流域土壤侵蚀及径流过程自动测量系统研究

中国水土保持ＳＷＣＣ　２００６年第１２期　・２５一　

流域土壤侵蚀及径流过程自动测量系统研究　

高佩玲　

（山东理工大学资源与环境工程学院，山东淄博２５５０４９）　

［关键词］流域；土壤侵蚀；模型试验；流量；流速；泥沙含量；测量系统　

［摘要］流域内降雨一径流一土壤侵蚀过程中不同时空点处流量、流速、泥沙含量的获取将为侵蚀模拟一预报模型的　

建立与检验提供必要的数据支持。本研究提出一套测量流域土壤侵蚀动态变化过程变量的自动化测量系统，系统中的　

量水堰和水位传感器用于测量径流流量，用薄层水流流速测量系统测量坡面流及流域沟道中的水流流速，用径流含沙量　测量系统测量径流中的泥沙含量，数据采集控制及存储系统实现试验设计点处侵蚀量的动态变化过程测量及数据存储。　

这一系统的构建及应用必将推动侵蚀过程测量向着更加自动化和可操作化方向发展。　

［中图分类号］ｓ１５７．１　［文献标识码］Ａ　［文章编号］１０００—０９４１（２００６）１２—００２５—０３　

当前，土壤加速侵蚀已成为全球性的环境灾害之一，严重　威胁着农业的发展和人类生存，既造成土地生产力的下降又是　

水体非点源污染的主要原因…。土壤侵蚀是一个复杂的过程．　定量研究其侵蚀过程与机理，建立基于物理基础的侵蚀模型是　

当前土壤侵蚀研究发展的方向。流域土壤侵蚀模型建立结构　及其数值模拟方法的正确性依赖于对流域内土壤侵蚀过程中　

［基金项目］国家自然科学基金项目（４０１７１０６２）；中国科学院知识创新　重要研究方向项目（ＫＺＣＸ３一ＳＷ一４２２）　不同时空点处流量、流速、泥沙含量准确、有效的测量　』，而侵　蚀建模方法及其侵蚀参数测量仪器、方法的局限性使得侵蚀参　

数的获取多集中于对流域出口处流量、泥沙含量的测量，故难　

以实现对流域内不同空间点处、不同时刻侵蚀量的获取，无法　满足侵蚀模型对流域内不同部位侵蚀产流产沙过程研究的数　

据需求，因此制约了侵蚀模型的建立及其正确性检验，成为土　壤侵蚀模型研究中的一个难点　

本研究在对现有侵蚀模型进行分析的基础上，采用雷廷武　

等研制的径流含沙量测量系统和径流含沙量与流量机电一体　

工业、生活污水的纳污之地　。城市河流如果成为城市排污场　所，那就意味着城市河流生态功能的消失，城市河流只剩下排　污的功能，对城市的生态建设将是致命的威胁。因此，城市与　河流要和谐相处。在城市发展进程中，我们要切实贯彻可持续　发展的战略，抓好水污染治理，决不能再走“先污染，后治理”的　老路。　

４结语　

伴随着我国经济的快速发展以及城市化进程的加快，城市　河流的改造治理已经不容忽视。对于一个城市而言，如果我们　把绿地比作城市之肺，那么城市河流则是城市的血管，而河水　则是城市的血液。在对城市河流进行开发和利用的同时，应从　全新的视角，全面地加以探索和研究，不应还停留在传统的河　

流治理上，过度追求防洪、排涝、排污等基本功能，而应着重考　虑以自然和生态为原则，在规划、设计、施工和管理等环节均贯　彻“以人为本”、“人水和谐”及“人水合一”的理念，以城市河流　

生态的可持续性和维持城市河流健康生命来支撑城市生态环　境的可持续发展。　

［参考文献］　

［１］郝朝德．对城市水利的认识和思考［Ｊ］．中国水利，２００１　（３）．　［２］刘晓涛．关于城市河流治理若干问题的思考［Ｊ］．水环境建　

设，２００１（３）．　［３］王毅，郭钢．城市河道整治的若十问题及对策探讨［Ｊ］．东　

北水利水电，２００６（２）．　［４］张明，曹梅英．浅淡城市河流整治与生态环境保护［Ｊ］．中　国水土保持，２００２（９）．　

［５］高鹏杰．浅谈河流治理中的生态问题［Ｊ］．北京水利，２００４　

（４）．　

［６］杨毅．河流治理规划设计新理念与实践应用［Ｊ］．北京水　利，２００５（２）．　［７］张晓兰．我国中小河流治理存在的问题及对策［Ｊ］．水利发　

展研究，２ｏｏ５（１）．　

［作者简介］何冰（１９６７一），男，河南郑州市人，学士，高级工程　

师。　［收稿日期］２００６—０７—０５　

（责任编辑　李艳霞）

　维普资讯 http://www.cqvip.com ・２６・　中国水土保持ＳＷＣＣ　２００６年第ｌ２期　

化测控系统两套设备，并将其与量水堰和水位传感器有机组合　以实现对流域土壤侵蚀及径流过程的测量。将量水堰和水位　传感器用于测量径流流量，用薄层水流流速测量系统测量流域　

