坡面径流小区集流桶含沙量测量方法对比

2021-01-14 03:33陈晓安喻荣岗蔡袁海
农业工程学报 2020年21期
关键词:含沙量测量误差水深

陈晓安,曹 智,喻荣岗,张 龙,陈 浩,蔡袁海,冯 阳

坡面径流小区集流桶含沙量测量方法对比

陈晓安1,2,曹 智3,4,喻荣岗1,张 龙1※,陈 浩1,蔡袁海3,冯 阳3

(1. 江西省水土保持科学研究院 江西省土壤侵蚀与防治重点实验室,南昌 330029; 2. 河海大学农业科学与工程学院,南京 210098;3. 江西绿川科技发展有限公司,九江 332000;4. 中南林业科技大学林学院,长沙 410004)

准确测量坡面径流小区集流桶含沙量是定量精准监测坡面土壤侵蚀的关键,野外径流小区观测方法测量精度、影响因素及其适用性的研究是实际应用的基础。该研究以第四纪红土为研究对象,采用室内模拟试验,对比不同含沙量(1.05、5.07、10.49、50.72、101.45、439.10 kg/m3)、不同水深(30、60、90 cm)下4种集流桶含沙量测量方法的精度,并对测量结果进行修正。结果表明:1)在60 cm水深、不同含沙量下,4种测定方法中,以机械+全剖面法测量误差总体最低;2)水深和含沙量是影响坡面径流小区集流桶取样测量误差的重要因素。总体而言,含沙量越高,测量误差越大;不同含沙量下,水深对测定误差影响程度不一,当含沙量小于50.72 kg/m3时,水深对机械+全剖面法测量精度无显著影响;3)4种方法的测量值与真实值均呈极显著正线性相关,含沙量测量值经过方程修正后相对误差明显降低。4)在含沙量小于5.07 kg/m3时,人工搅拌法可以应用于野外径流小区观测;当含沙量大于等于101.45 kg/m3后,全剖面法可以直接用于野外径流小区观测;机械法、机械+全剖面法在野外径流小区观测中可以直接使用。研究结果为集流桶含沙量取样测量方法在红壤区应用提供依据。

径流;泥沙;坡面;集流桶;取样;测量方法

0 引 言

水土流失定量监测可以为水土流失科学研究、预测预报提供基础资料,为水土流失防治提供科学依据[1-2]。径流小区是坡面水土流失的一种测验设施[3],是水土流失定量监测中最普遍而重要的一种研究方法,被广泛应用于世界各地[4-5]。1877年德国土壤学家Ewald Wollny建立了世界上第一批径流小区,开始定量研究土壤侵蚀[6]。1922-1927年,中国首次在山西、山东地区修建了径流小区,用于监测森林植被水土流失[7];1941-1942年间中国先后成立了关中水土保持实验区和天水水土保持实验区[8]。目前,已建成738个水土保持监测站点,并广泛分布于中国各省市水蚀监测中,发挥重要作用[9],量大面广的坡面径流小区迫切需求精准的径流泥沙取样测量方法。

