陳曉安，曹 智，喻榮崗，張 龍，陳 浩，蔡袁海，馮 陽

坡面徑流小區(qū)集流桶含沙量測量方法對比

陳曉安1,2，曹 智3,4，喻榮崗1，張 龍1※，陳 浩1，蔡袁海3，馮 陽3

（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，南昌 330029； 2. 河海大學農(nóng)業(yè)科學與工程學院，南京 210098；3. 江西綠川科技發(fā)展有限公司，九江 332000；4. 中南林業(yè)科技大學林學院，長沙 410004）

準確測量坡面徑流小區(qū)集流桶含沙量是定量精準監(jiān)測坡面土壤侵蝕的關(guān)鍵，野外徑流小區(qū)觀測方法測量精度、影響因素及其適用性的研究是實際應用的基礎(chǔ)。該研究以第四紀紅土為研究對象，采用室內(nèi)模擬試驗，對比不同含沙量（1.05、5.07、10.49、50.72、101.45、439.10 kg/m3）、不同水深（30、60、90 cm）下4種集流桶含沙量測量方法的精度，并對測量結(jié)果進行修正。結(jié)果表明：1）在60 cm水深、不同含沙量下，4種測定方法中，以機械+全剖面法測量誤差總體最低；2）水深和含沙量是影響坡面徑流小區(qū)集流桶取樣測量誤差的重要因素?？傮w而言，含沙量越高，測量誤差越大；不同含沙量下，水深對測定誤差影響程度不一，當含沙量小于50.72 kg/m3時，水深對機械+全剖面法測量精度無顯著影響；3）4種方法的測量值與真實值均呈極顯著正線性相關(guān)，含沙量測量值經(jīng)過方程修正后相對誤差明顯降低。4）在含沙量小于5.07 kg/m3時，人工攪拌法可以應用于野外徑流小區(qū)觀測；當含沙量大于等于101.45 kg/m3后，全剖面法可以直接用于野外徑流小區(qū)觀測；機械法、機械+全剖面法在野外徑流小區(qū)觀測中可以直接使用。研究結(jié)果為集流桶含沙量取樣測量方法在紅壤區(qū)應用提供依據(jù)。

徑流；泥沙；坡面；集流桶；取樣；測量方法

0 引 言

水土流失定量監(jiān)測可以為水土流失科學研究、預測預報提供基礎(chǔ)資料，為水土流失防治提供科學依據(jù)[1-2]。徑流小區(qū)是坡面水土流失的一種測驗設施[3]，是水土流失定量監(jiān)測中最普遍而重要的一種研究方法，被廣泛應用于世界各地[4-5]。1877年德國土壤學家Ewald Wollny建立了世界上第一批徑流小區(qū)，開始定量研究土壤侵蝕[6]。1922－1927年，中國首次在山西、山東地區(qū)修建了徑流小區(qū)，用于監(jiān)測森林植被水土流失[7]；1941－1942年間中國先后成立了關(guān)中水土保持實驗區(qū)和天水水土保持實驗區(qū)[8]。目前，已建成738個水土保持監(jiān)測站點，并廣泛分布于中國各省市水蝕監(jiān)測中，發(fā)揮重要作用[9]，量大面廣的坡面徑流小區(qū)迫切需求精準的徑流泥沙取樣測量方法。

