径流泥沙监测方法研究现状与展望

2017-01-21展小云曹晓萍郭明航

中国水土保持 2017年6期

关键词：含沙量土壤侵蚀泥沙

展小云，曹晓萍，郭明航，赵军

(1.西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西杨凌 712100；2.中国科学院/水利部水土保持研究所，陕西杨凌 712100)

径流泥沙监测方法研究现状与展望

展小云1,2，曹晓萍1,2，郭明航1,2，赵军1,2

(1.西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西杨凌 712100；2.中国科学院/水利部水土保持研究所，陕西杨凌 712100)

水土流失；监测方法；径流量；含沙量；自动化

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。

1 开展径流泥沙监测的必要性及现状

据统计，全球有水土流失面积约1 640万km2，占土地总面积的10.95%[1]。水土流失不仅会导致土壤退化、土地生产力降低，影响农业生产和粮食安全，而且随径流、泥沙运移的污染物会对相邻地区的生态环境和社会经济发展带来严重影响[2]。中国是世界上水土流失最严重的国家之一，水土流失面广量大，不仅广泛发生在丘陵区和风沙区，而且发生在城市周边和开发建设区。根据第三次全国土壤侵蚀遥感调查，我国土壤侵蚀总面积161万km2，其中轻度、中度、强烈、极强烈和剧烈侵蚀面积分别占51.4%、32.7%、10.7%、3.7%和1.5%。为保障经济社会的可持续发展，我国已将水土保持确定为一项长期的基本国策。

国际上对水土流失进行试验研究始于1877年德国土壤学家WOLLNY。此后，针对土壤侵蚀开展了一系列大型研究计划，例如全球变化陆地生态系统研究(Global Change and Terrestrial Ecosystems Core Project, GCTE)、土地利用与土地覆被变化(Land Use and Land Cover Changes)等[3]。我国对水土流失的研究始于20世纪20年代在晋鲁豫地区进行的水土流失调查及径流监测，大规模开展水土流失研究并取得重要成果则是从20世纪50年代开始的，20世纪70年代末改革开放战略的实施和深入推进为水土保持科学研究提供了更为广阔的发展空间。

径流泥沙是衡量土壤侵蚀的重要参数之一，可为土壤侵蚀动力过程的模拟与研究、土壤侵蚀预报模型的建立等提供基础资料，为水土流失的监测、防治等提供科学依据。长期以来，人们一直尝试着利用各种物理方法实现对径流泥沙较为准确的测量，但是径流泥沙组成复杂、具有沉降黏附特性、监测现场环境条件错综复杂等，使得径流泥沙的测量方法和技术存在难以推广应用的缺陷，并且相应的仪器设备品种较少。目前市场上已有流域卡口站量水堰径流泥沙样品自动采样器等相关产品，但仍然缺乏径流泥沙在线自动测量的实用仪器。本研究计划归纳径流泥沙测量的主要方法，包括烘干法、γ射线法、振动法、超声波法、电容法、光电法、激光法和遥感法等[4-6]，并就其原理、技术、仪器设备和效果等进行比较分析，针对现有方法存在的问题，依据目前发展的新理论和新技术，结合水土保持学科发展的需求，提出自动化、精准化、信息化测量径流泥沙的新方向。

