土壤侵蚀实时监测仪称重法选择

邵 明,王 帅,叶碎高

(1.浙江省水利河口研究院,浙江杭州 310020;2.中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室,北京 100085;3.中国科学院研究生院,北京 100049)

土壤侵蚀实时监测仪称重法选择

邵 明1,王 帅2,3,叶碎高1

(1.浙江省水利河口研究院,浙江杭州 310020;2.中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室,北京 100085;3.中国科学院研究生院,北京 100049)

土壤侵蚀;径流泥沙监测;实时监测仪;双斗连续称重法;单斗取样称重法

浙江省水利河口研究院于 2008年 3月研制成功了土壤侵蚀实时监测仪,仪器的基本思路是从径流中取样、称重并与清水比较,从而计算出径流中的泥沙含量。介绍了监测仪的工作原理和方法,重点探讨了双斗连续称重法和单斗取样称重法的比较。采用单斗取样制成的土壤侵蚀实时监测仪经过多次控制性实地监测应用,证明可以满足野外环境下的水土流失监测要求。

[项目来源]浙江省科学技术厅“水土流失实时监测设备研发”项目

1 仪器研制背景

水土流失是我国生态环境恶化的表现,同时也是生态进一步恶化和群众贫困的根源,已成为全球性环境灾害问题之一,水土保持则是扭转生态恶化和群众脱贫的关键。认识水土流失规律、定量监测侵蚀过程和研究水土流失影响因素是有效开展水土保持工作的前提[1]。针对传统的水土流失监测方法只能测量土壤侵蚀总量而不能反映土壤侵蚀的动态过程,难以建立土壤侵蚀过程与降雨过程之间的关系,对监测人员的依赖程度过高和样品采集效率低等缺陷,特别是随着全国水土保持监测网络与信息系统建设和科学研究以及开发建设项目对水土流失监测精度、效率要求的逐渐提高,开展水土流失实时监测技术研究就具有重要的意义。鉴于此,浙江省水利河口研究院于 2008年 3月研制成功了土壤侵蚀实时监测仪(见图 1),并申报了一项发明专利和两项实用新型专利,其中两项实用新型专利已经通过了国家专利局的批准。

图 1 土壤侵蚀实时监测仪

2 土壤侵蚀实时监测仪工作原理与方法

2.1 工作原理

利用固定体积的料斗从径流中取样,得到满斗浑水(水沙混合体)的质量、径流产生和结束时间、雨量等参数,将以上参数通过通信网络传输到数据平台后再下载到各客户端进行处理,与清水进行比较,即可计算出径流中的泥沙含量。

2.2 工作方法

2.2.1 双斗连续称重法

双斗连续称重法指称重支撑点上有两个相邻的接水斗,当一个接水斗装满称重后翻到倒水状态,另一个斗则处于接水状态,如此循环直到径流结束(见图 2)。按照水文水样计算法计算出每斗浑水所含的泥沙量,将其相加后得到一次降雨产生的总泥沙量,同时也可得到相应的泥沙含量变化过程线。通过时间记录和循环次数还可以计算出一次降雨的径流总量。

图 2 连续称重法示意图

2.2.2 单斗取样称重法

单斗取样称重法指在称重架上挂有一个称重翻斗(见图3),当产生径流时,进水管移至称重翻斗上方,称重翻斗即开始接水;当水面超过满斗水面线时,浑水开始从三角缺口外溢,此时进水管移至旁路,即图 3中进水管虚线位置;当浑水停止从三角缺口外溢、水面稳定在满斗水面线时开始称重;完成称重后,称重翻斗由箭头方向运行 180°翻斗倒水(即至虚线位置),然后称重翻斗再返回接水状态重新开始运行,重复进行直至径流结束。同样,按照上述方法计算出每斗浑水的泥沙含量,并可利用满斗时间、附加等待时间(包括溢流稳定时间、称重稳定时间和倒水等待时间),通过插值补偿,计算得到径流和泥沙总量及其变化过程线。

图 3 单斗取样称重法示意图

3 两种工作方法比较

3.1 双斗连续称重法的特点

双斗连续称重法由于采用了双斗连续接水,径流量和泥沙量没有损失,因此泥沙总量和径流总量计算比较方便,只要通过简单的相加即可。但是,该方法也存在以下难以解决的技术难点:①由于双斗始终处于进水状态,水面波动造成的满斗判断困难,每斗容积相差较大;②进水对水面造成冲击力,而进水流量和含沙量又是变化的,称重时很难分辨进水冲击力的大小,难以扣除进水冲击力对称重的影响;③倒斗中水时不可能使斗口朝下,所以残留的泥沙较多,由于是连续接水,因此残留量难以扣除。受以上因素的影响,此方法对称重的准确性有较大的影响,计算结果的误差也较明显。

3.2 单斗取样称重法的特点

单斗取样称重法使用单斗取样接水,其泥沙含量计算与双斗相同,其泥沙总量和径流总量计算的准确性与所采样本的密度有关。

单斗取样称重法解决了双斗连续称重法难以满足的技术要求,当水面超过满斗水面线时,浑水开始从三角缺口外溢,此时进水管移至旁路,直至水面稳定在三角缺口底部且平稳时为止,这样就保证了每斗容量的一致性和准确性,且无进水冲击力的干扰,从而保证了称重的准确。此外,由于倒水时斗口朝下,浑水快速倒向地面,斗中残存的泥沙极少,计算中也容易扣除残留的泥沙,这就进一步保证了称重的准确性。采用单斗取样称重法称重,数据准确性高,技术上也比较容易满足要求。

4 结 语

对比双斗连续称重法和单斗取样称重法的称重方法、工作特点后可以得出以下认识:①双斗连续称重法与单斗取样称重法机械结构复杂程度基本相当;②双斗连续称重法与单斗取样称重法计算泥沙含量的方法相同;③与单斗取样称重法相比,双斗连续称重法由于受进水冲击力的影响,增加了满斗重量测定的难度,因此也影响到泥沙含量和径流总量计算的准确性;④双斗连续称重法与单斗取样称重法计算泥沙总量和径流总量时,前者直接累加,后者则需在累加后插值补偿。

采用单斗取样制成的土壤侵蚀实时监测仪经过多次控制性实地监测应用,其结果与实际值的相关系数达到 0.98～0.99。目前,我们将单斗取样土壤侵蚀实测监测仪安装在浙江省安吉县水土保持示范园区进行现场监测试验,实践证明该仪器可以满足野外环境下的监测要求。

[1]水土保持专家刘宝元先生论:水土流失监测的概念、种类与方法[J].水土保持通报,2007,27(4):F 0002.

S 157

A

1000-0941(2010)10-0062-02

邵明(1954-),男,山东文登市人,高级工程师,学士,主要研究方向为水土流失监测仪器研制;通信作者王帅(1982-),男,内蒙古鄂尔多斯市人,博士研究生,主要从事水土资源保护与利用方面的研究。

2010-05-31

(责任编辑 赵文礼)