坡面徑流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置的測(cè)試與率定

李智廣, 曹文華, 牛勇

(1.水利部水土保持監(jiān)測(cè)中心，100053，北京；2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，271018，泰安)

坡面徑流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置的測(cè)試與率定

李智廣1?, 曹文華1, 牛勇2

(1.水利部水土保持監(jiān)測(cè)中心，100053，北京；2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，271018，泰安)

徑流小區(qū)觀測(cè)技術(shù)是水土保持監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。研發(fā)適用于徑流小區(qū)尺度的徑流觀測(cè)裝備可有效減少人工監(jiān)測(cè)的隨機(jī)性，降低監(jiān)測(cè)人員的工作強(qiáng)度。通過(guò)人工模擬不同強(qiáng)度的產(chǎn)流匯水條件，對(duì)“徑流泥沙含量實(shí)時(shí)測(cè)量裝置”開展徑流測(cè)量性能的專項(xiàng)測(cè)試，結(jié)果表明：該裝置在測(cè)試環(huán)境條件下的徑流測(cè)量相對(duì)誤差范圍為-4.33%～-24.01%，穩(wěn)定時(shí)長(zhǎng)范圍為55～130 s。偏相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)：測(cè)量穩(wěn)定時(shí)長(zhǎng)與徑流的含沙量、流量分別呈顯著正相關(guān)關(guān)系和顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)；測(cè)量精度與含沙量和流量的相關(guān)系數(shù)均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，但含沙量和流量對(duì)測(cè)量精度的影響有限(α=0.05)。通過(guò)回歸分析，得到該裝置徑流量修正模型；經(jīng)驗(yàn)證，該模型可使平均相對(duì)誤差由修正前的11.53%降低至6.80%，平均測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定時(shí)間由修正前的96 s降低至80 s。研究分析提出，通過(guò)對(duì)上述設(shè)備增設(shè)波浪過(guò)濾消減裝置、增大濾波管直徑等措施可進(jìn)一步降低測(cè)量誤差，提高工作穩(wěn)定性?；谏鲜鰷y(cè)試結(jié)果，本研究認(rèn)為通過(guò)利用修正模型，測(cè)試設(shè)備的徑流測(cè)量效果在測(cè)試流量范圍內(nèi)較為理想，即該設(shè)備在降雨強(qiáng)度范圍為3.60～66.96 mm/h的產(chǎn)流工作條件下較為適宜。

徑流小區(qū)觀測(cè)； 徑流量； 測(cè)量精度； 修正模型； 偏相關(guān)分析

徑流是生態(tài)系統(tǒng)水量平衡的重要輸出項(xiàng)[1]，也是產(chǎn)生地表水蝕的動(dòng)力來(lái)源。徑流總量、徑流過(guò)程是反映坡面尺度地表徑流重要指標(biāo)[2]，也是侵蝕模型參數(shù)率定的根本依據(jù)[3-4]。隨著水土流失研究和水土保持監(jiān)管工作的不斷發(fā)展，我國(guó)目前已建立由738處水土保持監(jiān)測(cè)站點(diǎn)組成的監(jiān)測(cè)站網(wǎng)體系(含290余處坡面徑流觀測(cè)場(chǎng)，2 600余個(gè)徑流小區(qū))[5-6]，用于不同地區(qū)長(zhǎng)期開展坡面徑流觀測(cè)，此外在我國(guó)還存在眾多由科研院校運(yùn)管的坡面徑流觀測(cè)設(shè)施。坡面徑流小區(qū)徑流觀測(cè)不同于小流域水文站徑流觀測(cè)，其特點(diǎn)是徑流總量小、徑流過(guò)程快。為滿足坡面徑流小區(qū)徑流觀測(cè)的需要，目前常用的徑流觀測(cè)設(shè)施(設(shè)備)有集水箱、多級(jí)分水桶(池)、基于水位轉(zhuǎn)換的測(cè)流槽及翻斗流量計(jì)等。由于測(cè)量原理和設(shè)備精度的限制，上述常用設(shè)施(設(shè)備)在使用時(shí)均存在一定的局限性：集水箱和分水桶(池)測(cè)量工作以人力為主，自動(dòng)化程度低；測(cè)流槽對(duì)于流量和水位計(jì)精度要求較高，觀測(cè)小流量徑流難度大；翻斗式流量計(jì)在大徑流條件下易產(chǎn)生系統(tǒng)性的漏測(cè)[7-10]。因此探索其他工作原理的坡面徑流測(cè)量裝置[11-13]，可以作為現(xiàn)有坡面徑流測(cè)量技術(shù)體系的有益補(bǔ)充，并有利于提升我國(guó)水土流失的監(jiān)測(cè)水平。此外，探索構(gòu)建針對(duì)水土保持專用設(shè)施設(shè)備的檢測(cè)方法與技術(shù)規(guī)程，對(duì)提升我國(guó)整體水土流失監(jiān)控能力具有重要意義。

