1、.坡面侵蝕中徑流含沙量測量方法研究與展望摘要：流含沙量是衡量坡地水土流失的重要參數之一，只有合理測量坡地徑流中的 含沙量才能為水土保持提供有利的依據，同時為驗證土壤侵蝕預報模型提供基本參數。本文從測量原理出發，對含沙量各種測量方法的適用環境、測量精度及其局限性進行了比較全面的分析，重點研究了坡面徑流含沙量的測量方法。研究結果表明目前測量含沙量的方法在坡面侵蝕動態水流含沙量的測量中存在只能靜態測量的問題。目前電解質脈沖法在測量坡面薄層水流流速中做出了有益的探索，研究發現水流速度、泥沙的彌散系數與含沙量之間存在著相關關系，用此方法測量含沙量將有可能實現含沙量的動態測量。關鍵詞：測量方法；泥沙含量；

2、土壤侵蝕；彌散系數土壤侵蝕中的徑流含沙量是衡量水土流失的重要參數之一，水流中含沙量的測定對土壤侵蝕研究和水土流失治理具有重要意義。無論是評價流域還是河道的侵蝕程度，都必須測定其含沙量1，2。只有合理測定含沙量才有可能準確模擬土壤侵蝕動力過程，并為水土流失治理決策提供合理的科學依據3。長期以來人們一直積極探索利用各種原理和方法以實現對含沙量較準確地測量。目前測量含沙量的方法較多， 由于其測量原理不同，測量適用的范圍和精度也不同，加之現有測量方法中還有一些方法處于研究探索階段，在實際測量條件下可采用的方法并不多。在此對含沙量各種測量方法進行對比，分析各種方法的測量原理，研究其適用范圍、精度，以為人

3、們在不同環境下在保證一定測量精度情況下選擇合適的測量方法提供參考依據，也為現有測量方法的提高與改進提供一定的思路。同時針對現有方法存在的問題，依據目前發展的新理論和技術，結合坡面土壤侵蝕模擬研究的需求，提出了為實現含沙量準確、及時、同步和動態的自動測量研制新的測量方法的方向。1 含沙量測量方法原理分析及比較根據測量原理的不同，含沙量測量方法可分為：直接測量方法和間接方法。直接測量方法包括烘干法和比重法；間接方法有分光光度法4、紅外線法、電容法、振動法 、超聲波法、激光法和射線法。1.1直接測量方法含沙量的測量人們很早就進行了研究，開始人們主要采用直接取樣測量的方法，其中包括烘干法和比重法。烘干

4、法又稱稱重法，即取一定量的樣品，測量其原重和烘干后的重量，從而確定泥水中的含沙量。采用烘干法可測量兩種形式的含沙量：重量含沙量m(kgkg)和體積含沙量v(m3m3)，兩者的關系如下?m=sv/(1-v) w+sv (1)?式中：s=2.65103kgm3，為標準泥沙的比重，w=1.0103kgm3，為清水密度。隨著電子天平的使用，稱重精度得到很大提高，烘干法測量含沙量被認為是目前最準確的方法之一5,6。但由于烘干法需對待測樣品進行烘干，而烘干溫度一般為105，加熱需11個小時左右，高溫與長期加熱會造成土壤中有機質被碳化，而使測量的含沙量偏小，對烘干溫度和加熱時間的要求也使得整個測量過程費時費

5、力。在野外人們使用烘干法現場測量含沙量時所采用的酒精燃干法會使所測含沙量產生較大誤差7，8，因而在野外測量中人們一般采用比重法。比重法是根據泥沙對比重的影響來確定含沙量，測量時可采用比重計，也可用天平和量筒進行測量，如測得樣品的總重量為G(kg)，體積為V(m3)，則樣品中的含沙量(kg/m3)為 ?用此方法測量含沙量所用設備簡單，測量方法更快更直接。但在含沙量較高時，由于量筒的數據很難讀準，一定程度上影響了測量結果的精度。就測量精度而言，烘干法比比重法精度更高。 以上兩種測量方法所產生的誤差主要來自于采樣。首先是因為采樣的隨機性對測量結果產生了影響。由于每次采樣都需要一定的采集量，而徑流量和