含沙量是径流小区监测的最重要指标,是能否准确获取土壤侵蚀量的关键。为了快速准确测定含沙量,国内很多学者提出了自动监测含沙量方法,雷廷武等[10-12]提出射线透测法,并研制出LWT-1全自动径流泥沙含量与流量动态监测系统;李小昱等[13]研制了电容式传感器测量了水流中的含沙量;曾为军等[14]提出了一种基于计时法和光电法的径流量与含沙量的测量方法;赵军等[15]研究出称重式坡面径流小区水流流量自动监测系统;展小云等[16]基于比重法原理,发明了径流泥沙实时自动监测仪。但受自动监测设备安全问题、稳定性、测量范围、测量精度以及成本费用等不同方面的缺陷,导致其并未广泛应用。目前,径流小区径流泥沙监测仍然以集流桶多级分流的方式收集径流泥沙[17],人工对集流桶中含沙量进行取样测量。当前,集流桶中含沙量取样测量主要采用人工搅拌取样测量法,人工搅拌取样是通过人力将集流桶(池)内的含沙水体搅匀,边搅动边从桶内取出一定体积的浑水样品[18]。唐菊等[19]在50、100 L 2个浑水体积下13个含沙量等级下研究紫色土区传统搅拌取样方法测量精度,指出紫色土区径流小区集流桶含沙量低于200 kg/m3时,人工搅拌法相对误差在−50%~−30%。在北方土石山区>0.05 mm泥沙颗粒含量高、沉淀快,人工搅拌法的平均相对误差高达−83.05%[20]。符素华等[20]针对70 cm水深下不同含沙量下传统搅拌取样和分层取样相对误差对比研究,认为分层法测量精度明显提高,但分层测量法操作繁琐、耗时费力,致使其在实际监测中应用不多。叶芝菡等[21]根据北方土石山粗砂颗粒含沙高的特点,研制出操作简单、成本低廉的全剖面采样器,并在20~300 kg/m3含沙量下,在4个水深下将全剖面法和传统人工搅拌测量误差对比,指出全剖面法相对传统人工搅拌法,平均相对误差提高到30%以内。搅拌取样法和全剖面取样法是当前径流小区集流桶取样观测常用的方法。搅拌取样测量法精度受土壤性质影响较大[22],同时受水深、含沙量等影响,而相关学者研究传统搅拌测量误差时同时考虑水深和含沙量的不多。由于不同地区径流含沙量的差异,叶芝菡等并未考虑低于20 kg/m3含沙量的低含沙量事件,而南方红壤区低含沙量事件发生频率高,且附着在桶底的泥沙通过全剖面取样器几乎不能取到,致使其在低含沙量下误差大。红壤区坡面侵蚀泥沙中团粒、黏粒含量高,粉粒、黏粒明显富集,与其他土壤存在明显差异[23],且红壤区次降雨雨型、雨强差异大[24-25],致使次降雨侵蚀后,集流桶内水深、含沙量变异大。搅拌法、全剖面采样法在红壤区不同水深、含沙量下测量精度不明确,且其测量误差大,无现成的修正方法,不同条件下采样方法的适用范围亦无相关报道。搅拌法、全剖面采样法都属于人工取样方法,未见有集流桶内省力省时的机器取样法,机械搅拌取样对于机器取样装置研发具有重要基础。

为此,本文在传统人工搅拌法和全剖面取样法的基础上,提出了机械搅拌法和机械搅拌再全剖面取样的2种含沙量测量方法。将4种集流桶含沙量取样测量方法在不同水深、含沙量条件下进行测量精度分析,并将测量值进行标定,减少相对误差,以期为集流桶含沙量取样测量方法在红壤区应用提供科学依据,并为径流桶自动取样器研发提供基础。

1 材料与方法

1.1 供试土样

试验在江西省德安县的燕沟小流域的江西水土保持生态科技园进行,试验土体为第四纪红土,采自该园坡耕地0~20 cm土壤。试验前将供试土壤中大块草根、石块筛除,进行破碎处理,自然风干后过5 mm筛。土壤的不同粒径颗粒质量百分数为黏粒(<0.002 mm)为32.24%,粉粒(0.002~<0.05 mm)为57.83%,砂粒(0.05~2 mm)为9.94%。

1.2 试验设计

江西水土保持生态科技园的坡耕地径流小区2012-2016年5 a的集流桶含沙量为0~450 kg/m3,其中一级分流桶含沙量低于1.05、5.07、10.49、50.72、101.45、439.10 kg/m3的发生频率分别为33%、71%、80%、93%、97%、99%,二级分流桶含沙量低于1.05、5.07、10.49、50.72、101.45 kg/m3的发生频率分别为37%、75%、89%、95%、100%,最后一级收集桶含沙量低于1.05、5.07 kg/m3的发生频率分别为44%和100%。因此,不同浓度含沙量试验设置1.05、5.07、10.49、50.72、101.45、439.10 kg/m36个水平,水深均为60 cm。国内标准径流小区的集流桶溢流口高度一般在60 cm左右,最大高度一般不超过90 cm,30 cm代表未溢流的集流桶水位,为此不同水深试验设置30、60、90 cm,每个水深均有5.07、50.72、101.45 kg/m33个含沙量。不同含沙量、水深试验均设置3个重复。30、60 cm水深的试验均在集流桶为0.6 m(直径)×0.8 m(高)的集流桶中进行,90 cm水深试验则在0.6 m(直径)×1.2 m(高)集流桶进行。

