坡面径流小区集流桶含沙量测量方法对比

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。     

径流小区集流桶(池)泥沙含量快速测定方法探讨

径流小区作为土壤侵蚀监测的一种重要方法,在土壤侵蚀模型及预报中具有重大意义.快速准确地测量径流小区集流桶(池)中的泥沙含量直接决定了土壤侵蚀规律研究的科学性与土壤侵蚀预报的可靠性.搅拌法取样测量含沙量是目前应用最广的传统含沙量测量方法.但据实际观测,北京土石山区的粗砂多砂区采用该方法测得的含沙量明显偏小,土壤侵蚀量观测精度受到严重影响.为此,在北京地区,采用北京师范大学研发的全深剖面采样器来采集径流小区集流桶(池)水样以测量含沙量,并对设备进行更新.本研究拟根据北京地区的实际工作经验,简要探讨该设备的使用方法,注意事项以及实验室水样的快速处理方法.     

坡面径流泥沙计算中需解决的认识问题

基于土壤侵蚀规律的研究特点，特别是坡面水蚀动力过程的研究需要，对以往传统的坡面径流泥沙计算方法进行的分析发现，传统的计算方法误将土壤中的孔隙水当作坡面径流，从而导致误将坡面的侵蚀对象及搬运物当作坡面的侵蚀动力，为进一步分析坡面水蚀动力机制带来了困难。在上述分析基础之上，提出了坡面径流泥沙的计算方法，并与传统方法进行了计算误差分析。结果表明，两种方法的计算误差随含沙量的增加而增大。当土壤容重为１．２ｔ／ｍ３时，若含沙量达３００ｋｇ／ｍ３，径流量计算误差大于２０％，含沙量计算误差接近２０％。     

基于计时与光照法的坡面径流量及含沙量动态检测系统

针对坡面径流及泥沙含量传统测量方法存在精度不高且难以在坡面现场在线同步测量的问题,该文提出了一种基于计时法和光照法的径流量与含沙量测量方法,设计了坡面径流量及泥沙含量同步在线检测的自动检测系统。阐述了该系统中机械装置和电子测控的设计方案和工作原理,并设计了光照法测量含沙量的辅助试验系统。通过试验,发现影响含沙量测量精确度的主要因素为光源与光敏传感器之间的距离及溶液中泥沙分布均匀度,揭示了A/D转换值随含沙量变化而单调变化的规律。通过试验获得了溶液搅拌最佳电机转速为428 r/min,并运用最小二乘法和统计学理论对数据进行分析,确定了当该系统的光源和光敏传感器之间的距离为30 mm时,光照法测量含沙量的精确度最高。最后,将试验结果与理论计算值进行对比,结果表明除了浓度为1~3 kg/m3的溶液所测得的泥沙含量误差率较大外,其余溶度的误差率均小于1%,论证了光照法测量含沙量的可行性。该研究可为推进水土保持动态监测理论方法及技术提供参考。     

坡面水流滚波特征参数超声波自动测量系统构建与试验

精确高效的观测手段是深入研究坡面薄层水流特性的基础。基于系统集成理论和自动化测量原理,结合高精度超声波水位传感器,研制坡面水流滚波特征参数测量系统。在光面玻璃床面,5种坡度和5种单宽流量条件下进行实际测量应用,评价测量系统的精确度及稳定性,并与人工测针法和目测法测量结果比较分析。结果表明,测量数据相对误差为0.23%,变异系数为0.66%;测量系统和传统测量方法测得的滚波波峰值最为接近,滚波频率、波速和波长的接近程度依次减弱;相比人工测量方法,超声波测量操作简便,自动化程度高且能够进行持续稳定观测,具有较好地测量精度和可靠性,能够满足坡面水流滚波特性研究需求。研究成果在坡面水流测量手段改进方面具有广阔的运用前景。     

基于光电传感器和示踪法的径流流速测量系统的研究

坡面径流流速是决定土壤侵蚀强度的重要因素，也是坡面侵蚀预报模型考虑的关键问题。采用LabVIEW虚拟仪器，开发了一套室内模拟坡面径流流速测量系统，包括试验台、光电传感器、采集卡及测控软件等。系统以泡沫粒子作为示踪粒子，进行了室内模拟坡面径流流速的测试。结果表明，自行设计的试验台能实现水沙循环使用，在0～400 kg/m³含沙量、0～25°坡面的范围内，该测量系统能够测定径流流速，最大相对误差为2.29%，为坡面径流流速的快速、准确测量提供了一种新的有效的方法。     