2014年，長(zhǎng)春工程學(xué)院和吉林省水土保持科學(xué)研究院聯(lián)合申報(bào)了一種名為“徑流泥沙含量實(shí)時(shí)測(cè)量裝置及測(cè)量方法”(201410426952.X)的發(fā)明專利。為滿足不斷擴(kuò)大的小區(qū)尺度徑流自動(dòng)測(cè)量裝備需求，提升我國(guó)水土保持監(jiān)測(cè)裝備水平，水利部水土保持監(jiān)測(cè)中心在2015年委托中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所對(duì)該裝置的徑流測(cè)量功能進(jìn)行了專項(xiàng)測(cè)試。

筆者基于測(cè)試數(shù)據(jù)與分析，對(duì)該裝備的性能和適用性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，以期相關(guān)分析結(jié)果能夠有助于水土保持監(jiān)測(cè)裝備的選型及相關(guān)工作能力的提升，并有助于形成水土保持監(jiān)測(cè)專用設(shè)備的檢測(cè)技術(shù)體系完善與發(fā)展，推動(dòng)水土保持監(jiān)測(cè)設(shè)備專用設(shè)備研發(fā)、生產(chǎn)行業(yè)的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展，以適應(yīng)當(dāng)前水土保持監(jiān)測(cè)工作的發(fā)展趨勢(shì)。

1 裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

該裝置由測(cè)量機(jī)械部件(1測(cè)量桶、2下支架、3稱量傳感器、4放水管、5電動(dòng)閥等)、控制部件(9控制器)、處理器(10處理器)等3部分組成(圖1)。其中：機(jī)械部件是該裝置的核心部件，用于直接測(cè)量徑流和泥沙含量；控制部件用于接收液位傳感器和稱量傳感器數(shù)據(jù)，控制電動(dòng)閥啟閉，并向處理器發(fā)送采集的數(shù)據(jù)；處理器用于數(shù)據(jù)輸出。

該裝置的具體工作原理為：徑流小區(qū)收集的徑流進(jìn)入測(cè)量桶，桶底電動(dòng)閥處于關(guān)閉狀態(tài)，液位傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)桶內(nèi)水位，當(dāng)隨著測(cè)量桶收集的徑流量增加至設(shè)定的最高水位Hh時(shí)，稱量傳感器測(cè)定此時(shí)桶體及進(jìn)入內(nèi)部的徑流重量W1，同時(shí)，桶底電動(dòng)閥打開，桶內(nèi)水量外泄，液面降低，當(dāng)液面降低至設(shè)定的最低水位Hl時(shí)，桶底電動(dòng)閥5閉合，稱量傳感器測(cè)定此時(shí)桶體及內(nèi)部水體的重量W2，至此一個(gè)測(cè)量循環(huán)完成，依次連續(xù)循環(huán)測(cè)量，完成一場(chǎng)降雨帶來(lái)的匯流量測(cè)量。徑流過(guò)程由處理器輸出、存儲(chǔ)。

徑流總量Qm的計(jì)算公式為

(1)

式中：Qm為設(shè)備測(cè)量記錄得到的徑流量，m3；S為測(cè)量桶底面積，m2；Hh為測(cè)量筒設(shè)定最高液位，m；Hl為測(cè)量筒設(shè)定最低液位，m；Hc為本次徑流結(jié)束時(shí)留在桶內(nèi)的液面高度，m；t為本次徑流過(guò)程總用時(shí)，s；t1為開閥時(shí)間，指從電動(dòng)閥開始啟動(dòng)至完全開啟所需時(shí)間，s；t2為關(guān)閥時(shí)間，指從電動(dòng)閥開始啟動(dòng)至完全關(guān)閉所需時(shí)間，s；t3為放水時(shí)間，指從電動(dòng)閥完全開啟放水至電動(dòng)閥開始關(guān)閉結(jié)束放水所需時(shí)間，s。

