水土流失監(jiān)測方法與技術(shù)

1、雷廷武 研究員中科院 水利部 水土保持研究所中國農(nóng)業(yè)大學Email: leitingwu@cau.edu.cn13389276868,小流域、徑流小區(qū)自動監(jiān)測系統(tǒng)移動土壤侵蝕實驗室,小流域、徑流小區(qū)自動監(jiān)測系統(tǒng),泥沙觀測,,降雨量觀測,水土流失觀測的重點和難點,徑流量觀測,,常用測量方法：人工或自動收集徑流、烘干稱量獲得水土流失量,國內(nèi)外泥沙監(jiān)測現(xiàn)狀,,美國Walnut Gulch小流域?qū)嶒炚?，Arizona,國內(nèi)外泥沙監(jiān)測

2、現(xiàn)狀,單光源含沙量0.05~500 kg/m3范圍內(nèi)，測量精度誤差小于5%,多波段新式探頭組實現(xiàn)全泥沙測量全泥沙（0.05-500kg/m3), 可以滿足黃河流域高含沙河流的泥沙觀測,含沙量測量新方法：－近紅外法試驗標定,選取渭河、黃河主河道泥沙對泥沙傳感器進行了標定驗證,含沙量測量新方法：－近紅外法試驗標定,不同種類泥沙對光線的衰減特性,傳感器的輸出與設(shè)計泥沙含量的關(guān)系,透射法,測量原理Beer–Lambert law ：

3、描述物質(zhì)對單色光吸收強弱與溶層厚度和溶液濃度的關(guān)系。,,測量裝置,透射距離：0.5 cm 1 cm 3 cm,透射法,A部分： B部分：,,,,光的反射定律： 照射在含沙水流的光，一部分光線通過含沙水流透射，一部分被水流及泥沙吸收，一部分被水流及泥沙反射。,實際含沙量與模型計算含沙量結(jié)果比較,（a）1800 nm,（b）1940 nm,控制室,中轉(zhuǎn)電話,計算機終端

4、,,野外卡口站1,1,采集器,2,,,,3,,,,,,,無線電傳輸,無線電傳輸,,電話線傳輸,1,2,3,水位傳感器泥沙傳感器雨量傳感器,主要性能指標： 泥沙測量誤差：< 2%、 流量測量誤差：水文測量要求 最小采樣間隔：2-99 s 泥沙測量范圍：0.05~500 kg/m3 工作時間：可長期連續(xù)工作,自動測量系統(tǒng)集成結(jié)構(gòu)示意,,,手機網(wǎng)絡(luò),,,,,,,徑流泥沙/流量自動測量系統(tǒng)流量

5、監(jiān)測裝置,,,,,,,徑流泥沙/流量自動測量系統(tǒng)泥沙傳感器與控制器,,,,,徑流泥沙/流量自動測量系統(tǒng)降雨觀測與供電系統(tǒng),徑流泥沙/流量自動測量系統(tǒng)管理軟件界面,可實現(xiàn)：數(shù)據(jù)采集遠程傳輸室內(nèi)計算分析,徑流泥沙/流量自動測量系統(tǒng)管理軟件界面,徑流實時監(jiān)測,徑流泥沙/流量自動測量系統(tǒng)管理軟件界面,徑流實時監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)報表存儲,徑流泥沙/流量自動測量系統(tǒng)小流域次降雨水沙過程模型計算,,,,,監(jiān)測系統(tǒng)的應用狀況,松遼委安裝6

6、套系統(tǒng)，已經(jīng)運行6-7年運行狀況良好,黃委甘肅天水水土保持監(jiān)測站安裝嵌套流域自動觀測系統(tǒng)于2010年完成,流量小（量水堰觀測誤差太大）無壓水流（測量水壓的流量計不能使用）含沙水流 （針對清水流量測量的流量計使用困難）,徑流小區(qū)觀測特點,不能達到理想的精度要求不適合進行野外觀測,集水池法多孔分流法翻斗式自計流量計法Coshocton wheel water sampler,純?nèi)斯さ姆椒ㄊ苋藶橐蛩赜绊憻o法實現(xiàn)自動化觀

