坡面徑流小區(qū)集流桶含沙量測(cè)量方法對(duì)比

陳曉安，曹 智，喻榮崗，張 龍，陳 浩，蔡袁海，馮 陽(yáng)

坡面徑流小區(qū)集流桶含沙量測(cè)量方法對(duì)比

陳曉安1,2，曹 智3,4，喻榮崗1，張 龍1※，陳 浩1，蔡袁海3，馮 陽(yáng)3

（1. 江西省水土保持科學(xué)研究院 江西省土壤侵蝕與防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330029； 2. 河海大學(xué)農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210098；3. 江西綠川科技發(fā)展有限公司，九江 332000；4. 中南林業(yè)科技大學(xué)林學(xué)院，長(zhǎng)沙 410004）

準(zhǔn)確測(cè)量坡面徑流小區(qū)集流桶含沙量是定量精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)坡面土壤侵蝕的關(guān)鍵，野外徑流小區(qū)觀測(cè)方法測(cè)量精度、影響因素及其適用性的研究是實(shí)際應(yīng)用的基礎(chǔ)。該研究以第四紀(jì)紅土為研究對(duì)象，采用室內(nèi)模擬試驗(yàn)，對(duì)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種集流桶含沙量測(cè)量方法的精度，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正。結(jié)果表明：1）在60 cm水深、不同含沙量下，4種測(cè)定方法中，以機(jī)械+全剖面法測(cè)量誤差總體最低；2）水深和含沙量是影響坡面徑流小區(qū)集流桶取樣測(cè)量誤差的重要因素?？傮w而言，含沙量越高，測(cè)量誤差越大；不同含沙量下，水深對(duì)測(cè)定誤差影響程度不一，當(dāng)含沙量小于50.72 kg/m3時(shí)，水深對(duì)機(jī)械+全剖面法測(cè)量精度無(wú)顯著影響；3）4種方法的測(cè)量值與真實(shí)值均呈極顯著正線性相關(guān)，含沙量測(cè)量值經(jīng)過(guò)方程修正后相對(duì)誤差明顯降低。4）在含沙量小于5.07 kg/m3時(shí)，人工攪拌法可以應(yīng)用于野外徑流小區(qū)觀測(cè)；當(dāng)含沙量大于等于101.45 kg/m3后，全剖面法可以直接用于野外徑流小區(qū)觀測(cè)；機(jī)械法、機(jī)械+全剖面法在野外徑流小區(qū)觀測(cè)中可以直接使用。研究結(jié)果為集流桶含沙量取樣測(cè)量方法在紅壤區(qū)應(yīng)用提供依據(jù)。

徑流；泥沙；坡面；集流桶；取樣；測(cè)量方法

0 引 言

水土流失定量監(jiān)測(cè)可以為水土流失科學(xué)研究、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提供基礎(chǔ)資料，為水土流失防治提供科學(xué)依據(jù)[1-2]。徑流小區(qū)是坡面水土流失的一種測(cè)驗(yàn)設(shè)施[3]，是水土流失定量監(jiān)測(cè)中最普遍而重要的一種研究方法，被廣泛應(yīng)用于世界各地[4-5]。1877年德國(guó)土壤學(xué)家Ewald Wollny建立了世界上第一批徑流小區(qū)，開始定量研究土壤侵蝕[6]。1922－1927年，中國(guó)首次在山西、山東地區(qū)修建了徑流小區(qū)，用于監(jiān)測(cè)森林植被水土流失[7]；1941－1942年間中國(guó)先后成立了關(guān)中水土保持實(shí)驗(yàn)區(qū)和天水水土保持實(shí)驗(yàn)區(qū)[8]。目前，已建成738個(gè)水土保持監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，并廣泛分布于中國(guó)各省市水蝕監(jiān)測(cè)中，發(fā)揮重要作用[9]，量大面廣的坡面徑流小區(qū)迫切需求精準(zhǔn)的徑流泥沙取樣測(cè)量方法。

