劉瑛娜，劉 剛，劉寶元,，高曉飛，楊 揚(yáng)，王大安，成聰聰

(1.北京師范大學(xué) 地表過(guò)程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875；2.北京師范大學(xué) 地理學(xué)與遙感學(xué)科學(xué)學(xué)院，北京100875)

翻斗流量計(jì)測(cè)量徑流小區(qū)流量的精度與校正

劉瑛娜1，劉 剛1，劉寶元1,2，高曉飛2，楊 揚(yáng)2，王大安2，成聰聰2

(1.北京師范大學(xué) 地表過(guò)程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875；2.北京師范大學(xué) 地理學(xué)與遙感學(xué)科學(xué)學(xué)院，北京100875)

翻斗流量計(jì)；徑流小區(qū)；流量監(jiān)測(cè)；精度；校正

隨著我國(guó)大規(guī)模水土流失監(jiān)測(cè)工作的開(kāi)展，徑流小區(qū)徑流量的自動(dòng)監(jiān)測(cè)越來(lái)越受重視，而翻斗流量計(jì)是備選設(shè)備之一。為了明確翻斗流量計(jì)用于小區(qū)監(jiān)測(cè)的適用性，依據(jù)已有的小區(qū)資料，設(shè)計(jì)0.1、0.5、1.0、1.5和2.0 L/s共5個(gè)流量，0、50、100、300和500 g/L共5個(gè)含沙量，通過(guò)與徑流桶測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比，測(cè)定翻斗流量計(jì)的測(cè)量精度。結(jié)果表明，當(dāng)流量與含沙量較低時(shí)，翻斗流量計(jì)所測(cè)徑流量精度較高；隨著流量增大，翻斗流量計(jì)測(cè)量結(jié)果比實(shí)際值偏小，且誤差逐漸增大；隨著含沙量增大，翻斗流量計(jì)測(cè)量結(jié)果比實(shí)際值偏大，且誤差逐漸增大；這些變化有很好的規(guī)律性，可以通過(guò)線(xiàn)性回歸公式進(jìn)行校正獲得較好的測(cè)量精度。

徑流小區(qū)是研究坡面土壤侵蝕和水土流失規(guī)律的重要觀(guān)測(cè)手段，徑流量觀(guān)測(cè)是徑流小區(qū)的主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容[1-2]。徑流過(guò)程數(shù)據(jù)是土壤侵蝕動(dòng)態(tài)過(guò)程和土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型研究的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)徑流小區(qū)徑流量監(jiān)測(cè)一般采用集流池或分水箱加集流桶收集徑流，通過(guò)人工量測(cè)池/桶水深計(jì)算總徑流量，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且無(wú)法監(jiān)測(cè)徑流過(guò)程，因此現(xiàn)在人們?cè)絹?lái)越重視徑流小區(qū)徑流量監(jiān)測(cè)中自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備和技術(shù)的應(yīng)用[3]。作為備選設(shè)備之一，翻斗流量計(jì)能通過(guò)翻斗和自動(dòng)計(jì)數(shù)器監(jiān)測(cè)小區(qū)產(chǎn)流的連續(xù)過(guò)程。翻斗流量計(jì)屬于容積法量水技術(shù)，把徑流連續(xù)不斷地分割成單個(gè)已知的體積部分，并根據(jù)測(cè)量室重復(fù)充滿(mǎn)和排放的次數(shù)來(lái)測(cè)量徑流的體積總量和過(guò)程[4]。Barfield等[5]根據(jù)翻斗原理設(shè)計(jì)了測(cè)定流量的儀器，通過(guò)人工降雨試驗(yàn)研究其測(cè)定徑流小區(qū)徑流量的精度，認(rèn)為在0～200 g/L含沙量情況下測(cè)量誤差小于3%。Ahmed等[6]設(shè)計(jì)了一種翻斗測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行徑流小區(qū)流量的測(cè)定和泥沙樣品的采集，測(cè)定25～50 m2徑流小區(qū)的徑流量和產(chǎn)沙量(流量范圍0.03～1.00 L/s)，結(jié)果表明整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)誤差包括由小流量導(dǎo)致的泥沙淤積影響誤差和大流量導(dǎo)致的不穩(wěn)定誤差。曹建生等[7]發(fā)明了一種翻斗自記流量測(cè)定儀，但沒(méi)有對(duì)其測(cè)量誤差進(jìn)行研究。由于翻斗流量計(jì)在徑流小區(qū)中的測(cè)量精度及適用范圍并不清楚，因此本研究采用控制試驗(yàn)的方法，研究翻斗流量計(jì)在不同流量條件下和不同含沙量條件下的測(cè)量精度，并確定翻斗流量計(jì)的適用范圍，希望能為翻斗流量計(jì)在坡面徑流小區(qū)流量監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用提供依據(jù)和指導(dǎo)，推動(dòng)全國(guó)水土流失監(jiān)測(cè)站點(diǎn)徑流小區(qū)流量過(guò)程的自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

