1引言

土壤侵蚀中的径流泥沙含量是衡量水土流失的重要参数之一,径流泥沙含量的测定对土壤侵蚀研究和水土流失治理具有重要意义[122]。“烘干称重法”作为泥沙含量测量的传统方法,同时也是精度最高的方法,在测量之前首先需要对径流进行采样,并且采样的好坏直接影响测量结果的精度[3]。目前应用于坡面径流采样的方法与装置主要是集水池法及多孔分流装置,属于集总式测量。随着生态环境科学,以及分布式流域水文学的不断发展,需要对坡面径流过程及侵蚀过程进行分布式监测与管理,由于目前传统的采集方法不易对坡面径流进行分段化处理,很难对坡面侵蚀的动态过程进行自动连续监测,同时传统的径流采样方法所引起的系统误差已不能满足日新月异的科学需要。为了解决这个问题,自行设计了一种分布式自动水样采集及流量测量装置,该装置能够连续进行径流样品采集,并记录坡面径流的动态过程,同时具有结构简单,操作方便的优点,运用该装置可以很好的解决坡面径流样品的分布式自动采集及流量测量问题,为小流域坡面土壤侵蚀的动态过程研究提供技术支撑。

2径流水样采样与流量测定的功能要求

为了满足对坡面径流过程及侵蚀过程进行分布式监测与管理,采集装置的设计必须考虑以下因素:(1)坡面径流流量过程的自动测定,包括径流的开始时间、停止时间及任一时刻的径流流量;(2)坡面径流水样的分布式采集,包括每一水样的采集时间、采集量,单次采集量的大小可以提前预设;(3)水样的采集不影响径流流量过程的测定;(4)该装置主要应用于野外实验监测中,因此应尽量减少对外来动力的依赖;(5)水样采集一次循环结束时应将采集装置关闭,以避免采样重复。

3径流测定及采样装置的功能设计

3·1采样装置的结构组成

坡面径流测定及采集装置如图1所示,主要由翻斗式流量传感器、脉冲发生器、打点式计数器及分布式水样采集器4部分构成。其中,翻斗式流量传感器主要由集水漏斗、对称式集水翻斗、翻转轴及集水量调节螺栓构成;脉冲发生器主要由凸轮盘和凸轮凸起构成;打点式计数器主要由时钟、时钟旋转盘、滑槽、销轴、螺杆、螺母、螺母支架、记录纸、卷筒构成,记录纸设置于卷筒上,卷筒的中心固定有螺杆,在时钟转盘的弹簧发条驱动及滑槽与固定螺母的约束下,表面覆有记录纸的卷筒在转动的同时还上下运动。分布式水样采集器主要由棘轮转盘、棘爪壁、分水盘、集水容器及销钉构成,弹簧发条驱动棘轮转盘旋转,销钉防止装置进行重复采样,棘爪壁阻止棘轮转盘转动,棘轮转盘设置流道对应分水盘外边缘上均布的分水槽,每一分水槽开孔与下方的一个集水容器通过软管进行连通,为了节省空间,集水容器呈正方形布置。集水翻斗设置于支架的翻转轴上,翻转轴2侧分别设置凸轮盘,凸轮盘上凸起触点分别与设置于框架上的记录笔触点及棘爪触点相接触。集水翻斗每翻转一次,打点式记录笔尾部的动滑轮挤压一次,而头部将在记录纸上打一个点,并在复位弹簧的作用下恢复到原来位置;同时棘爪臂抬起一次,棘轮转盘转过一定角度,径流经集水漏斗、集水翻斗、分水槽进入集水容器。

3·2工作原理

坡面径流采集装置主要分为水动部分和转动部分,水动部分由集水翻斗驱动棘爪臂抬起和记录笔打点;转动部分由弹簧发条驱动棘轮盘旋转、时钟的发条驱动记录纸旋转。水动部分主要结构是由2个互为反向设置的集水翻斗支撑于翻转轴上构成。

3·2.1水样采集原理

在使用之前,首先通过调整销钉,使棘轮转盘处于可转动状态,当发生降雨时,含有泥沙的坡面径流通过集水漏斗进入集水翻斗,当径流达到一定量时,集水翻斗便会在力矩的作用下翻转到另一侧,安装在两个集水翻斗翻转轴侧面的凸轮盘触点将挤压一次棘爪臂触点,棘爪臂抬起使棘轮盘转动一格,随后棘爪臂将在复位弹簧的作用下恢复到原来的状态;同时集水翻斗内的水将通过棘轮盘的水道进入分水盘的一个分水槽内,然后再通过连接分水槽与集水容器的软管进行集水容器中。分水盘圆周均布很多个分水槽,每一个分水槽都有软管连通到框架下方设置的集水容器,因此在集水翻斗多次翻转过程中,棘轮盘将不同的转动,当棘轮盘转动一周的时候,即可收集到坡面径流不同时段的水样,同时由于销钉的作用,棘轮盘不再随着集水翻斗的翻转而转动。在实际应用中,设定棘轮盘棘轮齿数和分水盘的分水槽数,再设定集水翻斗的翻转容积,得到单位时间采集的水样可对坡面径流在大雨中水土流失情况做出分析测定。

3·2.2流量测定原理

利用集水翻斗自动翻转的动力驱动翻转轴上的凸轮盘的凸轮触点挤压一次记录笔的触点,随即记录笔将在记录纸上完成一次打点任务,当瞬时挤压外力消失后,记录笔将在复位弹簧的作用下恢复到原来的状态。同时,被测水流注入另一个集水翻斗内,从而保证水流监测的连续性。本装置的记录纸运转部分主要包括时钟发条驱动记录纸卷筒水平旋转;记录纸卷筒中间设置螺杆轴在螺母的作用下,螺杆轴以固定螺距作上下运动,这样记录纸就可以时间为单位同时作水平和垂直的相对运动;记录笔随着被测水流流量的大小,变换打点频率,产生的打点轨迹以螺旋曲线的形状被反应在记录纸上,实现对径流流量的连续记录。在实际应用中,设定时钟分针上的齿轮齿数和记录纸卷筒的周长和高度,螺杆轴的螺距,则得到记录纸的连续使用时间。再设定集水翻斗的翻转容积,得到记录笔打点的距离分辨率或时间分辨率。当记录纸走到尽头,可人工将螺杆轴复位,开始下一记录周期[4]。

4结论

坡面径流水样采集及流量测量装置集径流水样采集与流量过程测定于一体,能够实现无人看守情况下径流水样的分布式采集与流量过程的自动测定,在中国科学院太行山山地生态实验站坡面径流小区的径流过程及泥沙特性研究的实验中运行可靠、操作方便。它可以广泛应用于自然降雨及人工模拟降雨条件下坡面降雨径流关系与土壤侵蚀过程的实验研究,提高水文及水土保持的监测水平。

摘自：中国计量测控网