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1引言 土壤侵蝕中的徑流泥沙含量是衡量水土流失的重要參數(shù)之一,徑流泥沙含量的測定對土壤侵蝕研究和水土流失治理具有重要意義[122]。“烘干稱重法”作為泥沙含量測量的傳統(tǒng)方法,同時(shí)也是精度最高的方法,在測量之前首先需要對徑流進(jìn)行采樣,并且采樣的好壞直接影響測量結(jié)果的精度[3]。目前應(yīng)用于坡面徑流采樣的方法與裝置主要是集水池法及多孔分流裝置,屬于集總式測量。隨著生態(tài)環(huán)境科學(xué),以及分布式流域水文學(xué)的不斷發(fā)展,需要對坡面徑流過程及侵蝕過程進(jìn)行分布式監(jiān)測與管理,由于目前傳統(tǒng)的采集方法不易對坡面徑流進(jìn)行分段化處理,很難對坡面侵蝕的動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測,同時(shí)傳統(tǒng)的徑流采樣方法所引起的系統(tǒng)誤差已不能滿足日新月異的科學(xué)需要。為了解決這個(gè)問題,自行設(shè)計(jì)了一種分布式自動(dòng)水樣采集及流量測量裝置,該裝置能夠連續(xù)進(jìn)行徑流樣品采集,并記錄坡面徑流的動(dòng)態(tài)過程,同時(shí)具有結(jié)構(gòu)簡單,操作方便的優(yōu)點(diǎn),運(yùn)用該裝置可以很好的解決坡面徑流樣品的分布式自動(dòng)采集及流量測量問題,為小流域坡面土壤侵蝕的動(dòng)態(tài)過程研究提供技術(shù)支撐。 2徑流水樣采樣與流量測定的功能要求 為了滿足對坡面徑流過程及侵蝕過程進(jìn)行分布式監(jiān)測與管理,采集裝置的設(shè)計(jì)必須考慮以下因素:(1)坡面徑流流量過程的自動(dòng)測定,包括徑流的開始時(shí)間、停止時(shí)間及任一時(shí)刻的徑流流量;(2)坡面徑流水樣的分布式采集,包括每一水樣的采集時(shí)間、采集量,單次采集量的大小可以提前預(yù)設(shè);(3)水樣的采集不影響徑流流量過程的測定;(4)該裝置主要應(yīng)用于野外實(shí)驗(yàn)監(jiān)測中,因此應(yīng)盡量減少對外來動(dòng)力的依賴;(5)水樣采集一次循環(huán)結(jié)束時(shí)應(yīng)將采集裝置關(guān)閉,以避免采樣重復(fù)。 3徑流測定及采樣裝置的功能設(shè)計(jì) 3·1采樣裝置的結(jié)構(gòu)組成 坡面徑流測定及采集裝置如圖1所示,主要由翻斗式流量傳感器、脈沖發(fā)生器、打點(diǎn)式計(jì)數(shù)器及分布式水樣采集器4部分構(gòu)成。其中,翻斗式流量傳感器主要由集水漏斗、對稱式集水翻斗、翻轉(zhuǎn)軸及集水量調(diào)節(jié)螺栓構(gòu)成;脈沖發(fā)生器主要由凸輪盤和凸輪凸起構(gòu)成;打點(diǎn)式計(jì)數(shù)器主要由時(shí)鐘、時(shí)鐘旋轉(zhuǎn)盤、滑槽、銷軸、螺桿、螺母、螺母支架、記錄紙、卷筒構(gòu)成,記錄紙?jiān)O(shè)置于卷筒上,卷筒的中心固定有螺桿,在時(shí)鐘轉(zhuǎn)盤的彈簧發(fā)條驅(qū)動(dòng)及滑槽與固定螺母的約束下,表面覆有記錄紙的卷筒在轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)還上下運(yùn)動(dòng)。分布式水樣采集器主要由棘輪轉(zhuǎn)盤、棘爪壁、分水盤、集水容器及銷釘構(gòu)成,彈簧發(fā)條驅(qū)動(dòng)棘輪轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn),銷釘防止裝置進(jìn)行重復(fù)采樣,棘爪壁阻止棘輪轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng),棘輪轉(zhuǎn)盤設(shè)置流道對應(yīng)分水盤外邊緣上均布的分水槽,每一分水槽開孔與下方的一個(gè)集水容器通過軟管進(jìn)行連通,為了節(jié)省空間,集水容器呈正方形布置。集水翻斗設(shè)置于支架的翻轉(zhuǎn)軸上,翻轉(zhuǎn)軸2側(cè)分別設(shè)置凸輪盤,凸輪盤上凸起觸點(diǎn)分別與設(shè)置于框架上的記錄筆觸點(diǎn)及棘爪觸點(diǎn)相接觸。集水翻斗每翻轉(zhuǎn)一次,打點(diǎn)式記錄筆尾部的動(dòng)滑輪擠壓一次,而頭部將在記錄紙上打一個(gè)點(diǎn),并在復(fù)位彈簧的作用下恢復(fù)到原來位置;同時(shí)棘爪臂抬起一次,棘輪轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)過一定角度,徑流經(jīng)集水漏斗、集水翻斗、分水槽進(jìn)入集水容器。 