含沙量是徑流小區(qū)監(jiān)測(cè)的最重要指標(biāo)，是能否準(zhǔn)確獲取土壤侵蝕量的關(guān)鍵。為了快速準(zhǔn)確測(cè)定含沙量，國(guó)內(nèi)很多學(xué)者提出了自動(dòng)監(jiān)測(cè)含沙量方法，雷廷武等[10-12]提出射線透測(cè)法，并研制出LWT-1全自動(dòng)徑流泥沙含量與流量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；李小昱等[13]研制了電容式傳感器測(cè)量了水流中的含沙量；曾為軍等[14]提出了一種基于計(jì)時(shí)法和光電法的徑流量與含沙量的測(cè)量方法；趙軍等[15]研究出稱重式坡面徑流小區(qū)水流流量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；展小云等[16]基于比重法原理，發(fā)明了徑流泥沙實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀。但受自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備安全問(wèn)題、穩(wěn)定性、測(cè)量范圍、測(cè)量精度以及成本費(fèi)用等不同方面的缺陷，導(dǎo)致其并未廣泛應(yīng)用。目前，徑流小區(qū)徑流泥沙監(jiān)測(cè)仍然以集流桶多級(jí)分流的方式收集徑流泥沙[17]，人工對(duì)集流桶中含沙量進(jìn)行取樣測(cè)量。當(dāng)前，集流桶中含沙量取樣測(cè)量主要采用人工攪拌取樣測(cè)量法，人工攪拌取樣是通過(guò)人力將集流桶（池）內(nèi)的含沙水體攪勻，邊攪動(dòng)邊從桶內(nèi)取出一定體積的渾水樣品[18]。唐菊等[19]在50、100 L 2個(gè)渾水體積下13個(gè)含沙量等級(jí)下研究紫色土區(qū)傳統(tǒng)攪拌取樣方法測(cè)量精度，指出紫色土區(qū)徑流小區(qū)集流桶含沙量低于200 kg/m3時(shí)，人工攪拌法相對(duì)誤差在?50%～?30%。在北方土石山區(qū)>0.05 mm泥沙顆粒含量高、沉淀快，人工攪拌法的平均相對(duì)誤差高達(dá)?83.05%[20]。符素華等[20]針對(duì)70 cm水深下不同含沙量下傳統(tǒng)攪拌取樣和分層取樣相對(duì)誤差對(duì)比研究，認(rèn)為分層法測(cè)量精度明顯提高，但分層測(cè)量法操作繁瑣、耗時(shí)費(fèi)力，致使其在實(shí)際監(jiān)測(cè)中應(yīng)用不多。葉芝菡等[21]根據(jù)北方土石山粗砂顆粒含沙高的特點(diǎn)，研制出操作簡(jiǎn)單、成本低廉的全剖面采樣器，并在20～300 kg/m3含沙量下，在4個(gè)水深下將全剖面法和傳統(tǒng)人工攪拌測(cè)量誤差對(duì)比，指出全剖面法相對(duì)傳統(tǒng)人工攪拌法，平均相對(duì)誤差提高到30%以內(nèi)。攪拌取樣法和全剖面取樣法是當(dāng)前徑流小區(qū)集流桶取樣觀測(cè)常用的方法。攪拌取樣測(cè)量法精度受土壤性質(zhì)影響較大[22]，同時(shí)受水深、含沙量等影響，而相關(guān)學(xué)者研究傳統(tǒng)攪拌測(cè)量誤差時(shí)同時(shí)考慮水深和含沙量的不多。由于不同地區(qū)徑流含沙量的差異，葉芝菡等并未考慮低于20 kg/m3含沙量的低含沙量事件，而南方紅壤區(qū)低含沙量事件發(fā)生頻率高，且附著在桶底的泥沙通過(guò)全剖面取樣器幾乎不能取到，致使其在低含沙量下誤差大。紅壤區(qū)坡面侵蝕泥沙中團(tuán)粒、黏粒含量高，粉粒、黏粒明顯富集，與其他土壤存在明顯差異[23]，且紅壤區(qū)次降雨雨型、雨強(qiáng)差異大[24-25]，致使次降雨侵蝕后，集流桶內(nèi)水深、含沙量變異大。攪拌法、全剖面采樣法在紅壤區(qū)不同水深、含沙量下測(cè)量精度不明確，且其測(cè)量誤差大，無(wú)現(xiàn)成的修正方法，不同條件下采樣方法的適用范圍亦無(wú)相關(guān)報(bào)道。攪拌法、全剖面采樣法都屬于人工取樣方法，未見有集流桶內(nèi)省力省時(shí)的機(jī)器取樣法，機(jī)械攪拌取樣對(duì)于機(jī)器取樣裝置研發(fā)具有重要基礎(chǔ)。