坡面流和沟道中的水流流速，用径流含沙量测量系统测量径流　中的泥沙含量，并通过数据采集控制以及存储系统实现试验设　计点处侵蚀量的动态变化过程测量。这一系统的构建为室内　

模型模拟试验中侵蚀过程动态数据的测量提供了可靠的方法，　

测量系统在流域土壤侵蚀试验中的应用将为土壤侵蚀模型的　

进一步研究提供数据支持。　

１　流域土壤侵蚀过程测量系统设计　

１．１　流域侵蚀模型构成及对侵蚀数据的时空需求　流域系统由坡面和沟道两个子系统构成，其侵蚀模型也相　

应分为坡面侵蚀子模型和沟道侵蚀子模型两部分。从系统建　模的角度来看，若系统模型能较好地实现对流域侵蚀过程的模　拟、预报，则各子模型在时间、空间上的数据衔接是必须考虑　

的。式（１）一（４）表明在土壤侵蚀降雨产流一侵蚀产沙过程　中，径流流量、流速、泥沙含量这些侵蚀参数互为因果、相互关　

联的关系，侵蚀过程模型的各组成部分虽各成一体，但同时各　子系统侵蚀过程又在同一时间、空间尺度下相互关联成为一个　统一的整体。侵蚀量在时间、空问上的数据耦合处理将流域系　

统侵蚀数据划分为若干个数据层及数据单元，对它们的准确测　量将为侵蚀模型的拟合提供可靠的数据支持。　

＋必：卫　（１）　ａ￡　Ｏｘ　Ｗ　

＋　＋　＋；ｇ‘＿７　一ｓ肛）　（２）　ａｆ。２　ａ　。ａ　。　＾　。　／　—　、一　

ｑ＝ｑ　＋　（３）　

＾　＋ｈｕ面Ｏｃ＝啬（＾Ｄ　ｏ　ｃ）“ｓ—ｃ（　）］（４）　

上四式中：ｈ为水流深度，ｍ；Ｕ为水流深度与宽度在某一方向上　的平均流速，ｍ／ｓ；ｇ为水流流量沿沟长的增减量，　／ｓ；　为沟道　宽度，ｍ；ｌ为降雨强度，ｍｍ／ｓ；ｇ　为沟道中来自地表径流的单宽　

