李智廣, 曹文華, 牛勇

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

坡面徑流實時監(jiān)測裝置的測試與率定

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)觀測技術(shù)是水土保持監(jiān)測評價的基礎(chǔ)。研發(fā)適用于徑流小區(qū)尺度的徑流觀測裝備可有效減少人工監(jiān)測的隨機(jī)性，降低監(jiān)測人員的工作強(qiáng)度。通過人工模擬不同強(qiáng)度的產(chǎn)流匯水條件，對“徑流泥沙含量實時測量裝置”開展徑流測量性能的專項測試，結(jié)果表明：該裝置在測試環(huán)境條件下的徑流測量相對誤差范圍為-4.33%～-24.01%，穩(wěn)定時長范圍為55～130 s。偏相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)：測量穩(wěn)定時長與徑流的含沙量、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，但含沙量和流量對測量精度的影響有限(α=0.05)。通過回歸分析，得到該裝置徑流量修正模型；經(jīng)驗證，該模型可使平均相對誤差由修正前的11.53%降低至6.80%，平均測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定時間由修正前的96 s降低至80 s。研究分析提出，通過對上述設(shè)備增設(shè)波浪過濾消減裝置、增大濾波管直徑等措施可進(jìn)一步降低測量誤差，提高工作穩(wěn)定性?；谏鲜鰷y試結(jié)果，本研究認(rèn)為通過利用修正模型，測試設(shè)備的徑流測量效果在測試流量范圍內(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； 徑流量； 測量精度； 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[1]，也是產(chǎn)生地表水蝕的動力來源。徑流總量、徑流過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，我國目前已建立由738處水土保持監(jiān)測站點(diǎn)組成的監(jiān)測站網(wǎng)體系(含290余處坡面徑流觀測場，2 600余個徑流小區(qū))[5-6]，用于不同地區(qū)長期開展坡面徑流觀測，此外在我國還存在眾多由科研院校運(yùn)管的坡面徑流觀測設(shè)施。坡面徑流小區(qū)徑流觀測不同于小流域水文站徑流觀測，其特點(diǎn)是徑流總量小、徑流過程快。為滿足坡面徑流小區(qū)徑流觀測的需要，目前常用的徑流觀測設(shè)施(設(shè)備)有集水箱、多級分水桶(池)、基于水位轉(zhuǎn)換的測流槽及翻斗流量計等。由于測量原理和設(shè)備精度的限制，上述常用設(shè)施(設(shè)備)在使用時均存在一定的局限性：集水箱和分水桶(池)測量工作以人力為主，自動化程度低；測流槽對于流量和水位計精度要求較高，觀測小流量徑流難度大；翻斗式流量計在大徑流條件下易產(chǎn)生系統(tǒng)性的漏測[7-10]。因此探索其他工作原理的坡面徑流測量裝置[11-13]，可以作為現(xiàn)有坡面徑流測量技術(shù)體系的有益補(bǔ)充，并有利于提升我國水土流失的監(jiān)測水平。此外，探索構(gòu)建針對水土保持專用設(shè)施設(shè)備的檢測方法與技術(shù)規(guī)程，對提升我國整體水土流失監(jiān)控能力具有重要意義。

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

筆者基于測試數(shù)據(jù)與分析，對該裝備的性能和適用性進(jìn)行了評價，以期相關(guān)分析結(jié)果能夠有助于水土保持監(jiān)測裝備的選型及相關(guān)工作能力的提升，并有助于形成水土保持監(jiān)測專用設(shè)備的檢測技術(shù)體系完善與發(fā)展，推動水土保持監(jiān)測設(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)測工作的發(fā)展趨勢。

1 裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

該裝置由測量機(jī)械部件(1測量桶、2下支架、3稱量傳感器、4放水管、5電動閥等)、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)入測量桶，桶底電動閥處于關(guān)閉狀態(tài)，液位傳感器實時監(jiān)測桶內(nèi)水位，當(dāng)隨著測量桶收集的徑流量增加至設(shè)定的最高水位Hh時，稱量傳感器測定此時桶體及進(jìn)入內(nèi)部的徑流重量W1，同時，桶底電動閥打開，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，桶底電動閥5閉合，稱量傳感器測定此時桶體及內(nèi)部水體的重量W2，至此一個測量循環(huán)完成，依次連續(xù)循環(huán)測量，完成一場降雨帶來的匯流量測量。徑流過程由處理器輸出、存儲。

徑流總量Qm的計算公式為

(1)

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

1.測量桶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 徑流泥沙含量實時測量裝置整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of a Runoff and Sediment Real-time Measuring Device

2 測試方法

通過流量控制裝置向測量桶內(nèi)注入一定流量的水流，模擬坡面產(chǎn)流過程，通過對比、分析裝置實測流量數(shù)據(jù)與理論流量(注入水量)間的差異，判定裝置的測量性能。此外，本次測試設(shè)置無沙徑流和有沙徑流作為測試水樣，探討不同含沙比例條件對供試裝置影響，即2因素多水平控制性測試，每項試驗設(shè)計重復(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，在測試時，采用“設(shè)計摻沙量”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.