6、含沙量不同，采樣的時間長短不同，因而測量結果只是一隨機時間段內的平均值，而無法反映徑流含沙量的及時變化。其次是在不同坡長處不同時間實現侵蝕含沙量的測量有一定難度，而用一定坡長處測量的含沙量結果作為該區的侵蝕量的合理性還有待于進一步探討。由此雖然以上兩種經典方法測量比較準確，但由于其測量任務相當繁重，加之采樣所引起的系統誤差不能滿足日新月異的科學需要，人們在近來又發展了許多新的測量方法。1.2 間接方法為了能及時，快速測量坡面侵蝕中的含沙量，人們在經典測量方法的基礎上發展了很多方法，目前主要有紅外線法、分光光度法、電容法、振動法、超聲波法、激光法、射線法等，其中分光光度法和紅外線法可測量的含沙量

7、極低，由于坡面侵蝕中徑流含沙量變化幅度較大，因此無法使用。電容法：電容法利用泥水混合物中泥沙含量的變化會引起其介電常數變化這一電物理學性質，通過測量電容的變化來測量含沙量變化。在平板電容之間，盡管其介電常數與含沙量之間不滿足單調函數關系，但在含沙量未達到賓漢體之前，介電常數隨泥沙含量的變化呈單調遞增趨勢。李小昱等人研制了平板式與同軸圓筒式兩種結構的電容傳感器，通過試驗驗證平板式電容傳感器的非線性誤差為0.20，重復性誤差為0.13；同軸圓筒式電容傳感器的非線性誤差為0.10，重復性誤差為0.109。含沙量與傳感器輸出U(v)間的關系為?平板式電容傳感器?=4.18U-3168.41 (3)?同

8、軸圓筒式電容傳感器 =4.98U-5288.56 (4)由于電容受溫度影響較大，電容兩端輸出電壓隨溫度、土壤含鹽量升高而呈非線形增加趨勢，加之徑流流速的影響，使得電容法的適用條件受到一定限制。在自然條件下坡面侵蝕過程中，通過測量電容變化來確定含沙量變化難以實現。振動法：利用振動學原理，根據諧振棒在不同含沙量的泥水中的振動周期不同來推求含沙量10。在泥沙比重、粒徑組成一定，泥沙顆粒運動速度相同時，諧振棒振動周期T(s)與含沙量近似呈線性正比關系如下? =aT+b (5)式中：a,b為常數，可通過實驗事先率定。試驗證實對于材料一定的諧振棒，棒體密度與其振動周期的平方成正比。由于實際測量中棒體的運動

9、受水深、水流速度影響較大，測量設備一般采用金屬空管代替諧振棒，當含沙水流進入管體時由于管子材料和體積一定，測量管的密度完全由管中液體的密度決定。如果水流中的含沙量發生變化，相當于整個管體的密度發生了變化，則管體的振動周期也隨之發生變化，此時測量出泥水的密度，由管體密度與振動周期間的關系，通過(5)式可計算出泥水含沙量。在坡面侵蝕中由于水流中泥沙不斷沉降，同時又有新的泥沙不斷被剝蝕而加入其中而使泥沙比重、粒徑組成及泥沙顆粒運動情況變化多端，使進入管體水流的流速和密度隨時間不斷變化，因而運用(5)式所得將在一定程度上偏離真值。振動法測量泥沙含量的結果穩定性較差零點漂移嚴重，加之測量儀器體積較大，而

10、坡面侵蝕中徑流水深較淺，振動裝置無法正常工作，故此類儀器不適用于徑流含沙量的測量，而只適用于河流中含沙量的測量。美國FIASP公司在80年代中期研制了U形管含沙量計，這種儀器在河水位變幅較小時，儀器可記錄下幾個很陡的泥沙峰值，這是在人工測量時無法實現的。通過與取樣測量值比較此方法測量結果的隨機誤差約為25mgL。在此測量儀器基礎上FIASP公司又研制了直管含沙量計，后者的優點在于管壁更薄、更輕，從而使流體密度對管的密度影響達到最大；由于可使挾沙水流直接流過而能應用于纜道上或者固定使用11。云南大學和云南省水文總站合作研制了ZN-1型振動式含沙量測量儀，其振動管安裝在鉛魚腹體內，而使水流能自由通

