水土保持小区泥沙自动观测技术研究

周庆华 李 军

我国是世界上水土流失最为严重的国家之一，科学、系统、准确的监测和预报不仅可以研究水土流失的危害程度、发展趋势和影响范围，掌握区域内水土流失变化规律，而且可以为各级水土保持决策提供至关重要的数据支撑。水土保持径流小区是研究水土流失形成、变化、规模、数量的基本单元，也是全国第二期水土保持监测网络建设规划的重要内容。多年来，水土保持小区泥沙观测一直采用传统的人工观测手段，人工观测耗时、费力且不能掌握水土流失变化过程。随着社会经济发展，传统观测手段已不能满足现阶段水土保持监测工作要求，根据全国第二期水土保持监测网络建设目标，径流泥沙监测结果最终要网络联结，数据共享，实现水土保持径流泥沙的自动观测、自动处理、自动存储和网络自动传输。为了达到这一目标，河北省水保监测总站技术人员经过多年的努力，在总结以往经验的基础上，根据泥沙置换法测沙原理，对水土保持小区泥沙自动观测设备进行了科学设计和结构优化，研制出自动测定水体泥沙含量的样机。

1. 人工观测径流含沙量常用方法

含沙量是水土保持泥沙观测的重要指标，人工观测径流含沙量常用两种方法，第一种是烘干称重法，第二种是泥沙置换法。烘干称重法是先将水样过滤，再将过滤出的泥沙烘干，继而对烘干沙样称重，计算出水体的含沙量。用烘干称重法测量含沙量，原理简单，技术路线明了，可以达到较高精度，但取样、过滤、烘干、称重及计算等都需人工进行，受人为因素影响较大，且无法及时掌握小区产沙过程。

技术人员在长期监测工作实践中发现，烘干称重法，工作程序繁琐，需要烘箱、高精度天平等专用设备，每个监测点还需要设置专门的实验室，对监测设施、仪器设备和人员素质要求较高，目前无法进一步实现自动观测。泥沙置换法是水文测站使用较多的泥沙观测方法，且有专业的测验规范作为技术支撑——《河流悬移质泥沙测验规范》（GB50159-92），观测过程中使用专用比重瓶取水样，人工称量其毛重，根据比重瓶水温、同温度下已知的清水重、有关置换系数计算水体含沙量。用泥沙置换法观测含沙量需事先测定比重瓶在不同温度下的清水重，当称出浑水水样重量后，根据水温对应的清水重及相应置换系数，即可计算出泥沙重量。此次研究的水土保持小区泥沙自动观测技术就是依据泥沙置换法测验原理及工作程序进行的开发研究。

2. 小区泥沙自动观测仪工作原理及技术路线

与烘干称重法不同的是，用比重瓶测定水体含沙量所需的仪器及需要获取的技术参数较少，操作程序简单，便于实现自动化。实际观测试验时，将流动水样引入比重瓶并设定一定水位高度，确保比重瓶同水位下水样体积一定（多余水量溢出），然后利用称重传感器称其毛重，利用温度传感器测定水温，并将预先试验获取的同温度下清水重、置换系数等参数存入控制系统，计算水样含沙量。简单描述为：如果水样比重为1（此值为 4℃下的标准值），说明水样是清水，即含沙量为0，如果水样比重大于1，说明水样中含有一定比例的泥沙，该沙量可通过浑水重量变化置换测定。

自动测量泥沙基本技术路线是在水流不间断的情况下，自动提取水样（即获取固定体积水样）、自动定时称量水样重量，并根据预先在控制系统设定的条件，自动提取相应参数参与泥沙置换计算，获取水样含沙量及含沙量变化数据。自动观测设备主要结构及工作内容如下。

一是比重瓶结构设计。比重瓶由进水管（兼排气口）、蓄水壶和出水管等结构组成，为尽量使进入比重瓶水流保持平稳，在比重瓶进水管上部安置水位稳定装置，实现定流量、定体积、定水位自动取样。

二是选用高精度电子称重传感器、温度传感器配合电子控制系统，实现定时感应、测定、显示和传递水样重量、温度等参数信息。

三是软件设计。应用现代电子技术，按预先开发设定的工作程序自动控制、计量、提取、计算、储存和传输监测结果。

3. 设计制作自动泥沙观测仪需要解决的几个关键技术

一是水位稳定装置。比重瓶容积是一定的，在人为操作的情况下，很容易保证比重瓶里水样体积不变，但要在水体流动的状态下保持比重瓶水体积不变，必须使比重瓶的进水量和出水量处于动态平衡状态。根据水力学原理，在出水管管径保持不变的条件下，可以通过控制进水口口径和水位高度，保持比重瓶水位维持在某一设计高度，从而实现比重瓶内水体积定量。

二是清淤装置。比重瓶从无水状态下开始充水到水位达到指定高度，需要一定的充水时间，这段时间也是水样更新时间，在理想状态下，比重瓶内水样在换水时间内应该更新完毕，如果泥沙更新不完，发生淤泥滞留，则会使含沙量测定出现误差。为减少泥沙淤积，一是把比重瓶下半部设计为漏斗状，防止大粒泥沙滞留其表面；二是把取水管口对准某一设定方向，使进水水流在比重瓶内适当发生旋转，从而造成对比重瓶内壁冲刷，以防止淤泥沉积在比重瓶内。

