翻斗流量计测量径流小区流量的精度与校正

刘瑛娜，刘 刚，刘宝元,，高晓飞，杨 扬，王大安，成聪聪

(1.北京师范大学 地表过程与资源生态国家重点实验室，北京 100875；2.北京师范大学 地理学与遥感学科学学院，北京100875)

翻斗流量计测量径流小区流量的精度与校正

刘瑛娜1，刘 刚1，刘宝元1,2，高晓飞2，杨 扬2，王大安2，成聪聪2

(1.北京师范大学 地表过程与资源生态国家重点实验室，北京 100875；2.北京师范大学 地理学与遥感学科学学院，北京100875)

翻斗流量计；径流小区；流量监测；精度；校正

随着我国大规模水土流失监测工作的开展，径流小区径流量的自动监测越来越受重视，而翻斗流量计是备选设备之一。为了明确翻斗流量计用于小区监测的适用性，依据已有的小区资料，设计0.1、0.5、1.0、1.5和2.0 L/s共5个流量，0、50、100、300和500 g/L共5个含沙量，通过与径流桶测量数据对比，测定翻斗流量计的测量精度。结果表明，当流量与含沙量较低时，翻斗流量计所测径流量精度较高；随着流量增大，翻斗流量计测量结果比实际值偏小，且误差逐渐增大；随着含沙量增大，翻斗流量计测量结果比实际值偏大，且误差逐渐增大；这些变化有很好的规律性，可以通过线性回归公式进行校正获得较好的测量精度。

径流小区是研究坡面土壤侵蚀和水土流失规律的重要观测手段，径流量观测是径流小区的主要监测内容[1-2]。径流过程数据是土壤侵蚀动态过程和土壤侵蚀预报模型研究的基础。传统径流小区径流量监测一般采用集流池或分水箱加集流桶收集径流，通过人工量测池/桶水深计算总径流量，费时费力，且无法监测径流过程，因此现在人们越来越重视径流小区径流量监测中自动监测设备和技术的应用[3]。作为备选设备之一，翻斗流量计能通过翻斗和自动计数器监测小区产流的连续过程。翻斗流量计属于容积法量水技术，把径流连续不断地分割成单个已知的体积部分，并根据测量室重复充满和排放的次数来测量径流的体积总量和过程[4]。Barfield等[5]根据翻斗原理设计了测定流量的仪器，通过人工降雨试验研究其测定径流小区径流量的精度，认为在0～200 g/L含沙量情况下测量误差小于3%。Ahmed等[6]设计了一种翻斗测量系统进行径流小区流量的测定和泥沙样品的采集，测定25～50 m2径流小区的径流量和产沙量(流量范围0.03～1.00 L/s)，结果表明整个测量系统误差包括由小流量导致的泥沙淤积影响误差和大流量导致的不稳定误差。曹建生等[7]发明了一种翻斗自记流量测定仪，但没有对其测量误差进行研究。由于翻斗流量计在径流小区中的测量精度及适用范围并不清楚，因此本研究采用控制试验的方法，研究翻斗流量计在不同流量条件下和不同含沙量条件下的测量精度，并确定翻斗流量计的适用范围，希望能为翻斗流量计在坡面径流小区流量监测中的应用提供依据和指导，推动全国水土流失监测站点径流小区流量过程的自动监测。

1 材料与方法

1.1 翻斗流量计介绍

翻斗流量计由进水口、翻斗、限位螺丝、轴承、防溅挡板、外箱、感应磁铁、数据采集器和出水口，以及数据采集存储与远程传输设备等组成，如图1所示。翻斗容积为3 L。其工作原理是：一个翻斗接径流时，另一个翻斗处于等待状态；当翻斗所接径流达到预定值(3 kg)时，由于重力作用翻斗立即翻倒，处于等待状态，另一翻斗处于接径流状态；之后当翻斗所接径流达到预定值时，又自动翻倒，处于等待状态，从而保证监测水流的连续性。在翻斗侧壁上装有感应磁铁，它随翻斗翻动时从干簧管旁扫描，使两个干簧管轮流通断，即翻斗每翻倒一次，干簧管便送出一个开关信号(脉冲信号)，每个脉冲信号通过导线传输到数据采集器，每记录一个脉冲信号，便代表3 L径流量，实现产流过程中的自动监测与记录。

