《坡面径流小区径流泥沙监测技术规范》编制说明.docx
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《坡面径流小区径流泥沙监测技术规范》编制说明
《坡面径流小区径流泥沙监测技术规范》
地方标准编制说明
江西省水利科学院
2021年5月
《坡面径流小区径流泥沙监测技术规范》
地方标准编写编制说明
一、任务来源
2020年6月30日，根据江西省市场监督管理局下达的2020年度第三批江西省地方标准制修订计划，由江西省水土保持科学研究院申请的地方标准《坡面径流小区径流泥沙监测技术规范》获批准立项。
本标准由江西省水利厅提出并归口，江西省水土保持科学研究院负责起草，2021年1月，因事业单位机构改革，本标准现由江西省水利科学院负责起草并制定。
二、编制本标准的必要性
径流小区监测法是水土保持监测中一种重要且应用最广泛的方法。
近年来，随着水土保持动态监测的需要，径流小区应用于水土保持监测也进入高速发展期，水土保持监测中心中心站、省级监测总站及监测分站构成的三级水土保持监测体系建立完成，截止2015年共建成738个监测点，径流小区广泛分布于我国各省市各种土壤类型的水蚀监测中。
此外，国家野外站观测研究网络、中国生态研究网络、水土保持科研机构等部门都建有径流小区观测试验场。
径流小区监测法中径流、泥沙是最重要的观测指标，是水土保持试验中定量研究水土流失的重要内容，为水土保持监测提供科学的数据成果的同时，为水土保持科学研究、水土保持防治技术、综合效益评价提供基础。
目前，我国径流小区监测法主要参考北方黄土高原的经验，也有一些水土保持监测规程规范等，但在规程规范中对各地径流小区监测中一些具体的技术问题尚不明确，如未明确人工搅拌法取样深度、取样体积、取样次数等具体操作，致使径流小区监测法技术规范不完善，各地径流小区监测中具体操作存在差异，监测数据误差较大。
因此，制定《坡面径流小区径流泥沙监测技术规范》对于提高坡面径流小区中径流泥沙监测精度具有重要现实意义。
三、编制原则与依据
1.编制原则
编制遵循“创新性、实用性、统一性”的原则，坚持生态建设优先，贯彻“以人为本、人与自然和谐共处、可持续发展”的理念。
以南方红壤地区径流小区泥沙观测技术研究为基础，收集径流泥沙取样流程、取样方法等资料，以及国内外泥沙采样技术的相关成果，按照《标准化工作导则》（GB/T1.1－2020）的要求，编制完成本标准，为科学指导坡面径流小区径流泥沙监测技术应用推广示范提供支持。
2.主要依据
本标准依据起草组成员具有多年径流小区泥沙采样和相关业务经验，经过科学的总结、梳理和提炼而成。
规范在编制过程中，参考的技术文件及技术规范主要包括：
GB/T15772-2008水土保持综合治理规划通则
GB/T20465-2006水土保持术语
LY/T1213-1999森林土壤含水量的测定
SL21-2015降水量观测规范
SL247-2012水文资料整编
SL277-2002水土保持监测技术规程
SL342-2006水土保持监测设施通用技术条件
SL419-2007水土保持试验规程
SL513-2011水土保持数据库表结构及标识符
本标准与现行法律、法规和强制性标准没有冲突。
四、主要工作过程
1.试验研究
（1）试验用土
试验用土采自于江西水土保持生态科技园，该园区地处鄱阳湖水系德安县燕沟小流域（东经115°42′38″-115°43′06″,北纬29°16′37″-29°17′40″），位于我国红壤中心区域，其土壤条件及地形条件在南方红壤区具有代表性。
选取园内连续观测坡耕地径流小区作为采集点，小区规格为20m（顺坡方向）×5m，作物种植方式为大豆/花生—油菜轮作，土壤母质为第四纪红色黏土，成土厚度在1.5m左右，耕作层厚度为0~20cm左右，本试验用土均为耕层土，经过自然风干后过筛（5mm）备用。
经测定，土壤理化性质如下：
