人工观测与仪器监测对径流泥沙测量精度的影响

人工观测与仪器监测对径流泥沙测量精度的影响

蔡中平1，宋 ,涛2，覃 ,莉2

1.六盘水市水土保持监测服务中心，贵州 六盘水 553000；

2.贵州省水土保持监测站，贵州 贵阳 550000

[摘  要] 在六盘水龙贵地坡面径流场以人工观测和仪器监测两种方法为研究对象，设计10组不同泥沙标准含量（3.64、7.34、11.07、14.63、17.86、21.95、29.63、37.31、45.45、52.94g/L）采取3次重复实验取平均值，探索径流泥沙自动监测仪与人工采样观测对测量精度的影响。实验结果表明，两种观测方法对径流量的测量精度影响较小，偏离度人工为-4.39%~-0.67%，仪器为-2.95%~8.26%，数据修正系数人工为1.01~1.05，仪器为0.92~1.03 ；对泥沙含量的测量精度影响很大，偏离度人工为-89.63%~-61.08%，仪器为-84.32%~15.01%，数据修正系数人工为2.57~9.64，仪器为1.18~6.38。基于上述实验结果，仪器测量精度优于人工，建议优先选择仪器观测。

[关键词]观测方法；径流泥沙；测量精度；偏离度

1引言

为适应新形势下对监测站点监测手段自动化发展的需要，按上级要求六盘水龙贵地水土保持监测站点引进了径流泥沙自动监测仪（型号JDNS-AUTO-05，北京天航佳德科技有限公司生产），该仪器最大优点是可以全天候观测，弥补了人工不方便在夜间采样和采样不及时的短板，并且能够自动生成监测数据上传在数据库里，通过电脑和手机端，可以读取雨量（需加装自计雨量计传感器）和径流泥沙的发生变化过程及监测数据成果。通过在六盘水龙贵地坡面径流场安装的径流泥沙自动监测仪与人工采样对比实验，初步弄清楚了仪器的测量精度，同时与经常使用的集流池人工搅拌采样方法对比，寻求径流泥沙观测不同测量工具和测量方法的规律，用以指导监测站点管理工作和监测技术的改进，同时本实验得出人工与仪器的径流泥沙修正系数对坡面径流小区观测数据整编具有重要参考意义。

2材料与方法

2.1实验材料

实验地点位于六盘水龙贵地坡面径流观测场内，径流泥沙自动监测仪已安装调试合格，并处于正常运行状态，监测仪的型号为JDNS-AUTO-05，采用全称重法测量径流泥沙，由北京天航佳德科技有限公司生产，其测量范围是：（1）流量测量范围：0-5500L/h；（2）泥沙含量测量范围：0-350kg/m3。同时准备了人工搅拌采样和容重测定的必备工具材料，如：集流桶、搅拌棍、漏斗、取样水瓢、取样瓶、量筒、滤纸、烘箱、电子天平、坏刀、取土铲、土样盒等。根据实验组数及用量，提前烘干泥土备用，泥土为黄壤，为周边坡耕地的表层土壤，有机质含量较高，测定土壤容重为1.03g/cm3。

2.2实验设计

（1）每组实验清水量的确定原则：首先考虑自动监测仪的流量测量范围，其次根据仪器称量桶的容积和进水阀单次关闭的临界点，确定一个固定的清水体积，初定30L清水。

（2）每组实验的泥沙含量确定原则：首先考虑自动监测仪的泥沙测量范围，其次考虑在龙贵地监测点多年观测成果高频数据区选择。选取10组不同泥沙量，初定为：150、300、450、600、750、900、1200、1500、1800、2100 g，由于每组实验最终浑水体积发生变化，经过3次重复实验取平均值，校准后的浑水径流泥沙含量为：3.64、7.34、11.07、14.63、17.86、21.95、29.63、37.31、45.45、52.94g/L。

2.3实验方法

（1）滤纸烘干：将100张快速滤纸放入烘箱，110℃下烘8小时，取出称重，得到每张滤纸重1.871g。

（2）土壤容重测定：取本次实验土样时同步进行。在实验室先称空环刀和空铝盒重，带到野外此次实验取土位置，原土层未扰动前，铲平5cm表层土，用容积为100cm3的钢制环刀按测定要求取土，用铝盒取环刀旁边少量土，分别取3个土样，带回实验室烘干称重，取平均值，计算出土壤容重为1.03g/cm3。

（3）自动仪器实验操作：先用一个标定好的能容纳45L水的收集箱，先加入30L清水，然后加入干泥土，用棍子搅动均匀，全部舀入仪器进水口，此时仪器尚未关闭进水阀，然后用量筒不断加入清水（记录量筒加入的清水量），直至进水阀门关闭、自动称量、排水阀打开排水，每组重复3次。仪器排出的浑水进入集流桶，由人工搅拌采样。

（4）人工采样及处理：仪器排出的浑水全部进入集流桶后，静置10分钟，量水深并记录，然后用木棍搅拌均匀，每组每次取浑水样2000ml。将水样带回室内，用准备好的滤纸过滤样品，然后放入烘箱110℃烘8小时，取出称干重。30个样品相同方法重复操作，得到30组数据。

3结果与分析

表1 实验数据成果

表2 人工与仪器观测值相对标准值的偏离分析

从表1、表2 的数据成果分析看，在径流量的观测中，人工观测值相对标准值普遍偏小，仪器观测值普遍比人工观测值大，仪器在第8、9、10组较高含沙量段径流量明显偏大。在含沙量的观测中，人工观测值大幅低于标准值，也比仪器观测值低较多；人工观测在低含沙量组偏离度大得多，在高含沙量组偏离度减小，而仪器除第1组外，其余偏离度较稳定；第1组的1-1、1-2样品，仪器泥沙观测值为0，说明仪器最小测量精度不等于0，而人工观测反而可以测量很小的含沙量。两种观测方法对径流量的影响很小，修正系数接近于1；两种观测方法对泥沙含量影响很大，大大低于标准值，尤其是人工观测在低含量组修正系数接近10倍。

4总结与讨论

（1）实验结果表明，两种观测方法对径流量的测量精度影响较小，偏离度人工为-4.39%~-0.67%，仪器为-2.95%~8.26%，数据修正系数人工为1.01~1.05，仪器为0.92~1.03 ；对泥沙含量的测量精度影响很大，偏离度人工为-89.63%~-61.08%，仪器为-84.32%~15.01%，数据修正系数人工为2.57~9.64，仪器为1.18~6.38。

（2）本次实验浑水体积设计在40L附近，主要考虑较小的径流量可以满足集流桶一次性完全收集不需要分流，同时兼顾监测仪器径流箱容积及排水临界点，每次实验只排水一次，尽量排除了影响实验精度的其它因素，从而提高本次实验精度。因此本实验观测数据误差及修正系数仅适用于小流量范围。

（3）本次实验样品采用的是黄壤（耕作层表土），土壤容重为1.03g/cm3，土壤较疏松且富含有机质，土壤颗粒组成中粘粒含量相对偏小，因此对实验容器的附着较少，人工搅拌时也更容易均匀。

（4）从人工与仪器两种观测方法对泥沙含量测量精度的影响看，仪器观测数据精度优于人工，加上仪器可以全天候观测，因此在有条件的情况下优先推荐使用仪器观测。

[作者简介]蔡中平（1972—），男，贵州从江人，工程师，主要从事水土保持监测技术及管理工作。

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