供試流體儲存于儲水箱內(nèi)，箱體內(nèi)供試流體通過安裝在底部的潛水泵和輸水管道向裝置的測量筒輸水，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，在水泵啟動時要關(guān)閉出口閥門，運(yùn)行到一定轉(zhuǎn)速后再打開閥門，進(jìn)行測試。供試流體帶沙測試時，在測試開始前先向儲水箱內(nèi)加入定量泥沙(取自徑流觀測場，烘干狀態(tài))，測試時注入清水，代表含沙徑流。無沙小流量條件下單次測試時長約為2 min，流量設(shè)置為0.1和0.5 L/s；無沙大流量條件下單次測試時長約為80 s，流量設(shè)置為0.91、1.6和1.86 L/s。在帶沙測試中，單次測試時間相應(yīng)延長，一般取140 s。測試期間測試區(qū)域空氣溫度范圍為21～25 ℃。

裝置測量徑流量Qm由電腦處理器輸出，理論徑

流量Qs由設(shè)置流量和測試時間計算得到。本文采用相對誤差判斷裝置測量精度，計算公式如下：

(2)

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

3 結(jié)果與分析

3.1 徑流量測量及其誤差

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

1)無沙、不同流量條件下測試結(jié)果。如圖2(a)所示，在無沙、流量為0.1 L/s條件下，徑流量測量值隨著時間的增加，越來越接近理論值，即測量誤差在逐漸降低，在第110秒左右，相對誤差開始穩(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，測量結(jié)果均小于理論值，即在該測量結(jié)構(gòu)條件下測量結(jié)果存在系統(tǒng)性的偏小。如圖2(b)所示，在無沙、流量為0.5 L/s條件下，測量誤差同樣隨著時間的增加，越來越降低，在第80秒左右，相對誤差開始穩(wěn)定在-11.45%±3.22%左右。該條件下，測量結(jié)果同樣整體小于理論值。如圖2(c)所示，在無沙、流量為0.91 L/s條件下，相對誤差在第70秒左右開始穩(wěn)定在-18.64%±7.83%左右，該條件下，測量值仍整體小于理論值。如圖2(d)所示，在無沙、流量為1.6 L/s條件下，徑流量測量相對誤差在第60秒左右穩(wěn)定在-18.64%±7.81%左右，系統(tǒng)誤差略大于前3組實驗，通過分析系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，3組重復(fù)實驗中僅有一組實驗誤差值較大，說明這組數(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，在無沙、流量為1.86 L/s條件下，實驗開始后測量誤差在逐漸降低，在第55秒左右，相對誤差開始穩(wěn)定在-4.33%±0.08%左右，相較于其他4組不帶沙試驗，在流量為1.86 L/s條件下的相對誤差最小，而且設(shè)備的穩(wěn)定時間最短。通過整體對比分析發(fā)現(xiàn)，在不帶沙測試條件下，設(shè)備測量穩(wěn)定時間隨著設(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，相對誤差達(dá)到穩(wěn)定的時長分別為110、120和130 s，穩(wěn)定的相對誤差分別為-11.59%±0.10%、-24.01%±9.19%、-7.42%±1.51%，對比可以發(fā)現(xiàn)，隨著摻沙量的增加，相對誤差達(dá)到穩(wěn)定的時長隨之增加，即測試水流中的泥沙阻礙了設(shè)備測試結(jié)果的穩(wěn)定。相較于流量為0.5 L/s的不摻沙測試(T2處理)，摻沙試驗徑流量相對誤差達(dá)到穩(wěn)定的時長顯著大于不摻沙試驗(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，相對誤差達(dá)到穩(wěn)定的時長分別為80、110、120和110 s，穩(wěn)定的相對誤差分別為-10.12%±4.62%、-7.19%±4.52%、-11.59%±2.75%、-11.53%±5.91%，對比可以發(fā)現(xiàn)，隨著摻沙量的增加，相對誤差達(dá)到穩(wěn)定的時長整體隨之增加。