图1 翻斗自动流量计组成及部件

1.2 试验设计

该试验在北京师范大学房山实验基地人工模拟降雨大厅进行。试验小区为宽1 m、长5 m的人工土槽，土壤是北京郊区的褐土，土槽坡度5°。用水泵抽水注入小区模拟径流，流量由分流器上的阀门控制。试验分两组，一组测定小区出口流量对翻斗流量计测量精度的影响，另一组研究含沙量大小对测量精度的影响。测定流量的影响时用清水，模拟径流直接注入小区汇流槽，设计流量为0.1、0.5、1.0、1.5和2.0 L/s。测定含沙量的影响时用流量为1.0 L/s的浑水，设计浑水含沙量为0、50、100、300和500 g/L。径流量的测定分两部分：一是用翻斗流量计自动记录，下载数据后计算流量过程线和总径流量；二是将翻斗流量计流出的径流引入集流桶，每次试验完根据水位和集流桶底面积计算总径流量，以此为标准计算翻斗流量计的测量精度。

试验中选定的流量和含沙量的范围能代表我国主要径流小区监测范围。表1列举了全国五大水蚀区代表性小区的含沙量状况。流量是根据黄河水利委员会子洲径流场的资料拟定的。

表1 全国五大水蚀区代表性小区的含沙量状况

2 结果与分析

翻斗流量计靠重量翻转并计数，精度可能受径流流入时的冲击力、径流溅出翻斗、翻转过程中的损失和含沙量大小的影响。前三种是受流量大小影响，最后一种是受含沙量影响。

2.1 流量对测量精度的影响与校正

根据对试验过程的观察和分析，翻斗流量计测量的流量值可能小于实际流量值。为了确定测量精度，以径流桶的总径流量作为标准与翻斗流量计的测量结果进行对比。集流桶为圆柱体，体积固定，一次试验的径流总量很容易测量准确。对5个流量情况下的径流总量进行对比(表2、图2)，发现翻斗流量计测量径流量(W斗，L)与实际径流量(W实，L)的比率(γ)随流量(Q，L/s)的增加呈线性下降趋势(图2)，拟合公式为

γ=0.937-0.075Q(R2=0.93)

(1)

式中：γ为翻斗流量计所测径流量与集流桶测定径流量之比；Q为流量，L/s；R2为决定系数。

表2 翻斗流量计与集流桶实测径流总量对比

图2 翻斗流量计所测径流量与实际径流量的比率随流量的变化

当Q=0时，γ=0.937，这说明翻斗每次翻转时的容积超过拟定数值(3 L)，需要通过限位螺丝调节到设定容积。调整到设定容积后，γ=1，公式(1)改为

γ=1-0.075Q

(2)

为了校正流量对观测结果的影响，在计算实际径流量时可用下式

W实=W斗/(1-0.075Q)

(3)

2.2 含沙量对测量精度的影响与校正

翻斗流量计的设计是按容积计数，但翻转是按重量实现。含沙水流由于密度比清水的大，不到设计容积就会翻转，导致测量流量大于实际流量，而且含沙量越大这种差异越大。5种不同含沙量的试验表明，翻斗流量计所测径流量与实测径流量的比率(γ)随含沙量的增大而增大(图3)。含沙量的这种影响可以通过理论推导求得。根据含沙水流质量与设计清水质量相等的原理，得到如下等式

M设=W斗ρ水

(4)

M设=M沙+M水

(5)