1.測(cè)量桶Measuring bucket ；2.下支架Low holder；3.稱量傳感器Weighing sensor；4.放水管Offlet；5.電動(dòng)閥Electric valve；6. 上支架Upper holder；7.液位傳感器Water level sensor；8.濾波管Waves filter；9.控制器Controller；10.處理器Processor；11.外翻邊Flanging；12.殘留渾水Residual water； Hh: the highest water level; Hc: the water level when the runoff was finished. Hl: the lowest water level.圖1 徑流泥沙含量實(shí)時(shí)測(cè)量裝置整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of a Runoff and Sediment Real-time Measuring Device

2 測(cè)試方法

通過(guò)流量控制裝置向測(cè)量桶內(nèi)注入一定流量的水流，模擬坡面產(chǎn)流過(guò)程，通過(guò)對(duì)比、分析裝置實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)與理論流量(注入水量)間的差異，判定裝置的測(cè)量性能。此外，本次測(cè)試設(shè)置無(wú)沙徑流和有沙徑流作為測(cè)試水樣，探討不同含沙比例條件對(duì)供試裝置影響，即2因素多水平控制性測(cè)試，每項(xiàng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)重復(fù)3次。具體的控制因素、水平設(shè)置如表1所示。

表1 測(cè)試處理設(shè)置Tab.1 Treatments of test

注：為避免含沙量水樣制作誤差，在測(cè)試時(shí)，采用“設(shè)計(jì)摻沙量”代替“徑流含沙量”。Note: In order to avoid the error of flow sample, the runoff sand content was replaced by design sand addition in this study.

供試流體儲(chǔ)存于儲(chǔ)水箱內(nèi)，箱體內(nèi)供試流體通過(guò)安裝在底部的潛水泵和輸水管道向裝置的測(cè)量筒輸水，利用安裝在管道上的流量傳感器、PID控制器和變頻器調(diào)節(jié)、穩(wěn)定流量，在水泵啟動(dòng)時(shí)要關(guān)閉出口閥門，運(yùn)行到一定轉(zhuǎn)速后再打開閥門，進(jìn)行測(cè)試。供試流體帶沙測(cè)試時(shí)，在測(cè)試開始前先向儲(chǔ)水箱內(nèi)加入定量泥沙(取自徑流觀測(cè)場(chǎng)，烘干狀態(tài))，測(cè)試時(shí)注入清水，代表含沙徑流。無(wú)沙小流量條件下單次測(cè)試時(shí)長(zhǎng)約為2 min，流量設(shè)置為0.1和0.5 L/s；無(wú)沙大流量條件下單次測(cè)試時(shí)長(zhǎng)約為80 s，流量設(shè)置為0.91、1.6和1.86 L/s。在帶沙測(cè)試中，單次測(cè)試時(shí)間相應(yīng)延長(zhǎng)，一般取140 s。測(cè)試期間測(cè)試區(qū)域空氣溫度范圍為21～25 ℃。

裝置測(cè)量徑流量Qm由電腦處理器輸出，理論徑

流量Qs由設(shè)置流量和測(cè)試時(shí)間計(jì)算得到。本文采用相對(duì)誤差判斷裝置測(cè)量精度，計(jì)算公式如下：

(2)

式中：δ為設(shè)備測(cè)量相對(duì)誤差，%；Qm為設(shè)備測(cè)量記錄得到的徑流量，m3；Qs測(cè)試系統(tǒng)提供的徑流量，m3。

3 結(jié)果與分析

3.1 徑流量測(cè)量及其誤差

圖2 無(wú)沙、不同流量條件下測(cè)試結(jié)果Fig.2 Result of test under different conditions without sand in tested water