黏粒含沙量为32.24%，粉粒含量为57.83%，砂粒含量为9.94%，碱解氮含量为24.95mg/kg，有机质含量为6.40g/kg，速效磷含量为1.89mg/kg。
（2）试验设计
据江西水土保持生态科技园坡耕地径流小区2012年-2016年5年的径流泥沙监测数据显示：
集流桶A桶含沙量均在500kg/m3以下，以低含沙量（0~50kg/m3）分布为主，约占全年样本数98%以上，1~5kg/m3为含沙量分布最密集区间，约占总样本39.19%；B桶含沙量均在50kg/m3以下，0-5kg/m3含沙量占79%；C桶含沙量均在5kg/m3以下。
根据历年径流小区径流桶观测径流泥沙数据，综合考虑到发生频率高的低含沙量事件和频率低但年度泥沙贡献大的高含沙量事件，本试验集流桶含沙量设置为1kg/m3、5kg/m3、10kg/m3、50kg/m3、100kg/m3、500kg/m36个水平；搅拌方法设置为人工搅拌、机械搅拌；取样方法设置为人工取样法和全剖面取样法；搅拌时间设置为30s、1min、3min、5min，4个水平；取样时间设置为边搅拌边取样、搅拌完成10s后取样、搅拌完成30s后取样、搅拌完成60s后取样、搅拌完成90s后取样；取样体积设置为100ml、300ml、500ml、800ml、1000ml，5个水平；后期处理设置为不做静置处理、静置处理12h、静置处理24h3个水平。
（3）取样体积对测量误差的影响
通过对机械搅拌与人工搅拌两种方法在60cm水深、不同含沙量、不同取样体积条件下含沙量平均相对误差拟合分析（图1），两种取样方法在不同含沙量的条件下实测含沙量平均相对误差随取样体积的增大而减小；当取样体积大于等于800ml时，拟合曲线趋于平稳，平均相对误差较小，即实测含沙量接近于实际含沙量。
机械搅拌法：
含沙量为5.18kg/m3时，取样体积由100ml提升至1000ml，其相对平均误差总体减小了17.54%，其中：
取样体积由100ml提升至500ml，相对平均误差减小了9.91%；取样体积由500ml提升至1000ml，相对平均误差减小了7.63%。
含沙量为50.95kg/m3时，取样体积由100ml提升至1000ml，其相对平均误差总体减小了29.80%，其中：
取样体积由100ml提升至500ml，相对平均误差减小了13.64%；取样体积由500ml提升至1000ml，相对平均误差减小了16.17%。
含沙量为99.98kg/m3时，取样体积由100ml提升至1000ml，其相对平均误差总体减小了33.89%，其中：
取样体积由100ml提升至500ml，相对平均误差减小了9.81%；取样体积由500ml提升至1000ml，相对平均误差减小了24.08%。
在不同含沙量下，随取样体积的影响，平均相对误差总体减小了27.08%。
取样体积对测量精度的影响在高含沙量水平明显大于低含沙量水平。
人工搅拌法：
含沙量为5.18kg/m3时，取样体积由100ml提升至1000ml，其相对平均误差总体减小了45.92%，其中：
取样体积由100ml提升至500ml，平均相对误差增大了19.06%；取样体积由500ml提升至1000ml，相对平均误差减小了26.86%。
含沙量为50.95kg/m3时，取样体积由100ml提升至1000ml，其相对平均误差总体减小了34.53%，其中：
取样体积由100ml提升至500ml，相对平均误差减小了21.10%；取样体积由500ml提升至1000ml，相对平均误差减小了13.43%。
含沙量为99.98kg/m3时，取样体积由100ml提升至1000ml，其相对平均误差总体减小了37.36%，其中：
取样体积由100ml提升至500ml，100ml到500ml，相对平均误差增大了18.17%；取样体积由500ml提升至1000ml，相对平均误差增大了19.19%。
在不同含沙量下，随取样体积的增大，平均相对误差总体减小了39.27%。
取样体积对测量精度的影响在低含沙量水平明显大于高含沙量水平。