為此，本文在傳統(tǒng)人工攪拌法和全剖面取樣法的基礎(chǔ)上，提出了機(jī)械攪拌法和機(jī)械攪拌再全剖面取樣的2種含沙量測(cè)量方法。將4種集流桶含沙量取樣測(cè)量方法在不同水深、含沙量條件下進(jìn)行測(cè)量精度分析，并將測(cè)量值進(jìn)行標(biāo)定，減少相對(duì)誤差，以期為集流桶含沙量取樣測(cè)量方法在紅壤區(qū)應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)，并為徑流桶自動(dòng)取樣器研發(fā)提供基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 供試土樣

試驗(yàn)在江西省德安縣的燕溝小流域的江西水土保持生態(tài)科技園進(jìn)行，試驗(yàn)土體為第四紀(jì)紅土，采自該園坡耕地0～20 cm土壤。試驗(yàn)前將供試土壤中大塊草根、石塊篩除，進(jìn)行破碎處理，自然風(fēng)干后過(guò)5 mm篩。土壤的不同粒徑顆粒質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為黏粒（<0.002 mm）為32.24%，粉粒（0.002～<0.05 mm）為57.83%，砂粒（0.05～2 mm）為9.94%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

江西水土保持生態(tài)科技園的坡耕地徑流小區(qū)2012－2016年5 a的集流桶含沙量為0～450 kg/m3，其中一級(jí)分流桶含沙量低于1.05、5.07、10.49、50.72、101.45、439.10 kg/m3的發(fā)生頻率分別為33%、71%、80%、93%、97%、99%，二級(jí)分流桶含沙量低于1.05、5.07、10.49、50.72、101.45 kg/m3的發(fā)生頻率分別為37%、75%、89%、95%、100%，最后一級(jí)收集桶含沙量低于1.05、5.07 kg/m3的發(fā)生頻率分別為44%和100%。因此，不同濃度含沙量試驗(yàn)設(shè)置1.05、5.07、10.49、50.72、101.45、439.10 kg/m36個(gè)水平，水深均為60 cm。國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)的集流桶溢流口高度一般在60 cm左右，最大高度一般不超過(guò)90 cm，30 cm代表未溢流的集流桶水位，為此不同水深試驗(yàn)設(shè)置30、60、90 cm，每個(gè)水深均有5.07、50.72、101.45 kg/m33個(gè)含沙量。不同含沙量、水深試驗(yàn)均設(shè)置3個(gè)重復(fù)。30、60 cm水深的試驗(yàn)均在集流桶為0.6 m（直徑）×0.8 m（高）的集流桶中進(jìn)行，90 cm水深試驗(yàn)則在0.6 m（直徑）×1.2 m（高）集流桶進(jìn)行。

1.3 采樣方法

不同方法取樣采樣前，先按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)中的含沙量、水深計(jì)算好需要用的土體質(zhì)量，稱量好相應(yīng)質(zhì)量的土體，將土體倒入集流桶中，放自來(lái)水至設(shè)計(jì)水深。采用機(jī)械攪拌器統(tǒng)一對(duì)制備好的集流桶渾水樣攪拌（3 min），致使大顆粒土壤攪碎及泥沙不堆積。再采用不同取樣方法取樣，每種取樣方法均取800 mL渾水樣放入鋁盒中，烘箱烘干稱質(zhì)量。

人工攪拌取樣法即人工法（Artificial Method，AM）：前期試驗(yàn)人工連續(xù)攪拌3 min后，桶內(nèi)不同含沙量均能達(dá)到穩(wěn)定；工人用木棍對(duì)徑流桶渾水進(jìn)行連續(xù)攪拌（3 min），攪拌完成后，邊攪拌邊采取，用取樣勺在桶內(nèi)3個(gè)點(diǎn)的水體上、中、下部3個(gè)深度各取一勺水樣到取樣桶中，然后對(duì)取樣桶中水樣再次攪拌均勻后取800 mL渾水樣于鋁盒中，烘干稱質(zhì)量。

