紅壤地區(qū)集流桶機械攪拌含沙量測量誤差研究

張 龍，曹 智，陳曉安，喻榮崗

(1.江西省水土保持科學研究院 江西省土壤侵蝕與防治重點實驗室，江西 南昌 330029；2.江西綠川科技發(fā)展有限公司，江西 九江 332000)

泥沙是徑流小區(qū)觀測的重要內容，所得數據是確定土壤侵蝕量的重要依據[1]。在徑流小區(qū)泥沙觀測中，傳統人工攪拌法應用最廣。它是由工作人員用攪拌工具對集流桶內含沙水體進行攪拌，再從集流桶內采集一定體積的樣品，采用烘干法測定含沙量[2]。但研究表明，傳統人工攪拌法攪拌力度較小，泥沙中的粗顆粒難以被攪起，攪拌后泥沙分布不均勻且沉降迅速，泥沙含量測量值往往遠小于真實值。比如：符素華等[3]在密云石匣示范區(qū)坡面徑流小區(qū)測得人工攪拌法取樣的平均相對誤差為-83.05%；許躍華等[4]在鹽邊紅格坡面徑流場中將人工攪拌法與沉淀取樣法測得的含沙量進行對比，得到平均相對誤差為-69.05%；唐菊等[5]以紫色土作為試驗用土測得人工攪拌法取樣的平均相對誤差為-50%～-30%。為了提高采樣精度，許多學者進行了研究，提出了不同的采樣方法和采樣儀器，比如：符素華等[3]提出的分層測量法，許躍華等[4]提出的沉淀測量法，葉芝菡等[6]根據北方土石山區(qū)的徑流泥沙特點提出的全深剖面采樣器采樣法，程冬兵等[7]提出的稱重法。但上述方法均存在不同程度的缺陷：分層采樣法與沉淀采樣法操作復雜，非專業(yè)人員難以掌握，對于降雨后短時間內的次降雨產沙很難準確測算；稱重法雖測量精度有所提高，但采樣耗時較長，無法得到很好的推廣；全深剖面采樣器采樣法雖操作簡單、易掌握，但僅在北方土石山區(qū)應用過，在其他地區(qū)的應用效果有待驗證，而根據郝燕芳等[8]的研究，不同地區(qū)侵蝕產沙差異較大，致使全深剖面采樣器難以推廣。綜上，機械攪拌法攪拌強度大、可控性強，并兼有人工攪拌法操作簡單、流程簡潔、效率高等優(yōu)點，但關于其測量精度及影響因素的研究成果較少。

本研究選擇江西水土保持生態(tài)科技園連續(xù)觀測坡耕地徑流小區(qū)為研究對象，研究機械攪拌法在南方紅壤地區(qū)泥沙觀測中的含沙量測量精度，以及水深、含沙量等因素對其測量誤差的影響，通過室內試驗探究機械攪拌法的可行性及影響因素，希望能為機械攪拌法在南方紅壤地區(qū)的推廣使用提供科學依據。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗地點選在位于鄱陽湖水系德安縣燕溝小流域(115°42′38″～115°43′06″E、29°16′37″～29°17′40″N)的江西水土保持生態(tài)科技園。園區(qū)位于我國紅壤中心區(qū)域，土壤及地形條件在我國南方紅壤地區(qū)具有代表性。選取園內連續(xù)觀測坡耕地徑流小區(qū)作為土樣采集點，取樣經過自然風干后過篩(孔徑5 mm)備用。經測定，試驗材料為紅壤，土壤理化性質為：黏粒含量32.24%、粉粒含量57.83%、砂粒含量9.94%，堿解氮含量24.95 mg/kg、有機質含量6.40 g/kg、速效磷含量1.89 mg/kg。

1.2 采樣方法

試驗選用的攪拌器為浙江昱麥斯工具有限公司生產的機械攪拌器(圖1、2)。具體采樣過程：將機械攪拌器置入集流桶中，攪拌器底部與桶底保持5～10 cm的距離；將攪拌器轉速調至合適檔位后開始攪拌，一般以200～500 r/min較為合適，攪拌時間為3 min；攪拌過程中為避免在同一個位置持續(xù)攪拌，采取沿著集流桶桶壁以順時針旋轉的方式進行攪拌；完成攪拌后，采用邊攪拌邊采樣的方式進行采樣，用取樣勺取15勺水沙樣放入小桶中，即在集流桶內均勻分布的5個點各取1勺，分3個深度(上、中、下部)各取1次；將小桶內泥沙攪拌均勻后，取800 mL樣品于鋁盒中靜置，每次采樣設3個重復；完成采樣后將樣品沉淀24 h，倒掉上層清液，放入烘箱烘干稱量，含沙量測量結果取3個重復樣本的平均值。