11、過振動管。由于傳感器的溫度效應，儀器在測量前要求作出溫度與清水的振動周期關系曲線，在實測時可依據測量中的水溫查取清水振動周期T0，依(5)式可計算含沙量。當含沙量為10830kg/m3時，相對誤差小于5的測點累積頻率為85。該 儀器分辨率為0.1kgm3，更適合于高含沙量水流的測量。超聲波法：超聲波法分為超聲波反射法和超聲波衰減法。前者根據超聲波的反射量與沙粒的多少呈正比例關系，從而測定含沙量。后者考慮泥沙顆粒對超聲波的散射、吸收和超聲波自身的擴散因素，利用傳感器檢測其能量的衰減，來計算含沙量12,13。超聲波反射法對于低含沙量水流較敏感，測量精度較高，只是測量范圍較窄，在3kgm3之間。陳彥

12、華等研制的含沙量垂線分布測試系統，依據聲波在泥水中沿垂線傳播時不同深度不同濃度泥沙顆粒對聲波的散射程度不同測量含沙量，該儀器可在低含沙量水流(含沙量在2.5 kgm3以下)中對水面下20cm范圍內含沙量及其分布進行快速測量，并可圖形顯示測量結果14。超聲波衰減法利用聲波在泥水中傳播時聲波大小受到衰減的原理，通過接收換能器將衰減后的超聲波轉化為電信號，再經放大處理后得到隨含沙量變化的模擬電信號，依據其與含沙量間的關系來測量含沙量。模擬電信號隨含沙量變化的關系如下?=(I/)b (6) ?式中：a，b為常數，通過實驗事先標定，大小主要取決于溶液濃度及溶質粒子的粒徑的變化。I為電信號強度(w/cm2

13、)，為體積含沙量。超聲波法測量含沙量時，為保證超聲波經衰減后信號能被接收到，其強度(頻率)不能太小。而超聲波強度較大時，當其穿過泥水溶液時，超聲波會與泥沙顆粒發生相互作用而影響溶液濃度，產生“空化現象”；同時還會造成大的泥沙顆粒粉碎而改變原有溶質粒子的粒徑組成。此時用事先標定好的(6)式來計算含沙量會產生很大的偏差。由于超聲波法會對水流造成擾動而改變其原有的動力學特征，且含沙量越大改變也越大，使得超聲波法測量泥沙含量的范圍較窄，更適合于低含沙溶液的測量。中國科學院山西煤化所于陜西省水文總站研制超聲波測沙儀，試驗顯示當含沙量為10500 kgm3時，相對均方誤差為4.66。激光法：光在水中傳輸時

14、，由于水介質的散射和吸收，使得光強發生衰減，且水中懸沙濃度不同，衰減也不同。激光法正是利用此原理對透射過泥水的激光信號進行光電轉換，將其變為電壓信號。依據電壓信號的強弱在水流速度較小且相同粒徑分布條件下與含沙濃度呈正比函數關系來確定含沙量。由于在坡面侵蝕過程中，坡面泥沙不斷經歷剝離、搬運、沉積過程，其徑流中泥沙粒徑的組成隨時間不斷變化，這與測量原理中泥沙粒徑分布相同的假設相駁，而使此方法具有了一定的理論誤差，加之用此方法設計的測試儀器成本較高，設備笨重、龐大，而無法正確有效的測量坡面水流中的含沙量?；谝陨显?，目前激光法更多的用于分析河流泥沙的粒度分布，再由粒度分布來確定含沙量，其測量的粒徑

