多類型徑流泥沙監(jiān)測儀對比分析

［關(guān)鍵詞］ 徑流泥量；含沙量；測量精度；徑流泥沙自動監(jiān)測儀；便攜式徑流泥沙監(jiān)測儀；濁度計

［摘 要］ 含沙量是衡量水土流失的基本參數(shù)之一，及時準(zhǔn)確地獲取含沙量可為規(guī)劃水土保持項目、制定水土流失防控決策提供科學(xué)依據(jù)，然而基于不同監(jiān)測方法和儀器的徑流泥沙測量結(jié)果存在差異性。采用室內(nèi)模擬研究的方式，對比分析徑流泥沙自動監(jiān)測儀、便攜式徑流泥沙監(jiān)測儀和濁度計3種儀器的測量精度和準(zhǔn)確度，結(jié)果表明：①含沙量較低時，3種儀器的測量準(zhǔn)確度均較高，隨著含沙量的增加，濁度計和便攜式徑流泥沙監(jiān)測儀的準(zhǔn)確度下降，而徑流泥沙自動監(jiān)測儀在各含沙量梯度的測量中均具有較高的測量準(zhǔn)確度；②徑流泥沙自動監(jiān)測儀、便攜式徑流泥沙監(jiān)測儀和濁度計的重復(fù)測量值均通過了K-S檢驗，數(shù)據(jù)呈正態(tài)分布，表明3種監(jiān)測儀器均具有較高的測量精度；③徑流泥沙自動監(jiān)測儀在低徑流量和高徑流量條件下均有較高的測量精度，且徑流測量準(zhǔn)確度較高。

［中圖分類號］ S157" [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A" DOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2024.12.018

［引用格式］ 徐志浩，展小云，李亞妮，等.多類型徑流泥沙監(jiān)測儀對比分析[J].中國水土保持，2024（12）：67-71.

水土流失是目前全球危害最大的環(huán)境問題之一，嚴(yán)重的水土流失不僅會對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、糧食安全和土地環(huán)境造成巨大威脅，而且會引起泥沙大量淤積，引發(fā)洪水災(zāi)害。我國是世界上水土流失最嚴(yán)重的國家之一，據(jù)《中國水土保持公報（2023年）》，截至2023年全國水土流失面積達(dá)265.34萬km²，占國土總面積的^27.64%。定量評估水土流失發(fā)生、發(fā)展過程，對制定科學(xué)合理的水土流失綜合防治措施具有重要意義。含沙量是衡量水土流失的基本參數(shù)之一，及時準(zhǔn)確地獲取含沙量可為規(guī)劃、設(shè)計、評估水土保持項目，制定水土流失防控決策提供科學(xué)依據(jù)。

含沙量測量方法分為直接測量法和間接測量法。直接測量法主要為傳統(tǒng)的烘干稱重法^[1]，是目前較為精準(zhǔn)的一種含沙量監(jiān)測方法，但是需要人工取樣并烘干后稱重測量，因此測量耗時長且效率低。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光電法、濁度法、γ射線法、振動法、超聲波法、電容法等許多間接測量法相繼出現(xiàn)，這些間接測量法在快速獲取測量數(shù)據(jù)、提高測量精度的同時，也存在一些缺點。比如，光電法的測量結(jié)果受泥沙顆粒的大小、形狀和顏色影響較大^[2]；γ射線法測量精度高、范圍廣^[3]，但是由于放射源產(chǎn)生放射污染，因此安全防護(hù)困難，無法廣泛使用^[4]；振動法測量穩(wěn)定性較差，且儀器體積較大^[5]；超聲波法只適用于低含沙量監(jiān)測^[6]；電容法由于電容傳感器易受環(huán)境溫度影響，因此仍處在理論研究階段^[7]。為進(jìn)一步提高含沙量的測量精度，國內(nèi)許多研究團(tuán)隊設(shè)計并研發(fā)了含沙量監(jiān)測儀器，如曾為軍等^[8]設(shè)計的以計時法和光照法為原理的坡面徑流量和含沙量監(jiān)測儀器，可以在野外現(xiàn)場進(jìn)行自動測量，提高了測量的實時性，但測量結(jié)果容易受到光源和泥沙分布均勻度的影響^[9]。本研究團(tuán)隊研制的基于稱重原理的新型徑流泥沙監(jiān)測儀器，包括適用于坡面的徑流泥沙自動監(jiān)測儀和需要人工采樣、容積恒定的便攜式徑流泥沙監(jiān)測儀。相較于間接測量法，新型徑流泥沙監(jiān)測儀器可克服泥沙顆粒大小對測量結(jié)果的影響^[10-12]。

