隨著我國(guó)大規(guī)模水土流失監(jiān)測(cè)工作的開(kāi)展，徑流小區(qū)徑流量的自動(dòng)監(jiān)測(cè)越來(lái)越受重視，而翻斗流量計(jì)是備選設(shè)備之一。為了明確翻斗流量計(jì)用于小區(qū)監(jiān)測(cè)的適用性，依據(jù)已有的小區(qū)資料，設(shè)計(jì) 0． 1、0． 5、1． 0、1． 5 和 2． 0 L / s 共 5個(gè)流量，0、50、100、300 和 500 g / L 共 5 個(gè)含沙量，通過(guò)與徑流桶測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比，測(cè)定翻斗流量計(jì)的測(cè)量精度。結(jié)果表明，當(dāng)流量與含沙量較低時(shí)，翻斗流量計(jì)所測(cè)徑流量精度較高; 隨著流量增大，翻斗流量計(jì)測(cè)量結(jié)果比實(shí)際值偏小，且誤差逐漸增大; 隨著含沙量增大，翻斗流量計(jì)測(cè)量結(jié)果比實(shí)際值偏大，且誤差逐漸增大; 這些變化有很好的規(guī)律性，可以通過(guò)線性回歸公式進(jìn)行校正獲得較好的測(cè)量精度。

徑流小區(qū)是研究坡面土壤侵蝕和水土流失規(guī)律的重要觀測(cè)手段，徑流量觀測(cè)是徑流小區(qū)的主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容 。徑流過(guò)程數(shù)據(jù)是土壤侵蝕動(dòng)態(tài)過(guò)程和土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型研究的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)徑流小區(qū)徑流量監(jiān)測(cè)一般采用集流池或分水箱加集流桶收集徑流，通過(guò)人工量測(cè)池 / 桶水深計(jì)算總徑流量，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且無(wú)法監(jiān)測(cè)徑流過(guò)程，因此現(xiàn)在人們?cè)絹?lái)越重視徑流小區(qū)徑流量監(jiān)測(cè)中自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備和技術(shù)的應(yīng)用 。作為備選設(shè)備之一，翻斗流量計(jì)能通過(guò)翻斗和自動(dòng)計(jì)數(shù)器監(jiān)測(cè)小區(qū)產(chǎn)流的連續(xù)過(guò)程。翻斗流量計(jì)屬于容積法量水技術(shù)，把徑流連續(xù)不斷地分割成單個(gè)已知的體積部分，并根據(jù)測(cè)量室重復(fù)充滿和排放的次數(shù)來(lái)測(cè)量徑流的體積總量和過(guò)程。Barfield 等根據(jù)翻斗原理設(shè)計(jì)了測(cè)定流量的儀器，通過(guò)人工降雨試驗(yàn)研究其測(cè)定徑流小區(qū)徑流量的精度，認(rèn)為在 0 ～ 200 g / L 含沙量情況下測(cè)量誤差小于 3% 。Ahmed 等 設(shè)計(jì)了一種翻斗測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行徑流小區(qū)流量的測(cè)定和泥沙樣品的采集，測(cè)定 25 ～ 50 m2 徑流小區(qū)的徑流量和產(chǎn)沙量 ( 流量范圍0． 03 ～ 1． 00 L / s) ，結(jié)果表明整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)誤差包括由小流量導(dǎo)致的泥沙淤積影響誤差和大流量導(dǎo)致的不穩(wěn)定誤差。曹建生等 發(fā)明了一種翻斗自記流量測(cè)定儀，但沒(méi)有對(duì)其測(cè)量誤差進(jìn)行研究。由于翻斗流量計(jì)在徑流小區(qū)中的測(cè)量精度及適用范圍并不清楚，因此本研究采用控制試驗(yàn)的方法，研究翻斗流量計(jì)在不同流量條件下和不同含沙量條件下的測(cè)量精度，并確定翻斗流量計(jì)的適用范圍，希望能為翻斗流量計(jì)在坡面徑流小區(qū)流量監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用提供依據(jù)和指導(dǎo)，推動(dòng)全國(guó)水土流失監(jiān)測(cè)站點(diǎn)徑流小區(qū)流量過(guò)程的自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

1.材料與方法

1． 1  翻斗流量計(jì)介紹

翻斗流量計(jì)由進(jìn)水口、翻斗、限位螺絲、軸承、防濺擋板、外箱、感應(yīng)磁鐵、數(shù)據(jù)采集器和出水口，以及數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)與遠(yuǎn)程傳輸設(shè)備等組成，如圖 1 所示。