坡面径流泥沙计算中急需解决的认识问题

基于土壤侵蚀规律的研究特点，特别是坡面水蚀动力过程的研究需要，对已往传统的坡面径流泥沙计算方法进行了分析，结果表明，传统的计算方法误将土壤中的孔隙水当做坡面径流，导致误将坡面的侵蚀对象及搬运物当做坡面的侵蚀动力，给进一步分析坡面水蚀动力机制带来了困难，本文在上述分析的基础之上，提出了坡面径流泥沙的计算方法，与传统方法对照，进行了误差分析，结果表明，当土壤容重为１．２ｔ／ｍ＾３时，若含沙量达４００ｋ     

连续降雨作用下褐土坡面侵蚀及其水动力学特征

为研究在长时间降雨侵蚀过程中北京褐土坡面侵蚀特征及其水动力学机制,通过室内人工模拟降雨试验,分别在60,90 mm/h雨强下对褐土坡面进行连续10场次降雨试验,探讨了坡面侵蚀过程中的产流产沙特征及其与水动力学参数间的关系。结果表明:(1)在雨强及次降雨量较一致的条件下,随降雨场次增加坡面次降雨产流量变动较小,而次降雨产沙量变化较大,60,90 mm/h雨强下次降雨产沙量的变异系数为23.94%和59.88%,且第10场降雨的产沙量仅为第1场降雨的59.74%和22.28%;(2)连续降雨条件下,平均次降雨产沙速率随雨强增大而增大,径流含沙量随降雨时间呈幂函数下降趋势;(3)受褐土坡面细沟形态变化和土壤粗化的影响,60,90 mm/h雨强下坡面径流平均流速分别随降雨时间呈指数函数和幂函数下降趋势,弗劳德数亦表现出相同趋势;坡面径流阻力系数随降雨历时均呈对数函数增加;(4)长时间降雨侵蚀条件下径流含沙量与平均流速、弗劳德数、阻力系数、径流功率相关关系极显著,其中平均流速是径流含沙量变化过程中与其关系最为密切的水动力学参数,径流含沙量的变化深刻受到坡面径流平均流速的动力作用过程影响。     

基于相关法的坡面径流流速测量系统

坡面径流流速是土壤侵蚀研究中的一项重要参数,目前仍未有通用的径流流速测量仪,因此研究径流流速的有效测量方法具有重要的意义.该研究以相关测速理论为基础,在已有的研究基础上改进了光电传感器的硬件设计和试验平台,开发了一套坡面径流流速测量系统.试验研究了传感器与液面及两传感器之间距离对测量系统的影响,并进行了室内模拟坡面径流流速试验研究.结果表明,两传感器的间距为5 mm、液面距离为9 mm为最优试验参数,测量系统的泥沙含量适用范围为0～400 kg/m3、坡面的范围为0～25°,测量系统能够准确测定径流流速,最大相对误差为3.61%,为坡面径流流速的快速、准确测量提供了一种有效的方法.     

小流域径流泥沙自动采集器的试验研究

仪器仪表作为对信息进行采集、测量、处理和控制的重要手段和设备,已成为推动科学技术和国民经济高速发展的关键技术之一。在小流域出口处设置量水堰是研究流域水文过程及土壤侵蚀监测的一个重要方法,为实现小流域径流含沙量的动态监测,自行研制了一种小流域径流泥沙自动采集器,以一种简单的采样技术代替传统方法来提高含沙量测定的自动化水平及测量精度。通过模拟试验验证了采集器的适用性,结果证明采集器具有很好的可靠性和观测精度,与标准值的平均相对误差仅为0.42%。另外,该装置与传统水样收集方法相比自动化程度高,管理方便,适于野外无人看守情况下径流样品的自动采集。因此,所研制的小流域径流泥沙自动采集器有一定的应用前景。     

