雷廷武 研究员中科院 水利部 水土保持研究所中国农业大学Email: leitingwu@cau.edu.cn13389276868

小流域、径流小区自动监测系统小流域、径流小区自动监测系统

移动土壤侵蚀实验室移动土壤侵蚀实验室

小小小小小小小小小小小小小小小小小小小小小小小小小小小小

泥沙观测

降雨量观测

水土流失观测的重点和难点

径流量观测

常用测量方法：人工或自动收集径流、烘干称量获得水土流失量

国内外泥沙监测现状

美国 Walnut Gulch小流域实验站， Arizona

国内外泥沙监测现状

红外接收管组

微处理器

信 号 放 大 ， 滤 波 ，A/D 转换

功率放大红外发射管组 电 源 信号接 口

单光源含沙量0.05~500 kg/m3

范围内，测量精度误差小于 5%

多波段新式探头组实现全泥沙测量 全泥沙（ 0.05-500kg/m3), 可以满

足黄河流域高含沙河流的泥沙观测

选取渭河、黄河主河道泥沙对泥沙传感器进行了标定验证

不同种类泥沙对光线的衰减特性

传感器的输出与设计泥沙含量的关系

测量原理Beer–Lambert law ：描述物质对单色光吸收强弱与溶层厚度和溶液浓度的关系。

KclII 100

5

4

6、

1

2 3

1 数据采集器2 连接线3 手柄4 光源5 接收感应器6 水流通道

透射式含沙量测量装置示意图

测量装置

含沙溶液

透射距离

红外线管发射阵

红外线管接收阵

现场微处理及通讯电路

透射式泥沙传感器结构示意图透射距离： 0.5 cm 1 cm 3 cm

A 部分： B 部分：

baxy '' dxcey

%100

c

cce

光的反射定律： 照射在含沙水流的光，一部分光线通过含沙水流透射，一

部分被水流及泥沙吸收，一部分被水流及泥沙反射。

%100

c

cce

实际含沙量与模型计算含沙量结果比较

（ a ） 1800 nm （ b ） 1940 nm

控制室

中转电话

计算机终端

野外卡口站

1

1

采集器

2 3

无线电传输

无线电传输电话线传输

1 2 3

1水位传感器2泥沙传感器3雨量传感器

主要性能指标： 泥沙测量误差： < 2% 、 流量测量误差：水文测量要求 最小采样间隔： 2-99 s 泥沙测量范围： 0.05~500 kg/m3 工作时间：可长期连续工作

自动测量系统集成自动测量系统集成结构示意结构示意

手机网络

径流泥沙径流泥沙 // 流量自动测量系统流量自动测量系统流量监测装置流量监测装置

径流泥沙径流泥沙 // 流量自动测量系统流量自动测量系统泥沙传感器与控制器泥沙传感器与控制器

径流泥沙径流泥沙 // 流量自动测量系统流量自动测量系统降雨观测与供电系统降雨观测与供电系统

径流泥沙径流泥沙 // 流量自动测量系统流量自动测量系统管理软件界面管理软件界面

可实现：数据采集远程传输室内计算分析

径流泥沙径流泥沙 // 流量自动测量系统流量自动测量系统管理软件界面管理软件界面 径流实时监测

径流泥沙径流泥沙 // 流量自动测量系统流量自动测量系统管理软件界面管理软件界面

径流实时监测历史数据报表存储

径流泥沙径流泥沙 // 流量自动测量系统流量自动测量系统小流域次降雨水沙过程模型计算小流域次降雨水沙过程模型计算

监测系统的应用状况监测系统的应用状况

松辽委安装 6 套系统，

已经运行 6-7 年运行状况良好

黄委甘肃天水水土保持监测站安装嵌套流域自动观测系统于 2010 年完成

流量小（量水堰观测误差太大） 无压水流（测量水压的流量计不能使用） 含沙水流 （针对清水流量测量的流量计使用困难）

径流小区观测特点

不能达到理想的精度要求不适合进行野外观测

集水池法 多孔分流法

翻斗式自计流量计法 Coshocton wheel water sampler

纯人工的方法受人为因素影响无法实现自动化观测

径流小区观测的现状

Coshocton wheel water sampler

径流小区泥沙流量自动观测系统野外测量装置 数据传输系统 管理软件

集成量水堰式称重感应式

与流域传输和管理系统通用

近红外法观测泥沙含量

拉力传感器监测径流管道拉力值

软管连接

拉力传感器

0 500 1000 1500 2000 2500m easured flow rate (m l/s)

0

500

1000

1500

2000

2500

com

pute

d flo

w r

ate

(ml/s

)

Y = 1.00386X

R 2 = 0.998979

优点：集成自动测量， 量程较大（与称重式比较）

浮子部件

导流部件

三角堰

可实现：数据采集远程传输室内计算分析

25 、 75 、 120mm/h10min 降雨产流过程对比

120mm/h 雨强 10min 历时与 15min 历时降雨产流过程对比

75mm/h 雨强 10min 历时 流域出口与各支沟出口产流过程对比

内蒙古四子王旗

北京师范大学房山径流试验场

湖南湘西

—— 集成量水堰式

北京师范大学房山径流试验场

黄委甘肃天水水土保持监测站——集成量水堰式

小小小小小小小小小小小小小小小小小小

便捷运输；便捷运输；快速组装；快速组装；自动控制；自动控制；自动测量：径流泥沙；自动测量：径流泥沙；无线远程传输。无线远程传输。

降雨系统降雨系统降雨量、径流及泥沙自动测量系统降雨量、径流及泥沙自动测量系统自动控制操作平台自动控制操作平台无线数据传输系统无线数据传输系统水箱、动力配电、水泵及径流场封闭水箱、动力配电、水泵及径流场封闭围挡系统等配套设施围挡系统等配套设施

喷头：采用 sprinⅡ、Ⅲ、Ⅳ型旋转式垂直下喷喷头

组合，雨强变化连续，调节范围宽

有效实验区： 5 m×10 m

降雨均匀度好：采用以喷头喷洒半径为喷头组间

距，菱形等边距布设喷头组，喷头组与相邻喷头组3重叠加

3m

1.7m

1.7m

1.47m

开关阀

快速接头

0.85m

主供水管

支撑杆

喷头组

2.94m喷 头部 件1

喷 头部 件2

喷 头部 件3

采集、存储并远程发送泥沙含量及流量数据采集、存储并远程发送泥沙含量及流量数据

产流产沙分析计算及模型预报产流产沙分析计算及模型预报

降雨面积： 5×10 m降雨高度： 3 m降雨均匀度： 80%雨强变化范围： 38~195 mm/h降雨控制方式：手动操作、自动控制径流场封闭围挡面积： 5×10 m100 mm/h雨强连续降雨： 1 h水箱储水量： 5 m3

最大连续发电时间： 8 h

流量测量范围： 3~2400 3~2400 ml/sml/s，误差小于误差小于 4 4 ml/sml/s

泥沙含量测量范围： 0.1~500 kg/m3，误差小于 5%

采样频率：采样频率： 20~500 20~500 ss

发电机功率： 5 kw

实验室距径流场最大距离： 200m

日期： 2010 年 08 月 07 日 09 ： 00~13 ：00地点：陕西省咸阳市武功县武功镇地理坐标： 34°19′32.07″N

108°06′13.03″E天气：晴；微风； 28~33℃

移动式人工模拟降雨 -土壤侵蚀综合实验集成系统方便、快捷、准确、可靠适合不同野外现场 条件具备野外现场不同降雨 条件下土壤侵蚀实验完整条件