機(jī)械攪拌取樣法即機(jī)械法（Mechanical Method，MM）：攪拌器型號(hào)為螺紋型號(hào)M14（浙江昱邁斯工具有限公司），攪拌槳直徑15 cm，攪拌器高120 cm，電機(jī)功率1 100 W，空載轉(zhuǎn)速150～850 r/min，6檔調(diào)速，攪拌器示意圖見圖1。通過(guò)前期試驗(yàn)攪拌器轉(zhuǎn)速為200 r/min、連續(xù)攪拌3 min，桶內(nèi)不同含沙量均能達(dá)到穩(wěn)定；試驗(yàn)過(guò)程中攪拌器轉(zhuǎn)速設(shè)置為200 r/min，攪拌器底部距離桶底5 cm，對(duì)集流桶內(nèi)渾水進(jìn)行連續(xù)攪拌3 min，攪拌完成后采取邊攪拌邊取樣，取樣過(guò)程與人工法一致。

圖1 機(jī)械攪拌器

全剖面取樣器取樣法即全剖面法（depth Profile Method，PM）：全剖面采樣器如圖2所示，管長(zhǎng)100 cm，圓管內(nèi)徑為5 cm，外徑為5.4 cm。使用全剖面采樣器對(duì)完成靜置24 h后的集流桶水樣進(jìn)行采樣，再桶內(nèi)均勻的隨機(jī)取5個(gè)點(diǎn)位水樣，將5管水倒入取樣桶中，再在取樣桶中采樣，采樣過(guò)程與人工法一致。

圖2 全剖面采樣器

機(jī)械+全剖面取樣器取樣法即機(jī)械+全剖面法（MM+PM）：用機(jī)械攪拌器對(duì)集流桶內(nèi)渾水進(jìn)行攪拌3 min，攪拌完成后采取邊攪拌邊取樣，取樣過(guò)程及位置與全剖面取樣法一致。

1.4 數(shù)據(jù)分析

統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 軟件，顯著性采用檢驗(yàn)和LSD檢驗(yàn)，標(biāo)定方程采用SPSS軟件線性回歸，Excel軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 采樣方法對(duì)測(cè)量精度的影響

4種取樣測(cè)量方法在60 cm水深、不同含沙量條件下相對(duì)誤差檢驗(yàn)表明，取樣測(cè)量方法對(duì)集流桶含沙量測(cè)量精度有顯著性影響（<0.05）。人工法、機(jī)械法、全剖面法、機(jī)械+全剖面法在6種含沙量下的相對(duì)誤差的絕對(duì)值的均值依次為37%、24%、38%、14%；機(jī)械法（MM）相對(duì)人工法（AM）測(cè)量的相對(duì)誤差均值減小13個(gè)百分點(diǎn)，在機(jī)械法基礎(chǔ)上增加全剖面法（即機(jī)械+全剖面，MM+PM）比機(jī)械法測(cè)量的相對(duì)誤差均值減小10個(gè)百分點(diǎn)；全剖面法（PM）相對(duì)誤差大于人工法，但在全剖面法基礎(chǔ)上增加機(jī)械法即機(jī)械+全剖面法比全剖面法測(cè)量的相對(duì)誤差均值減小24個(gè)百分點(diǎn)。

不同取樣測(cè)量方法在不同含沙量下測(cè)量誤差分析見表1，人工法的相對(duì)誤差范圍約為?43%～?29%，機(jī)械法的相對(duì)誤差范圍約為?27%～?17%，全剖面法的相對(duì)誤差范圍為?47%～65%，機(jī)械+全剖面法的相對(duì)誤差范圍約為?27%～?4%。全剖面法在在低含沙量（<50.72 kg/m3）存在正誤差，高含沙量均為負(fù)誤差，其他方法的相對(duì)誤差均為負(fù)值；含沙量高時(shí)，各方法測(cè)量值的相對(duì)誤差基本上較大。機(jī)械法在不同含沙量下測(cè)量精度均顯著小于或近似于人工法；在含沙量小于等于50.72 kg/m3時(shí)，機(jī)械法測(cè)量的相對(duì)誤差顯著小于或近似于全剖面法，大于101.45 kg/m3時(shí)，兩者無(wú)顯著差異；機(jī)械+全剖面法在不同含沙量下測(cè)量的相對(duì)誤差小于或近似于機(jī)械法。

2.2 水深對(duì)測(cè)量精度的影響

4種取樣測(cè)量方法在不同水深、不同含沙量條件下相對(duì)誤差分析見圖3。

表1 4種方法含沙量測(cè)量誤差

注：水深為60 cm，數(shù)字后面不同字母表示不同方法之間0.05水平的顯著差異。

Note: The depth of the water is 60cm. Different letters after the number indicate significant differences among methods at the 0.05 level.