2 径流泥沙监测方法

2.1 烘干法

烘干法又称称重法，即取一定量的样品，测量其原始质量和烘干后的质量，从而确定样品的含沙量。采用烘干法测量时，高温与长期加热会造成土壤中的有机质被碳化[7]，使得测量的含沙量远小于实际含沙量，因此一般来说，传统烘干法测量结果相对误差范围为-89.95%～-42.05%，平均为-75.54%，90%以上的样本误差超过50%[8]。此外，该方法测量周期长、过程繁琐，不能在线实时测量，测量结果只是随机时间段内的平均值，无法反映含沙量的即时变化。由于烘干法相对容易实现，因此至今仍被广泛应用[9-11]，但是样品采集的精度及自动化程度是该方法的主要限制因素。目前，径流泥沙测量主要采用人工方法，不仅费时费力，而且搅拌取样代表性难以保证，还无法得到径流泥沙变化过程的样品。为了克服上述缺点，符素华等[12]针对传统测量方法在石质山区的不适用性，提出了分层测量的方法，大大改进了测量的精度，使得测量的平均误差降低为-2.77%；叶芝菡等[8]研制了集流桶含沙量全深剖面采样器，以一种简单的采样技术代替传统方法来提高径流泥沙的测量精度；为实现小流域径流泥沙的动态监测，曹建生等[13]研制了一种小流域径流泥沙自动采集器，并且通过模拟试验验证了采集器的适用性、可靠性和监测精度，与标准值的平均相对误差仅为0.42%。关于流域卡口站径流泥沙样品的采集，由于暴雨径流发生时间存在不确定性及径流量偏大的特点，因此传统的人工采集方法与集水池法很难实现对径流泥沙样品的准确采集。德国ISCO转盘式水样自动采集器可定时采集泥沙样品，采样瓶一般为24个，每个采样瓶的容积为250 mL，但是该方法采样体积太小，且无法现场测量径流泥沙。

2.2 γ射线法

为了克服传统方法的缺陷，FERGUSON et al.[14]提出了一种新的测量方法，即γ射线法，最初该方法被广泛用于土壤含水量的测定中。γ射线在含沙水溶液中发生康普敦-吴有训效应，其透射强度服从指数衰减规律，衰减的快慢程度与被测水体的含沙量有关，因此可以利用γ射线衰减与水体中泥沙含量的关系推求含沙量。雷廷武等[15]首次尝试采用γ射线法测量径流含沙量。试验结果表明，γ射线透射通过泥沙溶液的强度与水流含沙量间有极显著的线性相关关系，并与理论计算结果高度一致。但是，γ射线水平透射时，泥沙的颗粒组成、泥沙沉积和分层现象等会对测量精度产生较大影响。针对上述问题，雷廷武等[16]通过缩短γ射线源与能谱探头间的距离来减少测量时间，使得仪器测量周期缩短为4 s，测量范围比较广，为0～750 kg/m3，同时提高了测量精度，测量结果的相对标准误差<1%，误差主要受标准泥沙溶液的配制、射线脉冲的随机性、仪器的稳定性等影响。基于γ射线法，王辉等[17]研制了一种LTW-1型全自动径流泥沙含量动态测量仪，该测量系统结合了核技术、电子技术和机械制造技术，充分利用计算机通信技术，实现了坡面径流含沙量的快速、实时、动态测量。γ射线法实现了径流泥沙测量从传统方法向半人工监测方法的转变，避免了样品采集的繁重工作量，提高了测量的自动化水平。尽管该方法有很大的测量优势，但问题是137Cs放射源的强度高达1 Ci，安全防护困难，对人体危害很大，因而无法推广使用。

2.3 振动法

WILLIS et al.[18]以振动学为原理，根据谐振棒在不同含沙量泥水中的不同振动周期来推求含沙量，并利用U形管在水槽中进行试验。美国FIASP公司在20世纪80年代中期研制了U形管泥沙含量计(FIASP，美国)，这种仪器在河水水位变幅较小时，可记录下几个很陡的泥沙峰值，这是人工测量所无法实现的。此外，云南大学和云南省水文总站合作研制了一种振动式泥沙含量监测仪，该仪器分辨率为0.1 kg/m3，更适合于河道高含沙径流的测量；王智进等[19]对振动式悬移质测沙仪的关键技术进行了研究，并对仪器应用进行了大量试验。2003年9月，振动式悬移质测沙仪在黄河小浪底水库的防洪预泄工作中进行了初试，结果发现该仪器能够快速、准确地监测和记录含沙量的实时变化，测量范围大，受泥沙粒径变化影响小，并提供了数据采集与传输的智能接口，便于数据远程传输，为实现水文测量数字化打下了基础。但是，振动法测量含沙量的结果稳定性较差，测量震动管中的泥沙持续沉积导致零点漂移严重，加之监测仪器体积较大，而坡面径流水深较浅，使振动装置无法正常工作，故此类仪器不适用于坡面径流含沙量的测量。