人流量，ｒｎ２／ｓ；ｔ为模拟降雨时间，ｓ；　为笛卡尔坐标，ｍ；ｇ为重　

力加速度，ｍ／ｓ　；ｓ　（　，ｔ）为沟道坡度；ｓ　（　，ｔ）为沟道的阻力　

坡度；ｃ（　，ｔ）为水流含沙量，ｋｇ／ｍ　；Ｄ　为泥沙在水中的扩散系　数，ｒｎ２／ｓ；Ｓ为泥沙源汇项，ｋｇ／（ｍ２・ｓ）；ｃ［（　ｑ　）／ｗ］为沟道　

中的侵蚀量，ｋｇ／（ｍ　・８）。　

１．２测量系统测量流程　

由流域系统土壤侵蚀动态模拟对侵蚀数据的时空需求分　析知，检验模型结构及数值求解方法的正确性需获取以下数　据：不同降雨条件下的降雨历时，依侵蚀地貌特征确定的典型　

观测点处不同时刻的径流流速、流量、侵蚀泥沙量。据此我们　设计了如图１所示的一套流域土壤侵蚀过程测量流程以实现　对以上数据的测量需求。　

２流域土壤侵蚀过程测量系统组成及构建　

２．１流域土壤侵蚀过程测量系统组成　

流域土壤侵蚀过程测量系统主要包括如下４个部分　图１　流域土壤侵蚀过程测量流程　

（１）量水堰及水位传感器。侵蚀过程中径流量的测量设备　

（量水堰、水位计及泥沙测量探头）见图２。测量沟道中水位ｈ　

高低，通过水位ｈ　与流量ｑ的关系实现径流量的测量。由于流　

域在降雨作用下产生的流量相对较小，三角量水堰过水断面较　

矩形小，采用三角量水堰减小了过水断面面积而增大了水位高　

度，故可提高液位测量的精度，水位测量误差可控制在０．５　ｍｍ　

以内，同时也可实现对较小流量的测量，使得小流域降雨产流　

量的测量范围较大。仪器以４　ｓ为一个测最周期，可实时获取　

侵蚀过程中径流量的变化过程。　

（２）径流含沙量测量系统。土壤侵蚀过程中径流含沙量的　

测量设备见图２。雷廷武等　研制的径流含沙量测量系统用　

图２径流量测量设备　

以实现对径流含沙量的测量，该系统依据　射线在含沙溶液中　

经泥沙颗粒的折射、散射和吸收其透射强度将减小的原理测定　

含沙量　。该系统针对　射线水平透射时，泥沙沉积和分层　

现象将对测量精度产生一定影响的问题，通过缩短　射线源与　

能谱探头间的距离来减小测量时间，同时兼顾测量结果的准确　及仪器的稳定可靠，是目前现场测量中能较好实现含沙量快　

速、简便、准确可靠测量的仪器，其含沙量测量范围较广，在０—　７５０　ｋｓ／ｍ。之间。该系统测量结果的相对标准误差小于１％，　

测量周期为４　ｓ，可实时获取侵蚀过程中泥沙含量的动态变化　

过程。　

（３）薄层水流流速测量系统。侵蚀过程中径流流速的测量　

设备见图３。雷廷武等　研制的径流含沙量与流量机电一体化　

测控系统主要用于薄层水流流速测量，此系统根据水流影响　

电解质扩散和其导电特性并结合电解质脉冲在水流中迁移的　数学模型设计而成，由电解质脉冲发生器、感应探针、数据采集　

与存储、

参数计算模型４个部分组成（后一部分可称为测量操　维普资讯 http://www.cqvip.com 高佩玲：流域土壤侵蚀及径流过程自动测量系统研究　・２７・　

图３流速测量设备　

作系统），实现了数据采集、参数计算和分析的自动化。此测量　

设备是针对坡面薄层水流流速测量而设计的，与染色法相比其　

测量的时间更加准确，参数计算更为合理，可同时测量多点的　

信号，最多可同时使用１Ｏ组感应探针，这些感应探针用接线端　

子板连接；数据采集开关采用程序控制，开始时间与电解液注　

入时间同步，采集数据的频率可根据需要分别设定为１、５、１０、　

２Ｏ、５０、１００、５００和１０　０００点／ｓ，测量时间最短为１　ｓ，测量周期　

可根据需要而定。　

（４）数据采集控制及存储系统（见图４）。该系统用来实现　

对试验中流域内各控制点流量、流速、泥沙含量的动态变化过　

程测量及数据存储，以实现系统测量的自动化。将三角量水堰　

和水位计、径流含沙量测量系统、薄层水流流速测量系统有机　

组合，构建土壤侵蚀过程测量系统，突破了以往流域降雨侵蚀　

试验中产流、产沙量的测量主要集中于流域出水口处且主要通　

过人工方法量测的局限，实现了流域内不同地貌点处降雨侵蚀　

过程中径流流量、流速、泥沙含量的实时、动态数据获取及自动　

化存储和数据处理，为侵蚀模型的研究提供了充足且可靠的数　

据支持。　

图４数据采集控制及存储系统　

２．２流域土壤侵蚀过程自动化测量系统构建　

流域土壤侵蚀过程自动化测量系统构建见图５。　

流域土壤侵蚀过程自动化测量系统　

径流量测量系统ｌ　ｌ径流含沙量测量系统ｌｌ流速测量系统　

嘲网ｌ　ｌ网　数据采集　控制及存　储系统　

实现流域典型观测控制点径流量、泥沙含量、流速自动化测量　

图５流域土壤侵蚀自动化测量系统　３结语　

研究区不同时间、空间点处侵蚀量的动态数据是土壤侵蚀　

模型动态模拟方法正确性检验的可靠依据。本研究在土壤侵　

蚀系统模型对侵蚀数据需求分析的基础卜，将特水堰和水位传　

感器用于测量径流流量、薄层水流流速测量系统用于测量坡面　

及沟道薄层水流、径流含沙量测量系统用于径流含沙量测最，　

构建了土壤侵蚀过程自动化测量系统。这一系统的构建，实现　

了流域典型观测控制点处径流流量、泥沙含量、流速自动化测　

量，为流域土壤侵蚀模型的进一步研究提供丁技术支持。将此　

测量系统用于室内模型侵蚀试验研究　，与人工取样测量结果　

比较，两种方法测量的径流流量、泥沙含量的动态变化过程在