土壤侵蝕實(shí)時監(jiān)測儀稱重法選擇

邵 明,王 帥,葉碎高

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

土壤侵蝕實(shí)時監(jiān)測儀稱重法選擇

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.中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100085;3.中國科學(xué)院研究生院,北京 100049)

土壤侵蝕;徑流泥沙監(jiān)測;實(shí)時監(jiān)測儀;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)時監(jiān)測儀,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)時監(jiān)測儀經(jīng)過多次控制性實(shí)地監(jiān)測應(yīng)用,證明可以滿足野外環(huán)境下的水土流失監(jiān)測要求。

[項(xiàng)目來源]浙江省科學(xué)技術(shù)廳“水土流失實(shí)時監(jiān)測設(shè)備研發(fā)”項(xiàng)目

1 儀器研制背景

水土流失是我國生態(tài)環(huán)境惡化的表現(xiàn),同時也是生態(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)識水土流失規(guī)律、定量監(jiān)測侵蝕過程和研究水土流失影響因素是有效開展水土保持工作的前提[1]。針對傳統(tǒng)的水土流失監(jiān)測方法只能測量土壤侵蝕總量而不能反映土壤侵蝕的動態(tài)過程,難以建立土壤侵蝕過程與降雨過程之間的關(guān)系,對監(jiān)測人員的依賴程度過高和樣品采集效率低等缺陷,特別是隨著全國水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)與信息系統(tǒng)建設(shè)和科學(xué)研究以及開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目對水土流失監(jiān)測精度、效率要求的逐漸提高,開展水土流失實(shí)時監(jiān)測技術(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)時監(jiān)測儀(見圖 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)通過了國家專利局的批準(zhǔn)。

圖 1 土壤侵蝕實(shí)時監(jiān)測儀

2 土壤侵蝕實(shí)時監(jiān)測儀工作原理與方法

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)束時間、雨量等參數(shù),將以上參數(shù)通過通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)平臺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)上有兩個相鄰的接水斗,當(dāng)一個接水斗裝滿稱重后翻到倒水狀態(tài),另一個斗則處于接水狀態(tài),如此循環(huán)直到徑流結(jié)束(見圖 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,同時也可得到相應(yīng)的泥沙含量變化過程線。通過時間記錄和循環(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稱重翻斗(見圖3),當(dāng)產(chǎn)生徑流時,進(jìn)水管移至稱重翻斗上方,稱重翻斗即開始接水;當(dāng)水面超過滿斗水面線時,渾水開始從三角缺口外溢,此時進(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)定在滿斗水面線時開始稱重;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,并可利用滿斗時間、附加等待時間(包括溢流穩(wěn)定時間、稱重穩(wěn)定時間和倒水等待時間),通過插值補(bǔ)償,計(jì)算得到徑流和泥沙總量及其變化過程線。

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,只要通過簡單的相加即可。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),水面波動造成的滿斗判斷困難,每斗容積相差較大;②進(jìn)水對水面造成沖擊力,而進(jìn)水流量和含沙量又是變化的,稱重時很難分辨進(jìn)水沖擊力的大小,難以扣除進(jìn)水沖擊力對稱重的影響;③倒斗中水時不可能使斗口朝下,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)水面超過滿斗水面線時,渾水開始從三角缺口外溢,此時進(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)時為止,這樣就保證了每斗容量的一致性和準(zhǔn)確性,且無進(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

對比雙斗連續(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: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,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)時監(jiān)測儀經(jīng)過多次控制性實(shí)地監(jiān)測應(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)測監(jiān)測儀安裝在浙江省安吉縣水土保持示范園區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測試驗(yàn),實(shí)踐證明該儀器可以滿足野外環(huán)境下的監(jiān)測要求。

[1]水土保持專家劉寶元先生論:水土流失監(jiān)測的概念、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,高級工程師,學(xué)士,主要研究方向?yàn)樗亮魇ПO(jiān)測儀器研制;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)