式中：M设为翻斗设计容积对应的清水质，kg；M沙为实际径流中泥沙的质量，kg；M水为实际径流中清水的质量，kg；ρ水为清水的密度，g/cm3。

其中

(6)

M水=V水ρ水

(7)

(8)

(9)

上四式中：c为实际径流的含沙量，g/L；V水为实际径流中清水的体积，L；ρ沙为泥沙的密度，g/cm3；V实为实际径流的体积，L。

将式(6)、(7)、(8)，带入式(4)、(5)得到

(10)

为了校正含沙量对测量结果的影响，在计算实际径流量时可用下式

(11)

图3 翻斗流量计所测径流量与实际径流量的比率随含沙量的变化

2.3 翻斗流量计所测流量的校正

对翻斗流量计实测流量进行校正，先进行流量对测量精度影响的校正，再进行含沙量对测量精度影响的校正，即根据公式(3)、(11)将不同流量和含沙量条件下翻斗流量计测定的流量进行修订。测定含沙量影响时试验设计流量为1L/s，实际流量为0.946L/s，试验测定的褐土泥沙的密度为2.45g/cm3。图4为校正前后的翻斗流量计测定径流量与径流桶测定径流量的关系，校正后的点紧密分布在1 ∶1线附近。经流量影响和含沙量影响校正公式修订后的径流量结果与集流桶实测值非常接近。

图4 校正前后翻斗流量计测量径流量与径流桶测量径流量比较

3 结 论

(1)试验结果表明采用翻斗流量计进行径流小区的流量过程监测是可行的，建议3L的翻斗流量计在面积为100m2以下的径流小区使用。3L翻斗流量计的流量测量范围是0～2L/s。

(2)随着流量增大，翻斗流量计所测流量结果比实际值偏小，且误差逐渐增大；随着含沙量增大，流量测量结果比实际值偏大，且误差逐渐增大。规律的翻斗流量的测量误差可以通过公式进行校正，以获得较好的测量精度。

(3)当含沙量小于100g/L时，可不考虑含沙量影响，直接根据流量进行修订；当含沙量大于100g/L时，则需根据泥沙密度进行含沙量对测定结果影响的修订。一般情况下，褐土泥沙密度可采用2.45g/cm3，其他地区土壤试验前需测定土壤泥沙密度。

[1]HudsonN.SoilConservation[M].AMES:IowaStateUniversityPress,1995:165-169.

[2] 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[J].中国水土保持,2014(12):63-66.

[3] 张玉新,鲁胜力,王莹,等.我国水土保持监测工作现状及探讨[J].中国水土保持,2014(4):6-9.

[4] 曹建生,刘昌明,张万军.基于翻斗法的自动量水技术及其应用[J].水利水电科技进展,2005,25(2):49-52．

[5]BarfieldBJ,HirschiMC.Tippingbucketflowmeasurementsonerosionplots[J].TransactionoftheASAE,1986,2(6): 1600-1604.

[6]AhmedAH,Khan,ChinKO.Designandcalibrationoftippingbucketsystemforfieldrunoffandsedimentquantification[J].Journalofsoilandwaterconservation,1997,52(6):437-443.

[7] 曹建生,刘昌明,张万军.基于翻斗法的双辊打点式自记流量测定仪[J].中国农村水利水电,2005,25(1):112-114.

(责任编辑 李杨杨)

中央高校基本科研业务费专项资金项目(2013NT36)；中国博士后科学基金资助项目(2014M550646)；地表过程与资源生态国家重点实验室资助项目(2015-RC-02)；国家自然科学基金委员会资助项目(41321001)

S157.1

A

1000-0941(2015)10-0044-03

刘瑛娜(1982—)，女，河北唐山市人，工程师，博士，主要从事土壤侵蚀及其环境影响方面的研究；通信作者刘宝元(1958—)，男，陕西佳县人，教授，博士，主要从事土壤侵蚀与水土保持方面的研究。

2015-06-04