2.4 超声波法

20世纪90年代，一种新的径流泥沙测量方法——超声波法被提出，该方法是根据超声波在含沙水流中的反射和衰减特性来测量水流中的含沙量，但是含沙量测量范围较小，仅为0～3 kg/m3。中国科学院山西煤炭化学研究所与陕西省水文总站合作研制的超声波测沙仪含沙量测量值相对均方误差为±4.66%[20]。陈彦华等[21]研制的含沙量垂线分布测试系统可在低含沙水流(含沙量在2.5 kg/m3以下)中对水面下20 cm 范围内的含沙量及其分布进行快速测量。加拿大生产的一种仪器设计测量范围为0.5～70.0 kg/m3，但在美国进行的野外测量结果表明，含沙量过低时仪器测量准确度较低。大量学者的研究表明，超声波法测量含沙量时，为保证超声波经衰减后信号能被接收到，其强度不能太小，而超声波强度较大时，超声波会与泥沙颗粒发生相互作用而影响溶液浓度，产生“空化现象”，同时还会造成大的泥沙颗粒粉碎而改变原有溶质粒子的粒径组成。由此可见，超声波法目前仅适用于低含沙量的测定。

2.5 电容法

电容法是利用泥水混合物中含沙量的变化会引起其介电常数变化这一电物理学性质，通过测量电容的变化来测量含沙量变化。电容传感器原理简单，只要两相流体具有不同的介电常数即可进行测量，而且电容测量系统构造简单、成本低、使用安全、响应速度快。国内学者进行了系列研究[22-23]，用自行研制的电容式传感器(专利号：ZL 00226706.3)测量了水流中的含沙量，结果表明该方法具有可行性，但该传感器系统受温度的干扰较为严重。在智能传感器的初级形式中主要采用硬件电路的补偿技术，如李小昱等[22]研制了平板式与同轴圆筒式两种结构的电容传感器，通过试验验证平板式电容传感器的非线性误差为0.20%、重复性误差为0.13%，同轴圆筒式电容传感器的非线性误差为0.10%、重复性误差为0.10%。沈逸等[23]采用人工神经网络方法对传感器的输出进行数据融合处理，即以电容传感器的泥沙测量值和环境温度作为网络的输入，并用改进的BP(Error Back Propagation)算法对网络进行训练得到融合输出值，试验结果表明采用基于人工神经网络的数据融合方法可有效地消除环境温度对电容传感器所产生的影响，从而得到精确、稳定的输出值。由于电容受温度影响较大，电容两端输出电压随温度、土壤含盐量升高而呈非线性增加趋势，电容测量精度要达到1 pF，而目前电容测量技术远不能达到，加之径流流速的影响，使得电容法的适用条件受到很大限制，因此目前尚处在理论研究阶段。

2.6 光电法

光电法是利用光线投射含沙水流的吸收和散射性，依据不同含沙量对光的衰减作用来测量含沙量，通常采用透射法和后向散射法测量含沙量。国内在这方面的研究开展得较早：徐明才等[24]研制了光电测沙仪，使用浸入式探头，可以测量小于5 kg/m3的含沙量；曾为军等[25]利用单片机测量技术、MATLAB数值分析技术和光敏传感技术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，设计了坡面径流量及含沙量同步在线检测的自动检测系统，试验结果表明，除浓度1～3 kg/m3的溶液测得的含沙量误差较大外，其余浓度的误差均小于1%。但是该方法受到光源与光敏感传感器之间的距离、泥沙容重、不同泥沙颗粒组成及泥沙沉降等状况的严重影响而未能广泛应用。