1.3 采样方法

不同方法取样采样前,先按照试验设计中的含沙量、水深计算好需要用的土体质量,称量好相应质量的土体,将土体倒入集流桶中,放自来水至设计水深。采用机械搅拌器统一对制备好的集流桶浑水样搅拌(3 min),致使大颗粒土壤搅碎及泥沙不堆积。再采用不同取样方法取样,每种取样方法均取800 mL浑水样放入铝盒中,烘箱烘干称质量。

人工搅拌取样法即人工法(Artificial Method,AM):前期试验人工连续搅拌3 min后,桶内不同含沙量均能达到稳定;工人用木棍对径流桶浑水进行连续搅拌(3 min),搅拌完成后,边搅拌边采取,用取样勺在桶内3个点的水体上、中、下部3个深度各取一勺水样到取样桶中,然后对取样桶中水样再次搅拌均匀后取800 mL浑水样于铝盒中,烘干称质量。

机械搅拌取样法即机械法(Mechanical Method,MM):搅拌器型号为螺纹型号M14(浙江昱迈斯工具有限公司),搅拌桨直径15 cm,搅拌器高120 cm,电机功率1 100 W,空载转速150~850 r/min,6档调速,搅拌器示意图见图1。通过前期试验搅拌器转速为200 r/min、连续搅拌3 min,桶内不同含沙量均能达到稳定;试验过程中搅拌器转速设置为200 r/min,搅拌器底部距离桶底5 cm,对集流桶内浑水进行连续搅拌3 min,搅拌完成后采取边搅拌边取样,取样过程与人工法一致。

图1 机械搅拌器

全剖面取样器取样法即全剖面法(depth Profile Method,PM):全剖面采样器如图2所示,管长100 cm,圆管内径为5 cm,外径为5.4 cm。使用全剖面采样器对完成静置24 h后的集流桶水样进行采样,再桶内均匀的随机取5个点位水样,将5管水倒入取样桶中,再在取样桶中采样,采样过程与人工法一致。

图2 全剖面采样器

机械+全剖面取样器取样法即机械+全剖面法(MM+PM):用机械搅拌器对集流桶内浑水进行搅拌3 min,搅拌完成后采取边搅拌边取样,取样过程及位置与全剖面取样法一致。

1.4 数据分析

统计分析采用SPSS 软件,显著性采用检验和LSD检验,标定方程采用SPSS软件线性回归,Excel软件制图。

2 结果与分析

2.1 采样方法对测量精度的影响

4种取样测量方法在60 cm水深、不同含沙量条件下相对误差检验表明,取样测量方法对集流桶含沙量测量精度有显著性影响(<0.05)。人工法、机械法、全剖面法、机械+全剖面法在6种含沙量下的相对误差的绝对值的均值依次为37%、24%、38%、14%;机械法(MM)相对人工法(AM)测量的相对误差均值减小13个百分点,在机械法基础上增加全剖面法(即机械+全剖面,MM+PM)比机械法测量的相对误差均值减小10个百分点;全剖面法(PM)相对误差大于人工法,但在全剖面法基础上增加机械法即机械+全剖面法比全剖面法测量的相对误差均值减小24个百分点。

不同取样测量方法在不同含沙量下测量误差分析见表1,人工法的相对误差范围约为−43%~−29%,机械法的相对误差范围约为−27%~−17%,全剖面法的相对误差范围为−47%~65%,机械+全剖面法的相对误差范围约为−27%~−4%。全剖面法在在低含沙量(<50.72 kg/m3)存在正误差,高含沙量均为负误差,其他方法的相对误差均为负值;含沙量高时,各方法测量值的相对误差基本上较大。机械法在不同含沙量下测量精度均显著小于或近似于人工法;在含沙量小于等于50.72 kg/m3时,机械法测量的相对误差显著小于或近似于全剖面法,大于101.45 kg/m3时,两者无显著差异;机械+全剖面法在不同含沙量下测量的相对误差小于或近似于机械法。

