邵 明,王 帥,葉碎高

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

土壤侵蝕實時監(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.中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室,北京 100085;3.中國科學院研究生院,北京 100049)

土壤侵蝕;徑流泥沙監(jiān)測;實時監(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時監(jiān)測儀經(jīng)過多次控制性實地監(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。

[項目來源]浙江省科學技術(shù)廳“水土流失實時監(jiān)測設(shè)備研發(fā)”項目

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)和科學研究以及開發(fā)建設(shè)項目對水土流失監(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時監(jiān)測儀(見圖 1),并申報了一項發(fā)明專利和兩項實用新型專利,其中兩項實用新型專利已經(jīng)通過了國家專利局的批準。

圖 1 土壤侵蝕實時監(jiān)測儀

2 土壤侵蝕實時監(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行處理,與清水進行比較,即可計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上有兩個相鄰的接水斗,當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)。按照水文水樣計算法計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),當產(chǎn)生徑流時,進水管移至稱重翻斗上方,稱重翻斗即開始接水;當水面超過滿斗水面線時,渾水開始從三角缺口外溢,此時進水管移至旁路,即圖 3中進水管虛線位置;當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)重新開始運行,重復(fù)進行直至徑流結(jié)束。同樣,按照上述方法計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),通過插值補償,計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

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:①由于雙斗始終處于進水狀態(tài),水面波動造成的滿斗判斷困難,每斗容積相差較大;②進水對水面造成沖擊力,而進水流量和含沙量又是變化的,稱重時很難分辨進水沖擊力的大小,難以扣除進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,此方法對稱重的準確性有較大的影響,計算結(jié)果的誤差也較明顯。

3.2 單斗取樣稱重法的特點

單斗取樣稱重法使用單斗取樣接水,其泥沙含量計算與雙斗相同,其泥沙總量和徑流總量計算的準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,當水面超過滿斗水面線時,渾水開始從三角缺口外溢,此時進水管移至旁路,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確性,且無進水沖擊力的干擾,從而保證了稱重的準確。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,計算中也容易扣除殘留的泥沙,這就進一步保證了稱重的準確性。采用單斗取樣稱重法稱重,數(shù)據(jù)準確性高,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、工作特點后可以得出以下認識:①雙斗連續(xù)稱重法與單斗取樣稱重法機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度基本相當;②雙斗連續(xù)稱重法與單斗取樣稱重法計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算的準確性;④雙斗連續(xù)稱重法與單斗取樣稱重法計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償。

采用單斗取樣制成的土壤侵蝕實時監(jiān)測儀經(jīng)過多次控制性實地監(jiān)測應(yīng)用,其結(jié)果與實際值的相關(guān)系數(shù)達到 0.98～0.99。目前,我們將單斗取樣土壤侵蝕實測監(jiān)測儀安裝在浙江省安吉縣水土保持示范園區(qū)進行現(xiàn)場監(jiān)測試驗,實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,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,學士,主要研究方向為水土流失監(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與利用方面的研究。

2010-05-31

(責任編輯 趙文禮)