此外，含沙量测量方法还有激光法和遥感法。美国Sequoia科学仪器公司根据激光散射原理，研制出用于现场测记悬沙含沙量、颗粒级配、平均粒径的激光测沙仪(Sequoia，美国)。在国内，长江水利委员会水文局引进了多台现场激光粒度分析仪(ISST-100X)，并建立了三峡泥沙报汛系统，由测站将数据输入自动报汛系统，通过超短波、电话、卫星等信道进行数据传输，该系统的建立为泥沙的现场监测和自动报汛提供了发展思路和研究参考。但是，在坡面侵蚀过程中，坡面泥沙不断经历剥离、搬运、沉积过程，径流中泥沙粒径的组成随时间不断发生变化，而使此方法具有一定的理论误差，加之用此方法设计的测试仪器成本较高，设备笨重、庞大，因而无法正确有效地测量坡面水流中的含沙量[26]。遥感法是根据卫星遥感摄影获得的河口、河流、水库、湖泊等地区悬浮泥沙的光谱特性影像，反演计算大面积水域水体的平均含沙量，用于大范围低含沙量测量，不能在坡面、沟道进行定点测量[27]。

受传感器件和电子元件灵敏度的限制，上述方法的测量精度都较低，受现场客观因素的影响较大，需要在现场进行较繁琐的调校，而且仪器的稳定性较差，现场测量径流含沙量的变化范围窄。基于上述问题，至今仍没有一种好的径流泥沙测量方法。无论是在室内人工模拟降雨进行水土流失研究时，还是在野外试验小区进行长期定点水土流失监测时，都迫切需要研制实用的径流泥沙自动测量系统。

3 展望

在径流泥沙监测方面，现有的研究方法仍不能满足实际需求，这给我们提供了进一步研究的机遇和挑战。结合现代研究技术和普遍关注的热点，建议下一步可针对以下几个问题加以重点研究。

(1)解决径流泥沙监测误差大的问题。一次径流泥沙过程的样品总量很大，对采集的径流泥沙样品全部做烘干处理是相当困难的。目前，径流泥沙监测通常采用径流池、径流桶等收集径流，测径流总量，然后人工搅拌取样，烘干测含沙量。现在的研究已经证明粗泥沙沉降速度快，人工搅拌不可能取到均匀的样品，也就是说测不准含沙量，进而算不准土壤侵蚀量。另外，美国的土壤可蚀性值明显高于中国的，这一现象常被怀疑是监测的含沙量数据结果偏低造成的。

(2)解决径流泥沙过程监测缺失的问题。所谓径流泥沙过程监测就是获得一次降雨过程中径流和泥沙随时间变化的资料。缺乏这样的监测资料，便无法建立过程模型或物理模型，只能建立黑箱模型或经验模型，而过程模型则是土壤侵蚀模型研究的最高目标。以往的监测资料绝大多数是一次降雨的径流总量。据有关专家考证，我国只有位于黄土高原的子州站等极少数野外监测站有少量20世纪60年代的径流过程资料。要监测径流泥沙过程必须在降雨过程中人工把守在监测现场，由此而产生的漏测和错误在所难免。自动监测仪器是解决这一难题的唯一途径，而现代电子技术等也为解决这一难题提供了必要条件。

(3)建立“互联网+”框架下的径流泥沙自动监测网。我国对土壤侵蚀的监测从20世纪40年代就开始了，到目前已布设了各类监测网、站、点，并取得了一定的监测资料。但是，这与土壤侵蚀研究工作的需要相比尚显不足，特别是监测工作投入经费少、设备简陋、缺乏统一的组织与规划。水利部制定的《全国水土保持信息化规划 (2013—2020年)》，将国家级水土保持监测点升级列为重点建设项目，并且拟开展监测点数据采集智能化升级，在全国水土保持监测网络建设的738个水土保持监测点中选择30～50个水土保持监测点配置自动化泥沙监测采集设施设备，建成国家级水土保持监测网。因此，建立信息化环境下的径流泥沙实时自动监测、传输、管理和共享，获得记录水土流失发生、发展的过程数据，不仅是生态过程科学研究、水土保持科技发展的需要，而且是运用现代先进技术升级改造水土流失监测方法、提升径流泥沙数据获取科技水平的需要。