翻斗容積為 3 L。其工作原理是: 一個(gè)翻斗接徑流時(shí)，另一個(gè)翻斗處于等待狀態(tài); 當(dāng)翻斗所接徑流達(dá)到預(yù)定值( 3 kg) 時(shí)，由于重力作用翻斗立即翻倒，處于等待狀態(tài)，另一翻斗處于接徑流狀態(tài); 之后當(dāng)翻斗所接徑流達(dá)到預(yù)定值時(shí)，又自動(dòng)翻倒，處于等待狀態(tài)，從而保證監(jiān)測(cè)水流的連續(xù)性。在翻斗側(cè)壁上裝有感應(yīng)磁鐵，它隨翻斗翻動(dòng)時(shí)從干簧管旁掃描，使兩個(gè)干簧管輪流通斷，即翻斗每翻倒一次，干簧管便送出一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào) ( 脈沖信號(hào)) ，每個(gè)脈沖信號(hào)通過(guò)導(dǎo)線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集器，每記錄一個(gè)脈沖信號(hào)，便代表 3 L 徑流量，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)流過(guò)程中的自動(dòng)監(jiān)測(cè)與記錄。

1． 2  試驗(yàn)設(shè)計(jì)

該試驗(yàn)在北京師范大學(xué)房山實(shí)驗(yàn)基地人工模擬降雨大廳進(jìn)行。試驗(yàn)小區(qū)為寬 1 m、長(zhǎng) 5 m 的人工土槽，土壤是北京郊區(qū)的褐土，土槽坡度 5°。用水泵抽水注入小區(qū)模擬徑流，流量由分流器上的閥門控制。試驗(yàn)分兩組，一組測(cè)定小區(qū)出口流量對(duì)翻斗流量計(jì)測(cè)量精度的影響，另一組研究含沙量大小對(duì)測(cè)量精度的影響。測(cè)定流量的影響時(shí)用清水，模擬徑流直接注入小區(qū)匯流槽，設(shè)計(jì)流量為 0． 1、0． 5、1． 0、1． 5和 2． 0 L / s。測(cè)定含沙量的影響時(shí)用流量為 1.0L / s 的渾水，設(shè)計(jì)渾水含沙量為 0、50、100、300 和 500g / L。徑流量的測(cè)定分兩部分: 一是用翻斗流量計(jì)自動(dòng)記錄，下載數(shù)據(jù)后計(jì)算流量過(guò)程線和總徑流量; 二是將翻斗流量計(jì)流出的徑流引入集流桶，每次試驗(yàn)完根據(jù)水位和集流桶底面積計(jì)算總徑流量，以此為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算翻斗流量計(jì)的測(cè)量精度。

試驗(yàn)中選定的流量和含沙量的范圍能代表我國(guó)主要徑流小區(qū)監(jiān)測(cè)范圍。表 1 列舉了全國(guó)五大水蝕區(qū)代表性小區(qū)的含沙量狀況。流量是根據(jù)黃河水利委員會(huì)子洲徑流場(chǎng)的資料擬定的。

2.結(jié)果與分析

翻斗流量計(jì)靠重量翻轉(zhuǎn)并計(jì)數(shù)，精度可能受徑流流入時(shí)的沖擊力、徑流濺出翻斗、翻轉(zhuǎn)過(guò)程中的損失和含沙量大小的影響。前三種是受流量大小影響，***后一種是受含沙量影響。

2． 1 流量對(duì)測(cè)量精度的影響與校正

根據(jù)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程的觀察和分析，翻斗流量計(jì)測(cè)量的流量值可能小于實(shí)際流量值。為了確定測(cè)量精度，以徑流桶的總徑流量作為標(biāo)準(zhǔn)與翻斗流量計(jì)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。集流桶為圓柱體，體積固定，一次試驗(yàn)的徑流總量很容易測(cè)量準(zhǔn)確。對(duì) 5 個(gè)流量情況下的徑流總量進(jìn)行對(duì)比( 表 2、圖 2) ，發(fā)現(xiàn)翻斗流量計(jì)測(cè)量徑流量( W斗 ，L) 與實(shí)際徑流量( W實(shí) ，L) 的比率( γ) 隨流量 ( Q，L / s) 的增加呈線性下降趨勢(shì)( 圖 2) ，擬合公式為

