径流泥沙实时自动监测仪的研制

针对径流泥沙过程监测仪缺乏和监测误差大的状况,研制了一种具有野外复杂条件下普遍适用的径流泥沙高精度实时自动监测仪,并建立了数据/站点管理云平台。该仪器从径流泥沙过程中提取驱动仪器运转的物理量并将其转换为测控信号,实现径流泥沙过程的实时自动监测;通过对仪器总体结构及各功能部件的优化设计,消减泥沙粘附和沉积,提高监测精度。通过标准泥沙样品验证了该仪器的适用性,结果表明该仪器监测的含沙量相对误差均值为3.67%,决定系数为0.997。土槽试验获取了径流过程中变幅较宽的径流量和含沙量的动态过程曲线。可见,该仪器不仅可以准确地监测径流泥沙过程,而且创新了水土流失监测技术和方法,推动了水土流失监测的自动化和信息化。     

雨滴物理特性的粒子成像测量技术研究

雨滴形状、直径、降落速度等是表征雨滴特性的重要物理量。为了获取雨滴物理特性参数,基于粒子成像的瞬态测量可视化技术,研制了降雨环境下拍摄雨滴影像的光路系统和成像系统,开发了雨滴影像的识别、提取、量测等软件系统,设计了一种基于面阵电荷耦合元件的自然降雨成像测量系统。钢珠洒落实验发现该技术观测误差小。外场观测实验发现本次降雨主要以中等粒子为主,雨滴直径和降落速度均值分别为2.00 mm和3.52 m/s。雨滴降落速度可由雨滴直径的线性回归方程表达,且该方程的预测准确度和精度较高。可见,该测量技术可以准确地获取雨滴物理特性参数,为降雨特征和土壤侵蚀研究开辟了新途径。     

全自动称重式雨量计的研制及性能分析

为了精准刻画降雨过程特征,研制了一种具有野外复杂条件下普遍适用的全自动称重式雨量计,该仪器以STM32单片机为核心,利用A/D转换芯片对称重传感器的电压信号进行放大处理,获取分辨率为0.01 mm的分钟级别的降雨数据。试验结果表明,该雨量计测量标准差为0.02 mm/min,测量准确度最高为98.67%,说明该仪器监测精度高且适用范围广。称重式雨量计分辨率高,对微小雨滴反应灵敏,使得其监测结果较翻斗式雨量计大。此外,利用称重式雨量计在王东沟小流域进行野外自然降雨观测,发现该小流域自然降雨集中在5-9月,主要以次降雨量≤5 mm的降雨为主,而次降雨量为＞10~25 mm的降雨对降雨总量贡献最大。该仪器可以实时准确地监测降雨全过程,可为提高降雨监测技术的精准化和自动化水平提供参考。     

径流泥沙监测方法研究现状与展望

径流泥沙监测是土壤侵蚀过程和机理研究的难点,也是水土流失动态评估和防治的基础。针对径流泥沙组成复杂、监测现场变异性大、监测技术和方法不统一、测量结果可比性差等研究现状,从测量原理出发,综述了几十年来国内外径流泥沙监测技术和方法的研究进展,分析了径流泥沙不同监测方法的适用环境、测量精度及局限性,并且针对目前径流泥沙监测方法存在的问题和水土保持学科发展需求,提出了径流泥沙监测自动化、精准化和信息化的发展方向。     

基于热红外成像的坡面薄层水流流速测量方法

流速是表征水流水力学特性的重要物理量。为了准确获取薄层水流流速,基于热红外成像技术、计算机视觉识别技术,设计了一种薄层水流流速测量系统。该系统通过对热示踪剂的自动控制以及对其热成像图的瞬时采集、影像校正、噪点去除、质心确定等手段,获取薄层水流的流速等参数,从而实现对坡面薄层水流流速的动态观测。该系统精确度和准确度高,可从不同时间和空间尺度上更加准确地观测热示踪剂动态运移过程。系统的测量标准差为0.020 m/s,观测精度可达到98.33%,观测的时间分辨率为1/9 s,空间分辨率为2 mm。为了验证该系统的准确度,以流量法为基准,与传统示踪法（染料示踪法、盐示踪法）比较,结果表明,该系统的准确度高于染料示踪法和盐示踪法。其中热红外成像观测系统的相对误差均在?10%以内;染料示踪法的相对误差均大于10%;盐示踪法52%的相对误差在?10%以内。利用热红外成像系统获取的影像,可对不同时刻示踪段水流的发生、发展的过程进行追溯,也可以测量示踪剂沿水流方向的运移速度及垂直于水流方向的扩散速度,计算热示踪剂的弥散系数等。该技术可应用于降雨侵蚀、径流冲刷等方面的研究,对于进一步深化土壤侵蚀过程与机理研究具有重要的意义。     

