水土保持小區(qū)泥沙自動(dòng)觀測技術(shù)研究

周慶華 李 軍

我國是世界上水土流失最為嚴(yán)重的國家之一，科學(xué)、系統(tǒng)、準(zhǔn)確的監(jiān)測和預(yù)報(bào)不僅可以研究水土流失的危害程度、發(fā)展趨勢和影響范圍，掌握區(qū)域內(nèi)水土流失變化規(guī)律，而且可以為各級水土保持決策提供至關(guān)重要的數(shù)據(jù)支撐。水土保持徑流小區(qū)是研究水土流失形成、變化、規(guī)模、數(shù)量的基本單元，也是全國第二期水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)規(guī)劃的重要內(nèi)容。多年來，水土保持小區(qū)泥沙觀測一直采用傳統(tǒng)的人工觀測手段，人工觀測耗時(shí)、費(fèi)力且不能掌握水土流失變化過程。隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，傳統(tǒng)觀測手段已不能滿足現(xiàn)階段水土保持監(jiān)測工作要求，根據(jù)全國第二期水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)目標(biāo)，徑流泥沙監(jiān)測結(jié)果最終要網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)，數(shù)據(jù)共享，實(shí)現(xiàn)水土保持徑流泥沙的自動(dòng)觀測、自動(dòng)處理、自動(dòng)存儲和網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)傳輸。為了達(dá)到這一目標(biāo)，河北省水保監(jiān)測總站技術(shù)人員經(jīng)過多年的努力，在總結(jié)以往經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)泥沙置換法測沙原理，對水土保持小區(qū)泥沙自動(dòng)觀測設(shè)備進(jìn)行了科學(xué)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，研制出自動(dòng)測定水體泥沙含量的樣機(jī)。

1. 人工觀測徑流含沙量常用方法

含沙量是水土保持泥沙觀測的重要指標(biāo)，人工觀測徑流含沙量常用兩種方法，第一種是烘干稱重法，第二種是泥沙置換法。烘干稱重法是先將水樣過濾，再將過濾出的泥沙烘干，繼而對烘干沙樣稱重，計(jì)算出水體的含沙量。用烘干稱重法測量含沙量，原理簡單，技術(shù)路線明了，可以達(dá)到較高精度，但取樣、過濾、烘干、稱重及計(jì)算等都需人工進(jìn)行，受人為因素影響較大，且無法及時(shí)掌握小區(qū)產(chǎn)沙過程。

技術(shù)人員在長期監(jiān)測工作實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，烘干稱重法，工作程序繁瑣，需要烘箱、高精度天平等專用設(shè)備，每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)還需要設(shè)置專門的實(shí)驗(yàn)室，對監(jiān)測設(shè)施、儀器設(shè)備和人員素質(zhì)要求較高，目前無法進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)觀測。泥沙置換法是水文測站使用較多的泥沙觀測方法，且有專業(yè)的測驗(yàn)規(guī)范作為技術(shù)支撐——《河流懸移質(zhì)泥沙測驗(yàn)規(guī)范》（GB50159-92），觀測過程中使用專用比重瓶取水樣，人工稱量其毛重，根據(jù)比重瓶水溫、同溫度下已知的清水重、有關(guān)置換系數(shù)計(jì)算水體含沙量。用泥沙置換法觀測含沙量需事先測定比重瓶在不同溫度下的清水重，當(dāng)稱出渾水水樣重量后，根據(jù)水溫對應(yīng)的清水重及相應(yīng)置換系數(shù)，即可計(jì)算出泥沙重量。此次研究的水土保持小區(qū)泥沙自動(dòng)觀測技術(shù)就是依據(jù)泥沙置換法測驗(yàn)原理及工作程序進(jìn)行的開發(fā)研究。