含沙量是徑流小區(qū)監(jiān)測的最重要指標，是能否準確獲取土壤侵蝕量的關(guān)鍵。為了快速準確測定含沙量，國內(nèi)很多學者提出了自動監(jiān)測含沙量方法，雷廷武等[10-12]提出射線透測法，并研制出LWT-1全自動徑流泥沙含量與流量動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)；李小昱等[13]研制了電容式傳感器測量了水流中的含沙量；曾為軍等[14]提出了一種基于計時法和光電法的徑流量與含沙量的測量方法；趙軍等[15]研究出稱重式坡面徑流小區(qū)水流流量自動監(jiān)測系統(tǒng)；展小云等[16]基于比重法原理，發(fā)明了徑流泥沙實時自動監(jiān)測儀。但受自動監(jiān)測設備安全問題、穩(wěn)定性、測量范圍、測量精度以及成本費用等不同方面的缺陷，導致其并未廣泛應用。目前，徑流小區(qū)徑流泥沙監(jiān)測仍然以集流桶多級分流的方式收集徑流泥沙[17]，人工對集流桶中含沙量進行取樣測量。當前，集流桶中含沙量取樣測量主要采用人工攪拌取樣測量法，人工攪拌取樣是通過人力將集流桶（池）內(nèi)的含沙水體攪勻，邊攪動邊從桶內(nèi)取出一定體積的渾水樣品[18]。唐菊等[19]在50、100 L 2個渾水體積下13個含沙量等級下研究紫色土區(qū)傳統(tǒng)攪拌取樣方法測量精度，指出紫色土區(qū)徑流小區(qū)集流桶含沙量低于200 kg/m3時，人工攪拌法相對誤差在?50%～?30%。在北方土石山區(qū)>0.05 mm泥沙顆粒含量高、沉淀快，人工攪拌法的平均相對誤差高達?83.05%[20]。符素華等[20]針對70 cm水深下不同含沙量下傳統(tǒng)攪拌取樣和分層取樣相對誤差對比研究，認為分層法測量精度明顯提高，但分層測量法操作繁瑣、耗時費力，致使其在實際監(jiān)測中應用不多。葉芝菡等[21]根據(jù)北方土石山粗砂顆粒含沙高的特點，研制出操作簡單、成本低廉的全剖面采樣器，并在20～300 kg/m3含沙量下，在4個水深下將全剖面法和傳統(tǒng)人工攪拌測量誤差對比，指出全剖面法相對傳統(tǒng)人工攪拌法，平均相對誤差提高到30%以內(nèi)。攪拌取樣法和全剖面取樣法是當前徑流小區(qū)集流桶取樣觀測常用的方法。攪拌取樣測量法精度受土壤性質(zhì)影響較大[22]，同時受水深、含沙量等影響，而相關(guān)學者研究傳統(tǒng)攪拌測量誤差時同時考慮水深和含沙量的不多。由于不同地區(qū)徑流含沙量的差異，葉芝菡等并未考慮低于20 kg/m3含沙量的低含沙量事件，而南方紅壤區(qū)低含沙量事件發(fā)生頻率高，且附著在桶底的泥沙通過全剖面取樣器幾乎不能取到，致使其在低含沙量下誤差大。紅壤區(qū)坡面侵蝕泥沙中團粒、黏粒含量高，粉粒、黏粒明顯富集，與其他土壤存在明顯差異[23]，且紅壤區(qū)次降雨雨型、雨強差異大[24-25]，致使次降雨侵蝕后，集流桶內(nèi)水深、含沙量變異大。攪拌法、全剖面采樣法在紅壤區(qū)不同水深、含沙量下測量精度不明確，且其測量誤差大，無現(xiàn)成的修正方法，不同條件下采樣方法的適用范圍亦無相關(guān)報道。攪拌法、全剖面采樣法都屬于人工取樣方法，未見有集流桶內(nèi)省力省時的機器取樣法，機械攪拌取樣對于機器取樣裝置研發(fā)具有重要基礎(chǔ)。

為此，本文在傳統(tǒng)人工攪拌法和全剖面取樣法的基礎(chǔ)上，提出了機械攪拌法和機械攪拌再全剖面取樣的2種含沙量測量方法。將4種集流桶含沙量取樣測量方法在不同水深、含沙量條件下進行測量精度分析，并將測量值進行標定，減少相對誤差，以期為集流桶含沙量取樣測量方法在紅壤區(qū)應用提供科學依據(jù)，并為徑流桶自動取樣器研發(fā)提供基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 供試土樣

試驗在江西省德安縣的燕溝小流域的江西水土保持生態(tài)科技園進行，試驗土體為第四紀紅土，采自該園坡耕地0～20 cm土壤。試驗前將供試土壤中大塊草根、石塊篩除，進行破碎處理，自然風干后過5 mm篩。土壤的不同粒徑顆粒質(zhì)量百分數(shù)為黏粒（<0.002 mm）為32.24%，粉粒（0.002～<0.05 mm）為57.83%，砂粒（0.05～2 mm）為9.94%。

1.2 試驗設計

江西水土保持生態(tài)科技園的坡耕地徑流小區(qū)2012－2016年5 a的集流桶含沙量為0～450 kg/m3，其中一級分流桶含沙量低于1.05、5.07、10.49、50.72、101.45、439.10 kg/m3的發(fā)生頻率分別為33%、71%、80%、93%、97%、99%，二級分流桶含沙量低于1.05、5.07、10.49、50.72、101.45 kg/m3的發(fā)生頻率分別為37%、75%、89%、95%、100%，最后一級收集桶含沙量低于1.05、5.07 kg/m3的發(fā)生頻率分別為44%和100%。因此，不同濃度含沙量試驗設置1.05、5.07、10.49、50.72、101.45、439.10 kg/m36個水平，水深均為60 cm。國內(nèi)標準徑流小區(qū)的集流桶溢流口高度一般在60 cm左右，最大高度一般不超過90 cm，30 cm代表未溢流的集流桶水位，為此不同水深試驗設置30、60、90 cm，每個水深均有5.07、50.72、101.45 kg/m33個含沙量。不同含沙量、水深試驗均設置3個重復。30、60 cm水深的試驗均在集流桶為0.6 m（直徑）×0.8 m（高）的集流桶中進行，90 cm水深試驗則在0.6 m（直徑）×1.2 m（高）集流桶進行。