圖3 不同水深條件下4種方法測(cè)量的含沙量的相對(duì)誤差對(duì)比

由圖3可知，不同含沙量條件下水深對(duì)相對(duì)誤差的影響有所不同。人工法60 cm水深的相對(duì)誤差顯著大于30 cm，但與90 cm水深的相對(duì)誤差無(wú)顯著差異；在低含沙量（5.07 kg/m3）和高含沙量（101.45 kg/m3）下，機(jī)械法測(cè)量的相對(duì)誤差均隨著水深增加而增大，30 m增加到60 cm測(cè)量誤差無(wú)顯著差異，但是90 cm與30 cm水深相對(duì)誤差有顯著差異；全剖面法在含沙量在50.72 kg/m3時(shí)測(cè)量的相對(duì)誤差與水深無(wú)明顯關(guān)系，在101.45 kg/m3下當(dāng)水深增加到60 cm以后，隨水深增加相對(duì)誤差不再顯著增大；除含沙量為5.07 kg/m3時(shí)，其他含沙量條件下機(jī)械+全剖面法測(cè)量誤差與水深無(wú)明顯關(guān)系。在不同含沙量、不同水深下，4種方法的平均相對(duì)誤差從大到小依次為人工法、全剖面法、機(jī)械法、機(jī)械+全剖面法。

人工攪拌法在水深小于等于30 cm時(shí)，集流桶含沙量在0～101.45 kg/m3時(shí)，取樣相對(duì)誤差在22.40%，滿足精度要求，當(dāng)水深增加到60 cm，含沙量在小于等于1.05 kg/m3時(shí)，相對(duì)誤差在28.12%，仍能滿足精度要求，但當(dāng)含沙量大于5.07 kg/m3時(shí)，平均相對(duì)誤差達(dá)到40.02%，不在能滿足精度要求。全剖面法在水深小于等于60 cm時(shí)，含沙量在小于101.45 kg/m3時(shí)，平均相對(duì)誤差達(dá)40.41%，野外徑流小區(qū)觀測(cè)應(yīng)用中受限制，當(dāng)含沙量大于等于101.45 kg/m3時(shí)，平均相對(duì)誤差減小到28.00%，含沙量越高，測(cè)量精度越高，其野外適用性也越好；當(dāng)水深增加到90 cm時(shí)，含沙量等于101.45 kg/m3時(shí)，相對(duì)誤差就增加到50.40%，基本不能適用野外采樣觀測(cè)。機(jī)械法、機(jī)械+全剖面法在0～90 cm水深、0～439.10%含沙量下，其相對(duì)誤差均小于30%，在野外集流桶含沙量取樣過(guò)程中可以直接使用，但仍有必要需求合適方法提高精度。

2.3 4種方法測(cè)量值標(biāo)定

國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)的集流桶溢流口最常見的高度為60 cm，因而在60cm水深條件進(jìn)行不同取樣方法進(jìn)行標(biāo)定。在60 cm水深、不同含沙量下，4種方法測(cè)量值與實(shí)際含沙量散點(diǎn)擬合方程見圖4，可知，人工法、機(jī)械法、機(jī)械+全剖面法所有散點(diǎn)均在1:1線以上，說(shuō)明不同方法的測(cè)量值均小于實(shí)際值，測(cè)量誤差為負(fù)誤差。采用線性擬合方程擬合實(shí)測(cè)值與測(cè)量值關(guān)系，方程的2均大于0.99（<0.01），均方根誤差（Root Mean Square Error，RMSE）為4.53～11.37 kg/m3，表明了二者關(guān)系用線性回歸方程擬合的可靠性，可采用如圖4所示方程對(duì)各方法測(cè)定值進(jìn)行標(biāo)定。