γ = 0． 937 － 0． 075Q( Ｒ²  = 0． 93)               （1）

式中: γ 為翻斗流量計(jì)所測(cè)徑流量與集流桶測(cè)定徑流量之比; Q 為流量，L / s; Ｒ2 為決定系數(shù)。

當(dāng) Q =0 時(shí)，γ =0． 937，這說(shuō)明翻斗每次翻轉(zhuǎn)時(shí)的容積超過(guò)擬定數(shù)值( 3 L) ，需要通過(guò)限位螺絲調(diào)節(jié)到

設(shè)定容積。調(diào)整到設(shè)定容積后，γ =1，公式( 1) 改為

γ = 1 － 0． 075Q          ( 2)

W_實(shí)  =W_斗  / ( 1 － 0． 075Q)             （3）

2． 2  含沙量對(duì)測(cè)量精度的影響與校正

翻斗流量計(jì)的設(shè)計(jì)是按容積計(jì)數(shù)，但翻轉(zhuǎn)是按重量實(shí)現(xiàn)。含沙水流由于密度比清水的大，不到設(shè)計(jì)容積就會(huì)翻轉(zhuǎn)，導(dǎo)致測(cè)量流量大于實(shí)際流量，而且含沙量越大這種差異越大。5 種不同含沙量的試驗(yàn)表明，翻斗流量計(jì)所測(cè)徑流量與實(shí)測(cè)徑流量的比率( γ) 隨含沙量的增大而增大( 圖 3) 。含沙量的這種影響可以通過(guò)理論推導(dǎo)求得。根據(jù)含沙水流質(zhì)量與設(shè)計(jì)清水質(zhì)量相等的原理，得到如下等式

M_設(shè)  =W_斗 ρ_{水                      （4）}

M_設(shè)  =M_沙  + M_{水             （5）}

式中: M設(shè) 為翻斗設(shè)計(jì)容積對(duì)應(yīng)的清水質(zhì)，kg; M沙 為實(shí)際徑流中泥沙的質(zhì)量，kg; M水 為實(shí)際徑流中清水的質(zhì)量，kg; ρ水 為清水的密度，g / cm3 。

2． 3 翻斗流量計(jì)所測(cè)流量的校正

對(duì)翻斗流量計(jì)實(shí)測(cè)流量進(jìn)行校正，先進(jìn)行流量對(duì)測(cè)量精度影響的校正，再進(jìn)行含沙量對(duì)測(cè)量精度影響的校正，即根據(jù)公式( 3) 、(11) 將不同流量和含沙量條件下翻斗流量計(jì)測(cè)定的流量進(jìn)行修訂。測(cè)定含沙量影響時(shí)試驗(yàn)設(shè)計(jì)流量為 1 L / s，實(shí)際流量為 0． 946 L / s，試驗(yàn)測(cè)定的褐土泥沙的密度為 2． 45 g / cm3 。圖 4 為校正前后的翻斗流量計(jì)測(cè)定徑流量與徑流桶測(cè)定徑流量的關(guān)系，校正后的點(diǎn)緊密分布在 1 ∶ 1 線附近。經(jīng)流量影響和含沙量影響校正公式修訂后的徑流量結(jié)果與集流桶實(shí)測(cè)值非常接近。

3.結(jié) 論

( 1) 試驗(yàn)結(jié)果表明采用翻斗流量計(jì)進(jìn)行徑流小區(qū)的流量過(guò)程監(jiān)測(cè)是可行的，建議 3 L 的翻斗流量計(jì)在面積為 100 m2 以下的徑流小區(qū)使用。3 L 翻斗流量計(jì)的流量測(cè)量范圍是 0 ～ 2 L / s。

( 2) 隨著流量增大，翻斗流量計(jì)所測(cè)流量結(jié)果比實(shí)際值偏小，且誤差逐漸增大; 隨著含沙量增大，流量測(cè)量結(jié)果比實(shí)際值偏大，且誤差逐漸增大。規(guī)律的翻斗流量的測(cè)量誤差可以通過(guò)公式進(jìn)行校正，以獲得較好的測(cè)量精度。

 ( 3) 當(dāng)含沙量小于 100 g / L 時(shí)，可不考慮含沙量影響，直接根據(jù)流量進(jìn)行修訂; 當(dāng)含沙量大于 100 g / L時(shí)，則需根據(jù)泥沙密度進(jìn)行含沙量對(duì)測(cè)定結(jié)果影響的修訂。一般情況下，褐土泥沙密度可采用 2． 45 g / cm3 ，其他地區(qū)土壤試驗(yàn)前需測(cè)定土壤泥沙密度。