效應，其透射強度服從指數衰減規律，衰減的快慢程度與被測水體的含沙量有關，因此可以利用γ射線衰減與水體中泥沙含量的關系推求含沙量。雷廷武等[15]首次嘗試采用γ射線法測量徑流含沙量。試驗結果表明，γ射線透射通過泥沙溶液的強度與水流含沙量間有極顯著的線性相關關系，并與理論計算結果高度一致。但是，γ射線水平透射時，泥沙的顆粒組成、泥沙沉積和分層現象等會對測量精度產生較大影響。針對上述問題，雷廷武等[16]通過縮短γ射線源與能譜探頭間的距離來減少測量時間，使得儀器測量周期縮短為4 s，測量范圍比較廣，為0～750 kg/m3，同時提高了測量精度，測量結果的相對標準誤差<1%，誤差主要受標準泥沙溶液的配制、射線脈沖的隨機性、儀器的穩定性等影響。基于γ射線法，王輝等[17]研制了一種LTW-1型全自動徑流泥沙含量動態測量儀，該測量系統結合了核技術、電子技術和機械制造技術，充分利用計算機通信技術，實現了坡面徑流含沙量的快速、實時、動態測量。γ射線法實現了徑流泥沙測量從傳統方法向半人工監測方法的轉變，避免了樣品采集的繁重工作量，提高了測量的自動化水平。盡管該方法有很大的測量優勢，但問題是137Cs放射源的強度高達1 Ci，安全防護困難，對人體危害很大，因而無法推廣使用。

2.3 振動法

WILLIS et al.[18]以振動學為原理，根據諧振棒在不同含沙量泥水中的不同振動周期來推求含沙量，并利用U形管在水槽中進行試驗。美國FIASP公司在20世紀80年代中期研制了U形管泥沙含量計(FIASP，美國)，這種儀器在河水水位變幅較小時，可記錄下幾個很陡的泥沙峰值，這是人工測量所無法實現的。此外，云南大學和云南省水文總站合作研制了一種振動式泥沙含量監測儀，該儀器分辨率為0.1 kg/m3，更適合于河道高含沙徑流的測量；王智進 等[19]對振動式懸移質測沙儀的關鍵技術進行了研究，并對儀器應用進行了大量試驗。2003年9月，振動式懸移質測沙儀在黃河小浪底水庫的防洪預泄工作中進行了初試，結果發現該儀器能夠快速、準確地監測和記錄含沙量的實時變化，測量范圍大，受泥沙粒徑變化影響小，并提供了數據采集與傳輸的智能接口，便于數據遠程傳輸，為實現水文測量數字化打下了基礎。但是，振動法測量含沙量的結果穩定性較差，測量震動管中的泥沙持續沉積導致零點漂移嚴重，加之監測儀器體積較大，而坡面徑流水深較淺，使振動裝置無法正常工作，故此類儀器不適用于坡面徑流含沙量的測量。

2.4 超聲波法

20世紀90年代，一種新的徑流泥沙測量方法——超聲波法被提出，該方法是根據超聲波在含沙水流中的反射和衰減特性來測量水流中的含沙量，但是含沙量測量范圍較小，僅為0～3 kg/m3。中國科學院山西煤炭化學研究所與陜西省水文總站合作研制的超聲波測沙儀含沙量測量值相對均方誤差為±4.66%[20]。陳彥華等[21]研制的含沙量垂線分布測試系統可在低含沙水流(含沙量在2.5 kg/m3以下)中對水面下20 cm 范圍內的含沙量及其分布進行快速測量。加拿大生產的一種儀器設計測量范圍為0.5～70.0 kg/m3，但在美國進行的野外測量結果表明，含沙量過低時儀器測量準確度較低。大量學者的研究表明，超聲波法測量含沙量時，為保證超聲波經衰減后信號能被接收到，其強度不能太小，而超聲波強度較大時，超聲波會與泥沙顆粒發生相互作用而影響溶液濃度，產生“空化現象”，同時還會造成大的泥沙顆粒粉碎而改變原有溶質粒子的粒徑組成。由此可見，超聲波法目前僅適用于低含沙量的測定。