圖4 不同方法測(cè)定的含沙量測(cè)量值與實(shí)際值的擬合結(jié)果

在60 cm水深、304.35 kg/m3含沙量下采用不同方法進(jìn)行取樣測(cè)量，將測(cè)量值通過(guò)標(biāo)定方程修正值與原測(cè)量誤差對(duì)比分析驗(yàn)證標(biāo)定方程的可靠性，結(jié)果見表2，不同方法的測(cè)量值通過(guò)標(biāo)定方程修正后，修正后均更接近真實(shí)值，相對(duì)誤差均減?。辉?04.35 kg/m3含沙量下，通過(guò)方程修正后，人工法相對(duì)誤差減小最大，其次為全剖面法，機(jī)械法、機(jī)械+全剖面法差異不大，機(jī)械法、機(jī)械+全剖面法差異不大，機(jī)械法、機(jī)械+全剖面法修正后相對(duì)誤差的減小值在13個(gè)百分點(diǎn)以內(nèi)。

表2 不同方法標(biāo)定方程修正前后含沙量對(duì)比

3 討 論

攪拌法在紫色土區(qū)[19]、土石山區(qū)[21]測(cè)量值均小于實(shí)際測(cè)，即測(cè)量誤差為負(fù)誤差，全剖面法相對(duì)誤差正負(fù)對(duì)半[21]，與圖4結(jié)果一致。粗顆粒泥沙沉降速度快，使得這部分泥沙顆粒難以被攪動(dòng)起來(lái)，即使被攪動(dòng)起來(lái)的粗泥沙顆粒也在極短時(shí)間內(nèi)落回集流池（桶）底部，導(dǎo)致攪拌法取樣測(cè)得的泥沙濃度偏低[14]。因此，攪拌法測(cè)量值一定小于實(shí)際測(cè)，即相對(duì)誤差為負(fù)數(shù)，人工法、機(jī)械法、機(jī)器+剖面法本質(zhì)是攪拌法取樣，因此其測(cè)量值均小于實(shí)際值。由于人工攪拌力氣小、速度慢，很多大顆粒攪拌不均勻，機(jī)械法力氣大、速度快，攪拌過(guò)程中均勻轉(zhuǎn)動(dòng)，人為影響因素少，使得機(jī)械法測(cè)量精度增加，而且均勻性大，偏差減小。機(jī)器+全剖面法不僅可以將徑流桶泥沙攪拌均勻，而且其采集水面到桶底的整個(gè)水柱，不同深度水樣均取到，水樣代表性更強(qiáng)，因此機(jī)械+全剖面法測(cè)量精度最低。全剖面采樣器直接采樣，受集流池（桶）泥沙高低不平的影響，集流桶含沙量低時(shí)，采樣前很難把桶底泥沙扒平，致使在低含沙量時(shí)有正負(fù)誤差；含沙量高時(shí)，桶底泥沙厚，泥沙扒平后，相對(duì)差異小，全剖面采樣器將泥沙采集到采樣桶后，采樣桶再次攪拌采樣，導(dǎo)致高含沙量為負(fù)誤差。全剖面采樣法低含沙量時(shí)，桶底泥沙厚度小于2 mm的無(wú)法采集，導(dǎo)致其低含沙量測(cè)量誤差大；因此，低含沙量時(shí)（5.07 kg/m3），全剖面法測(cè)量誤差大于人工攪拌法。

攪拌法攪拌均勻性受攪拌力氣和攪拌助力影響，隨著水深增加攪拌阻力增加，隨著含沙量增加攪拌阻力增加；此外，隨著含沙量的增加，泥沙沉淀機(jī)率變大。集流桶水深小于等于30 cm時(shí)，很小力氣就可以攪拌均勻，因此在30 cm水深時(shí)，人工法、機(jī)械法、機(jī)械+全剖面法測(cè)量誤差均不大；隨著水深增加，攪拌阻力增大，含沙量在5.07 kg/m3時(shí)，60 cm水深相比30 cm水深人工攪拌法就顯著增加了測(cè)量誤差，隨著水深增加測(cè)量誤差繼續(xù)增大，但是由于集流桶水深在60 cm后已經(jīng)攪拌不均勻，因此90 cm水深與60 cm水深測(cè)量誤差無(wú)顯著差異。機(jī)械法攪拌力氣大，機(jī)械法受水深和含沙量的影響小于人工法，在60 cm水深與30 cm水深測(cè)量誤差無(wú)顯著差異，水深增加到90 cm后測(cè)量誤差開始有顯著差異，特別是為高含沙量時(shí)差異更大。全剖面法采集的是整個(gè)水柱，因此受水深影響很小，但是徑流桶水變深影響桶底泥沙扒平，水深越大、含沙量越大，越難扒平，因此泥沙濃度低（50.72 kg/m3）時(shí)全剖面法幾乎不受水深影響，高泥沙濃度時(shí)相對(duì)誤差隨著水深增大而增大；機(jī)械+全剖面法結(jié)合了攪拌和全剖面器的優(yōu)勢(shì)，致使其測(cè)量誤差幾乎不受水深和含沙量的影響。