圖1 機械攪拌器實物 圖2 機械攪拌器結構

1.3 試驗設計

對坡耕地徑流小區(qū)2012—2016年5年的徑流泥沙監(jiān)測數據進行分析。根據研究區(qū)歷年徑流小區(qū)徑流桶觀測的徑流泥沙數據，綜合考慮發(fā)生頻率高的低含沙量事件和頻率低但年度泥沙量貢獻大的高含沙量事件，共設計8個試驗組合、24場試驗：將集流桶含沙量設置為1、5、10、50、100、300 kg/m3共6個水平(校準后含沙量為1.05、5.07、10.49、50.72、101.45、304.35 kg/m3)，水深設置為60 cm，研究含沙量對機械攪拌法測量精度的影響；將水深設置為30、60、90 cm共3個水平，含沙量設置為50 kg/m3(校準后含沙量為50.72 kg/m3)，研究水深對機械攪拌法測量精度的影響。其中，30、60 cm水深試驗在半徑0.3 m、高0.8 m的集流桶中進行，90 cm水深試驗在半徑0.3 m、高1.2 m的集流桶中進行。

1.4 數據處理與統計分析

采用Excel 2016對試驗所得數據進行處理，采用SPSS 19.0軟件進行顯著性分析，采用最小顯著性差異法(LSD檢驗)進行數據分析。

2 結果與分析

2.1 不同含沙量對機械攪拌法測量精度的影響

采用機械攪拌法在60 cm水深、不同含沙量條件下的含沙量測量值及平均相對誤差見表1。由表1知，機械攪拌法在不同含沙量條件下的測量值均小于實際值，隨著含沙量增加，其測量值的標準差整體呈增加趨勢。機械攪拌法含沙量測量結果的平均相對誤差為13.49%～31.19%，總體平均誤差為23.89%。對平均相對誤差總體進行顯著性檢驗：含沙量為5.07～101.45 kg/m3時，測量結果平均相對誤差無顯著變化，平均值為24.67%；當含沙量降低至1.05 kg/m3時，平均相對誤差顯著降低，為13.49%；當含沙量增至304.35 kg/m3時，平均相對誤差顯著增加，達到31.19%。

表1 機械攪拌法在60 cm水深、不同含沙量條件下的含沙量測量結果

2.2 不同水深對機械攪拌法測量精度的影響

采用機械攪拌法在不同水深、含沙量50.72 kg/m3條件下的含沙量測量值及平均相對誤差見表2。由表2知，機械攪拌法在不同水深條件下的含沙量測量值變化不大，隨水深增大，測量值緩慢減?。坏退?30 cm)條件下，測量值的標準差遠高于中(60 cm)、高水深(90 cm)條件下測量值的標準差。平均相對誤差的標準差反映了重復數據的波動。低水深條件下的平均相對誤差數據波動較大，中、高水深條件下的平均相對誤差數據波動相對較小，這也表明提高水深會降低測量結果的數據波動性，中、高水深單次測量結果的可信度高于低水深單次測量結果。對含沙量測量值平均相對誤差進行顯著性檢驗表明，水深對機械攪拌法的測量誤差無顯著性影響，其平均相對誤差范圍為22.13%～26.98%，隨水深增加，平均相對誤差緩慢增大。

表2 機械攪拌法在不同水深、含沙量50.72 kg/m3條件下的測量結果

3 總結與討論

本研究在江西水土保持生態(tài)科技園連續(xù)觀測坡耕地徑流小區(qū)選擇紅壤作為試驗材料，采用機械攪拌器，研究不同水深、不同含沙量條件下機械攪拌法含沙量測量精度，得到如下結論：①在含沙量1.05～304.35 kg/m3、水深60 cm條件下，機械攪拌法的相對誤差為13.49%～31.19%，對比其他學者關于人工攪拌法測量誤差的研究，其精度有了較大的提升；②含沙量對機械攪拌法平均相對誤差存在較大影響，水深對機械攪拌法的測量精度影響不大；③機械攪拌法攪拌力度大，當泥沙含量較高時也可將其攪拌均勻，保證了測量的精度。另外，南方紅壤地區(qū)侵蝕泥沙中的黏粒含量較高，泥沙粒徑小更容易被攪起，因此機械攪拌法在紅壤地區(qū)集流桶泥沙觀測領域具有良好的應用前景。