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径流含沙量测定方法研究

温文杰 张建军 李依璇 黄小清 贺佩

温文杰, 张建军, 李依璇, 黄小清, 贺佩. 径流含沙量测定方法研究[J]. 北京林业大学学报, 2019, 41(11): 155-162. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180246
引用本文: 温文杰, 张建军, 李依璇, 黄小清, 贺佩. 径流含沙量测定方法研究[J]. 北京林业大学学报, 2019, 41(11): 155-162. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180246
Wen Wenjie, Zhang Jianjun, Li Yixuan, Huang Xiaoqing, He Pei. A simple method for estimating runoff sediment concentration[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2019, 41(11): 155-162. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180246
Citation: Wen Wenjie, Zhang Jianjun, Li Yixuan, Huang Xiaoqing, He Pei. A simple method for estimating runoff sediment concentration[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2019, 41(11): 155-162. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180246

径流含沙量测定方法研究

doi: 10.13332/j.1000-1522.20180246
基金项目: 国家重点研发计划"黄土残塬沟壑区水土保持型景观优化与特色林产业技术及示范"(2016YFC0501704)
详细信息
    作者简介:

    温文杰。主要研究方向:水土保持与森林水文。Email:wenwenjie@bjfu.edu.cn  地址:100083北京市海淀区北京林业大学水土保持学院

    责任作者:

    张建军,教授,博士生导师。主要研究方向:水土保持与森林水文。Email:zhangjianjun@bjfu.edu.cn  地址:同上

A simple method for estimating runoff sediment concentration

  • 摘要: 目的径流含沙量是水文测验和水土流失监测中必须测定的重要参数,更是衡量水土流失程度的重要指标,简单便捷的径流含沙量测定方法是目前水土保持监测中需要解决的关键问题之一,这对于实现水土流失量的自动监测和预警,及时准确地把握水土流失强度,进而选择合理的水土保持措施,开展水土流失治理均具有重要意义。方法本文通过采集国内不同省份的土壤样品,利用室内实验,构建了称重法测定径流含沙量的基本原理,提出了计算含沙量的经验模型,探讨了称重法测定径流含沙量精度的主要因素(泥沙比重、泥水样体积、水温)。结果称重法测量径流含沙量的模型精度较高,能满足水土保持监测中径流含沙量测定的精度要求,径流含沙量在5.00 ~ 20.00 g/L时,平均相对误差 < 20.00%;径流含沙量在20.00 ~ 200.00 g/L时,平均相对误差 < 5.00%。泥沙比重对泥沙含量测定结果的影响不显著,可采用水土流失地区表层土壤平均比重(变化范围基本在2.50 ~ 2.70之间),利用称重法模型计算出径流含沙量。泥水样体积的测定误差是影响称重法测量泥沙含量精度的关键,研制以称重法为基本原理的径流泥沙含量自动监测仪器时,准确测量泥水样的体积最为关键。温度对称重法测量径流含沙量的精度影响很小(P > 0.05)。结论称重法操作简单,精度高,在水土流失自动监测领域具有良好的应用前景。

     

  • 图  1  不同水温条件下称重法的平均相对误差

    Figure  1.  Average relative error of the weighing method under different water temperatures

    图  2  不同含沙量条件下过滤法与称重法的平均相对误差对比

    Figure  2.  Comparison between the average relative error of the filtration method and that of the weighing method under different sediment concentrations

    表  1  土样基本情况

    Table  1.   Basic information of the soil samples

    采样地 Sample site土地利用类型 Land use type土壤类型 Soil type土壤质地 Soil texture土样比重 Specific gravity of sediment
    北京 Beijing
    林地 Forestland 褐土 Cinnamon soil 壤黏土 Loam clay 2.60
    北京 Beijing
    裸地 Bare land 风沙土 Sandy soil 粗砂土 Coarse sand 2.67
    辽宁 Liaoning 草地 Grassland 棕壤 Brown soil 壤土 Loam 2.50
    福建 Fujian 林地 Forestland 红壤 Red soil 黏土 Clay 2.61
    山西 Shanxi 林地 Forestland 黄绵土 Loess soil 壤土 Loam 2.57
    陕西 Shaanxi 林地 Forestland 黄绵土 Loess soil 壤土 Loam 2.60
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    表  2  Dixon 检验统计量的计算公式

