CN101603822B - 一种地表粗糙度的测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种地表粗糙度测量装置及测量方法。本发明的装置是：在支撑杆上固定有其顶端设有与外部连通的通道的其内盛放测量液体的容器，盛放测量液体的容器上还设有用柔性材料制成的连通容器内部的液体的连通管的一端，液体连通管的另一端与一个压力表连通，压力表固定于活动测杆上。本发明装置中所使用的测量液体可以是任一种液体物质，如酒精或液体油，也可以使用汞，本发明所用的测量液体最好使用水。

Description

一种地表粗糙度的测量装置

技术领域

本发明涉及一种地表粗糙度测量装置以及用这种装置进行测量的方法。确切讲本发明是一种用于测量路面、田地表面粗糙度的装置及测量方法。

背景技术

土壤表面的粗糙度是表征土壤水文特性和影响土壤性质的一个重要参数，路面的粗糙度也是表征路面平整特性的重要参数。粗糙的土壤表面增大了土壤表面积，可以蓄积部分降雨，减小风速，增加太阳的辐射面积，同时增加了土壤的蒸发量，减少土壤剖面水分。凹凸不平的路面对交通也有很大的影响。

地表粗糙度的测定方法通常有非接触式和接触式两种测定方式。非接触式测定方法是用激光扫描探测进行测量。这类测量方法所用的测量装置成本相对较高。接触式测定方法是在测定时仪器与地表接触，接触式方法主要有测针法，链条法和杆尺法。

测针法是用测针在地表进行多次测定，由下式计算出粗糙度：

R＝100 1g S         式1

式1中R(roughness)表示粗糙度，S表示各测定点高程值的标准差。

中国发明专利申请200810083194.0公开一种用测针法测量土壤表面粗糙度的测量方法，其所用的装置是：在一个框架上固定有一个固定支点，框架上还分别设置至少两个与固定测臂平行且可沿框架的上下边框运动的测针和可测量测针高度变化的高度指示，在该专利申请的装置中还设置有水位计用于建立测定点之间水平方向的相同参考点。该专利申请包括以下的步骤：1)用装置进行测量测量；2)对测量数据的校正；3)计算。

链条法是美国人Ali Salch(1993)提出的，他认为当给定长度的链条(L₁)置于地表时，由于地面的上下起伏，其水平长度会减小，计算链条长度的减小值，再按式2得出衡量地面粗糙度的指数：

$\mathrm{Cr}=100*(1-\frac{L_2}{L_1})$ 式2

式2中Cr表示地面粗糙度指数，L₂为链条置于地面时的水平长度。

中国发明专利申请03114152.8公开一种土壤粗糙度的测量方法，这种方法与链条法相类似。该专利申请包括以下的步骤：1)在目标土地内随机取样，随机固定两点，两点间距离为L；2)在固定两点所在的直线上，用无弹性软绳紧贴土壤的粗糙面放平，获取两点间软绳拉直的距离L′；3)依次类推测定每个样方；4)根据测得的数据得出每个样方的土壤粗糙度Ci＝Li′L(i＝1、2、3...n)，然后得出整片目标土地的土壤粗糙度。

杆尺法分别用20，30，40，50cm长的测杆，沿降雨径流方向置于地表，用直尺测量地面凹地的中点到杆的垂直高差，其平均值即为粗糙度R_h：

$R_h=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{H}_i$ 式3

现有技术中的接触法测量所用测量装置的成本较低，一般来讲其应用与实际的测量也比较简单，但其测量值仍需要通过尺量得到。

发明内容

本发明提供一种可以测量应用中较现有技术更为方便，可直接得出测量值函数的地表或路面粗糙度的装置。

本发明的装置如下构成：在支撑杆上固定有其顶端设有与外部连通的通道的其内盛放测量液体的容器，盛放测量液体的容器上还设有用柔性材料制成的连通容器内部的液体的连通管的一端，液体连通管的另一端与一个压力表连通，压力表固定于活动测杆上。本发明装置中所使用的测量液体可以是任一种液体物质，如酒精或液体油，也可以使用汞，本发明所用的测量液体最好使用水。在进行测量时只需要将固定支撑杆的一端先行固定于测量地的预先确定位置，如将支撑杆一端插入预先确定位置的土中，开启设置于连通外部与盛放测量液体的连通管上的阀门，然后手持活动测杆将其轻轻地垂直置于地表，同时纪录压力表的读数。显然这样得到的压力值为被测定点地表相对预先固定的容器液面位置的相对压力值，也就是地表凹凸不平的高度值的函数，如果压力表单位是是mmH₂O即可直接得到被测点的相对高度值，对于压力表的压力单位为mmH₂O之外的其它单位，可以通过换算得到被测点的相对高度值。为使本发明的装置更为方便，可以将压力表的刻度直接标示为高度单位。