鑒于不同監(jiān)測方法和儀器的徑流泥沙測量數(shù)據(jù)存在差異性，而目前大多數(shù)研究在測定含沙量時只采用一種方法或儀器，關(guān)于不同監(jiān)測方法和儀器的測量精度和準(zhǔn)確度的對比研究較少，因此本研究對比分析了在不同徑流量和含沙量梯度下，徑流泥沙自動監(jiān)測儀、便攜式徑流泥沙監(jiān)測儀和濁度計3種儀器的測量精度和準(zhǔn)確度，以期能為在不同徑流量和泥沙含量場景下選擇最合適的徑流泥沙監(jiān)測方法和儀器提供依據(jù)。

1 試驗設(shè)計和方法

1.1 徑流泥沙監(jiān)測儀器

本研究使用的監(jiān)測儀器和方法包括：①徑流泥沙自動監(jiān)測儀[見圖1（a）]，徑流量測量范圍為0～^{5 L/s}，含沙量測量范圍為0～1 000 kg/m³；②便攜式徑流泥沙監(jiān)測儀[見圖1（b）]，僅能測量含沙量，含沙量測量范圍為0～1 000 kg/m³；③濁度法，采用美國哈希公司生產(chǎn)的HACH2100Q型濁度計[見圖1（c）]，含沙量測量范圍為0～400 kg/m³。

1.2 試驗設(shè)計

試驗在黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室人工模擬徑流大廳進(jìn)行，采用容積為1 m³并帶有電磁流量計的徑流泥沙發(fā)生器模擬徑流泥沙過程，并以電磁流量計值為徑流量真實值，以基于烘干稱重法得到的含沙量為含沙量真實值。試驗土壤采自陜西省咸陽市楊陵區(qū)，地理坐標(biāo)為34°17′N，108°04′E的0～20 cm耕層土壤，為粉黏土，土壤有機碳含量為^3.25 g/kg，土壤含水率為2.67%，土壤砂粒、粉粒和黏粒含量分別為27%、57%和16%。試驗土壤用孔徑10 mm篩子篩分后，按相應(yīng)比例加入泥沙發(fā)生器中，再將徑流泥沙發(fā)生器產(chǎn)生的徑流泥沙直接導(dǎo)入徑流泥沙自動監(jiān)測儀，進(jìn)行含沙量和徑流量監(jiān)測，并使用徑流桶收集排出的所有樣品。對收集樣品充分?jǐn)嚢韬蠓謩e使用便攜式徑流泥沙監(jiān)測儀和濁度計進(jìn)行含沙量監(jiān)測，其中便攜式徑流泥沙監(jiān)測儀取樣測量后將樣品重新全部倒入徑流桶中，再次攪拌后取出1 L的樣品，采用烘干稱重法進(jìn)行含沙量監(jiān)測。

依據(jù)我國河流徑流量和含沙量的基本情況，本研究設(shè)置10個含沙量梯度，分別為1、2、5、10、50、100、200、300、400、500 kg/m³；設(shè)置4個徑流量梯度，分別為^0.5、1、2、3 L/s。每個處理重復(fù)測量5次，通過對測量數(shù)據(jù)與真實徑流量、含沙量進(jìn)行對比，分析不同含沙量梯度中各監(jiān)測儀器的測量準(zhǔn)確度。此外，對含沙量梯度分別為1、500 kg/m 徑流量梯度分別為0.5、3 L/s的樣品重復(fù)測量50次，用于分析低含沙量、高含沙量、低徑流量、高徑流量條件下不同監(jiān)測儀器的測量結(jié)果精度。

1.3 統(tǒng)計分析

本研究利用Excel、SPSS軟件，統(tǒng)計徑流泥沙自動監(jiān)測儀、便攜式徑流泥沙監(jiān)測儀和濁度計測量結(jié)果，并對比分析測量結(jié)果的精度和準(zhǔn)確度。

1）通過將測量結(jié)果與真實值進(jìn)行回歸分析來表征測量準(zhǔn)確度，選擇相對誤差（Relative Error）和均方根誤差（Root Mean Squared Error）進(jìn)行評價。其中，相對誤差越接近0，表示準(zhǔn)確度越高；均方根誤差越小，表示準(zhǔn)確度越高。