1.3 采樣方法

不同方法取樣采樣前，先按照試驗設計中的含沙量、水深計算好需要用的土體質(zhì)量，稱量好相應質(zhì)量的土體，將土體倒入集流桶中，放自來水至設計水深。采用機械攪拌器統(tǒng)一對制備好的集流桶渾水樣攪拌（3 min），致使大顆粒土壤攪碎及泥沙不堆積。再采用不同取樣方法取樣，每種取樣方法均取800 mL渾水樣放入鋁盒中，烘箱烘干稱質(zhì)量。

人工攪拌取樣法即人工法（Artificial Method，AM）：前期試驗人工連續(xù)攪拌3 min后，桶內(nèi)不同含沙量均能達到穩(wěn)定；工人用木棍對徑流桶渾水進行連續(xù)攪拌（3 min），攪拌完成后，邊攪拌邊采取，用取樣勺在桶內(nèi)3個點的水體上、中、下部3個深度各取一勺水樣到取樣桶中，然后對取樣桶中水樣再次攪拌均勻后取800 mL渾水樣于鋁盒中，烘干稱質(zhì)量。

機械攪拌取樣法即機械法（Mechanical Method，MM）：攪拌器型號為螺紋型號M14（浙江昱邁斯工具有限公司），攪拌槳直徑15 cm，攪拌器高120 cm，電機功率1 100 W，空載轉(zhuǎn)速150～850 r/min，6檔調(diào)速，攪拌器示意圖見圖1。通過前期試驗攪拌器轉(zhuǎn)速為200 r/min、連續(xù)攪拌3 min，桶內(nèi)不同含沙量均能達到穩(wěn)定；試驗過程中攪拌器轉(zhuǎn)速設置為200 r/min，攪拌器底部距離桶底5 cm，對集流桶內(nèi)渾水進行連續(xù)攪拌3 min，攪拌完成后采取邊攪拌邊取樣，取樣過程與人工法一致。

圖1 機械攪拌器

全剖面取樣器取樣法即全剖面法（depth Profile Method，PM）：全剖面采樣器如圖2所示，管長100 cm，圓管內(nèi)徑為5 cm，外徑為5.4 cm。使用全剖面采樣器對完成靜置24 h后的集流桶水樣進行采樣，再桶內(nèi)均勻的隨機取5個點位水樣，將5管水倒入取樣桶中，再在取樣桶中采樣，采樣過程與人工法一致。

圖2 全剖面采樣器

機械+全剖面取樣器取樣法即機械+全剖面法（MM+PM）：用機械攪拌器對集流桶內(nèi)渾水進行攪拌3 min，攪拌完成后采取邊攪拌邊取樣，取樣過程及位置與全剖面取樣法一致。

1.4 數(shù)據(jù)分析

統(tǒng)計分析采用SPSS 軟件，顯著性采用檢驗和LSD檢驗，標定方程采用SPSS軟件線性回歸，Excel軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 采樣方法對測量精度的影響

4種取樣測量方法在60 cm水深、不同含沙量條件下相對誤差檢驗表明，取樣測量方法對集流桶含沙量測量精度有顯著性影響（<0.05）。人工法、機械法、全剖面法、機械+全剖面法在6種含沙量下的相對誤差的絕對值的均值依次為37%、24%、38%、14%；機械法（MM）相對人工法（AM）測量的相對誤差均值減小13個百分點，在機械法基礎(chǔ)上增加全剖面法（即機械+全剖面，MM+PM）比機械法測量的相對誤差均值減小10個百分點；全剖面法（PM）相對誤差大于人工法，但在全剖面法基礎(chǔ)上增加機械法即機械+全剖面法比全剖面法測量的相對誤差均值減小24個百分點。

不同取樣測量方法在不同含沙量下測量誤差分析見表1，人工法的相對誤差范圍約為?43%～?29%，機械法的相對誤差范圍約為?27%～?17%，全剖面法的相對誤差范圍為?47%～65%，機械+全剖面法的相對誤差范圍約為?27%～?4%。全剖面法在在低含沙量（<50.72 kg/m3）存在正誤差，高含沙量均為負誤差，其他方法的相對誤差均為負值；含沙量高時，各方法測量值的相對誤差基本上較大。機械法在不同含沙量下測量精度均顯著小于或近似于人工法；在含沙量小于等于50.72 kg/m3時，機械法測量的相對誤差顯著小于或近似于全剖面法，大于101.45 kg/m3時，兩者無顯著差異；機械+全剖面法在不同含沙量下測量的相對誤差小于或近似于機械法。