1)無(wú)沙、不同流量條件下測(cè)試結(jié)果。如圖2(a)所示，在無(wú)沙、流量為0.1 L/s條件下，徑流量測(cè)量值隨著時(shí)間的增加，越來(lái)越接近理論值，即測(cè)量誤差在逐漸降低，在第110秒左右，相對(duì)誤差開始穩(wěn)定在-12.20%±2.92%左右。此外，可以由圖3(a)發(fā)現(xiàn)，該條件下，測(cè)量結(jié)果均小于理論值，即在該測(cè)量結(jié)構(gòu)條件下測(cè)量結(jié)果存在系統(tǒng)性的偏小。如圖2(b)所示，在無(wú)沙、流量為0.5 L/s條件下，測(cè)量誤差同樣隨著時(shí)間的增加，越來(lái)越降低，在第80秒左右，相對(duì)誤差開始穩(wěn)定在-11.45%±3.22%左右。該條件下，測(cè)量結(jié)果同樣整體小于理論值。如圖2(c)所示，在無(wú)沙、流量為0.91 L/s條件下，相對(duì)誤差在第70秒左右開始穩(wěn)定在-18.64%±7.83%左右，該條件下，測(cè)量值仍整體小于理論值。如圖2(d)所示，在無(wú)沙、流量為1.6 L/s條件下，徑流量測(cè)量相對(duì)誤差在第60秒左右穩(wěn)定在-18.64%±7.81%左右，系統(tǒng)誤差略大于前3組實(shí)驗(yàn)，通過(guò)分析系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，3組重復(fù)實(shí)驗(yàn)中僅有一組實(shí)驗(yàn)誤差值較大，說(shuō)明這組數(shù)據(jù)可能受到外部因素影響，導(dǎo)致誤差平均值略大。如圖2(e)所示，在無(wú)沙、流量為1.86 L/s條件下，實(shí)驗(yàn)開始后測(cè)量誤差在逐漸降低，在第55秒左右，相對(duì)誤差開始穩(wěn)定在-4.33%±0.08%左右，相較于其他4組不帶沙試驗(yàn)，在流量為1.86 L/s條件下的相對(duì)誤差最小，而且設(shè)備的穩(wěn)定時(shí)間最短。通過(guò)整體對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，在不帶沙測(cè)試條件下，設(shè)備測(cè)量穩(wěn)定時(shí)間隨著設(shè)定流量的增加而減少。

2)不同摻沙量、流量條件下測(cè)試結(jié)果，如圖3所示，在流量為0.5 L/s、摻沙量分別為1、3和5 kg條件下，相對(duì)誤差達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)長(zhǎng)分別為110、120和130 s，穩(wěn)定的相對(duì)誤差分別為-11.59%±0.10%、-24.01%±9.19%、-7.42%±1.51%，對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，隨著摻沙量的增加，相對(duì)誤差達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)長(zhǎng)隨之增加，即測(cè)試水流中的泥沙阻礙了設(shè)備測(cè)試結(jié)果的穩(wěn)定。相較于流量為0.5 L/s的不摻沙測(cè)試(T2處理)，摻沙試驗(yàn)徑流量相對(duì)誤差達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)長(zhǎng)顯著大于不摻沙試驗(yàn)(80 s，P<0.01)。

在流量為0.91 L/s、摻沙量分別為1、3、5和10 kg條件下，相對(duì)誤差達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)長(zhǎng)分別為80、110、120和110 s，穩(wěn)定的相對(duì)誤差分別為-10.12%±4.62%、-7.19%±4.52%、-11.59%±2.75%、-11.53%±5.91%，對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，隨著摻沙量的增加，相對(duì)誤差達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)長(zhǎng)整體隨之增加。

圖3 不同摻沙量、流量條件下測(cè)試結(jié)果Fig.3 Result of test under different flow and sand addition in tested water

3.2 徑流量測(cè)量的影響因素分析

為分析徑流量、摻沙量對(duì)精度和測(cè)量穩(wěn)定時(shí)長(zhǎng)的影響，筆者對(duì)上述測(cè)試結(jié)果進(jìn)行偏相關(guān)分析。如表2所示，在精度作為控制變量的條件下，穩(wěn)定時(shí)長(zhǎng)與摻沙量和流量分別呈正相關(guān)關(guān)系和負(fù)相關(guān)關(guān)系(相關(guān)系數(shù)分別為0.617、-0.718)，且均顯著相關(guān)(P<0.05)。在穩(wěn)定時(shí)長(zhǎng)為控制變量的條件下，測(cè)量精度與摻沙量和流量的相關(guān)系數(shù)均呈負(fù)相關(guān)關(guān)

系，但摻沙量和流量對(duì)測(cè)量精度的影響有限(α=0.05)。此外分析發(fā)現(xiàn)，相較于流量為0.91 L/s的不摻沙測(cè)試(T3處理)，摻沙試驗(yàn)徑流量相對(duì)誤差達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)長(zhǎng)顯著大于不摻沙試驗(yàn)(70 s，P<0.05)。通過(guò)對(duì)比不同流量條件下的摻沙試驗(yàn)結(jié)果，小流量(0.5 L/s)條件下的測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定時(shí)間要顯著大于大流量(0.91 L/s)條件下的時(shí)長(zhǎng)(P<0.05)，但測(cè)量精度無(wú)顯著性差異(P>0.05)。

表2 偏相關(guān)分析結(jié)果Tab.2 Analysis of partial correlation

注：“*”表示在顯著水平為0.05的條件下顯著相關(guān)。Note:* indicated that correlation was significant atP<0.05.