2. 小區(qū)泥沙自動(dòng)觀測儀工作原理及技術(shù)路線

與烘干稱重法不同的是，用比重瓶測定水體含沙量所需的儀器及需要獲取的技術(shù)參數(shù)較少，操作程序簡單，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。實(shí)際觀測試驗(yàn)時(shí)，將流動(dòng)水樣引入比重瓶并設(shè)定一定水位高度，確保比重瓶同水位下水樣體積一定（多余水量溢出），然后利用稱重傳感器稱其毛重，利用溫度傳感器測定水溫，并將預(yù)先試驗(yàn)獲取的同溫度下清水重、置換系數(shù)等參數(shù)存入控制系統(tǒng)，計(jì)算水樣含沙量。簡單描述為：如果水樣比重為1（此值為 4℃下的標(biāo)準(zhǔn)值），說明水樣是清水，即含沙量為0，如果水樣比重大于1，說明水樣中含有一定比例的泥沙，該沙量可通過渾水重量變化置換測定。

自動(dòng)測量泥沙基本技術(shù)路線是在水流不間斷的情況下，自動(dòng)提取水樣（即獲取固定體積水樣）、自動(dòng)定時(shí)稱量水樣重量，并根據(jù)預(yù)先在控制系統(tǒng)設(shè)定的條件，自動(dòng)提取相應(yīng)參數(shù)參與泥沙置換計(jì)算，獲取水樣含沙量及含沙量變化數(shù)據(jù)。自動(dòng)觀測設(shè)備主要結(jié)構(gòu)及工作內(nèi)容如下。

一是比重瓶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。比重瓶由進(jìn)水管（兼排氣口）、蓄水壺和出水管等結(jié)構(gòu)組成，為盡量使進(jìn)入比重瓶水流保持平穩(wěn)，在比重瓶進(jìn)水管上部安置水位穩(wěn)定裝置，實(shí)現(xiàn)定流量、定體積、定水位自動(dòng)取樣。

二是選用高精度電子稱重傳感器、溫度傳感器配合電子控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)定時(shí)感應(yīng)、測定、顯示和傳遞水樣重量、溫度等參數(shù)信息。

三是軟件設(shè)計(jì)。應(yīng)用現(xiàn)代電子技術(shù)，按預(yù)先開發(fā)設(shè)定的工作程序自動(dòng)控制、計(jì)量、提取、計(jì)算、儲存和傳輸監(jiān)測結(jié)果。

3. 設(shè)計(jì)制作自動(dòng)泥沙觀測儀需要解決的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)

一是水位穩(wěn)定裝置。比重瓶容積是一定的，在人為操作的情況下，很容易保證比重瓶里水樣體積不變，但要在水體流動(dòng)的狀態(tài)下保持比重瓶水體積不變，必須使比重瓶的進(jìn)水量和出水量處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。根據(jù)水力學(xué)原理，在出水管管徑保持不變的條件下，可以通過控制進(jìn)水口口徑和水位高度，保持比重瓶水位維持在某一設(shè)計(jì)高度，從而實(shí)現(xiàn)比重瓶內(nèi)水體積定量。

二是清淤裝置。比重瓶從無水狀態(tài)下開始充水到水位達(dá)到指定高度，需要一定的充水時(shí)間，這段時(shí)間也是水樣更新時(shí)間，在理想狀態(tài)下，比重瓶內(nèi)水樣在換水時(shí)間內(nèi)應(yīng)該更新完畢，如果泥沙更新不完，發(fā)生淤泥滯留，則會使含沙量測定出現(xiàn)誤差。為減少泥沙淤積，一是把比重瓶下半部設(shè)計(jì)為漏斗狀，防止大粒泥沙滯留其表面；二是把取水管口對準(zhǔn)某一設(shè)定方向，使進(jìn)水水流在比重瓶內(nèi)適當(dāng)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，從而造成對比重瓶內(nèi)壁沖刷，以防止淤泥沉積在比重瓶內(nèi)。

三是排氣裝置。比重瓶混入氣體會降低測量精度，此儀器排氣方法，一是采取消能設(shè)計(jì)，盡量減少進(jìn)水口水體混入氣體，二是設(shè)計(jì)穩(wěn)壓進(jìn)水裝置，使進(jìn)入比重瓶的水呈閉氣狀態(tài)，三是在比重瓶上部設(shè)排氣口，及時(shí)排出進(jìn)入比重瓶的氣體。