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

3.2 徑流量測量的影響因素分析

為分析徑流量、摻沙量對精度和測量穩(wěn)定時長的影響，筆者對上述測試結(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)定時長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)定時長為控制變量的條件下，測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，但摻沙量和流量對測量精度的影響有限(α=0.05)。此外分析發(fā)現(xiàn)，相較于流量為0.91 L/s的不摻沙測試(T3處理)，摻沙試驗徑流量相對誤差達(dá)到穩(wěn)定的時長顯著大于不摻沙試驗(70 s，P<0.05)。通過對比不同流量條件下的摻沙試驗結(jié)果，小流量(0.5 L/s)條件下的測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定時間要顯著大于大流量(0.91 L/s)條件下的時長(P<0.05)，但測量精度無顯著性差異(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 測量參數(shù)率定

由上述測試結(jié)果可知，該裝置直接測量得到的徑流量測量值Qm與理論值Qs之間存在較好的相關(guān)性，因此可以通過回歸的方法建立測量修正模型，將率定出的模型參數(shù)輸入裝置的處理器，以達(dá)到提升裝置測量精度的目的。模型構(gòu)建時以T1、T3、T5、TS1、TS3、TS4、TS6處理的測試結(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試實驗設(shè)計；以T2、T4、TS2、TS5、TS7處理的測量數(shù)據(jù)作為修正模型的驗證數(shù)據(jù)。

如圖4所示，基于徑流量測量值與和理論值，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處理的測量數(shù)據(jù)作為修正模型的驗證數(shù)據(jù)，驗證修正模型對測量數(shù)據(jù)的修正效果。如圖5所示，通過模型修正，5組驗證數(shù)據(jù)在修正后的平均相對誤差可由修正前的11.53%降低為6.80%，平均測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定時間可由修正前的96 s降低為80 s，即修正模型起到較好的修正作用。

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

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

(3)

式中QM為通過修正模型得到的徑流量，m3。

4 結(jié)論與討論

1)通過測試發(fā)現(xiàn)，本次測試的裝置在不同測試工況條件下測量相對誤差范圍為-4.33%～-24.01%，穩(wěn)定時長范圍為55～130 s，測量精度和穩(wěn)定時長主要受流量影響，但設(shè)備的測量值存在較明顯的系統(tǒng)性偏差，即測量數(shù)據(jù)較理論值整體偏小。由徑流總量QT的計算公式(式1)可知，徑流總量QT測量值的大小僅與測量桶內(nèi)液位高度的測量值有關(guān)，準(zhǔn)確地說是由于設(shè)定的最高水位與最低水位的差值(Hh-Hl)整體偏小導(dǎo)致測量值系統(tǒng)性偏小。由于在徑流量的測量過程中液位高度則是通過超聲波水位計(液位傳感器)獲得的，在該過程中超聲波水位計的工作環(huán)境變化(溫、濕度)較小，即可排除超聲波水位計自身的測量偏差。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)致液位測量偏差[14-17]。針對這2種可能的原因，筆者提出可通過增設(shè)波浪過濾消減裝置、增大濾波管直徑等措施來降低測量誤差。

2)通過修正模型驗證可以發(fā)現(xiàn)，雖然修正模型對徑流量的測量整體修正效果較好，但對于大流量、含沙量的條件下，修正模型的修正作用比較有限；因此可以通過繼續(xù)開展大流量、含沙量條件下設(shè)備測試工作，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)備測量精度。

3)本次測試的流量范圍為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。

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

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)械組成對設(shè)備的影響分析，方便水土保持監(jiān)測工作者高效開展徑流監(jiān)測。此外，我國水土保持監(jiān)測工作信息化處于起步升級階段，大量專用水土保持監(jiān)測設(shè)備大量開發(fā)、推廣，急需與這類設(shè)備相配套的檢測方法與技術(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

項目名稱： 山東省自然基金中青年科學(xué)家科研獎勵基金項目“半干旱半濕潤地區(qū)城市綠地節(jié)水與降溫效應(yīng)機(jī)制研究”(ZR2016DB12)；全國水土流失動態(tài)監(jiān)測與公告項目(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，教授級高級工程師。主要研究方向：水土保持監(jiān)測。E-mail：lizhiguang@mwr.gov.cn

S274.1

A

2096-2673(2017)03-0058-07

10.16843/j.sswc.2017.03.008