2.2 水深对测量精度的影响

4种取样测量方法在不同水深、不同含沙量条件下相对误差分析见图3。

表1 4种方法含沙量测量误差

注:水深为60 cm,数字后面不同字母表示不同方法之间0.05水平的显著差异。

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

图3 不同水深条件下4种方法测量的含沙量的相对误差对比

由图3可知,不同含沙量条件下水深对相对误差的影响有所不同。人工法60 cm水深的相对误差显著大于30 cm,但与90 cm水深的相对误差无显著差异;在低含沙量(5.07 kg/m3)和高含沙量(101.45 kg/m3)下,机械法测量的相对误差均随着水深增加而增大,30 m增加到60 cm测量误差无显著差异,但是90 cm与30 cm水深相对误差有显著差异;全剖面法在含沙量在50.72 kg/m3时测量的相对误差与水深无明显关系,在101.45 kg/m3下当水深增加到60 cm以后,随水深增加相对误差不再显著增大;除含沙量为5.07 kg/m3时,其他含沙量条件下机械+全剖面法测量误差与水深无明显关系。在不同含沙量、不同水深下,4种方法的平均相对误差从大到小依次为人工法、全剖面法、机械法、机械+全剖面法。

人工搅拌法在水深小于等于30 cm时,集流桶含沙量在0~101.45 kg/m3时,取样相对误差在22.40%,满足精度要求,当水深增加到60 cm,含沙量在小于等于1.05 kg/m3时,相对误差在28.12%,仍能满足精度要求,但当含沙量大于5.07 kg/m3时,平均相对误差达到40.02%,不在能满足精度要求。全剖面法在水深小于等于60 cm时,含沙量在小于101.45 kg/m3时,平均相对误差达40.41%,野外径流小区观测应用中受限制,当含沙量大于等于101.45 kg/m3时,平均相对误差减小到28.00%,含沙量越高,测量精度越高,其野外适用性也越好;当水深增加到90 cm时,含沙量等于101.45 kg/m3时,相对误差就增加到50.40%,基本不能适用野外采样观测。机械法、机械+全剖面法在0~90 cm水深、0~439.10%含沙量下,其相对误差均小于30%,在野外集流桶含沙量取样过程中可以直接使用,但仍有必要需求合适方法提高精度。

2.3 4种方法测量值标定

国内标准径流小区的集流桶溢流口最常见的高度为60 cm,因而在60cm水深条件进行不同取样方法进行标定。在60 cm水深、不同含沙量下,4种方法测量值与实际含沙量散点拟合方程见图4,可知,人工法、机械法、机械+全剖面法所有散点均在1:1线以上,说明不同方法的测量值均小于实际值,测量误差为负误差。采用线性拟合方程拟合实测值与测量值关系,方程的2均大于0.99(<0.01),均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)为4.53~11.37 kg/m3,表明了二者关系用线性回归方程拟合的可靠性,可采用如图4所示方程对各方法测定值进行标定。

图4 不同方法测定的含沙量测量值与实际值的拟合结果

在60 cm水深、304.35 kg/m3含沙量下采用不同方法进行取样测量,将测量值通过标定方程修正值与原测量误差对比分析验证标定方程的可靠性,结果见表2,不同方法的测量值通过标定方程修正后,修正后均更接近真实值,相对误差均减小;在304.35 kg/m3含沙量下,通过方程修正后,人工法相对误差减小最大,其次为全剖面法,机械法、机械+全剖面法差异不大,机械法、机械+全剖面法差异不大,机械法、机械+全剖面法修正后相对误差的减小值在13个百分点以内。

表2 不同方法标定方程修正前后含沙量对比

3 讨 论

搅拌法在紫色土区[19]、土石山区[21]测量值均小于实际测,即测量误差为负误差,全剖面法相对误差正负对半[21],与图4结果一致。粗颗粒泥沙沉降速度快,使得这部分泥沙颗粒难以被搅动起来,即使被搅动起来的粗泥沙颗粒也在极短时间内落回集流池(桶)底部,导致搅拌法取样测得的泥沙浓度偏低[14]。因此,搅拌法测量值一定小于实际测,即相对误差为负数,人工法、机械法、机器+剖面法本质是搅拌法取样,因此其测量值均小于实际值。由于人工搅拌力气小、速度慢,很多大颗粒搅拌不均匀,机械法力气大、速度快,搅拌过程中均匀转动,人为影响因素少,使得机械法测量精度增加,而且均匀性大,偏差减小。机器+全剖面法不仅可以将径流桶泥沙搅拌均匀,而且其采集水面到桶底的整个水柱,不同深度水样均取到,水样代表性更强,因此机械+全剖面法测量精度最低。全剖面采样器直接采样,受集流池(桶)泥沙高低不平的影响,集流桶含沙量低时,采样前很难把桶底泥沙扒平,致使在低含沙量时有正负误差;含沙量高时,桶底泥沙厚,泥沙扒平后,相对差异小,全剖面采样器将泥沙采集到采样桶后,采样桶再次搅拌采样,导致高含沙量为负误差。全剖面采样法低含沙量时,桶底泥沙厚度小于2 mm的无法采集,导致其低含沙量测量误差大;因此,低含沙量时(5.07 kg/m3),全剖面法测量误差大于人工搅拌法。