2.2 水深對測量精度的影響

4種取樣測量方法在不同水深、不同含沙量條件下相對誤差分析見圖3。

表1 4種方法含沙量測量誤差

注：水深為60 cm，數(shù)字后面不同字母表示不同方法之間0.05水平的顯著差異。

Note: The depth of the water is 60cm. Different letters after the number indicate significant differences among methods at the 0.05 level.

圖3 不同水深條件下4種方法測量的含沙量的相對誤差對比

由圖3可知，不同含沙量條件下水深對相對誤差的影響有所不同。人工法60 cm水深的相對誤差顯著大于30 cm，但與90 cm水深的相對誤差無顯著差異；在低含沙量（5.07 kg/m3）和高含沙量（101.45 kg/m3）下，機械法測量的相對誤差均隨著水深增加而增大，30 m增加到60 cm測量誤差無顯著差異，但是90 cm與30 cm水深相對誤差有顯著差異；全剖面法在含沙量在50.72 kg/m3時測量的相對誤差與水深無明顯關(guān)系，在101.45 kg/m3下當水深增加到60 cm以后，隨水深增加相對誤差不再顯著增大；除含沙量為5.07 kg/m3時，其他含沙量條件下機械+全剖面法測量誤差與水深無明顯關(guān)系。在不同含沙量、不同水深下，4種方法的平均相對誤差從大到小依次為人工法、全剖面法、機械法、機械+全剖面法。

人工攪拌法在水深小于等于30 cm時，集流桶含沙量在0～101.45 kg/m3時，取樣相對誤差在22.40%，滿足精度要求，當水深增加到60 cm，含沙量在小于等于1.05 kg/m3時，相對誤差在28.12%，仍能滿足精度要求，但當含沙量大于5.07 kg/m3時，平均相對誤差達到40.02%，不在能滿足精度要求。全剖面法在水深小于等于60 cm時，含沙量在小于101.45 kg/m3時，平均相對誤差達40.41%，野外徑流小區(qū)觀測應用中受限制，當含沙量大于等于101.45 kg/m3時，平均相對誤差減小到28.00%，含沙量越高，測量精度越高，其野外適用性也越好；當水深增加到90 cm時，含沙量等于101.45 kg/m3時，相對誤差就增加到50.40%，基本不能適用野外采樣觀測。機械法、機械+全剖面法在0～90 cm水深、0～439.10%含沙量下，其相對誤差均小于30%，在野外集流桶含沙量取樣過程中可以直接使用，但仍有必要需求合適方法提高精度。

2.3 4種方法測量值標定

國內(nèi)標準徑流小區(qū)的集流桶溢流口最常見的高度為60 cm，因而在60cm水深條件進行不同取樣方法進行標定。在60 cm水深、不同含沙量下，4種方法測量值與實際含沙量散點擬合方程見圖4，可知，人工法、機械法、機械+全剖面法所有散點均在1:1線以上，說明不同方法的測量值均小于實際值，測量誤差為負誤差。采用線性擬合方程擬合實測值與測量值關(guān)系，方程的2均大于0.99（<0.01），均方根誤差（Root Mean Square Error，RMSE）為4.53～11.37 kg/m3，表明了二者關(guān)系用線性回歸方程擬合的可靠性，可采用如圖4所示方程對各方法測定值進行標定。

圖4 不同方法測定的含沙量測量值與實際值的擬合結(jié)果

在60 cm水深、304.35 kg/m3含沙量下采用不同方法進行取樣測量，將測量值通過標定方程修正值與原測量誤差對比分析驗證標定方程的可靠性，結(jié)果見表2，不同方法的測量值通過標定方程修正后，修正后均更接近真實值，相對誤差均減??；在304.35 kg/m3含沙量下，通過方程修正后，人工法相對誤差減小最大，其次為全剖面法，機械法、機械+全剖面法差異不大，機械法、機械+全剖面法差異不大，機械法、機械+全剖面法修正后相對誤差的減小值在13個百分點以內(nèi)。