2）以重復(fù)測量結(jié)果的離散程度表征測量精度，離散程度越小，表示測量精度越高。將重復(fù)測量結(jié)果進(jìn)行K-S檢驗，通過K-S檢驗表明數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，越與正態(tài)分布接近表明數(shù)據(jù)離散程度越小，精度越高；并選擇標(biāo)準(zhǔn)差（Standard Deviation）進(jìn)行評價，標(biāo)準(zhǔn)差越小，表示數(shù)據(jù)分布越集中，離散程度越小，精度越高。

2 結(jié)果與分析

2.1 含沙量測量準(zhǔn)確度分析

各含沙量梯度中不同監(jiān)測儀器的測量結(jié)果及烘干稱重法測量結(jié)果均值見表1。由表1可知，①含沙量梯度為1、2、5 kg/m³時，3種儀器測量值與真實值均無顯著性差異。②含沙量梯度為10、50、100、200、300 ^kg/m3時，濁度計的測量值與真實值、徑流泥沙自動監(jiān)測儀和便攜式徑流泥沙監(jiān)測儀的測量值均存在顯著差異，而徑流泥沙自動監(jiān)測儀和便攜式徑流泥沙監(jiān)測儀的測量值與真實值均無顯著差異。這可能是由于濁度計測量值受徑流泥沙顆粒大小、形狀的影響較大，隨著含沙量的升高，樣品中的泥沙顆粒較大且無法完全分散，因此影響濁度計測量結(jié)果。③含沙量梯度為400、500 kg/m³時，徑流泥沙自動監(jiān)測儀測量值與真實值無顯著差異，而便攜式徑流泥沙監(jiān)測儀測量值與真實值、徑流泥沙自動監(jiān)測儀測量值存在顯著差異。雖然含沙量梯度為400 kg/m³時，含沙量真實值為395.49 kg/m 未超出濁度計的測量范圍（0～400 kg/m³），但是此時濁度計已無法正常工作。

對各監(jiān)測儀器的測量值與真實值進(jìn)行回歸分析，結(jié)果見圖2，發(fā)現(xiàn)徑流泥沙自動監(jiān)測儀、便攜式徑流泥沙監(jiān)測儀和濁度計的回歸系數(shù)分別為1.01、1.01和^1.02，R²均大于0.99，表明3種監(jiān)測儀器的測量值與真實值均具有較好的一致性；均方根誤差分別為^3.58、4.42、5.10 kg/m 徑流泥沙自動監(jiān)測儀的準(zhǔn)確度最高。進(jìn)一步分析不同監(jiān)測儀器的測量值與真實值的相對誤差，結(jié)果見圖3。徑流泥沙自動監(jiān)測儀測量值的相對誤差為-1.89%～4.61%，平均值為^2.27%；便攜式徑流泥沙監(jiān)測儀測量值的相對誤差為^-3.05%～^5.38%，平均值為3.63%；濁度計測量值的相對誤差為-2.05%～6.84%，平均值為4.06%。徑流泥沙自動監(jiān)測儀、便攜式徑流泥沙監(jiān)測儀和濁度計相對誤差為^-4%～4%的樣品分別占樣品總數(shù)的80%、80%和50%。從整體來看，徑流泥沙自動監(jiān)測儀準(zhǔn)確度最高，其次是便攜式徑流泥沙監(jiān)測儀，最后是濁度計。具體來說，當(dāng)含沙量較低時，3種監(jiān)測儀器均具有較好的測量準(zhǔn)確度；隨著含沙量的增高，濁度計測量準(zhǔn)確度逐漸低于徑流泥沙自動監(jiān)測儀和便攜式徑流泥沙監(jiān)測儀；當(dāng)含沙量超過400 kg/m³時，徑流泥沙自動監(jiān)測儀的測量準(zhǔn)確度優(yōu)于便攜式徑流泥沙監(jiān)測儀。

2.2 含沙量測量精度分析

徑流泥沙自動監(jiān)測儀、便攜式徑流泥沙監(jiān)測儀和濁度計重復(fù)測量結(jié)果的分布情況見圖4。3種儀器的重復(fù)測量結(jié)果均通過了K-S檢驗，呈正態(tài)分布，表明3種監(jiān)測儀器均具有較高的測量精度。