1 材料與方法

1.1 翻斗流量計(jì)介紹

翻斗流量計(jì)由進(jìn)水口、翻斗、限位螺絲、軸承、防濺擋板、外箱、感應(yīng)磁鐵、數(shù)據(jù)采集器和出水口，以及數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)與遠(yuǎn)程傳輸設(shè)備等組成，如圖1所示。翻斗容積為3 L。其工作原理是：一個(gè)翻斗接徑流時(shí)，另一個(gè)翻斗處于等待狀態(tài)；當(dāng)翻斗所接徑流達(dá)到預(yù)定值(3 kg)時(shí)，由于重力作用翻斗立即翻倒，處于等待狀態(tài)，另一翻斗處于接徑流狀態(tài)；之后當(dāng)翻斗所接徑流達(dá)到預(yù)定值時(shí)，又自動(dòng)翻倒，處于等待狀態(tài)，從而保證監(jiān)測(cè)水流的連續(xù)性。在翻斗側(cè)壁上裝有感應(yīng)磁鐵，它隨翻斗翻動(dòng)時(shí)從干簧管旁?huà)呙?，使兩個(gè)干簧管輪流通斷，即翻斗每翻倒一次，干簧管便送出一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)(脈沖信號(hào))，每個(gè)脈沖信號(hào)通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集器，每記錄一個(gè)脈沖信號(hào)，便代表3 L徑流量，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)流過(guò)程中的自動(dòng)監(jiān)測(cè)與記錄。

圖1 翻斗自動(dòng)流量計(jì)組成及部件

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

該試驗(yàn)在北京師范大學(xué)房山實(shí)驗(yàn)基地人工模擬降雨大廳進(jìn)行。試驗(yàn)小區(qū)為寬1 m、長(zhǎng)5 m的人工土槽，土壤是北京郊區(qū)的褐土，土槽坡度5°。用水泵抽水注入小區(qū)模擬徑流，流量由分流器上的閥門(mén)控制。試驗(yàn)分兩組，一組測(cè)定小區(qū)出口流量對(duì)翻斗流量計(jì)測(cè)量精度的影響，另一組研究含沙量大小對(duì)測(cè)量精度的影響。測(cè)定流量的影響時(shí)用清水，模擬徑流直接注入小區(qū)匯流槽，設(shè)計(jì)流量為0.1、0.5、1.0、1.5和2.0 L/s。測(cè)定含沙量的影響時(shí)用流量為1.0 L/s的渾水，設(shè)計(jì)渾水含沙量為0、50、100、300和500 g/L。徑流量的測(cè)定分兩部分：一是用翻斗流量計(jì)自動(dòng)記錄，下載數(shù)據(jù)后計(jì)算流量過(guò)程線(xiàn)和總徑流量；二是將翻斗流量計(jì)流出的徑流引入集流桶，每次試驗(yàn)完根據(jù)水位和集流桶底面積計(jì)算總徑流量，以此為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算翻斗流量計(jì)的測(cè)量精度。

試驗(yàn)中選定的流量和含沙量的范圍能代表我國(guó)主要徑流小區(qū)監(jiān)測(cè)范圍。表1列舉了全國(guó)五大水蝕區(qū)代表性小區(qū)的含沙量狀況。流量是根據(jù)黃河水利委員會(huì)子洲徑流場(chǎng)的資料擬定的。