3·2工作原理 坡面徑流采集裝置主要分為水動(dòng)部分和轉(zhuǎn)動(dòng)部分,水動(dòng)部分由集水翻斗驅(qū)動(dòng)棘爪臂抬起和記錄筆打點(diǎn);轉(zhuǎn)動(dòng)部分由彈簧發(fā)條驅(qū)動(dòng)棘輪盤旋轉(zhuǎn)、時(shí)鐘的發(fā)條驅(qū)動(dòng)記錄紙旋轉(zhuǎn)。水動(dòng)部分主要結(jié)構(gòu)是由2個(gè)互為反向設(shè)置的集水翻斗支撐于翻轉(zhuǎn)軸上構(gòu)成。 3·2.1水樣采集原理 在使用之前,首先通過調(diào)整銷釘,使棘輪轉(zhuǎn)盤處于可轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài),當(dāng)發(fā)生降雨時(shí),含有泥沙的坡面徑流通過集水漏斗進(jìn)入集水翻斗,當(dāng)徑流達(dá)到一定量時(shí),集水翻斗便會(huì)在力矩的作用下翻轉(zhuǎn)到另一側(cè),安裝在兩個(gè)集水翻斗翻轉(zhuǎn)軸側(cè)面的凸輪盤觸點(diǎn)將擠壓一次棘爪臂觸點(diǎn),棘爪臂抬起使棘輪盤轉(zhuǎn)動(dòng)一格,隨后棘爪臂將在復(fù)位彈簧的作用下恢復(fù)到原來的狀態(tài);同時(shí)集水翻斗內(nèi)的水將通過棘輪盤的水道進(jìn)入分水盤的一個(gè)分水槽內(nèi),然后再通過連接分水槽與集水容器的軟管進(jìn)行集水容器中。分水盤圓周均布很多個(gè)分水槽,每一個(gè)分水槽都有軟管連通到框架下方設(shè)置的集水容器,因此在集水翻斗多次翻轉(zhuǎn)過程中,棘輪盤將不同的轉(zhuǎn)動(dòng),當(dāng)棘輪盤轉(zhuǎn)動(dòng)一周的時(shí)候,即可收集到坡面徑流不同時(shí)段的水樣,同時(shí)由于銷釘?shù)淖饔?棘輪盤不再隨著集水翻斗的翻轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)動(dòng)。在實(shí)際應(yīng)用中,設(shè)定棘輪盤棘輪齒數(shù)和分水盤的分水槽數(shù),再設(shè)定集水翻斗的翻轉(zhuǎn)容積,得到單位時(shí)間采集的水樣可對坡面徑流在大雨中水土流失情況做出分析測定。 3·2.2流量測定原理 利用集水翻斗自動(dòng)翻轉(zhuǎn)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)翻轉(zhuǎn)軸上的凸輪盤的凸輪觸點(diǎn)擠壓一次記錄筆的觸點(diǎn),隨即記錄筆將在記錄紙上完成一次打點(diǎn)任務(wù),當(dāng)瞬時(shí)擠壓外力消失后,記錄筆將在復(fù)位彈簧的作用下恢復(fù)到原來的狀態(tài)。同時(shí),被測水流注入另一個(gè)集水翻斗內(nèi),從而保證水流監(jiān)測的連續(xù)性。本裝置的記錄紙運(yùn)轉(zhuǎn)部分主要包括時(shí)鐘發(fā)條驅(qū)動(dòng)記錄紙卷筒水平旋轉(zhuǎn);記錄紙卷筒中間設(shè)置螺桿軸在螺母的作用下,螺桿軸以固定螺距作上下運(yùn)動(dòng),這樣記錄紙就可以時(shí)間為單位同時(shí)作水平和垂直的相對運(yùn)動(dòng);記錄筆隨著被測水流流量的大小,變換打點(diǎn)頻率,產(chǎn)生的打點(diǎn)軌跡以螺旋曲線的形狀被反應(yīng)在記錄紙上,實(shí)現(xiàn)對徑流流量的連續(xù)記錄。在實(shí)際應(yīng)用中,設(shè)定時(shí)鐘分針上的齒輪齒數(shù)和記錄紙卷筒的周長和高度,螺桿軸的螺距,則得到記錄紙的連續(xù)使用時(shí)間。再設(shè)定集水翻斗的翻轉(zhuǎn)容積,得到記錄筆打點(diǎn)的距離分辨率或時(shí)間分辨率。當(dāng)記錄紙走到盡頭,可人工將螺桿軸復(fù)位,開始下一記錄周期[4]。 4結(jié)論 坡面徑流水樣采集及流量測量裝置集徑流水樣采集與流量過程測定于一體,能夠?qū)崿F(xiàn)無人看守情況下徑流水樣的分布式采集與流量過程的自動(dòng)測定,在中國科學(xué)院太行山山地生態(tài)實(shí)驗(yàn)站坡面徑流小區(qū)的徑流過程及泥沙特性研究的實(shí)驗(yàn)中運(yùn)行可靠、操作方便。它可以廣泛應(yīng)用于自然降雨及人工模擬降雨條件下坡面降雨徑流關(guān)系與土壤侵蝕過程的實(shí)驗(yàn)研究,提高水文及水土保持的監(jiān)測水平。 摘自：中國計(jì)量測控網(wǎng)
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