浅层填沙滴灌种植枸杞改良龟裂碱土重度盐碱荒地研究

龟裂碱土重度盐碱荒地主要分布在我国西北旱区,其土壤碱化度高、结构差、导水率低是制约其改良利用的关键因素。通过在滴头下方设置沙穴,探索在滴灌条件下种植枸杞的方式改良利用该盐碱荒地的可行性。通过设置-5 k Pa(S1)、-10 k Pa(S2)、-15 k Pa(S3)、-20 k Pa(S4)和-25 k Pa(S5)5个不同土壤基质势控制灌水下限处理,寻求最优的滴灌灌溉制度。结果表明,种植后土壤水分入渗性能得到显著改善,滴头下湿润区域面积不断增大,逐渐形成一个脱盐区(ECe4 d S/m)。控制较高的土壤基质势下限,有利于土壤盐分的淋洗。滴灌种植后土壤的ECe/SARe显著增加,说明土壤盐分组成特征发生变化,土壤物理性质得到改善;土壤速效养分含量显著增加,其中硝态氮表现出较强的随水迁移性,存在淋失风险,而速效磷随水迁移性弱,主要积累在0~20 cm深度内。种植3 a之后,S1成活率最低(56.8%),S3最高(81.1%),而S2、S3和S4产量显著高于其他处理(p0.05),三者之间差异不显著,均为900 kg/hm~2左右,达到当地良田水平。结合土壤水盐特征、养分分布及枸杞生长等各方面因素,可以通过在滴头下设置沙穴滴灌种植枸杞的方式改良龟裂碱土重度盐碱荒地,并在种植前2 a控制土壤基质势下限为-10 k Pa,从第3年改为-20 k Pa。     

基于粒子成像瞬态测量技术的雨滴微物理特性及降雨动能研究

雨滴微物理特性及降雨动能是揭示降雨物理本质的重要特征量,亦是开展侵蚀定量分析与建立侵蚀量预报模型的基础。采用粒子成像瞬态测量可视化技术观测自然降雨雨滴,结合计算机视觉识别技术解算雨滴微物理特性参数,同时采用虹吸式自记雨量计记录自然降雨降雨强度。研究表明:该次降雨雨滴以中等粒子为主,雨滴直径均值为1.52 mm,降落末速度均值为3.47 m/s,其中直径在1.00~3.00 mm范围内的雨滴占样本总数的87.21%。雨滴直径和降落末速度呈显著的对数关系。基于实测的雨滴微物理特性和降雨强度估算降雨动能,该结果与传统的经验模型估算结果相对误差均值为7.28%。该方法得到的降雨动能较以往的经验模型能更真实的反应雨滴降落过程中的做功大小,为准确计算降雨过程中雨滴所造成的溅蚀量奠定基础。     

盐碱地土壤酶活性研究进展和展望

盐碱地是农业生产重要的后备土地资源,同时土壤盐渍化是灌溉农业生产过程中首要考虑的问题之一。近年来,越来越多的研究开始关注盐碱地改良利用过程中包括土壤生物学性质在内的土壤整体环境质量的改善。其中,土壤酶是土壤生物活动的产物,其活性水平是土壤环境质量的良好生物学指标,可以用来评价土壤退化程度及管理措施的效果和可持续性。本文总结说明了盐渍化土壤酶活性状况及盐碱胁迫机理,并对盐碱地改良利用过程中土壤酶活性的研究现状进行了综述。最后从存在问题和关注热点出发,提出了下一步的研究重点。