四是稱重水體分離裝置。實(shí)現(xiàn)水樣自動(dòng)稱重，必須保證比重瓶處于獨(dú)立稱重狀態(tài)。在試驗(yàn)初期我們采用軟聯(lián)結(jié)法，把水樣取水管與比重瓶進(jìn)水管用軟橡膠管聯(lián)結(jié)，避免比重瓶外部重量不計(jì)入稱重傳感器，后來發(fā)現(xiàn)由于軟管材料質(zhì)量難以滿足要求，操作安裝也有較大難度，且在水流動(dòng)狀態(tài)下難以穩(wěn)定，所以進(jìn)行了局部優(yōu)化，改用取水管與比重瓶進(jìn)水管直插式對接方式，即減少了操作難度又提高了比重瓶稱重測量的精準(zhǔn)度。

五是自動(dòng)控制及信息處理功能。設(shè)備總控系統(tǒng)主要包括自動(dòng)控制和信息處理兩方面。自動(dòng)控制功能主要包括：自動(dòng)開啟或關(guān)閉電源，按設(shè)定的時(shí)間間隔啟動(dòng)或停止監(jiān)測。數(shù)據(jù)自動(dòng)處理功能包括：根據(jù)水樣重量、溫度等測定數(shù)據(jù)，自動(dòng)提取相關(guān)參數(shù)參與泥沙計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果自動(dòng)存儲或按要求傳遞給用戶。

六是穩(wěn)定可靠的電源供應(yīng)。帶太陽能充電功能的蓄電池。

4. 設(shè)備結(jié)構(gòu)組成及主要技術(shù)參數(shù)

水土保持小區(qū)泥沙自動(dòng)監(jiān)測設(shè)備經(jīng)過多次測試和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，初步確定了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和各部尺寸，并且已制作完成第一代樣機(jī)。設(shè)備核心結(jié)構(gòu)有4部分組成：初濾及穩(wěn)水裝置、比重瓶體、稱重計(jì)量裝置和自動(dòng)控制及信息處理系統(tǒng)。工作程序?yàn)椋簭搅饔稍O(shè)備進(jìn)水口首先進(jìn)入初濾及穩(wěn)水裝置，徑流中較大雜質(zhì)經(jīng)設(shè)備上層弧形過濾網(wǎng)濾除后，進(jìn)入穩(wěn)水桶，穩(wěn)水容器盛滿后水流從桶上沿溢水孔溢出，桶內(nèi)水位始終保持穩(wěn)定，這樣可實(shí)現(xiàn)進(jìn)入下層比重瓶的水量穩(wěn)定。穩(wěn)水桶底部設(shè)計(jì)為倒錐形，錐底處設(shè)取水管進(jìn)入下層比重瓶，比重瓶上部設(shè)進(jìn)水管（兼具排氣功能），比重瓶底為錐形并設(shè)置出水管。上游來水進(jìn)入比重瓶體后水位上漲（進(jìn)水量大于出水量），達(dá)到平衡后水樣體積穩(wěn)定，控制系統(tǒng)獲取穩(wěn)定信號后命令下層稱重傳感器稱量，并測定水溫，利用預(yù)設(shè)參數(shù)計(jì)算含沙量，并將計(jì)量結(jié)果定時(shí)讀取到信息處理系統(tǒng)。此設(shè)備是在水流不停止的情況下連續(xù)稱重、計(jì)算、存儲，能夠及時(shí)掌握小區(qū)產(chǎn)沙過程，達(dá)到不間斷自動(dòng)監(jiān)測的目的。