15、范圍一般在2.5250靘之間。由于激光具有高度的空間相干性和時間相干性，加之與計算機的結合和光導纖維的應用，極大的減小了外界漂移或擾動而使此方法對于粒徑分布具有較高的測量精度。美國Sequoia科學儀器公司根據激光散射原理，研制成用于現場測記懸沙含沙量、懸沙顆粒級配、平均粒徑的激光測沙儀。該儀器堅固耐用，使用方便靈活，可用于實驗室或固定在水底和岸邊，也可以拖曳、錨泊或裝在船上，主要用于低含沙量水流的測量，其測量范圍在0.17.8 kgm3之間，測量誤差小于2015。射線法：依據射線在含沙溶液中經泥沙顆粒的折射、散射和吸收作用其透射強度將減小的原理測定含沙量1619。當射線通過由土壤固體顆粒和水

16、組成的固、液兩相介質的混合體時，其強弱服從以下指數變化規律? 式中mw、ms分別為水和泥沙的質量吸收系數；w、s分別為單位泥水體積中水的質量(kg)和泥沙的質量(kg)，L為射線透射的渾水厚度(m)。假設t1時刻射線穿過厚為L的混合體后其強度為I1,t2時刻為I2，依據泥水總體積不變，即泥沙增(減)的體積等于水量減(增)的體積，在t=t2t1時間段內式中s1、s2為t1、t2時刻的體積含沙量，則s1-s1為時間 內含沙量的變化量，s=2.65103kgm3為泥沙的比重，s=10103kg/m3為清水密度。測出I1、I2，若已知t1時刻的泥沙含量，利用(8)式可算得不同時刻的含沙量。由于射線水平

17、透時，泥沙沉積和分層現象將對測理精度影響較大。射線測量儀測量含沙量時，雖然水流經過采樣室時停留時間較短，測量中依然會由于時間的滯后性而影響含沙量變化量的同步測量；同時水流流入、流出采樣室時會對水流的動力學性質產生影響，而一定程度上影響含沙量的準確測量。雷廷武等20研制的徑流含沙量與流量測量系統，針對以上問題，通過縮短-射線源與能譜探頭間的距離來減小測量時間，同時兼顧測量結果的準確及儀器的穩定可靠，是目前現場測量中能較好實現含沙量快捷、簡便、準確可靠測量的方法，測量范圍較廣，在0750kg/m3之間，該方法相對標準誤差小于1。其誤差主要來源于射線脈沖的隨機性和儀器的穩定性。雖然振動法、超聲波法、

18、激光法、射線法依據的測量原理各有不同，儀器設備也千差萬別，但其都將不同程度的受到水流中泥沙運動情況及其粒徑組成的影響，而使含沙量的測量結果存在一定的局限性，要精確測量徑流中的含沙量還需要進一步加以改進。相比較而言，在現有測量方法中，烘干法、比重法和射線法是目前測量精度較高，應用較廣泛的含沙量測量方法。2測量方法展望在以往的土壤侵蝕模擬過程中，對于特定區域，侵蝕模型模擬計算的結果一般為該區域總的侵蝕量，用以上的烘干法、比重法或射線法所測理的含沙量隨時間的變化關系就可以進行模擬值與測量值的對比分析，同時用這些方法測量的含沙量也可直接對土壤侵蝕情況進行評價，這些方法的測量結果在實際應用中起著不可替代

19、的作用。但由于坡面侵蝕的發生和發育是一個非常復雜的過程，從降雨產生濺蝕開始到發展成為片蝕，以及在坡度較大時，還有可能發展成為細溝侵蝕、淺溝侵蝕或切溝侵蝕等，在這些坡面水流流動過程中，水流中的泥沙含量是一個動態平衡的過程。泥沙的產生不僅與水流的速度有關，而且與水流中的泥沙含量密切相關。在相同流速和下墊面條件下，泥沙含量越高，水流對土壤的剝蝕能力越強，同時由于泥沙的沉降，水流中泥沙與下墊面土壤顆粒的交換更為活躍，從而表現出水流中水流速度與泥沙含量相互影響和相互作用關系。水流中的泥沙含量沿著坡面隨時間而發生變化，加上跌坎、細溝或切溝的形成，泥沙含量變化更加顯著，在以往的研究中人們用研究區出水口處測量