坡面径流实时监测装置的测试与率定

径流小区观测技术是水土保持监测评价的基础.研发适用于径流小区尺度的径流观测装备可有效减少人工监测的随机性,降低监测人员的工作强度.通过人工模拟不同强度的产流汇水条件,对“径流泥沙含量实时测量装置”开展径流测量性能的专项测试,结果表明:该装置在测试环境条件下的径流测量相对误差范围为-4.33％～-24.01％,稳定时长范围为55 ～ 130 s.偏相关分析发现:测量稳定时长与径流的含沙量、流量分别呈显著正相关关系和显著负相关关系(P＜0.05);测量精度与含沙量和流量的相关系数均呈负相关关系,但含沙量和流量对测量精度的影响有限(α=0.05).通过回归分析,得到该装置径流量修正模型;经验证,该模型可使平均相对误差由修正前的11.53％降低至6.80％,平均测量数据稳定时间由修正前的96 s降低至80 s.研究分析提出,通过对上述设备增设波浪过滤消减装置、增大滤波管直径等措施可进一步降低测量误差,提高工作稳定性.基于上述测试结果,本研究认为通过利用修正模型,测试设备的径流测量效果在测试流量范围内较为理想,即该设备在降雨强度范围为3.60 ～ 66.96 mm/h的产流工作条件下较为适宜.     

含沙率对层状土浑水膜孔灌单点源自由入渗特性的影响

为探究不同浑水含沙率对层状土入渗特性的影响,通过室内膜孔灌自由入渗试验,研究了以夹砂层位置为5~10cm的层状土条件下清水和不同含沙率的浑水(2%,5%,7%,9%)入渗的累积入渗量、湿润锋运移规律以及湿润体内土壤含水量分布情况,分别建立了层状土不同含沙率浑水膜孔灌入渗量、湿润锋运移距离与入渗时间之间的关系;提出了基于清水入渗的不同浑水含沙率单位膜孔面积累积入渗量模型。结果表明:不同浑水含沙率累积入渗量变化趋势一致,但含沙率越大,累积入渗量越小,浑水减渗作用越明显,对应入渗系数越小,入渗指数越大;湿润锋运移距离随含沙率的增大而减小,当水分入渗到壤—砂交界面时,湿润锋在垂向上出现明显停滞,仅在水平方向上随入渗时间不断推进;供水结束后不同浑水含沙率下土壤湿润体内水分主要集中砂层以上,土壤含水量随浑水含沙率的增大而减小。研究结果可为进一步研究层状土浑水膜孔灌灌溉技术提供理论参考。     

基于统计理论数据融合的水流泥沙含量测量仪

水流泥沙含量的测量在土壤侵蚀和水土保持研究中具有重要意义。采用自行研制的便携式水流泥沙含量测量仪测量了水流泥沙含量。结果表明，水流泥沙混合液质量与泥沙含量之间呈线性关系，可采用荷重传感器测量水流泥沙含量；通过采用基于统计理论的数据融合法来处理测量结果，可大大提高测量的准确性和重复性；其测量精度为0.63%，重复性误差小于0.49%；该测量系统为水流泥沙含量的快速、准确测量提供了一种新的、有效的方法。     

利用自制压差装置测定水样含沙量的方法研究

[目的] 开展基于压差测定水样含沙量的方法研究,旨在寻求一种新方法以实现含沙量在野外的快速准确测定。[方法] 试验基于压差原理,选取4种土壤(土、风沙土、盐碱土与水稻土)分别预制11个含沙量梯度的含沙水样,使用数字式压差计测定含沙水样压强与大气压强之间的差值(简称压差),建立含沙量与压差的函数关系式。[结果] 含沙量与压差在0.01的水平下呈极显著线性正相关;对于其中3种含沙水样(土水样、盐碱土水样与水稻土水样),压差结合理论公式计算含沙量的方法具有可行性,最大相对误差绝对值小于15%,但不适用于风沙土水样。风沙土水样含沙量的测定最大相对误差绝对值高达39%。因此,为了缩小误差,试验通过测定纯水与含沙量为500 kg/m³的水样压差建立修正方程,再结合测定的压差值计算含沙量,发现最大相对误差绝对值小于8%。[结论] 基于压差测定水样含沙量的方法能较为准确地测定水样含沙量,可为水土保持监测等领域在野外便捷测定含沙量提供一种新思路与方法。     