3.3 測(cè)量參數(shù)率定

由上述測(cè)試結(jié)果可知，該裝置直接測(cè)量得到的徑流量測(cè)量值Qm與理論值Qs之間存在較好的相關(guān)性，因此可以通過(guò)回歸的方法建立測(cè)量修正模型，將率定出的模型參數(shù)輸入裝置的處理器，以達(dá)到提升裝置測(cè)量精度的目的。模型構(gòu)建時(shí)以T1、T3、T5、TS1、TS3、TS4、TS6處理的測(cè)試結(jié)果作為率定數(shù)據(jù)，其流量、摻沙量范圍基本可以覆蓋測(cè)試實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；以T2、T4、TS2、TS5、TS7處理的測(cè)量數(shù)據(jù)作為修正模型的驗(yàn)證數(shù)據(jù)。

如圖4所示，基于徑流量測(cè)量值與和理論值，構(gòu)建本裝置徑流量的修正模型(式3)，決定系數(shù)達(dá)到0.99，擬合精度較高。采用獲得的修正模型，T2、T4、TS2、TS5、TS7處理的測(cè)量數(shù)據(jù)作為修正模型的驗(yàn)證數(shù)據(jù)，驗(yàn)證修正模型對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的修正效果。如圖5所示，通過(guò)模型修正，5組驗(yàn)證數(shù)據(jù)在修正后的平均相對(duì)誤差可由修正前的11.53%降低為6.80%，平均測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定時(shí)間可由修正前的96 s降低為80 s，即修正模型起到較好的修正作用。

圖4 徑流量修正值與測(cè)量值擬合結(jié)果Fig.4 Fitted curve of runoff

圖5 修正模型驗(yàn)證結(jié)果Fig.5 Validation result of modified model

(3)

式中QM為通過(guò)修正模型得到的徑流量，m3。

4 結(jié)論與討論

1)通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，本次測(cè)試的裝置在不同測(cè)試工況條件下測(cè)量相對(duì)誤差范圍為-4.33%～-24.01%，穩(wěn)定時(shí)長(zhǎng)范圍為55～130 s，測(cè)量精度和穩(wěn)定時(shí)長(zhǎng)主要受流量影響，但設(shè)備的測(cè)量值存在較明顯的系統(tǒng)性偏差，即測(cè)量數(shù)據(jù)較理論值整體偏小。由徑流總量QT的計(jì)算公式(式1)可知，徑流總量QT測(cè)量值的大小僅與測(cè)量桶內(nèi)液位高度的測(cè)量值有關(guān)，準(zhǔn)確地說(shuō)是由于設(shè)定的最高水位與最低水位的差值(Hh-Hl)整體偏小導(dǎo)致測(cè)量值系統(tǒng)性偏小。由于在徑流量的測(cè)量過(guò)程中液位高度則是通過(guò)超聲波水位計(jì)(液位傳感器)獲得的，在該過(guò)程中超聲波水位計(jì)的工作環(huán)境變化(溫、濕度)較小，即可排除超聲波水位計(jì)自身的測(cè)量偏差。因此可能導(dǎo)致系統(tǒng)性偏差的原因可歸結(jié)為2類：一類是不同水深條件下水面波動(dòng)差異所導(dǎo)致(Hh-Hl)整體偏??；另一類是不同水深條件下的超聲波投影變化導(dǎo)致液位測(cè)量偏差[14-17]。針對(duì)這2種可能的原因，筆者提出可通過(guò)增設(shè)波浪過(guò)濾消減裝置、增大濾波管直徑等措施來(lái)降低測(cè)量誤差。

2)通過(guò)修正模型驗(yàn)證可以發(fā)現(xiàn)，雖然修正模型對(duì)徑流量的測(cè)量整體修正效果較好，但對(duì)于大流量、含沙量的條件下，修正模型的修正作用比較有限；因此可以通過(guò)繼續(xù)開展大流量、含沙量條件下設(shè)備測(cè)試工作，積累相關(guān)數(shù)據(jù)，構(gòu)建適用于該工況條件下的修正模型，以提高設(shè)備測(cè)量精度。