在不同含沙量、不同取样体积下，机械搅拌法的平均相对误差均小于人工搅拌法。
图1不同取样体积含沙量的平均相对误差对比
机械搅拌法：
通过实验数据所得标定方程预测值分析（表1），当含沙量为5.18kg/m3时，曲线拟合度最高，R2值为0.93，当含沙量为99.98kg/m3、50.95kg/m3时拟合曲线R2值分别为0.82、0.79，为此，机械搅拌法在不同含沙量下，拟合曲线R2值均高于0.79，。
不同含沙量下，800ml与1000ml标定平均相对误差差值均小于3%。
对比测量数据，当取样体积由100ml提高到500ml，含沙量由低到高标定平均相对误差的减小值分别为10.97%、17.24%、21.18%；当取样体积由500ml提高到1000ml时，含沙量由低到高标定平均相对误差的减小值分别为4.73%、7.42%、9.12%，在不同含沙量下标定曲线在取样体积达到500ml后，平均相对误差趋于稳定。
人工搅拌法：
通过实验数据所得标定方程预测值分析（表2），在不同含沙量下，拟合曲线R2均大于0.85，50.95kg/m3曲线拟合程度最好，R2为0.98，99.98kg/m3、50.95kg/m3拟合曲线R2值相同，其值均为0.87。
在中、高含沙量下，800ml与1000ml标定平均相对误差差值均小于3%，在低含沙量下，800ml与1000ml标定平均相对误差差值为4.1%。
对比测量数据，当取样体积由100ml提高到500ml，,含沙量由低到高标定平均相对误差的减小值分别为29.61%、22.36%、27.78%；当取样体积由500ml提高到1000ml，含沙量由低到高标定平均相对误差的减小值分别为12.75%、9.63%、11.96%在不同含沙量下标定曲线在取样体积达到500ml后，平均相对误差趋于稳定。
表1机械搅拌法取样体积标定方程
泥沙含量
/kg·m-3
标定曲线
R2
取样体积/ml
标定平均相对误差/%
5.18
y=-6.819ln（x）+65.938
0.93
100
34.54
300
27.04
500
23.56
800
20.36
1000
18.83
50.95
y=-10.71ln（x）+92.04
0.79
100
42.72
300
30.95
500
25.48
800
20.45
1000
18.06
99.98
y=-13.16ln（x）+103.31
0.82
100
42.71
300
28.25
500
21.53
800
15.34
1000
12.40
表2人工搅拌法取样体积标定方程
泥沙含量
/kg·m-3
标定曲线
R2
取样体积/ml
标定平均相对误差/%
5.18
y=-18.4ln（x）+144.35
0.87
100
59.61
300
39.40
500
30.00
800
21.35
1000
17.25
50.95
y=-13.89ln（x）+112.34
0.98
100
48.37
300
33.11
500
26.02
800
19.49
1000
16.39
99.98
y=-17.26ln（x）+136.69
0.87
100
57.20
300
38.24
500
29.43
800
21.31
1000
17.46
（4）搅拌时间对测量误差的影响
由图3可知，机械搅拌法与人工搅拌法两种方法在60cm水深、不同含沙量条件下测量的含沙量平均相对误差随搅拌时间的增大而减小。
机械搅拌法：
含沙量为5.18kg/m3时，当搅拌时间由30s提升至300s，其相对平均相对误差总体减小了6.02%，当搅拌时间由30s提升至60s，相对平均误差减小了3.50%，再由60s提升至180s，平均相对误差减小了0.11%，由180s提升至300s，相对平均误差减小了2.41%。
含沙量为50.95kg/m3时，当搅拌时间由30s提升至300s，其相对平均误差总体减小了7.97%，各个体积梯度平均相对误差的变化值为：