表2 不同方法標定方程修正前后含沙量對比

3 討 論

攪拌法在紫色土區(qū)[19]、土石山區(qū)[21]測量值均小于實際測，即測量誤差為負誤差，全剖面法相對誤差正負對半[21]，與圖4結(jié)果一致。粗顆粒泥沙沉降速度快，使得這部分泥沙顆粒難以被攪動起來，即使被攪動起來的粗泥沙顆粒也在極短時間內(nèi)落回集流池（桶）底部，導致攪拌法取樣測得的泥沙濃度偏低[14]。因此，攪拌法測量值一定小于實際測，即相對誤差為負數(shù)，人工法、機械法、機器+剖面法本質(zhì)是攪拌法取樣，因此其測量值均小于實際值。由于人工攪拌力氣小、速度慢，很多大顆粒攪拌不均勻，機械法力氣大、速度快，攪拌過程中均勻轉(zhuǎn)動，人為影響因素少，使得機械法測量精度增加，而且均勻性大，偏差減小。機器+全剖面法不僅可以將徑流桶泥沙攪拌均勻，而且其采集水面到桶底的整個水柱，不同深度水樣均取到，水樣代表性更強，因此機械+全剖面法測量精度最低。全剖面采樣器直接采樣，受集流池（桶）泥沙高低不平的影響，集流桶含沙量低時，采樣前很難把桶底泥沙扒平，致使在低含沙量時有正負誤差；含沙量高時，桶底泥沙厚，泥沙扒平后，相對差異小，全剖面采樣器將泥沙采集到采樣桶后，采樣桶再次攪拌采樣，導致高含沙量為負誤差。全剖面采樣法低含沙量時，桶底泥沙厚度小于2 mm的無法采集，導致其低含沙量測量誤差大；因此，低含沙量時（5.07 kg/m3），全剖面法測量誤差大于人工攪拌法。

攪拌法攪拌均勻性受攪拌力氣和攪拌助力影響，隨著水深增加攪拌阻力增加，隨著含沙量增加攪拌阻力增加；此外，隨著含沙量的增加，泥沙沉淀機率變大。集流桶水深小于等于30 cm時，很小力氣就可以攪拌均勻，因此在30 cm水深時，人工法、機械法、機械+全剖面法測量誤差均不大；隨著水深增加，攪拌阻力增大，含沙量在5.07 kg/m3時，60 cm水深相比30 cm水深人工攪拌法就顯著增加了測量誤差，隨著水深增加測量誤差繼續(xù)增大，但是由于集流桶水深在60 cm后已經(jīng)攪拌不均勻，因此90 cm水深與60 cm水深測量誤差無顯著差異。機械法攪拌力氣大，機械法受水深和含沙量的影響小于人工法，在60 cm水深與30 cm水深測量誤差無顯著差異，水深增加到90 cm后測量誤差開始有顯著差異，特別是為高含沙量時差異更大。全剖面法采集的是整個水柱，因此受水深影響很小，但是徑流桶水變深影響桶底泥沙扒平，水深越大、含沙量越大，越難扒平，因此泥沙濃度低（50.72 kg/m3）時全剖面法幾乎不受水深影響，高泥沙濃度時相對誤差隨著水深增大而增大；機械+全剖面法結(jié)合了攪拌和全剖面器的優(yōu)勢，致使其測量誤差幾乎不受水深和含沙量的影響。

含沙量和水深影響不同采樣方法在野外集流桶含沙量采樣中的應用。人工攪拌法在水深小于等于30 cm時，集流桶含沙量在0～101.45 kg/m3時，取樣相對誤差在22.40%，滿足精度要求，但是野外徑流小區(qū)集流桶分流孔高度一般均高于30 cm；當水深增加到60 cm，含沙量在小于等于1.05 kg/m3時，相對誤差在28.12%，仍然能滿足野外觀測精度要求，當含沙量大于5.07 kg/m3時，平均相對誤差達到40.02%，實測含沙量數(shù)據(jù)不進行方程修正，誤差偏大，野外徑流小區(qū)觀測應用中受限制。全剖面法在水深小于等于60 cm時，含沙量在小于101.45 kg/m3時，平均相對誤差達40.41%，野外徑流小區(qū)觀測應用中受限制，當含沙量大于等于101.45 kg/m3時，平均相對誤差減小到28.00%，含沙量越高，測量精度越高，其野外適用性也越好；當水深增加到90 cm時，含沙量等于101.45 kg/m3時，相對誤差就增加到50.40%，基本不能適用野外采樣觀測。機械法、機械+全剖面法在0～90 cm水深、0～439.10%含沙量下，其相對誤差均小于30%，在野外集流桶含沙量取樣過程中可以直接使用。

4 結(jié) 論

1）與真實值相比，不同方法測定含沙量的精度均較低，人工法、機械法、全剖面法、機械+全剖面法在6種含沙量下的相對誤差的絕對值的均值依次為37%、24%、38%、14%，各方法測定精度均在14%及以上，其中機械+全剖面法相對誤差最小?？傮w而言，高含沙量條件下，各方法測定值相對誤差較大。