    Table  2.   Formula of Dixon test statistics

    n 值区间
    Interval of n value
    可疑值为最小值 X1
    Suspicious value is the minimum value X1
    可疑值为最大值 Xn
    Suspicious value is the maximum value Xn
    3 ~ 7Q = (X2X1)/(XnX1)Q = (XnXn − 1)/(XnX1)
    8 ~ 10Q = (X2X1)/(Xn − 1X1)Q = (XnXn − 1)/(XnX2)
    注:n为重复实验次数;Q为检验统计量;X1为实验数据中的最小值;X2为实验数据中除X1以外的最小值,X2 > X1Xn为实验数据中的最大值,Xn − 1为实验数据中除Xn以外的最大值,Xn − 1 < Xn。Notes: n represents the number of repeated experiments; Q represents the test statistic; X1 represents the minimum value in the experimental data; X2 represents the minimum value other than X1 in the experimental data, X2 > X1; Xn represents the maximum value in the experimental data; Xn − 1 represents the maximum value other than Xn in the experimental data, Xn − 1 < Xn.
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    表  3  4种泥沙比重条件下测量值与真实值的相关关系

    Table  3.   Correlations between measurements and true data under four sediment specific gravities

    数据量 Amount of data泥沙比重 Specific gravity of sediment关系式 Relationship formula相关系数 Correlation coefficient (r2)
    170 2.50 y = 0.983 5x + 0.841 9 0.999 3
    168 2.57 y = 0.990 7x + 0.804 7 0.999 8
    168 2.60 y = 0.977 9x + 1.105 6 0.998 3
    169 2.67 y = 1.002 7x + 0.434 9 0.999 6
    注:x为真实的含沙量;y为称重法测定的含沙量;数据量两个为一组。Notes: x represents true sediment concentration; y represents the sediment concentration calculated by the weighing method; Two data volume is acted as one group.
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    表  4  不同泥沙比重条件下称重法的平均相对误差

    Table  4.   Average relative error of the weighing method under different sediment specific gravities %

    径流含沙量
    Sediment concentration/
    (g·L− 1)
    泥沙比重 Specific gravity of sediment
    2.502.572.602.67
    5.00 8.40 17.34 19.00 11.71
    6.00 17.89 18.84 9.85 11.06
    7.00 10.86 18.14 8.71 5.43
    8.00 9.00 17.86 6.83 8.42
    9.00 4.15 12.55 3.19 5.77
    10.00 1.99 9.54 4.12 7.55
    20.00 1.24 2.99 2.03 4.68
    30.00 2.51 0.97 2.57 1.83
    40.00 0.82 1.16 1.93 2.23
    50.00 0.87 0.58 1.01 1.36
    60.00 0.78 1.02 1.33 1.16
    70.00 0.66 0.69 2.26 0.72
    80.00 0.44 0.75 3.60 0.67
    90.00 1.09 0.55 0.62 0.53
    100.00 0.33 0.53 2.03 1.10
    150.00 2.05 0.58 1.68 1.01
    200.00 1.93 0.50 4.10 0.39
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    表  5  不同含沙量条件下体积相对误差造成的测量相对误差

    Table  5.   Relative measurement error caused by relative error of volume under different sediment concentrations %