三是排气装置。比重瓶混入气体会降低测量精度，此仪器排气方法，一是采取消能设计，尽量减少进水口水体混入气体，二是设计稳压进水装置，使进入比重瓶的水呈闭气状态，三是在比重瓶上部设排气口，及时排出进入比重瓶的气体。

四是称重水体分离装置。实现水样自动称重，必须保证比重瓶处于独立称重状态。在试验初期我们采用软联结法，把水样取水管与比重瓶进水管用软橡胶管联结，避免比重瓶外部重量不计入称重传感器，后来发现由于软管材料质量难以满足要求，操作安装也有较大难度，且在水流动状态下难以稳定，所以进行了局部优化，改用取水管与比重瓶进水管直插式对接方式，即减少了操作难度又提高了比重瓶称重测量的精准度。

五是自动控制及信息处理功能。设备总控系统主要包括自动控制和信息处理两方面。自动控制功能主要包括：自动开启或关闭电源，按设定的时间间隔启动或停止监测。数据自动处理功能包括：根据水样重量、温度等测定数据，自动提取相关参数参与泥沙计算，并将计算结果自动存储或按要求传递给用户。

六是稳定可靠的电源供应。带太阳能充电功能的蓄电池。

4. 设备结构组成及主要技术参数

水土保持小区泥沙自动监测设备经过多次测试和结构优化，初步确定了产品结构和各部尺寸，并且已制作完成第一代样机。设备核心结构有4部分组成：初滤及稳水装置、比重瓶体、称重计量装置和自动控制及信息处理系统。工作程序为：径流由设备进水口首先进入初滤及稳水装置，径流中较大杂质经设备上层弧形过滤网滤除后，进入稳水桶，稳水容器盛满后水流从桶上沿溢水孔溢出，桶内水位始终保持稳定，这样可实现进入下层比重瓶的水量稳定。稳水桶底部设计为倒锥形，锥底处设取水管进入下层比重瓶，比重瓶上部设进水管（兼具排气功能），比重瓶底为锥形并设置出水管。上游来水进入比重瓶体后水位上涨（进水量大于出水量），达到平衡后水样体积稳定，控制系统获取稳定信号后命令下层称重传感器称量，并测定水温，利用预设参数计算含沙量，并将计量结果定时读取到信息处理系统。此设备是在水流不停止的情况下连续称重、计算、存储，能够及时掌握小区产沙过程，达到不间断自动监测的目的。

设备样机外形尺寸：总体高度60 cm，其中水位稳定装置高度 30cm，比重瓶高度30cm。

其他相关技术指标如表：

水土保持小区泥沙自动观测仪（样机）主要技术参数表

5. 国内外相关研究及主要应用领域

经委托查新机构查新报告显示，此设备描述的结构组成、技术要点、新颖点经查新国内外相关文献未见相同报道。 近年国内一些水利水保科研机构、高校、科技公司也开展了水土保持泥沙自动监测的相关研究，但其结构组成、工作程序、测量精度等与此次研究的泥沙自动监测设备不同，且目前业内没有成熟的泥沙自动监测设备推广应用。 水土保持小区泥沙自动监测技术主要应用领域包括水土流失监测、水文泥沙观测等方面。

一是水土流失监测方面主要应用。第一，全国水土保持监测网络确定的径流小区常规监测点，详细参考《水土保持监测点代码》（SL452-2009），定点观测收集坡面径流小区、小流域控制站等区域水土流失状况。第二，应用于生态项目水土流失治理区，如京津风沙源治理区、国家水土保持重点建设工程区、坡耕地水土流失综合治理试点工程区等，可对比观测水土保持治理效果。第三，应用于开发建设项目水土保持监测，主要用于项目建设扰动范围内布设的水土流失监测点，如建设工程的扰动坡面、取土场、弃渣场、施工迹地等，定点监测工程建设期内项目新增水土流失状况及水土流失防治效果。第四，应用于水土流失易发区、多发区，可动态监测区域内水土流失的年级变化、危害程度、形成规律等，为特殊区域内水土流失预测、预警提供科学依据。

二是水文泥沙观测方面主要应用。第一，水文站点部分河流断面泥沙测验。可采用断面内定点、定时抽取水样方式测定取样断面不同流量状态下河流含沙过程及变化趋势，实现水文泥沙测验全过程自动测算。第二，特定引水、调水断面水文泥沙测验。工程引调水多采取人工固定渠道引流，可在渠道区间设固定断面引测过程含沙量，减少人工驻点观测，建成常年无人值守自动泥沙监测站点。

6. 技术研发进程及后续研发方向

河北省水土保持小区径流泥沙自动监测技术研究，起于2009年全国第二期水土保持监测网络建设期间，经过省水保监测总站技术人员的不懈努力，2014年研发出初级产品，9月通过省水利厅技术鉴定，鉴定专家认为，该研究填补了国内空白，达到了国际先进水平，在此基础上最终定型设备产品结构。后续产品研发任务，一是优化各部结构尺寸，确定监测时间间隔及监测频率；二是进一步提高监测仪器的稳定性、可靠性和监测精度；三是在保证监测精度的前提下，尽量缩小产品尺寸，达到安装容易、运输方便，精确可靠的总体要求；四是尽快定型生产，投入实际应用。