2）水深對不同取樣方法的影響程度不一；比較而言，人工法測量誤差受水深影響最明顯，低含沙量下，水深增加到60 cm時顯著增加了測量誤差，但水深繼續(xù)增加，測量誤差不再增加；含沙量為101.45 kg/m3時，水深增加到90 cm后才機械法相對誤差才顯著增大；含沙量為59.72 kg/m3時，全剖面法測量精度與水深無明顯關(guān)系；當含少量大于5.07 kg/m3時，機械+全剖面法測量精度幾乎不受水深的影響。

3）在含沙量小于5.07 kg/m3時，人工攪拌法可以應用于野外徑流小區(qū)觀測，當含沙量大于5.07 kg/m3時，人工攪拌法測量值不經(jīng)過方程修正，其在野外徑流小區(qū)觀測中直接使用受限制；含沙量在小于101.45 kg/m3時，全剖面法在野外徑流小區(qū)觀測中直接使用受限制，當含沙量大于等于101.45 kg/m3后，可以直接用于野外徑流小區(qū)觀測，并且含沙量越大適用性越好；機械法、機械+全剖面法在野外徑流小區(qū)觀測中可以直接使用，但仍有必要進一步提高其測量精度。

4）采用線性方程對4種方法的含沙量測定結(jié)果進行修正，2均大于0.99（<0.01），均方根誤差為4.53～11.37 kg/m3，表明了線性回歸方程的可靠性，可用于各方法測定值的標定，經(jīng)驗證，各方法測定值相對誤差均明顯降低，測定精度明顯提高。值得注意的是，該標定方程的實用范圍為1.05～439.10 kg/m3，水深為60 cm。

[1] 姜德文. 論生態(tài)文明建設中的水土保持監(jiān)測與公共服務[J]. 中國水土保持科學，2016，14(6)：131-136.

Jiang Dewen. On monitoring and the public service of soil and water conservation in the time of ecological civilization construction[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2016, 14(6): 131-136. (in Chinese with English abstract)

[2] 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.

Gao Peiling, Lei Tingwu, Zhao Jun, et al. Evaluating the measuring methods to sediment concentration in the runoff of slope erosion[J]. Journal of Sediment Research, 2004(5): 28-33. (in Chinese with English abstract)

[3] 中華人民共和國水利部. 水土保持監(jiān)測技術(shù)規(guī)程：SL 277-2002[S]. 北京：中國水利水電出版社，2006.

[4] Kirkby M J, Morgan R P C. Soil Erosion[M]. NW: John Wily & Sons Ltd.,1980.

[5] 李智廣，曹文華，牛勇. 坡面徑流實時監(jiān)測裝置的測試與率定[J]. 中國水土保持科學，2017，15(3)：58-64.

Li Zhiguang, Cao Wenhua, Niu Yong. Test and calibration of a real-time hillslope runoff measuring device[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2017, 15(3): 58-64. (in Chinese with English abstract)

[6] Meyer L D, Harmon W C. Multiple-intensity rainfall simulator for erosion research on row side slopes[J]. Trans American Society of Agricultural Engineers, 1979, 8(1): 100-103.

[7] 李月，周運超，白曉永，等. 徑流小區(qū)法監(jiān)測水土流失的百年歷程（1915－2014年）[J]. 中國水土保持，2014(12)：63-66.

[8] 郭索彥，李智廣. 我國水土保持監(jiān)測的發(fā)展歷程與成就[J].中國水土保持科學，2009，7(5)：19-24.

Guo Suoyan, Li Zhiguang. Development and achievements of soil and water conservation monitoring in China[J] Science of Soil and Water Conservation, 2009, 7(5): 19-24. (in Chinese with English abstract)

[9] 李智廣，姜學兵，劉二佳，等. 我國水土保持監(jiān)測技術(shù)和方法的現(xiàn)狀與發(fā)展方向[J]. 中國水土保持科學，2015，13(4)：144-148.

Li Zhiguang, Jiang Xuebing, Liu Erjia, et al. Present status and future development of technologies and methods for soil and water conservation monitoring in China[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2015, 13(4): 144-148. (in Chinese with English abstract)

[10] 雷廷武，趙軍，袁建平. 利用射線透射法測量徑流含沙量及算法[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2002，18(1)：18-21.