7、測,徑流小區(qū)觀測的現(xiàn)狀,Coshocton wheel water sampler,徑流小區(qū)泥沙流量自動觀測系統(tǒng),野外測量裝置,數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),管理軟件,集成量水堰式,稱重感應式,與流域傳輸和管理系統(tǒng)通用,近紅外法觀測泥沙含量,拉力傳感器監(jiān)測徑流管道拉力值,,軟管連接,拉力傳感器,,優(yōu)點：集成自動測量， 量程較大（與稱重式比較）,浮子部件,導流部件,三角堰,,,,徑流小區(qū)泥沙流量自動觀測系統(tǒng)試驗應用,可實現(xiàn)：數(shù)據(jù)采集遠程

8、傳輸室內(nèi)計算分析,徑流小區(qū)泥沙流量自動觀測系統(tǒng)試驗應用,,25、75、120mm/h10min降雨產(chǎn)流過程對比,徑流小區(qū)泥沙流量自動觀測系統(tǒng)試驗應用,,120mm/h雨強 10min歷時與15min歷時降雨產(chǎn)流過程對比,徑流小區(qū)泥沙流量自動觀測系統(tǒng)試驗應用,,,75mm/h 雨強10min歷時 流域出口與各支溝出口產(chǎn)流過程對比,,,內(nèi)蒙古四子王旗,北京師范大學房山徑流試驗場,,,湖南湘西——集成量水堰式,北京師范大學房山徑流試

9、驗場,黃委甘肅天水水土保持監(jiān)測站——集成量水堰式,移動土壤侵蝕實驗室,便捷運輸；快速組裝；自動控制；自動測量：徑流泥沙；無線遠程傳輸。,降雨系統(tǒng)降雨量、徑流及泥沙自動測量系統(tǒng)自動控制操作平臺無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)水箱、動力配電、水泵及徑流場封閉圍擋系統(tǒng)等配套設(shè)施,噴頭：采用sprinⅡ、Ⅲ、Ⅳ型旋轉(zhuǎn)式垂直下噴噴頭組合，雨強變化連續(xù)，調(diào)節(jié)范圍寬有效實驗區(qū)：5 m×10 m降雨均勻度好：采用以噴頭噴灑半徑為噴頭組間距

10、，菱形等邊距布設(shè)噴頭組，噴頭組與相鄰噴頭組3重疊加,系統(tǒng)組成——降雨、徑流泥沙自動監(jiān)測儀,系統(tǒng)組成——降雨、徑流泥沙自動監(jiān)測儀,系統(tǒng)組成——自動控制操作平臺,采集、存儲并遠程發(fā)送泥沙含量及流量數(shù)據(jù)產(chǎn)流產(chǎn)沙分析計算及模型預報,系統(tǒng)組成——自動控制操作平臺,系統(tǒng)組成——自動控制操作平臺,系統(tǒng)組成——自動控制操作平臺,系統(tǒng)組成——自動控制操作平臺,系統(tǒng)組成——自動控制操作平臺,系統(tǒng)組成——自動控制操作平臺,系統(tǒng)組成——自動控制操作平臺,系統(tǒng)

11、組成——配套設(shè)施,系統(tǒng)組成——配套設(shè)施,系統(tǒng)基本參數(shù),降雨面積：5×10 m降雨高度：3 m降雨均勻度：80%雨強變化范圍：38~195 mm/h降雨控制方式：手動操作、自動控制徑流場封閉圍擋面積：5×10 m100 mm/h雨強連續(xù)降雨：1 h水箱儲水量：5 m3,系統(tǒng)基本參數(shù),最大連續(xù)發(fā)電時間：8 h流量測量范圍：3~2400 ml/s，誤差小于4 ml/s泥沙含量測量范圍：0.1~500 kg

12、/m3，誤差小于5%采樣頻率：20~500 s發(fā)電機功率：5 kw實驗室距徑流場最大距離：200m,日期：2010年08月07日09：00~13：00地點：陜西省咸陽市武功縣武功鎮(zhèn)地理坐標：34°19′32.07″N 108°06′13.03″E天氣：晴；微風；28~33℃,移動式人工模擬降雨-土壤侵蝕綜合實驗集成系統(tǒng)方便、快捷、準確、可靠適合不同野外現(xiàn)場條件具