牛 俊，周 若，高 強

(長江水利委員會長江科學(xué)院，湖北 武漢 430010)

土壤侵蝕量指標(biāo)是水土保持監(jiān)測的重要內(nèi)容，含沙水樣采集與分析是進行土壤侵蝕量計算的主要依據(jù)之一，通過采集徑流泥沙樣品，分析徑流泥沙含量，可推算出研究區(qū)內(nèi)次降雨造成的土壤侵蝕量。

烘干法是常用的泥沙樣品分析方法，也是水土保持監(jiān)測技術(shù)規(guī)程中推薦的泥沙監(jiān)測方法［1］，該方法是通過高溫加熱使徑流中的水分全部蒸發(fā)，然后分析樣品烘干前后的質(zhì)量，從而得到徑流中的泥沙含量。隨著電子天平的使用，稱重精度有了大幅度的提高，采用烘干法測量徑流泥沙量被認(rèn)為是目前最準(zhǔn)確的方法之一［2］。但是，由于烘干法需對待測樣品進行長時間的烘干，需加熱11 h左右，烘干溫度一般為105℃，對加熱時間和烘干溫度的要求使得整個測量過程費時費力，不能適應(yīng)野外有限條件下進行泥沙快速監(jiān)測的需要，因而在野外監(jiān)測時一般采用直接稱量法［3］。系統(tǒng)誤差的存在，使得采用直接稱量法所獲得的觀測結(jié)果不甚準(zhǔn)確。鑒于此，分析直接稱量法的系統(tǒng)誤差來源，提出具有針對性的誤差消除方法，對于推廣直接稱量法在泥沙監(jiān)測中的應(yīng)用具有重要意義。

1 直接稱量法介紹

直接稱量法是將采集到的徑流樣品進行稱重和體積量測后通過計算得到徑流中泥沙含量的方法。具體操作方法是:測量徑流樣品的體積和質(zhì)量，代入下述方程組中求得徑流中的泥沙質(zhì)量，進而得到徑流含沙量。

上二式中:Ms、Mw分別為徑流樣品中泥沙質(zhì)量和水的質(zhì)量，g;ρs、ρw分別為泥沙密度和水的密度，g/cm3。

直接稱量法所使用的設(shè)備為電子秤和量筒，所用設(shè)備簡單，測量快速，操作簡便，適合野外觀測時使用。

2 直接稱量法的系統(tǒng)誤差來源及處理方法

2.1 系統(tǒng)誤差來源

表1為北海原油商業(yè)儲備基地建設(shè)工程水土保持監(jiān)測過程中采集的某徑流樣品質(zhì)量及體積測量數(shù)據(jù)。從表1可以看出:測量得到的徑流樣品質(zhì)量小于其體積。由質(zhì)量與體積的關(guān)系式ρ=M/V可知，當(dāng)M＜V時，ρ＜1 g/cm3。從理論上講，徑流樣品由水和泥沙兩部分組成，ρw=1 g/cm3、ρs＞1 g/cm3，徑流樣品密度值應(yīng)為＞1的數(shù)值，即M＞V，而實際測量結(jié)果卻與理論值相反。進一步分析，將上述實測值代入式(1)、(2)中，分別取ρw=1 g/cm3、ρs=2.65 g/cm3，計算得到該徑流樣品含沙量為負(fù)值(－0.022 g/mL)，顯然有悖常理。

表1 泥沙樣品測量結(jié)果

之所以出現(xiàn)上述不合邏輯的情況，是因為系統(tǒng)誤差的存在。系統(tǒng)誤差的來源有以下幾個方面:①儀器誤差。由于儀器本身的缺陷或未按規(guī)定條件使用儀器而造成的誤差。②理論誤差。由于測量所依據(jù)的理論公式本身的近似性，或試驗條件不能達到理論公式所規(guī)定的要求、試驗方法本身不完善所帶來的誤差(又稱方法誤差)。

直接稱量法是以物質(zhì)的基本物理性質(zhì)——體積、質(zhì)量、密度為基礎(chǔ)的，而這些物理量是已知的或是可以通過量測直接得到的，無需通過理論公式推導(dǎo)，也就不存在理論誤差，那么系統(tǒng)誤差的來源即為儀器誤差。電子秤和量筒是直接稱量法所使用的儀器，因設(shè)備制造偏差的存在，導(dǎo)致量筒讀數(shù)偏大、電子秤讀數(shù)偏小或兩種情況并存，產(chǎn)生了上述數(shù)據(jù)測量的偏差。