表1 全國(guó)五大水蝕區(qū)代表性小區(qū)的含沙量狀況

2 結(jié)果與分析

翻斗流量計(jì)靠重量翻轉(zhuǎn)并計(jì)數(shù)，精度可能受徑流流入時(shí)的沖擊力、徑流濺出翻斗、翻轉(zhuǎn)過(guò)程中的損失和含沙量大小的影響。前三種是受流量大小影響，最后一種是受含沙量影響。

2.1 流量對(duì)測(cè)量精度的影響與校正

根據(jù)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程的觀(guān)察和分析，翻斗流量計(jì)測(cè)量的流量值可能小于實(shí)際流量值。為了確定測(cè)量精度，以徑流桶的總徑流量作為標(biāo)準(zhǔn)與翻斗流量計(jì)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。集流桶為圓柱體，體積固定，一次試驗(yàn)的徑流總量很容易測(cè)量準(zhǔn)確。對(duì)5個(gè)流量情況下的徑流總量進(jìn)行對(duì)比(表2、圖2)，發(fā)現(xiàn)翻斗流量計(jì)測(cè)量徑流量(W斗，L)與實(shí)際徑流量(W實(shí)，L)的比率(γ)隨流量(Q，L/s)的增加呈線(xiàn)性下降趨勢(shì)(圖2)，擬合公式為

γ=0.937-0.075Q(R2=0.93)

(1)

式中：γ為翻斗流量計(jì)所測(cè)徑流量與集流桶測(cè)定徑流量之比；Q為流量，L/s；R2為決定系數(shù)。

表2 翻斗流量計(jì)與集流桶實(shí)測(cè)徑流總量對(duì)比

圖2 翻斗流量計(jì)所測(cè)徑流量與實(shí)際徑流量的比率隨流量的變化

當(dāng)Q=0時(shí)，γ=0.937，這說(shuō)明翻斗每次翻轉(zhuǎn)時(shí)的容積超過(guò)擬定數(shù)值(3 L)，需要通過(guò)限位螺絲調(diào)節(jié)到設(shè)定容積。調(diào)整到設(shè)定容積后，γ=1，公式(1)改為

γ=1-0.075Q

(2)

為了校正流量對(duì)觀(guān)測(cè)結(jié)果的影響，在計(jì)算實(shí)際徑流量時(shí)可用下式

W實(shí)=W斗/(1-0.075Q)

(3)

2.2 含沙量對(duì)測(cè)量精度的影響與校正

翻斗流量計(jì)的設(shè)計(jì)是按容積計(jì)數(shù)，但翻轉(zhuǎn)是按重量實(shí)現(xiàn)。含沙水流由于密度比清水的大，不到設(shè)計(jì)容積就會(huì)翻轉(zhuǎn)，導(dǎo)致測(cè)量流量大于實(shí)際流量，而且含沙量越大這種差異越大。5種不同含沙量的試驗(yàn)表明，翻斗流量計(jì)所測(cè)徑流量與實(shí)測(cè)徑流量的比率(γ)隨含沙量的增大而增大(圖3)。含沙量的這種影響可以通過(guò)理論推導(dǎo)求得。根據(jù)含沙水流質(zhì)量與設(shè)計(jì)清水質(zhì)量相等的原理，得到如下等式

M設(shè)=W斗ρ水

(4)

M設(shè)=M沙+M水

(5)

式中：M設(shè)為翻斗設(shè)計(jì)容積對(duì)應(yīng)的清水質(zhì)，kg；M沙為實(shí)際徑流中泥沙的質(zhì)量，kg；M水為實(shí)際徑流中清水的質(zhì)量，kg；ρ水為清水的密度，g/cm3。

其中

(6)

M水=V水ρ水

(7)

(8)

(9)

上四式中：c為實(shí)際徑流的含沙量，g/L；V水為實(shí)際徑流中清水的體積，L；ρ沙為泥沙的密度，g/cm3；V實(shí)為實(shí)際徑流的體積，L。

將式(6)、(7)、(8)，帶入式(4)、(5)得到

(10)

為了校正含沙量對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，在計(jì)算實(shí)際徑流量時(shí)可用下式

(11)