3)本次測(cè)試的流量范圍為0.1～1.86 L/s，按照標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)面積(100 m2)和北京地區(qū)土石山區(qū)林地徑流系數(shù)(0.031 5)折算降雨強(qiáng)度，流量范圍對(duì)應(yīng)的降雨強(qiáng)度范圍為3.60～66.96 mm/h，降雨強(qiáng)度可覆蓋中雨至暴雨量級(jí)。

4)由于摻沙量對(duì)精度影響不顯著，因此在試驗(yàn)流量范圍內(nèi)的含砂水平均可被該設(shè)備較好的測(cè)得。

基于上述研究及討論，建議今后可開展更為深入的含沙量、泥沙機(jī)械組成對(duì)設(shè)備的影響分析，方便水土保持監(jiān)測(cè)工作者高效開展徑流監(jiān)測(cè)。此外，我國(guó)水土保持監(jiān)測(cè)工作信息化處于起步升級(jí)階段，大量專用水土保持監(jiān)測(cè)設(shè)備大量開發(fā)、推廣，急需與這類設(shè)備相配套的檢測(cè)方法與技術(shù)規(guī)程，以有助于該行業(yè)的向規(guī)劃化、標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展。

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Test and calibration of a real-time hillslope runoff measuring device

Li Zhiguang1， Cao Wenhua1， Niu Yong2

(1.Monitoring Center of Soil and Water Conservation, Ministry of Water Resources, 100053, Beijing, China;2.Shandong Agricultural University, 271018, Tai′an, Shandong, China)

[Background] Water and soil loss has been a major environmental issue, and people’s demands on environment quality are raised constantly in China. In this context, a nationwide water and soil loss monitoring network was set up, the count of water and soil loss monitoring stations increased to 738 recently. Although network built quickly, but the dedicated devices used in water and soil loss monitoring still fall behind very much. For example, manual throughfall collecting tank was invented centuries ago, but it’s still used widely now in China. Therefore, developing and testing automated dedicated devices used in water and soil loss monitoring is an urgent and long-term task, which can enhance people’s ability of monitoring and controlling water and soil loss. Automatic hillslope runoff measuring device is a gauge that can be used in a scale of runoff plot to replace human beings to measure, which can enhance the monitoring efficiency greatly. [Methods] This paper took the measurement accuracy of a Runoff & Sediment Real-time Measuring Device as research object, the relative errors between theoretical value and measurement value were calculated based on the artificial runoff-producing simulation. Analysis of partial correlation was used to uncover the cause of error. With regression analysis, a fitted relationship between the runoff true value and the measured value was established. [Results] The results showed that the range of the relative error of runoff was -4.33%-24.01%，and the range of the stabilization time was 55-130 s. Based on the analysis of partial correlation, the stabilization time for measured values had a significantly positive correlation with sediment concentration, and had a significant inverse correlation with design flow (P<0.05). The accuracy of measurement had a significantly positive correlation with sediment concentration and design flow, but both sediment concentration and design flow presented limited influences on accuracy of measurement(α= 0.05). Regress equation between the measurement of runoff and revised values was found by using the regression analysis. It was proved that accuracy of the measurement and the stabilization time for runoff measurements was significantly improved. Furthermore, the research also demonstrates that increasing waves cutting device and enlarging the size of waves filter can be conducive to improve accuracy of the measurement. [Conclusions] These results were beneficial to understand the measuring performance of device in this study. With the rainfall intensity range 3.60 mm/h-66.96 mm/h, runoff can be measured accurately by the device, the range of rainfall intensity mentioned above can represent different rain types, such as moderate rain, heavy rain and rainstorm in northern China. For improving measurement accuracy in the future，the impact of silt content and mechanical composition should be considered and explored.

observation based on runoff plot; flow; measurement accuracy; modified model; partial correlative analyses

2017-03-06

2017-05-16

項(xiàng)目名稱： 山東省自然基金中青年科學(xué)家科研獎(jiǎng)勵(lì)基金項(xiàng)目“半干旱半濕潤(rùn)地區(qū)城市綠地節(jié)水與降溫效應(yīng)機(jī)制研究”(ZR2016DB12)；全國(guó)水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與公告項(xiàng)目(1261521610273)；高分水利遙感應(yīng)用示范系統(tǒng)(一期)(08-Y30B07-9001-1315)

李智廣(1966—)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師。主要研究方向：水土保持監(jiān)測(cè)。E-mail：lizhiguang@mwr.gov.cn

S274.1

A

2096-2673(2017)03-0058-07

10.16843/j.sswc.2017.03.008