2.2 系統(tǒng)誤差的處理方法

在無法確定測量偏差具體來源的情況下，可采用替代法消除儀器制造偏差對測量結(jié)果的影響，即:采用同一套儀器(保證誤差來源及大小一致)，通過測量、計算得到水和泥沙密度的測量值，并用測量值代替真實值進行含沙量計算。具體操作方法如下:①水密度測量值獲取。在量筒中加水(徑流樣品澄清后的上清液)，測量其質(zhì)量和體積，根據(jù)密度公式ρ=M/V求得水的密度測量值。②泥沙密度測量值獲取。測量并記錄量筒質(zhì)量(α)，在量筒中加入適量的水(徑流樣品澄清后的上清液)測量并記錄其體積(V1)和質(zhì)量(M1)，將充分研磨散碎后的泥沙風(fēng)干樣品加入上述水樣中(加入量以＞10g為宜)，測量并記錄體積(V2)和質(zhì)量(M2)，通過式=(M2－M1－α)/(V2－V1)計算得到泥沙密度測量值。③徑流含沙量計算。用代替式(2)中的ρw和ρs計算徑流含沙量。

3 應(yīng)用實例

3.1 水、泥沙密度測量值

用同一套電子秤和量筒對北海原油商業(yè)儲備基地建設(shè)工程水土保持監(jiān)測過程中采集到的某徑流樣品上清液體積和質(zhì)量進行測量，結(jié)果如表2所示。

表2 徑流樣品測量結(jié)果

由表2數(shù)據(jù)可計算出水的密度測量值為ρ'w=0.9803 g/cm3。

將沉淀后的上清液注入量筒并稱重，記錄其體積和質(zhì)量，之后向其中加入泥沙樣，記錄加樣后的體積和質(zhì)量，結(jié)果如表3。

表3 泥沙樣品測量結(jié)果

泥沙樣品測量結(jié)果顯示:加樣前后體積變化量為8 mL，質(zhì)量變化量為19.1 g，則泥沙密度測量值為

3.2 徑流含沙量

表4為北海原油商業(yè)儲備基地建設(shè)工程徑流小區(qū)2011年5月份部分場次降雨后的徑流樣品觀測數(shù)據(jù)，其中5月13日雨后徑流池中淤積的泥沙較多，表中數(shù)據(jù)為徑流池中上層水樣數(shù)據(jù)，未包含池底淤積的泥沙。

表4 泥沙監(jiān)測數(shù)據(jù)

由式(1)、式(2)計算出系統(tǒng)誤差處理前后上述徑流樣品泥沙含量的結(jié)果見表5。

表5 徑流含沙量計算結(jié)果

從徑流含沙量計算結(jié)果可見，在進行系統(tǒng)誤差處理之前，編號為20110503和20110508的徑流樣品含沙量數(shù)據(jù)為負(fù)值，有悖常理，經(jīng)系統(tǒng)誤差處理后，所得徑流含沙量數(shù)據(jù)均為正值，且數(shù)據(jù)合理。

4 結(jié)果與討論

直接稱量法所用儀器設(shè)備簡單，操作簡便快捷，常用于野外徑流泥沙監(jiān)測。由于儀器制造偏差問題，直接稱量法不可避免地會產(chǎn)生系統(tǒng)誤差，使該方法在具體應(yīng)用中獲得的監(jiān)測結(jié)果出現(xiàn)偏差甚至出現(xiàn)測量結(jié)果有悖常理的情況。直接稱量法的系統(tǒng)誤差可采用替代法進行處理，經(jīng)計算驗證，應(yīng)用替代法消除系統(tǒng)誤差的做法是可行的。

因野外觀測條件所限，無法對直接稱量法測量結(jié)果與烘干法測量結(jié)果進行比較，也就無法得知應(yīng)用直接稱重法所獲得監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此今后還需對直接稱量法監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性做進一步研究。需要指出的是，應(yīng)用直接稱量法進行徑流泥沙監(jiān)測時，由于徑流樣品中含有泥沙，比較渾濁，所以會影響體積讀數(shù)的準(zhǔn)確性，可靜置一段時間，待量筒中徑流樣品出現(xiàn)較清晰的凹液面后再進行讀數(shù)。

［1］SL 277—2002，水土保持監(jiān)測技術(shù)規(guī)程［S］.

［2］Guy B T，Dickinson W T，Uudra R P.The roles of rainfall and runoff in the sediment transport capacity of interrill flow［J］.Trans ASAE，1987，30(5):1378－1386.

［3］高佩玲，雷廷武，趙軍，等.坡面侵蝕中徑流含沙量測量方法研究與展望［J］.泥沙研究，2004(5):28－33.