Lei Tingwu, Zhao Jun, Yuan Jianping. Determining sediment concentration in runoff flow withray attenuation and the related theoretical algorithm[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2002, 18(1): 18-21. (in Chinese with English abstract)

[11] 王輝，雷廷武，趙軍，等. LTW-1型徑流泥沙含量與流量動態(tài)測量系統(tǒng)研究[J]. 水土保持通報，2003，23(2)：43-45.

Wang Hui, Lei Tingwu, Zhao Jun, et al. LTW-1 dynamic measuring system for sediment concentration and flow rate determination of run off flow[J] Bulletin of Soil and Water Conservation, 2003, 23(2): 43-45. (in Chinese with English abstract)

[12] 雷廷武，劉清坤，黃興法，等. 伽瑪射線測量徑流泥沙含量算法中質(zhì)量吸收系數(shù)優(yōu)選及其對測量誤差影響的分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2003，19(1)：51-53.

Lei Tingwu, Liu Qingkun, Huang Xingfa, et al. Optimal choice of mass absorption coefficient and analysis of its influence on measured error in algorithm of using gamma ray to measure runoff sediment concentration[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2003, 19(1): 51- 53. (in Chinese with English abstract)

[13] 李小昱，雷廷武，王為. 電容式傳感器測量水流泥沙含量的研究[J]. 土壤學報，2002，39(3)：429-435.

Li Xiaoyu, Lei Tingwu, Wang Wei. Capacitance sensor measuring sediment concentration in water current[J]. Acta Pedologica Sinica, 2002, 39(3): 429-435. (in Chinese with English abstract)

[14] 曾為軍，張云偉，陳嶺，等. 基于計時與光照法的坡面徑流量及含沙量動態(tài)檢測系統(tǒng)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2014，30(24)：114-123.

Zeng Weijun, Zhang Yunwei, Chen Ling, et al. Dynamic measured system for hillslope runoff rate and sediment concentration based on time method and illumination method[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(24): 114-123. (in Chinese with English abstract)

[15] 趙軍，屈麗琴，趙曉芬，等. 稱重式坡面徑流小區(qū)水流流量自動測量系統(tǒng)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2007，23(3)：36-40.

Zhao Jun, Qu Liqin, Zhao Xiaofen, et al. Automated weighting system for measuring flow rate from runoff plots[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2007, 23(3): 36-40. (in Chinese with English abstract)

[16] 展小云，郭明航，趙軍，等. 徑流泥沙實時自動監(jiān)測儀的研制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2017，33(15)：112-118.

Zhan Xiaoyun, Guo Minghang, Zhao Jun, et al. Development of real-time and automatic measuring equipment for runoff and sediment[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(15): 112-118. (in Chinese with English abstract)

[17] 謝頌華，方少文，王農(nóng). 水土保持試驗徑流小區(qū)設計探討[J]. 人民長江，2013，44(17)：83-86，113.

Xie Songhua, Fang Shaowen, Wang Nong. Discussion on design of runoff plot in soil and water conservation experiment[J] Yangtze River, 2013, 44(17): 83-86, 113. (in Chinese with English abstract)

[18] 劉寶元. 徑流小區(qū)和小流域水土保持監(jiān)測手冊[M]. 北京：中國水利水電出版社，2015.

[19] 唐菊，黃鈺涵，陳曉燕，等. 紫色土集流桶（池）攪拌取樣測量含沙量誤差試驗[J]. 中國農(nóng)業(yè)大學學報，2017，22(9)：116-122.

Tang Ju, Huang Yuhan, Chen Xiaoyan, et al. Experimental study on sediment measurement errors from sampling-mixing procedures of purple soil[J]. Journal of China Agricultural University, 2017, 22(9): 116-122. (in Chinese with English abstract)

[20] 符素華，付金生，王曉嵐，等. 徑流小區(qū)集流桶含沙量測量方法研究[J]. 水土保持通報，2003，23(6)：39-41.

Fu Suhua, Fu Jinsheng, Wang Xiaolan, et al. Sediment content measurement in collecting tanks of runoff plots[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2003, 23(6): 39-41. (in Chinese with English abstract)

[21] 葉芝菡，劉寶元，路炳軍，等. 徑流小區(qū)集流桶含沙量全深剖面采樣器的研制與試驗[J]. 泥沙研究，2005(3)：24-29.

Ye Zhihan, Liu Baoyuan, Lu Bingjun, et all. Design and testing of the depth profile sediment sampler for runoff plots[J]. Journal of Sediment Research, 2005(3): 24-29. (in Chinese with English abstract)

[22] Kinnell P I A. A review of the design and operation of runoff and soil loss plots[J]. Catena, 2016, 11(45): 257-265.

[23] 郝燕芳，劉寶元，楊揚，等. 中國5種典型土壤的侵蝕泥沙粒徑分布特征[J]. 水土保持學報，2018，32(2)：150-159.