30s到60s，相对平均误差减小了5.04%；60s到180s，相对平均误差减小了1.80%；180s到300s，相对平均误差减小了1.14%。
含沙量为99.98kg/m3时，搅拌时间由100ml提升至1000ml，其相对平均误差总体减小了8.22%，各个体积梯度平均相对误差的变化值为：
30s到60s，相对平均误差减小了6.31%；60s到180s，相对平均误差减小了2.67%；180s到300s，相对平均误差增大了0.76%。
在不同含沙量下，随搅拌时间的影响，平均相对误差总体减小了7.40%。
取样体积对测量精度的影响在各个含沙量水平相近。
人工搅拌法：
含沙量为5.18kg/m3时，当搅拌时间由30s提升至300s，其相对平均误差总体减小了9.61%，当搅拌时间由30s提升至60s，相对平均误差减小了2.14%，再由60s提升至180s，平均相对误差减小了3.10%，由180s提升至300s，相对平均误差减小了4.37%。
含沙量为50.95kg/m3时，搅拌时间由30s提升至300s，其相对平均误差总体减小了38.60%，各个体积梯度平均相对误差的变化值为：
30s到60s，相对平均误差减小了24.86%；60s到180s，相对平均误差减小了11.70%；180s到300s，相对平均误差减小了2.04%。
含沙量为99.98kg/m3时，搅拌时间由100ml提升至1000ml，其相对平均误差总体减小了27.07%，各个体积梯度平均相对误差的变化值为：
30s到60s，相对平均误差减小了23.00%；60s到180s，相对平均误差增大了2.16%；180s到300s，相对平均误差减小了6.23%。
在不同含沙量下，随搅拌时间的影响，平均相对误差总体减小了25.10%。
取样体积对测量精度的影响在低含沙量水平明显小于中、高含沙量水平。
在任意相同含沙量条件下，提高搅拌时间其平均相对误差变化程度，人工搅拌法大于机械搅拌法。
图2机械搅拌法、人工搅拌法不同搅拌时间取样误差对比
实验数据所得拟合方程预测值见表3、表4；机械搅拌法不同含沙量下，拟合曲线平缓没有较大起伏，拟合曲线R2均大于0.75，50.95kg/m3曲线拟合程度最好，其R2为0.88；当搅拌时间从60s延长至180s时，平均相对误差的减小值，以含沙量从低到高分别为：
2.37%、3.48%、3.79%；从180s延长至300s时，相对平均误差的减小值分别为：
1.10%、1.62%、1.76%；当搅拌时间达到180s时，其取样误差趋于稳定。
人工搅拌法不同含沙量下，拟合曲线R2均大于0.65，5.18kg/m3曲线拟合程度最好，其R2为0.94；99.98kg/m3曲线拟合程度较差，其R2值为0.66；对比3条拟合曲线，5.18kg/m3拟合曲线最为平缓，50.95kg/m3、99.98kg/m3拟合曲线起伏较大。
当搅拌时间从60s延长至180s时，平均相对误差的减小值，以含沙量从低到高分别为：
4.26%、17.48%、10.35%；从180s延长至300s时，相对平均误差的减小值分别为：
1.10%、1.62%、1.76%；当搅拌时间达到180s时，其取样误差趋于稳定。
表3机械搅拌法搅拌时间标定方程
泥沙含量
/kg·m-3
标定曲线
R2
搅拌时间/s
平均相对误差/%
5.18
y=-2.159ln（x）+31.904
0.82
30
24.56
60
23.06
180
20.69
300
19.59
50.95
y=-3.171ln（x）+48.002
0.88
30
37.22
60
35.02
180
31.54
300
29.92
99.98
y=-3.448ln（x）+40.709
0.78
30
28.98
60
26.59
180
22.80
300
21.04
表4人工搅拌法搅拌时间标定方程
泥沙含量
/kg·m-3
标定曲线
R2
搅拌时间/s
平均相对误差/%
5.18
y=-3.882ln（x）+52.201