設(shè)備樣機(jī)外形尺寸：總體高度60 cm，其中水位穩(wěn)定裝置高度 30cm，比重瓶高度30cm。

其他相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如表：

水土保持小區(qū)泥沙自動(dòng)觀測儀（樣機(jī)）主要技術(shù)參數(shù)表

5. 國內(nèi)外相關(guān)研究及主要應(yīng)用領(lǐng)域

經(jīng)委托查新機(jī)構(gòu)查新報(bào)告顯示，此設(shè)備描述的結(jié)構(gòu)組成、技術(shù)要點(diǎn)、新穎點(diǎn)經(jīng)查新國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)未見相同報(bào)道。 近年國內(nèi)一些水利水?？蒲袡C(jī)構(gòu)、高校、科技公司也開展了水土保持泥沙自動(dòng)監(jiān)測的相關(guān)研究，但其結(jié)構(gòu)組成、工作程序、測量精度等與此次研究的泥沙自動(dòng)監(jiān)測設(shè)備不同，且目前業(yè)內(nèi)沒有成熟的泥沙自動(dòng)監(jiān)測設(shè)備推廣應(yīng)用。 水土保持小區(qū)泥沙自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)主要應(yīng)用領(lǐng)域包括水土流失監(jiān)測、水文泥沙觀測等方面。

一是水土流失監(jiān)測方面主要應(yīng)用。第一，全國水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)確定的徑流小區(qū)常規(guī)監(jiān)測點(diǎn)，詳細(xì)參考《水土保持監(jiān)測點(diǎn)代碼》（SL452-2009），定點(diǎn)觀測收集坡面徑流小區(qū)、小流域控制站等區(qū)域水土流失狀況。第二，應(yīng)用于生態(tài)項(xiàng)目水土流失治理區(qū)，如京津風(fēng)沙源治理區(qū)、國家水土保持重點(diǎn)建設(shè)工程區(qū)、坡耕地水土流失綜合治理試點(diǎn)工程區(qū)等，可對比觀測水土保持治理效果。第三，應(yīng)用于開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測，主要用于項(xiàng)目建設(shè)擾動(dòng)范圍內(nèi)布設(shè)的水土流失監(jiān)測點(diǎn)，如建設(shè)工程的擾動(dòng)坡面、取土場、棄渣場、施工跡地等，定點(diǎn)監(jiān)測工程建設(shè)期內(nèi)項(xiàng)目新增水土流失狀況及水土流失防治效果。第四，應(yīng)用于水土流失易發(fā)區(qū)、多發(fā)區(qū)，可動(dòng)態(tài)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)水土流失的年級變化、危害程度、形成規(guī)律等，為特殊區(qū)域內(nèi)水土流失預(yù)測、預(yù)警提供科學(xué)依據(jù)。

二是水文泥沙觀測方面主要應(yīng)用。第一，水文站點(diǎn)部分河流斷面泥沙測驗(yàn)?？刹捎脭嗝鎯?nèi)定點(diǎn)、定時(shí)抽取水樣方式測定取樣斷面不同流量狀態(tài)下河流含沙過程及變化趨勢，實(shí)現(xiàn)水文泥沙測驗(yàn)全過程自動(dòng)測算。第二，特定引水、調(diào)水?dāng)嗝嫠哪嗌硿y驗(yàn)。工程引調(diào)水多采取人工固定渠道引流，可在渠道區(qū)間設(shè)固定斷面引測過程含沙量，減少人工駐點(diǎn)觀測，建成常年無人值守自動(dòng)泥沙監(jiān)測站點(diǎn)。

6. 技術(shù)研發(fā)進(jìn)程及后續(xù)研發(fā)方向

河北省水土保持小區(qū)徑流泥沙自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)研究，起于2009年全國第二期水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)期間，經(jīng)過省水保監(jiān)測總站技術(shù)人員的不懈努力，2014年研發(fā)出初級產(chǎn)品，9月通過省水利廳技術(shù)鑒定，鑒定專家認(rèn)為，該研究填補(bǔ)了國內(nèi)空白，達(dá)到了國際先進(jìn)水平，在此基礎(chǔ)上最終定型設(shè)備產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。后續(xù)產(chǎn)品研發(fā)任務(wù)，一是優(yōu)化各部結(jié)構(gòu)尺寸，確定監(jiān)測時(shí)間間隔及監(jiān)測頻率；二是進(jìn)一步提高監(jiān)測儀器的穩(wěn)定性、可靠性和監(jiān)測精度；三是在保證監(jiān)測精度的前提下，盡量縮小產(chǎn)品尺寸，達(dá)到安裝容易、運(yùn)輸方便，精確可靠的總體要求；四是盡快定型生產(chǎn)，投入實(shí)際應(yīng)用。