本发明的地表粗糙度测量装置中，所述的连通外部的通道为一连通管，在压力表上和连通外部的连通管上分别设置有可关断/可开启的阀门，这样可以便于装置的运送和移动，也能避免装置中的压力表的损坏。

本发明的地表粗糙度测量装置的活动测杆的下部，也就是与被测地表接触端上可以固定带有圆滑测头的测针，这样将使装置的使用更为方便。

本发明的支撑杆、活动测杆可以用木制、塑料或其它材料制成，活动测杆下端固定的测针可用刚性材料，如钢或其它金属制成。

本发明优点如下：

1.由于在本发明的装置中设置了一个固定的其顶端设有与外部连通的通道的其内盛放测量液体的容器，这一装置提供了测定点之间垂直方向的相同参考点，从而巧妙的把各测定点的数值与参考的水平面位置相结合，得到相关测量数据。

2.得到的压力数据为被测相对高度的函数值，可以直接读出，使整个的测量过程更应方便快捷。

3.由于本发明中配置了反映地表凹凸变化的测针，使本发明可以较为方便而精确地进行地表粗糙度的测量。

4.由于本发明设置能反映水位变化，而与测量地点的变化无关，因此可以很方便的对各测定点进行比较。

5.本发明的结构特点能够满足不同测量精度的要求。可以根据测量精度的要求，选取测定点的间距和不同精度的压力表。

6.本发明装置采用的测针法测量，其测量精度相对较高，

7.装置简单，方便携带，适合野外工作的需要。

附图说明

附图为本发明的示意图，其中：1为盛放测量液体的容器，2为支撑杆，3为柔性材料制成的连通管，4为压力表，5为活动测杆，6为测针。

具体实施方式

本发明结合实施例与附图详细说明：

附图给出的本发明实施例中，用截面为方型或圆形的型材制成一个高度为65cm的活动测杆，其下端用8号铁丝做一个其中一端带有圆滑头部的测针6，长度是15cm，使用时圆滑的一端着地，测针的另一端固定在活动测杆5的下端；在5上直接固定一块压力表4。用一根塑胶软管3的一端固定连接在压力表4上，软管的另一端连接容器1，容器1最简单的可采用一个水瓶，将水瓶固定在支撑杆2上，其内充入水，水瓶的顶端为敞开结构，使容器的内部液体的上部与外部连通。

测量时把固定有盛放液体的容器1的支撑杆顶端直接插入土中，手拿着探针，轻轻地垂直置于地表，同时纪录压力表的读数。

测定测定粗糙度时，选择有代表性的小区(1m×1m)，根据测量精度的要求，测定不同数量的点(200-400)，每个小区选取相同的水平参考面。测定时，先把支撑件垂直固定，让探针轻轻垂直着地，这时纪录压力表的读数。根据测定点地表的整体状况，每块地做2～3个重复，这样有400～1200个点。注意取样的方向，同一点不要重复测量。

计算按样地分别计算(每个样地有相同的水平参考面，详细计算过程见测量与计算举例)。

第一步参考点的校正。目的是校正测定时每一个样地在同一个水平面。选取第一个测定点的值作为参考点，其它测定点的值减去参考点的值，就是该点相对于参考点的值。值为正，表示该点比参考点低，值为负值，表示该点比参考平面高。

第二步把测定的3～5个小区测定点的压力值取绝对值，计算平均值(mean)和标准差(se)。

$R=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left|\mathrm{Hi}\right|$ 式4

式4中，R是计算的平均值，表示地表的粗糙度。

H_i表示第i个测定点的压力差。

第三步把压力差(Pa)转换为高度差(mm)。如果压力的单位是mmH₂O，就不必转换。

1Pa＝0.1mmH₂O

R_f＝10R

R_f表示粗糙度(mm)，其中R的单位是Pa。

应用用平均值反映地表的粗糙程度，在平均值接近时，可以根据标准差(se)来判断地表的粗糙度，se越大，说明地表的粗糙程度越大。也可以参照D.L.Brough等人的方法计算。

本发明的压力表最好选择数字压力表，范围为0-10KPa，精度为0.25％。为保护压力表，可在压力表上连接阀门，再和软管连接，阀门通常关闭，测量时打开。另外在容器1的上部还可设置一连通容器内部与外部的连通管，最好在这根连通管上也设置阀门，该阀门通常关闭，测量时再打开。

Claims (2)

1.一种地表粗糙度测量装置，其特征是在支撑杆上固定有其顶端设有与外部连通、其内盛放测量液体的容器，盛放测量液体的容器上还设有用柔性材料制成、连通所述容器内部测量液体的连通管的一端，所述连通管的另一端与一个压力表连通，压力表固定于活动测杆上。

2.根据权利要求1所述的地表粗糙度测量装置，其特征是在所述压力表上和所述连通管上分别设置有阀门。