Hao Yanfang, Liu Baoyuan, Yang Yang, et al. Size distribution characteristics of sediments eroded from five typical soils in China[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2018, 32(2): 150-159. (in Chinese with English abstract)

[24] 涂安國，謝頌華，李英，等. 長期野外監(jiān)測紅壤裸露坡地侵蝕性降雨分布及產(chǎn)沙分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2019，35(7)：129-135.

Tu Anguo, Xie Songhua, Li Ying, et al. Analysis of erosive rainfall distribution and sediment yield on long-term field monitoring sloping bare land of red soil[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(7): 129-135. (in Chinese with English abstract)

[25] Liu Yaojun, Yang Jie, Hu Jianmin, et al. Characteristics of the surface–subsurface flow generation and sediment yield to the rainfall regime and land-cover by long-term in-situ observation in the red soil region, Southern China[J]. Journal of Hydrology, 2016, 539: 457-467.

Comparison of measurement methods of sediment concentration in collecting tanks of slope runoff plots

Chen Xiaoan1,2, Cao Zhi3,4, Yu Ronggang1, Zhang Long1※, Chen Hao1, Cai Yuanhai3, Feng Yang3

(1.,,330029,; 2.,210098,3..,332000,; 4.&,410004,)

The accurate measurement of sediment concentration in collecting tanks of slope runoff plots is a key to quantitatively monitor slope soil erosion. The researches on measuring accuracy, influencing factors and applicability of field runoff plot observation methods are needed. In this study, four methods of sediment concentration were compared. The test was taken in quaternary red earth. The soil samples were taken from surface of farmland (0-20 cm). Six sediment concentrations (1.05, 5.07, 10.49, 50.72, 101.45 and 439.10 kg/m3) were designed based on the measured sediment concentration range from 2012 to 2016 in slope farmland. Three water depths were set up including 30, 60 and 90 cm. Four methods included Artificial Method (AM), Mechanical Method (MM), Dept Profile Method (PM) and MM+PM. The measurement accuracy was evaluated by relative error. Each treatment was replicated three times. The results show that compared with the true value, the measurement accuracy of different method for determining sediment concentration was low. The averages of absolute relative error for the AM, MM, PM and MM+PM were 37%, 24%, 38% and14%, respectively. The measurement accuracy of different methods was 14% or above. Among them, the accuracy of MM+PM was the highest. In general, the relative error of each method was large under the condition of high sediment concentration. The depth of water had different influence on different sampling methods. Comparatively, the measurement error of AM was most significantly affected by water depth. Under low sediment concentration, when the water depth increased to 60 cm, the measurement error significantly increased, but when the water depth continued to increase, the measurement error did not increase. When the sediment concentration was 101.45 kg/m3, the relative error of MM only increased significantly after the water depth increased to 90 cm. When the sediment concentration was 59.72 kg/m3, no obvious relationship was found between the measurement accuracy of the PM method and the water depth. When the sediment concentration was more than 5.07 kg/m3, the measurement accuracy of the MM+PM method was almost not affected by water depth. The linear equation was used to modify the sediment concentration measurement results of the four methods. All2were greater than 0.99 (<0.01), and the root-mean-square error was 4.53-11.37 kg/m3, which indicated the reliability of the linear regression equation and the equation could be used to calibrate the measured values of each method. The relative error of the measured values of each method was significantly reduced and the measurement accuracy was significantly improved. The practical range of these equations was 1.05-439.10 kg/m3and the water depth was 60 cm. The results of this study could support the selection of sampling methods under different conditions. The results of this study could be used to revise the sediment concentration in collecting tanks of slope runoff plots in red soil area.

runoff; sediments; slopes; collecting tanks; sampling; method of measurement

陳曉安，曹智，喻榮崗，等. 坡面徑流小區(qū)集流桶含沙量測量方法對比[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2020，36(21)：130-136. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.016 http://www.tcsae.org

Chen Xiaoan, Cao Zhi, Yu Ronggang, et al. Comparison of measurement methods of sediment concentration in collecting tanks of slope runoff plots[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(21): 130-136. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.016 http://www.tcsae.org

2020-06-19

2020-10-10

江西省水利科技項目（201820BZ03；201921YBKT23）；江西省重點研發(fā)計劃項目（20181BBG78077）

陳曉安，高級工程師，博士生，主要從事土壤侵蝕機理等研究。Email：onlycxa@163.com

張龍，高級工程師，研究方向：水土流失監(jiān)測技術(shù)。Email：onlyjiangxin@qq.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.016

P332.5

A

1002-6819(2020)-21-0130-07