搅拌法搅拌均匀性受搅拌力气和搅拌助力影响,随着水深增加搅拌阻力增加,随着含沙量增加搅拌阻力增加;此外,随着含沙量的增加,泥沙沉淀机率变大。集流桶水深小于等于30 cm时,很小力气就可以搅拌均匀,因此在30 cm水深时,人工法、机械法、机械+全剖面法测量误差均不大;随着水深增加,搅拌阻力增大,含沙量在5.07 kg/m3时,60 cm水深相比30 cm水深人工搅拌法就显著增加了测量误差,随着水深增加测量误差继续增大,但是由于集流桶水深在60 cm后已经搅拌不均匀,因此90 cm水深与60 cm水深测量误差无显著差异。机械法搅拌力气大,机械法受水深和含沙量的影响小于人工法,在60 cm水深与30 cm水深测量误差无显著差异,水深增加到90 cm后测量误差开始有显著差异,特别是为高含沙量时差异更大。全剖面法采集的是整个水柱,因此受水深影响很小,但是径流桶水变深影响桶底泥沙扒平,水深越大、含沙量越大,越难扒平,因此泥沙浓度低(50.72 kg/m3)时全剖面法几乎不受水深影响,高泥沙浓度时相对误差随着水深增大而增大;机械+全剖面法结合了搅拌和全剖面器的优势,致使其测量误差几乎不受水深和含沙量的影响。

含沙量和水深影响不同采样方法在野外集流桶含沙量采样中的应用。人工搅拌法在水深小于等于30 cm时,集流桶含沙量在0~101.45 kg/m3时,取样相对误差在22.40%,满足精度要求,但是野外径流小区集流桶分流孔高度一般均高于30 cm;当水深增加到60 cm,含沙量在小于等于1.05 kg/m3时,相对误差在28.12%,仍然能满足野外观测精度要求,当含沙量大于5.07 kg/m3时,平均相对误差达到40.02%,实测含沙量数据不进行方程修正,误差偏大,野外径流小区观测应用中受限制。全剖面法在水深小于等于60 cm时,含沙量在小于101.45 kg/m3时,平均相对误差达40.41%,野外径流小区观测应用中受限制,当含沙量大于等于101.45 kg/m3时,平均相对误差减小到28.00%,含沙量越高,测量精度越高,其野外适用性也越好;当水深增加到90 cm时,含沙量等于101.45 kg/m3时,相对误差就增加到50.40%,基本不能适用野外采样观测。机械法、机械+全剖面法在0~90 cm水深、0~439.10%含沙量下,其相对误差均小于30%,在野外集流桶含沙量取样过程中可以直接使用。

4 结 论

1)与真实值相比,不同方法测定含沙量的精度均较低,人工法、机械法、全剖面法、机械+全剖面法在6种含沙量下的相对误差的绝对值的均值依次为37%、24%、38%、14%,各方法测定精度均在14%及以上,其中机械+全剖面法相对误差最小。总体而言,高含沙量条件下,各方法测定值相对误差较大。

2)水深对不同取样方法的影响程度不一;比较而言,人工法测量误差受水深影响最明显,低含沙量下,水深增加到60 cm时显著增加了测量误差,但水深继续增加,测量误差不再增加;含沙量为101.45 kg/m3时,水深增加到90 cm后才机械法相对误差才显著增大;含沙量为59.72 kg/m3时,全剖面法测量精度与水深无明显关系;当含少量大于5.07 kg/m3时,机械+全剖面法测量精度几乎不受水深的影响。

3)在含沙量小于5.07 kg/m3时,人工搅拌法可以应用于野外径流小区观测,当含沙量大于5.07 kg/m3时,人工搅拌法测量值不经过方程修正,其在野外径流小区观测中直接使用受限制;含沙量在小于101.45 kg/m3时,全剖面法在野外径流小区观测中直接使用受限制,当含沙量大于等于101.45 kg/m3后,可以直接用于野外径流小区观测,并且含沙量越大适用性越好;机械法、机械+全剖面法在野外径流小区观测中可以直接使用,但仍有必要进一步提高其测量精度。