    体积相对误差
    Relative error of volume/%
    含沙量 Sediment content/(g·L− 1)
    5.006.007.008.009.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.0080.0090.00
    0.02 13.00 11.00 9.00 8.00 7.00 6.00 3.00 2.00 2.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00
    0.04 19.00 16.00 14.00 12.00 11.00 10.00 5.00 3.00 2.00 2.00 2.00 1.00 1.00 1.00
    0.06 26.00 22.00 19.00 16.00 14.00 13.00 6.00 4.00 3.00 3.00 2.00 2.00 2.00 1.00
    0.08 32.00 27.00 23.00 20.00 18.00 16.00 8.00 5.00 4.00 3.00 3.00 2.00 2.00 2.00
    0.10 39.00 33.00 28.00 24.00 22.00 19.00 10.00 7.00 5.00 4.00 3.00 3.00 2.00 2.00
    0.12 45.00 38.00 32.00 28.00 25.00 23.00 11.00 8.00 6.00 5.00 4.00 3.00 3.00 3.00
    0.14 52.00 43.00 37.00 33.00 29.00 26.00 13.00 9.00 7.00 5.00 4.00 4.00 3.00 3.00
    0.16 58.00 49.00 42.00 37.00 33.00 29.00 15.00 10.00 7.00 6.00 5.00 4.00 4.00 3.00
    0.18 65.00 54.00 46.00 41.00 36.00 32.00 16.00 11.00 8.00 7.00 5.00 5.00 4.00 4.00
    0.20 71.00 60.00 51.00 45.00 40.00 36.00 18.00 12.00 9.00 7.00 6.00 5.00 4.00 4.00
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    表  6  独立样本T检验P值统计结果

    Table  6.   Statistical results for independent sample T-test

    水温组别
    Group of water temperature/℃
    含沙量 Sediment concentration/(g·L− 1)
    5.0010.0020.0030.0040.00
    5 ~ 10 0.486 0.390 0.078 0.320 0.935
    5 ~ 15 1.000 0.125 0.160 0.916 0.637
    5 ~ 20 0.445 0.216 0.258 0.026 0.464
    10 ~ 15 0.719 0.185 0.931 0.315 0.481
    10 ~ 20 0.241 0.368 0.794 0.437 0.168
    15 ~ 20 0.609 0.747 0.762 0.048 0.649
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    表  7  用平均比重2.60计算的含沙量与真实值的相关关系

    Table  7.   Relationship between true data and measurements calculated using an average specific gravity of 2.60

    泥沙比重 Sediment specific gravity (d)关系式 Relationship formula相关系数 Correlation coefficient (r2)
    2.50 yy = 0.958 9xx + 0.820 8 0.999 3
    2.57 yy = 0.983 3xx + 0.790 6 0.999 8
    2.67 yy = 1.018 5xx + 0.538 7 0.999 9
    注:xx为真实的径流含沙量;yy为用比重2.60计算的径流含沙量。Notes: xx represents true sediment concentration; yy represents sediment concentration calculated using a specific gravity of 2.60.
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    表  8  用平均比重2.60计算的含沙量的平均相对误差

    Table  8.   Average relative error of measurements calculated using an average specific gravity of 2.60 %

    含沙量
    Sediment concentration/
    (g·L− 1)
    原比重
    Original specific gravity of sediment
    2.502.572.67
    5.00 7.21 16.48 13.21
    6.00 14.94 17.97 12.88
    7.00 8.09 17.28 7.16
    8.00 6.78 17.00 9.86
    9.00 3.91 11.73 7.25
    10.00 2.06 8.74 8.98
    20.00 2.66 2.67 6.49
    30.00 0.78 0.87 3.50
    40.00 2.35 1.29 3.64
    50.00 1.78 0.77 3.02
    60.00 1.83 1.46 2.72
    70.00 1.95 0.69 1.83
    80.00 2.39 1.47 2.30
    90.00 3.56 1.08 2.17
    100.00 2.30 1.03 2.75
    150.00 3.87 0.65 2.66
    200.00 4.01 1.07 1.97
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-07-24
  • 修回日期:  2018-11-14
  • 网络出版日期:  2019-10-16
  • 刊出日期:  2019-11-01

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