2.5 電容法

電容法是利用泥水混合物中含沙量的變化會引起其介電常數變化這一電物理學性質，通過測量電容的變化來測量含沙量變化。電容傳感器原理簡單，只要兩相流體具有不同的介電常數即可進行測量，而且電容測量系統構造簡單、成本低、使用安全、響應速度快。國內學者進行了系列研究[22-23]，用自行研制的電容式傳感器(專利號：ZL 00226706.3)測量了水流中的含沙量，結果表明該方法具有可行性，但該傳感器系統受溫度的干擾較為嚴重。在智能傳感器的初級形式中主要采用硬件電路的補償技術，如李小昱等[22]研制了平板式與同軸圓筒式兩種結構的電容傳感器，通過試驗驗證平板式電容傳感器的非線性誤差為0.20%、重復性誤差為0.13%，同軸圓筒式電容傳感器的非線性誤差為0.10%、重復性誤差為0.10%。沈逸等[23]采用人工神經網絡方法對傳感器的輸出進行數據融合處理，即以電容傳感器的泥沙測量值和環境溫度作為網絡的輸入，并用改進的BP(Error Back Propagation)算法對網絡進行訓練得到融合輸出值，試驗結果表明采用基于人工神經網絡的數據融合方法可有效地消除環境溫度對電容傳感器所產生的影響，從而得到精確、穩定的輸出值。由于電容受溫度影響較大，電容兩端輸出電壓隨溫度、土壤含鹽量升高而呈非線性增加趨勢，電容測量精度要達到1 pF，而目前電容測量技術遠不能達到，加之徑流流速的影響，使得電容法的適用條件受到很大限制，因此目前尚處在理論研究階段。

2.6 光電法

光電法是利用光線投射含沙水流的吸收和散射性，依據不同含沙量對光的衰減作用來測量含沙量，通常采用透射法和后向散射法測量含沙量。國內在這方面的研究開展得較早：徐明才等[24]研制了光電測沙儀，使用浸入式探頭，可以測量小于5 kg/m3的含沙量；曾為軍等[25]利用單片機測量技術、MATLAB數值分析技術和光敏傳感技術提出了一種基于計時法和光電法的徑流量與含沙量的測量方法，設計了坡面徑流量及含沙量同步在線檢測的自動檢測系統，試驗結果表明，除濃度1～3 kg/m3的溶液測得的含沙量誤差較大外，其余濃度的誤差均小于1%。但是該方法受到光源與光敏感傳感器之間的距離、泥沙容重、不同泥沙顆粒組成及泥沙沉降等狀況的嚴重影響而未能廣泛應用。

此外，含沙量測量方法還有激光法和遙感法。美國Sequoia科學儀器公司根據激光散射原理，研制出用于現場測記懸沙含沙量、顆粒級配、平均粒徑的激光測沙儀(Sequoia，美國)。在國內，長江水利委員會水文局引進了多臺現場激光粒度分析儀(ISST-100X)，并建立了三峽泥沙報汛系統，由測站將數據輸入自動報汛系統，通過超短波、電話、衛星等信道進行數據傳輸，該系統的建立為泥沙的現場監測和自動報汛提供了發展思路和研究參考。但是，在坡面侵蝕過程中，坡面泥沙不斷經歷剝離、搬運、沉積過程，徑流中泥沙粒徑的組成隨時間不斷發生變化，而使此方法具有一定的理論誤差，加之用此方法設計的測試儀器成本較高，設備笨重、龐大，因而無法正確有效地測量坡面水流中的含沙量[26]。遙感法是根據衛星遙感攝影獲得的河口、河流、水庫、湖泊等地區懸浮泥沙的光譜特性影像，反演計算大面積水域水體的平均含沙量，用于大范圍低含沙量測量，不能在坡面、溝道進行定點測量[27]。

受傳感器件和電子元件靈敏度的限制，上述方法的測量精度都較低，受現場客觀因素的影響較大，需要在現場進行較繁瑣的調校，而且儀器的穩定性較差，現場測量徑流含沙量的變化范圍窄。基于上述問題，至今仍沒有一種好的徑流泥沙測量方法。無論是在室內人工模擬降雨進行水土流失研究時，還是在野外試驗小區進行長期定點水土流失監測時，都迫切需要研制實用的徑流泥沙自動測量系統。