含沙量和水深影響不同采樣方法在野外集流桶含沙量采樣中的應(yīng)用。人工攪拌法在水深小于等于30 cm時(shí)，集流桶含沙量在0～101.45 kg/m3時(shí)，取樣相對(duì)誤差在22.40%，滿足精度要求，但是野外徑流小區(qū)集流桶分流孔高度一般均高于30 cm；當(dāng)水深增加到60 cm，含沙量在小于等于1.05 kg/m3時(shí)，相對(duì)誤差在28.12%，仍然能滿足野外觀測(cè)精度要求，當(dāng)含沙量大于5.07 kg/m3時(shí)，平均相對(duì)誤差達(dá)到40.02%，實(shí)測(cè)含沙量數(shù)據(jù)不進(jìn)行方程修正，誤差偏大，野外徑流小區(qū)觀測(cè)應(yīng)用中受限制。全剖面法在水深小于等于60 cm時(shí)，含沙量在小于101.45 kg/m3時(shí)，平均相對(duì)誤差達(dá)40.41%，野外徑流小區(qū)觀測(cè)應(yīng)用中受限制，當(dāng)含沙量大于等于101.45 kg/m3時(shí)，平均相對(duì)誤差減小到28.00%，含沙量越高，測(cè)量精度越高，其野外適用性也越好；當(dāng)水深增加到90 cm時(shí)，含沙量等于101.45 kg/m3時(shí)，相對(duì)誤差就增加到50.40%，基本不能適用野外采樣觀測(cè)。機(jī)械法、機(jī)械+全剖面法在0～90 cm水深、0～439.10%含沙量下，其相對(duì)誤差均小于30%，在野外集流桶含沙量取樣過(guò)程中可以直接使用。

4 結(jié) 論

1）與真實(shí)值相比，不同方法測(cè)定含沙量的精度均較低，人工法、機(jī)械法、全剖面法、機(jī)械+全剖面法在6種含沙量下的相對(duì)誤差的絕對(duì)值的均值依次為37%、24%、38%、14%，各方法測(cè)定精度均在14%及以上，其中機(jī)械+全剖面法相對(duì)誤差最小?？傮w而言，高含沙量條件下，各方法測(cè)定值相對(duì)誤差較大。

2）水深對(duì)不同取樣方法的影響程度不一；比較而言，人工法測(cè)量誤差受水深影響最明顯，低含沙量下，水深增加到60 cm時(shí)顯著增加了測(cè)量誤差，但水深繼續(xù)增加，測(cè)量誤差不再增加；含沙量為101.45 kg/m3時(shí)，水深增加到90 cm后才機(jī)械法相對(duì)誤差才顯著增大；含沙量為59.72 kg/m3時(shí)，全剖面法測(cè)量精度與水深無(wú)明顯關(guān)系；當(dāng)含少量大于5.07 kg/m3時(shí)，機(jī)械+全剖面法測(cè)量精度幾乎不受水深的影響。

3）在含沙量小于5.07 kg/m3時(shí)，人工攪拌法可以應(yīng)用于野外徑流小區(qū)觀測(cè)，當(dāng)含沙量大于5.07 kg/m3時(shí)，人工攪拌法測(cè)量值不經(jīng)過(guò)方程修正，其在野外徑流小區(qū)觀測(cè)中直接使用受限制；含沙量在小于101.45 kg/m3時(shí)，全剖面法在野外徑流小區(qū)觀測(cè)中直接使用受限制，當(dāng)含沙量大于等于101.45 kg/m3后，可以直接用于野外徑流小區(qū)觀測(cè)，并且含沙量越大適用性越好；機(jī)械法、機(jī)械+全剖面法在野外徑流小區(qū)觀測(cè)中可以直接使用，但仍有必要進(jìn)一步提高其測(cè)量精度。