當(dāng)含沙量真實值為0.86 kg/m³時，徑流泥沙自動監(jiān)測儀、便攜式徑流泥沙監(jiān)測儀和濁度計重復(fù)測量均值分別為^0.83、0.86、0.85 kg/m 標(biāo)準(zhǔn)差分別為^0.03、0.05、0.06 kg/m³。整體來看，低含沙量條件下徑流泥沙自動監(jiān)測儀的測量精度最高。其原因可能是便攜式徑流泥沙監(jiān)測儀需要人工采樣，會造成一定的測量誤差；濁度計在測量時需要將探測頭插入樣品中，不同的插入深度會引起測量誤差。當(dāng)含沙量真實值為475.47 kg/m³時，徑流泥沙自動監(jiān)測儀、便攜式徑流泥沙監(jiān)測儀重復(fù)測量均值分別為471.54、^468.58 kg/m 標(biāo)準(zhǔn)差分別為3.52、3.98 kg/m³。整體來看，高含沙量條件下徑流泥沙自動監(jiān)測儀的測量精度優(yōu)于便攜式徑流泥沙監(jiān)測儀。其原因可能是高含沙量條件下樣品很難攪拌均勻，造成便攜式徑流泥沙監(jiān)測儀取樣難度增加，測量精度下降。

2.3 徑流量測量精度和準(zhǔn)確度分析

經(jīng)統(tǒng)計，在低徑流量條件下，徑流量真實值為^0.52 L/s，徑流泥沙自動監(jiān)測儀重復(fù)測量結(jié)果均值為^0.47 L/s，標(biāo)準(zhǔn)差為0.04 L/s；在高徑流條件下，徑流量真實值為2.98 L/s，徑流泥沙自動監(jiān)測儀重復(fù)測量結(jié)果均值為2.94 L/s，標(biāo)準(zhǔn)差為0.10 L/s，數(shù)據(jù)分布均通過K-S檢驗，符合正態(tài)分布[見圖5（a）和圖5（b）]，表明徑流泥沙自動監(jiān)測儀在低徑流量和高徑流量條件下均有較高的測量精度。對各徑流梯度的徑流量真實值和徑流泥沙自動監(jiān)測儀測量值進(jìn)行回歸分析，回歸系數(shù)為^0.96，R2大于0.99，均方根誤差為^0.04 L/s[見圖5（c）]；相對誤差均值為3.63%，相對誤差小于5%的樣品數(shù)量占總數(shù)的75%以上[見圖5（d）]。以上結(jié)果表明，徑流泥沙自動監(jiān)測儀具有較高的測量準(zhǔn)確度。

3 結(jié)論

1）含沙量梯度為1、2、5 kg/m³時，3種儀器測量值與真實值均無顯著性差異；含沙量梯度為10、50、100、200、300 kg/m³時，濁度計的測量值與真實值存在顯著性差異，而徑流泥沙自動監(jiān)測儀和便攜式徑流泥沙監(jiān)測儀的測量值與真實值均無顯著差異；含沙量接近400 kg/m³時，濁度計已無法正常工作，含沙量梯度為400、500 kg/m³時，便攜式徑流泥沙監(jiān)測儀測量值與真實值存在顯著差異，而徑流泥沙自動監(jiān)測儀測量值與真實值均無顯著性差異。含沙量較低時，3種儀器的測量準(zhǔn)確度均較高，隨著含沙量的增高，濁度計和便攜式徑流泥沙監(jiān)測儀的準(zhǔn)確度下降，而徑流泥沙自動監(jiān)測儀在各含沙量梯度的測量中均具有較高的測量準(zhǔn)確度?；貧w分析結(jié)果表明3種儀器的測量結(jié)果與真實值均具有較好的一致性，徑流泥沙自動監(jiān)測儀、便攜式徑流泥沙監(jiān)測儀和濁度計測量相對誤差平均值分別為^2.27%、3.63%和4.06%，相對誤差為-4%～4%的樣品數(shù)量分別占樣品總數(shù)的80%、80%和50%，可見徑流泥沙自動監(jiān)測儀測量準(zhǔn)確度最高，其次是便攜式徑流泥沙監(jiān)測儀，最后是濁度計。

2）徑流泥沙自動監(jiān)測儀、便攜式徑流泥沙監(jiān)測儀和濁度計的重復(fù)測量值分布情況均通過了K-S檢驗，呈正態(tài)分布，表明3種監(jiān)測儀器均具有較高的測量精度。在低含沙量條件下，徑流泥沙自動監(jiān)測儀的測量精度最高，其次為便攜式徑流泥沙監(jiān)測儀，最后為濁度計；在高含沙量條件下，徑流泥沙自動監(jiān)測儀的測量精度優(yōu)于便攜式徑流泥沙監(jiān)測儀。

3）徑流泥沙自動監(jiān)測儀在低徑流量和高徑流量條件下均有較高的測量精度；徑流量測量值與真實值的相對誤差均值為3.63%，相對誤差小于5%的樣品數(shù)量占總數(shù)的75%以上，徑流泥沙自動監(jiān)測儀具有較高的測量準(zhǔn)確度。

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