圖3 翻斗流量計(jì)所測(cè)徑流量與實(shí)際徑流量的比率隨含沙量的變化

2.3 翻斗流量計(jì)所測(cè)流量的校正

對(duì)翻斗流量計(jì)實(shí)測(cè)流量進(jìn)行校正，先進(jìn)行流量對(duì)測(cè)量精度影響的校正，再進(jìn)行含沙量對(duì)測(cè)量精度影響的校正，即根據(jù)公式(3)、(11)將不同流量和含沙量條件下翻斗流量計(jì)測(cè)定的流量進(jìn)行修訂。測(cè)定含沙量影響時(shí)試驗(yàn)設(shè)計(jì)流量為1L/s，實(shí)際流量為0.946L/s，試驗(yàn)測(cè)定的褐土泥沙的密度為2.45g/cm3。圖4為校正前后的翻斗流量計(jì)測(cè)定徑流量與徑流桶測(cè)定徑流量的關(guān)系，校正后的點(diǎn)緊密分布在1 ∶1線(xiàn)附近。經(jīng)流量影響和含沙量影響校正公式修訂后的徑流量結(jié)果與集流桶實(shí)測(cè)值非常接近。

圖4 校正前后翻斗流量計(jì)測(cè)量徑流量與徑流桶測(cè)量徑流量比較

3 結(jié) 論

(1)試驗(yàn)結(jié)果表明采用翻斗流量計(jì)進(jìn)行徑流小區(qū)的流量過(guò)程監(jiān)測(cè)是可行的，建議3L的翻斗流量計(jì)在面積為100m2以下的徑流小區(qū)使用。3L翻斗流量計(jì)的流量測(cè)量范圍是0～2L/s。

(2)隨著流量增大，翻斗流量計(jì)所測(cè)流量結(jié)果比實(shí)際值偏小，且誤差逐漸增大；隨著含沙量增大，流量測(cè)量結(jié)果比實(shí)際值偏大，且誤差逐漸增大。規(guī)律的翻斗流量的測(cè)量誤差可以通過(guò)公式進(jìn)行校正，以獲得較好的測(cè)量精度。

(3)當(dāng)含沙量小于100g/L時(shí)，可不考慮含沙量影響，直接根據(jù)流量進(jìn)行修訂；當(dāng)含沙量大于100g/L時(shí)，則需根據(jù)泥沙密度進(jìn)行含沙量對(duì)測(cè)定結(jié)果影響的修訂。一般情況下，褐土泥沙密度可采用2.45g/cm3，其他地區(qū)土壤試驗(yàn)前需測(cè)定土壤泥沙密度。

[1]HudsonN.SoilConservation[M].AMES:IowaStateUniversityPress,1995:165-169.

[2] 李月,周運(yùn)超,白曉永,等.徑流小區(qū)法監(jiān)測(cè)水土流失的百年歷程[J].中國(guó)水土保持,2014(12):63-66.

[3] 張玉新,魯勝力,王瑩,等.我國(guó)水土保持監(jiān)測(cè)工作現(xiàn)狀及探討[J].中國(guó)水土保持,2014(4):6-9.

[4] 曹建生,劉昌明,張萬(wàn)軍.基于翻斗法的自動(dòng)量水技術(shù)及其應(yīng)用[J].水利水電科技進(jìn)展,2005,25(2):49-52．

[5]BarfieldBJ,HirschiMC.Tippingbucketflowmeasurementsonerosionplots[J].TransactionoftheASAE,1986,2(6): 1600-1604.

[6]AhmedAH,Khan,ChinKO.Designandcalibrationoftippingbucketsystemforfieldrunoffandsedimentquantification[J].Journalofsoilandwaterconservation,1997,52(6):437-443.

[7] 曹建生,劉昌明,張萬(wàn)軍.基于翻斗法的雙輥打點(diǎn)式自記流量測(cè)定儀[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電,2005,25(1):112-114.

(責(zé)任編輯 李楊楊)

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目(2013NT36)；中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2014M550646)；地表過(guò)程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目(2015-RC-02)；國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)資助項(xiàng)目(41321001)

S157.1

A

1000-0941(2015)10-0044-03

劉瑛娜(1982—)，女，河北唐山市人，工程師，博士，主要從事土壤侵蝕及其環(huán)境影響方面的研究；通信作者劉寶元(1958—)，男，陜西佳縣人，教授，博士，主要從事土壤侵蝕與水土保持方面的研究。

2015-06-04