3 展 望

在徑流泥沙監測方面，現有的研究方法仍不能滿足實際需求，這給我們提供了進一步研究的機遇和挑戰。結合現代研究技術和普遍關注的熱點，建議下一步可針對以下幾個問題加以重點研究。

(1)解決徑流泥沙監測誤差大的問題。一次徑流泥沙過程的樣品總量很大，對采集的徑流泥沙樣品全部做烘干處理是相當困難的。目前，徑流泥沙監測通常采用徑流池、徑流桶等收集徑流，測徑流總量，然后人工攪拌取樣，烘干測含沙量。現在的研究已經證明粗泥沙沉降速度快，人工攪拌不可能取到均勻的樣品，也就是說測不準含沙量，進而算不準土壤侵蝕量。另外，美國的土壤可蝕性值明顯高于中國的，這一現象常被懷疑是監測的含沙量數據結果偏低造成的。

(2)解決徑流泥沙過程監測缺失的問題。所謂徑流泥沙過程監測就是獲得一次降雨過程中徑流和泥沙隨時間變化的資料。缺乏這樣的監測資料，便無法建立過程模型或物理模型，只能建立黑箱模型或經驗模型，而過程模型則是土壤侵蝕模型研究的最高目標。以往的監測資料絕大多數是一次降雨的徑流總量。據有關專家考證，我國只有位于黃土高原的子州站等極少數野外監測站有少量20世紀60年代的徑流過程資料。要監測徑流泥沙過程必須在降雨過程中人工把守在監測現場，由此而產生的漏測和錯誤在所難免。自動監測儀器是解決這一難題的唯一途徑，而現代電子技術等也為解決這一難題提供了必要條件。

(3)建立“互聯網+”框架下的徑流泥沙自動監測網。我國對土壤侵蝕的監測從20世紀40年代就開始了，到目前已布設了各類監測網、站、點，并取得了一定的監測資料。但是，這與土壤侵蝕研究工作的需要相比尚顯不足，特別是監測工作投入經費少、設備簡陋、缺乏統一的組織與規劃。水利部制定的《全國水土保持信息化規劃 (2013—2020年)》，將國家級水土保持監測點升級列為重點建設項目，并且擬開展監測點數據采集智能化升級，在全國水土保持監測網絡建設的738個水土保持監測點中選擇30～50個水土保持監測點配置自動化泥沙監測采集設施設備，建成國家級水土保持監測網。因此，建立信息化環境下的徑流泥沙實時自動監測、傳輸、管理和共享，獲得記錄水土流失發生、發展的過程數據，不僅是生態過程科學研究、水土保持科技發展的需要，而且是運用現代先進技術升級改造水土流失監測方法、提升徑流泥沙數據獲取科技水平的需要。

為了準確地測量含沙量和徑流泥沙的動態變化過程，并建立聯網監測，需要研制先進的徑流泥沙監測設施和儀器設備，在此基礎上形成國家或行業、部門徑流泥沙自動監測技術標準和規范，因此融合土壤侵蝕試驗監測技術、自動化控制技術、精密傳感技術等，研制結構簡單、運行方便的徑流泥沙自動采集器，實現無人看守情況下對徑流泥沙樣品的實時、準確、分布式自動采集勢在必行。通過研發新的徑流泥沙自動監測技術和設備，不但能夠獲取徑流泥沙的過程資料，提高徑流泥沙的監測精度，而且可以提升徑流泥沙監測的自動化和信息化水平，推動水土保持向定量化、精準化發展，這也將促進運用現代技術升級改造水土流失監測技術和方法，提升國產水土保持監測儀器設備的研發能力。

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(責任編輯 李楊楊)

國家自然科學基金項目(41371278，41503078)；黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室重要方向創新項目(A314021403-C3)

P332.5

A

1000-0941(2017)06-0013-05

展小云(1983—)，女，山東濟寧市人，助理研究員，博士，主要從事科研信息化與裝備研究工作；通信作者曹曉萍(1963—)，女，陜西長武縣人，高級實驗師，碩士，主要負責國家地球系統科學數據共享平臺——黃土高原科學數據中心數據庫建設工作。

2016-12-05