广西桉树林表层土壤水分时间稳定性分析

为分析桉树林土壤含水量时间稳定性特征,选取桉树林典型坡面,测量坡面9个样点5年土壤含水量,基于所测数据采用相对差分法和Spearman秩相关系数法分析土壤含水率的时空变异性和时间稳定性。结果表明,研究区坡面5年的表层平均土壤含水率为21.81%,在空间上表现为较弱的变异性,在时间上具有中等程度变异性。各年平均土壤含水率相关系数偏低,土壤含水率的空间模式在观测时间上的相似性较弱,其平均相对差分变化范围为-7.08%～5.03%,相对差分标准差和时间稳定性指数的平均值分别为5.73%和6.58%,说明不同坡度条件下土壤水分具有较好的时间稳定性。测点2,3,6,7,8水分含量较平均值高,测点1,4,9,5水分含量相对较低,湿润点的标准差和时间稳定性指数都相对小且稳定,即土壤湿润状态的水分稳定性比干燥状态的好。回归分析得到测点5的土壤含水量和整个坡面水分均值具有较高相关性,R2值为0.879,MBE值为0.141,RMSE值为99.4%,即测点5可作为代表性测点估计整个研究区浅层平均土壤含水率。     

夹砂层土体构型毛管水上升的实验研究

针对西北地区土壤剖面多呈层状和春季强烈返盐季节土壤多处于裸露状态的特点，通过室内土柱实验，研究了有地下水位条件下夹砂层剖面的土壤蒸发问题。结果表明，砂层会影响毛管水上升的高度和速度，毛管水到达土表的时间随砂层厚度的增加、层位的升高以及级配的变差而延长，但砂层级配对于水分的阻滞作用最大。砂层影响各层土壤含水量的分布，在水分达到平衡状态时，砂层以下土壤含水量大于均质土，而砂层以上土壤含水量则小于或近似于均质土。砂层能明显降低地下水的蒸发量，但夹砂层土柱的蒸发量随砂层厚度的增加而降低，而表砂层土柱的蒸发量则随砂层厚度的增加而增强。在蒸发阶段，砂层层位的作用表现更为显著。     

水土保持模型试验中产沙量测量方法研究

介绍了测量模型次降雨侵蚀产沙量的烘干法和密度瓶法,并通过不同粒径组泥沙浑水含沙量的对比试验,验证了测量方法的可靠性。针对模型土壤中夹杂着大量粒径较粗的泥沙颗粒的试验,提出进行泥沙粗细分层,然后采用烘干法和密度瓶法相结合的方法来测量次降雨侵蚀产沙量。所介绍的观测方法具有结果可靠且工作效率较高的特点。     

黄土和红壤坡面侵蚀差异及其与土壤性质的关系

为探究黄土和红壤侵蚀受雨强和坡度影响的差异及其与土壤性质的关系,通过测定分析黄土和红壤的各种理化性质,并分别对2种土壤在2个坡度(15°,20°)、2个雨强(60,90 mm/h)条件下开展4场降雨。结果表明:(1)与红壤相比,黄土的土壤颗粒更细,二者的毛管孔隙度、饱和含水量和田间持水量相差均在3%~6%以内,干筛时各粒级团聚体相差不大,但经湿筛破坏后二者团聚体差异较大,红壤的相对机械破碎指数(RMI)小于黄土,黄土有机质含量、阳离子交换量和络合态氧化物含量均高于红壤,无定形氧化物和游离氧化物则低于红壤;(2)同雨强、同坡度条件下,黄土产流时间均短于红壤,产流开始后,红壤比黄土先达到稳定径流率,不同雨强、坡度条件下,红壤稳定径流率为30~120 mL/s,黄土为100~220 mL/s,且在相同坡度、雨强范围内,红壤径流率变化层次分明,黄土则交错复杂;(3)红壤的产沙率和径流含沙率都较低,且多在产流几分钟即出现产沙率最大值,黄土产沙率则和径流率类似,在产流前期快速增长,10 min之后开始波动变化,再进入相对稳定产沙阶段,产沙率和径流含沙率随雨强和坡度的变化复杂;(4)不同土壤自身理化性质是影响坡面侵蚀的内在因素,与黄土相比,红壤的下渗能力更好,土壤抵抗径流剪切和剥蚀的能力更强,使得在同雨强、同坡度条件下红壤的侵蚀程度远低于黄土,规律性也更显著。