4）采用線性方程對(duì)4種方法的含沙量測(cè)定結(jié)果進(jìn)行修正，2均大于0.99（<0.01），均方根誤差為4.53～11.37 kg/m3，表明了線性回歸方程的可靠性，可用于各方法測(cè)定值的標(biāo)定，經(jīng)驗(yàn)證，各方法測(cè)定值相對(duì)誤差均明顯降低，測(cè)定精度明顯提高。值得注意的是，該標(biāo)定方程的實(shí)用范圍為1.05～439.10 kg/m3，水深為60 cm。

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Comparison of measurement methods of sediment concentration in collecting tanks of slope runoff plots

Chen Xiaoan1,2, Cao Zhi3,4, Yu Ronggang1, Zhang Long1※, Chen Hao1, Cai Yuanhai3, Feng Yang3

(1.,,330029,; 2.,210098,3..,332000,; 4.&,410004,)

The accurate measurement of sediment concentration in collecting tanks of slope runoff plots is a key to quantitatively monitor slope soil erosion. The researches on measuring accuracy, influencing factors and applicability of field runoff plot observation methods are needed. In this study, four methods of sediment concentration were compared. The test was taken in quaternary red earth. The soil samples were taken from surface of farmland (0-20 cm). Six sediment concentrations (1.05, 5.07, 10.49, 50.72, 101.45 and 439.10 kg/m3) were designed based on the measured sediment concentration range from 2012 to 2016 in slope farmland. Three water depths were set up including 30, 60 and 90 cm. Four methods included Artificial Method (AM), Mechanical Method (MM), Dept Profile Method (PM) and MM+PM. The measurement accuracy was evaluated by relative error. Each treatment was replicated three times. The results show that compared with the true value, the measurement accuracy of different method for determining sediment concentration was low. The averages of absolute relative error for the AM, MM, PM and MM+PM were 37%, 24%, 38% and14%, respectively. The measurement accuracy of different methods was 14% or above. Among them, the accuracy of MM+PM was the highest. In general, the relative error of each method was large under the condition of high sediment concentration. The depth of water had different influence on different sampling methods. Comparatively, the measurement error of AM was most significantly affected by water depth. Under low sediment concentration, when the water depth increased to 60 cm, the measurement error significantly increased, but when the water depth continued to increase, the measurement error did not increase. When the sediment concentration was 101.45 kg/m3, the relative error of MM only increased significantly after the water depth increased to 90 cm. When the sediment concentration was 59.72 kg/m3, no obvious relationship was found between the measurement accuracy of the PM method and the water depth. When the sediment concentration was more than 5.07 kg/m3, the measurement accuracy of the MM+PM method was almost not affected by water depth. The linear equation was used to modify the sediment concentration measurement results of the four methods. All2were greater than 0.99 (<0.01), and the root-mean-square error was 4.53-11.37 kg/m3, which indicated the reliability of the linear regression equation and the equation could be used to calibrate the measured values of each method. The relative error of the measured values of each method was significantly reduced and the measurement accuracy was significantly improved. The practical range of these equations was 1.05-439.10 kg/m3and the water depth was 60 cm. The results of this study could support the selection of sampling methods under different conditions. The results of this study could be used to revise the sediment concentration in collecting tanks of slope runoff plots in red soil area.

runoff; sediments; slopes; collecting tanks; sampling; method of measurement

陳曉安，曹智，喻榮崗，等. 坡面徑流小區(qū)集流桶含沙量測(cè)量方法對(duì)比[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(21)：130-136. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.016 http://www.tcsae.org

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2020-06-19

2020-10-10

江西省水利科技項(xiàng)目（201820BZ03；201921YBKT23）；江西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（20181BBG78077）

陳曉安，高級(jí)工程師，博士生，主要從事土壤侵蝕機(jī)理等研究。Email：onlycxa@163.com

張龍，高級(jí)工程師，研究方向：水土流失監(jiān)測(cè)技術(shù)。Email：onlyjiangxin@qq.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.016

P332.5

A

1002-6819(2020)-21-0130-07