0.94
30
39.00
60
36.31
180
32.04
300
30.06
50.95
y=-15.91ln（x）+106.67
0.88
30
52.56
60
41.53
180
24.05
300
15.92
99.98
y=-9.424ln（x）+78.657
0.66
30
46.60
60
40.07
180
29.72
300
24.90
（5）取样间隔时间对测量误差的影响
机械搅拌法在60cm水深、不同含沙量、不同搅拌时间条件下相对误差拟合分析见图3，可知机械搅拌法在不同含沙量的条件下测量的平均相对误差随取样间隔时间的增大而增大，而后逐渐稳定。
5.18kg/m3、50.95kg/m3两条曲线变化趋势相似，相较于上述两条曲线，99.98kg/m3曲线较平缓，起伏程度小；在不同含沙量条件下提高取样间隔时间其平均相对误差变化程度由大到小为：
5.18kg/m3、50.95kg/m3、99.98kg/m3，其相对误差的变化值分别为45.53%、39.99%、19.33%，取样间隔时间对测量精度的影响在低、中含沙量水平大于高含沙量水平，增大含沙量会降低取样间隔时间对取样精度的影响；不同含沙量下，其平均相对误差的最小值均出现在取样间隔时间为0s。
图3机械搅拌法取样间隔时间取样误差对比
机械搅拌法取样间隔时间拟合曲线数据见表5，在不同含沙量条件下，将取样间隔时间从0s延长至10s时，取样误差的增大值均为各实验梯度的最大值，当取样间隔时间达到10s，提高取样间隔时间至30s，取样误差的增大值不大于8%；达到30s后，取样误差趋于稳定，再次提高取样间隔时间，其平均相对误差的变化值不超过3%。
表5机械搅拌法取样间隔时间拟合数据表
泥沙含量
/kg·m-3
标定曲线
R2
取样间隔时间/s
平均相对误差/%
5.18
y=3.605ln（x）+40.417
0.82
0
23.82
10
48.72
30
52.68
60
55.18
90
56.64
50.95
y=4.0632ln（x）+33.402
0.84
0
14.69
10
42.76
30
47.22
60
50.04
90
51.69
99.98
y=1.652ln（x）+34.104
0.53
0
26.50
10
37.91
30
39.72
60
40.87
90
41.54
（6）样品静置时间与测量误差的关系
制备样品烘干处理后，所得平均相对误差分析见图4，在不同含沙量条件下，样品平均相对误差均小于3.0%；在不同静置时间条件下，平均相对误差无明显变化；对比不同含沙量平均相对误差均值由大到小依次为1kg/m3、50kg/m3、10kg/m3，其值分别为2.37%、0.37%、0.3%，均小于3%。
图4样品静置时间测量误差对比
2.技术推广
该项目的研究成果已在江西省水土保持生态科技园实践施用，使用后的径流泥沙观测数据与之前相比其精度明显提高。
五、标准实施后的效益
一方面优化了采样流程，减少了重复性工作的工作量，减少了人力劳工的费用，节约了时间与劳动力的投入。
另一方面在采样规程实践后，大幅度提高了采样的精度，测量误差由40%缩小到20%。
对相关工作人员进行简单的培训后即可开展径流小区泥沙观测。
数据精度的提升，加快了科研事业的进展，完善了径流小区泥沙观测的标准规程。
六、国际国内同类标准情况
经多方查新，国内外尚未有这方面标准制定发布的报道。
七、与现行有关法律、法规和强制性标准的关系
本标准（送审稿）是在国家相关的法规和强制性标准的基础上结合地方实际情况制定出来的，因此与现行法律法规没有冲突。
八、实施该标准的措施建议
本标准适用于坡面径流小区的径流泥沙监测，建议发布实施过程中要严格按照在本标准规定区域下应用，另外还应加强技术培训，使广大技术人员掌握本技术标准，并在生产上实际应用。
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