为了准确地测量含沙量和径流泥沙的动态变化过程，并建立联网监测，需要研制先进的径流泥沙监测设施和仪器设备，在此基础上形成国家或行业、部门径流泥沙自动监测技术标准和规范，因此融合土壤侵蚀试验监测技术、自动化控制技术、精密传感技术等，研制结构简单、运行方便的径流泥沙自动采集器，实现无人看守情况下对径流泥沙样品的实时、准确、分布式自动采集势在必行。通过研发新的径流泥沙自动监测技术和设备，不但能够获取径流泥沙的过程资料，提高径流泥沙的监测精度，而且可以提升径流泥沙监测的自动化和信息化水平，推动水土保持向定量化、精准化发展，这也将促进运用现代技术升级改造水土流失监测技术和方法，提升国产水土保持监测仪器设备的研发能力。

[1] BRUBAKER S C,JONES A J,LEWIS D T,et al.Soil properties associated with landscape position[J].Soil Science Society of American Journal,1993,57(1):235-239.

[2] MARQUES M J,BIENES R,PEREZ-RODRIGUEZ R,et al.Soil degradation in central Spain due to sheet water erosion by low-intensity rainfall events[J].Earth Surface Processes and Landforms,2008,33(3):414-423.

[3] STONE J R,GILLIAM J W,CASSEL D K,et al.Effects of erosion and landscape position on the productivity of piedmont soils[J].Science Society of American Journal,1985,49(4):987-991.

[4] WREN D G,BARKDOLL B D,KUHNLE R A,et al.Field techniques for suspended sediment measurement[J].Journal of Hydraulic Engineering,2000,126(2):97-104.

[5] ZHAO S L,DORSEY E C,GUPTA S C,et al.Automated water sampling and flow measuring devices for runoff and subsurface drainage[J].Journal of Soil and Water Conservation,2001,56(4):299-306.

[6] KLIK A,SOKOL W,STEINDL F.Automated erosion wheel: a new measuring device for field erosion plots[J].Journal of Soil and Water Conservation,2004,59(3):116-121.

[7] ABRAHAMS A D,ATKINSON J F.Relation between grain velocity and sediment concentration in overland flow[J].Water Resources Research,1993,29(9):3021-3028.

[8] 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.

[9] GUY B T,DICKINSON W T,RUDRA R P.The roles of rainfall and runoff in the sediment transport capacity of interrill flow[J].Transactions of the ASAE,1987,30(5):1378-1386.

[10] ZOBISCH M A,KLINGSPOR P,ODOUR A R.The accuracy of manual runoff and sediment sampling from erosion plots[J].Journal of Soil and Water Conservation,1996,51(3):231-233.

[11] YODER D C,PINSON W T,BUCHANAN J R.Technical note:design and evaluation of an improved flow divider for sampling runoff plots[J].Applied Engineering in Agriculture,2004,20(4):433-438.

[12] 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.

[13] 曹建生,张万军.小流域径流泥沙自动采集器的试验研究[J].农业工程学报,2009,25(1):45-49.

[14] FERGUSON H,GARDNER W H.Water content measurement in soil columns by gamma ray absorption[J].Soil Science Society of America Journal,1962,26(1):11-14.

[15] 雷廷武,赵军,袁建平,等.利用γ射线投射法测量径流含沙量及算法[J].农业工程学报,2002,18(1):18-21.

[16] 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.

[17] 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.

[18] WILLIS J C,BOLTON G C.Statistical analysis of concentration records[J].Journal of the Hydraulics Division,1979,105(1):1-15.

[19] 王智进,宋海松,刘文,等.振动式悬移质测沙仪的原理与应用[J].人民黄河,2004,26(4):19-20.

[20] 刘玉英,刘增厚.超声测沙新技术通过鉴定[J].应用声学,1988(4):41.

[21] 陈彦华,张澄宇,张海澜,等.用于测量流量和含沙量的超声波液位测定系统[J].应用声学,1995(6):33-37.

[22] 李小昱,雷廷武.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.

[23] 沈逸,李小昱,雷廷武,等.电容式水流泥沙含量传感器数据融合的研究[J].华中农业大学学报,2004,23(4):459-462.

[24] 徐明才,姜英山.光电测沙仪的研究——浸入式探头[J].水利水运工程学报,1986(2):67-76.

[25] 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.

[26] 王文坚.新型现场激光测沙仪[J].水利水电快报,2001,22 (16):22-23.