20、的含沙量來作為該區域的侵蝕量是比較粗糙的，用此作為衡量土壤侵蝕強度的參數還有待于進一步探討。因此要定量研究坡面土壤侵蝕的機理，了解侵蝕過程中不同區域處的侵蝕情況，就必須實現在不同坡面處含沙量的動態、快速測量。要動態、快速測量坡面的含沙量用以上方法是無法實現的。烘干法測量結果準確，但測量時間較長，比重法和射線法測理較快，比較準確，但又較難實現含沙量的動態測理。從以上分析可知，含沙量和水流速度具有相互作用關系。夏衛生、雷廷武等在研究用電解質脈沖法測量坡面薄層水流速度中開發了徑流含沙量與流量機電一體化測控系統。該系統由電解質脈沖發生器、感應探針、數據采集與存儲及參數計算四部分組成，可實現數據采集、參

21、數計算及分析自動化。目前已實現了坡面薄層水流速度的動態、實時測量，具體測量方法見參考文獻21。研究中得到了不同彌散系數下鹽液在水流中的電導率變化理論曲線如圖1所示22。圖中C為水流中的電脈沖遷移強度(V)，其大小為電脈沖遷移距離x(m)和遷移時間t(s)的函數；DH為泥沙在水中的彌散系數(m2s)。同時在用鹽液示蹤法測量其經驗系數與含沙量的關系時，發現兩者存在較好的正相關關系，因此含沙量與水流速度及彌散系數之間的關系是很可能存在的。由圖1看出，不同彌散系數下電導率隨時間的變化情況明顯不同，如果能通過理論推導及實驗驗證兩者之間的函數關系，就可通過測量水流中電導率的變化得到彌散系數，進而實現含沙量

22、的測量，此問題正是這一電解質脈沖法用于測量含沙量亟待解決的問題，一旦這一問題得以解決，它將實現坡面侵蝕中含沙量的非采樣、實時、多點、動態測量。圖1 不同彌散系數條件下的電解質遷移Fig.1 Transfer of electrolyte pulse in flow with different diffusivity3 小結由上可知，泥沙含量的直接測量方法簡單易行，測量結果較準確，但由于測量方法自身的局限性，只能測量一定坡長下的靜態含沙量。間接測量法中如射線法是目前現場測理中能較好實現含沙量快捷、簡便、準確可靠測量的方法，但在實現動態測量方面還存在一定的局限性。其它間接測量方法無論是準確性還是

23、測量范圍都有待于進一步提高。以上無論是直接測量還是間接測量方法，都沒有考慮徑流速度對測量結果的影響，即使考慮如振動法，也必須是在給定水流速度的情況下才能計算出含沙量。要實現含沙量的動態測量，必須從土壤侵蝕的機理入手，才有可能探求出新的坡面徑流含沙量的測量方法，實現含沙量的準確、及時測量。由于坡面土壤侵蝕過程是一個復雜的動力學過程，坡度使徑流具有流速，流速又隨著坡長而發生變化，而徑流的剝蝕能力和挾沙能力又與流速、流量(或者說水深)及含沙量有著一定關系，從而使流速與含沙量相互作用的關系更加明顯。在坡面上，水流速度的變化使剝蝕力和挾沙能力不斷變化而最終造成含沙量的變化，因此要測量坡面含沙量的動態變化，以往的測量方法較難實現，我們必須要尋求一種新的方法，在測量徑流速度的同時測量含沙量。電解質脈沖法能及時準確地測量水流速度，同時還能擬合出水流中鹽液的彌散系數。盡管彌散系數與水流速度、含沙量三者的關系還有待于進一步研究，但三者間的關系是存在的，這項研究為徑流含沙量的動態、及時測量方法的進一步研究指明了方向，因而有必要做進一步探討。參考文獻：1唐克麗.中國土壤侵蝕與水土