4)采用线性方程对4种方法的含沙量测定结果进行修正,2均大于0.99(<0.01),均方根误差为4.53~11.37 kg/m3,表明了线性回归方程的可靠性,可用于各方法测定值的标定,经验证,各方法测定值相对误差均明显降低,测定精度明显提高。值得注意的是,该标定方程的实用范围为1.05~439.10 kg/m3,水深为60 cm。

[1] 姜德文. 论生态文明建设中的水土保持监测与公共服务[J]. 中国水土保持科学,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,赵军,等. 坡面侵蚀中径流含沙量测量方法研究与展望[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] 中华人民共和国水利部. 水土保持监测技术规程:SL 277-2002[S]. 北京:中国水利水电出版社,2006.

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

[5] 李智广,曹文华,牛勇. 坡面径流实时监测装置的测试与率定[J]. 中国水土保持科学,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,周运超,白晓永,等. 径流小区法监测水土流失的百年历程(1915-2014年)[J]. 中国水土保持,2014(12):63-66.

[8] 郭索彦,李智广. 我国水土保持监测的发展历程与成就[J].中国水土保持科学,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] 李智广,姜学兵,刘二佳,等. 我国水土保持监测技术和方法的现状与发展方向[J]. 中国水土保持科学,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,赵军,袁建平. 利用射线透射法测量径流含沙量及算法[J]. 农业工程学报,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] 王辉,雷廷武,赵军,等. LTW-1型径流泥沙含量与流量动态测量系统研究[J]. 水土保持通报,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,刘清坤,黄兴法,等. 伽玛射线测量径流泥沙含量算法中质量吸收系数优选及其对测量误差影响的分析[J]. 农业工程学报,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,王为. 电容式传感器测量水流泥沙含量的研究[J]. 土壤学报,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] 曾为军,张云伟,陈岭,等. 基于计时与光照法的坡面径流量及含沙量动态检测系统[J]. 农业工程学报,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] 赵军,屈丽琴,赵晓芬,等. 称重式坡面径流小区水流流量自动测量系统[J]. 农业工程学报,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,赵军,等. 径流泥沙实时自动监测仪的研制[J]. 农业工程学报,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] 谢颂华,方少文,王农. 水土保持试验径流小区设计探讨[J]. 人民长江,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] 刘宝元. 径流小区和小流域水土保持监测手册[M]. 北京:中国水利水电出版社,2015.

[19] 唐菊,黄钰涵,陈晓燕,等. 紫色土集流桶(池)搅拌取样测量含沙量误差试验[J]. 中国农业大学学报,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] 符素华,付金生,王晓岚,等. 径流小区集流桶含沙量测量方法研究[J]. 水土保持通报,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] 叶芝菡,刘宝元,路炳军,等. 径流小区集流桶含沙量全深剖面采样器的研制与试验[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,刘宝元,杨扬,等. 中国5种典型土壤的侵蚀泥沙粒径分布特征[J]. 水土保持学报,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] 涂安国,谢颂华,李英,等. 长期野外监测红壤裸露坡地侵蚀性降雨分布及产沙分析[J]. 农业工程学报,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

陈晓安,曹智,喻荣岗,等. 坡面径流小区集流桶含沙量测量方法对比[J]. 农业工程学报,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

江西省水利科技项目(201820BZ03;201921YBKT23);江西省重点研发计划项目(20181BBG78077)

陈晓安,高级工程师,博士生,主要从事土壤侵蚀机理等研究。Email:onlycxa@163.com

张龙,高级工程师,研究方向:水土流失监测技术。Email:onlyjiangxin@qq.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.016

P332.5

A

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

猜你喜欢
含沙量测量误差水深
《疯狂的计量单位》
永磁同步电机电流测量误差补偿控制
区域地理学生反馈问题的探究与反思
趣图
固化剂对提高黄土边坡坡面抗冲刷性的试验研究
气压高度计的测量误差分析及修正方法
水土保持植物措施对流域侵蚀模数的影响分析
国内首套l0米水深海管外防腐检测装置研发成功
昌马水库排空过程泥沙含量的计算分析
航道水深计算程序的探讨