水土保持自動監(jiān)測設(shè)備現(xiàn)狀及新設(shè)備研發(fā)

張 勇，李 仁 華，姚 赫，陳 洋，王 秋 霞，魏 玉 杰

(1.長江水利委員會 長江流域水土保持監(jiān)測中心站，湖北 武漢 430010； 2.中國三峽建設(shè)管理有限公司，四川 成都 610000； 3.華中農(nóng)業(yè)大學 水土保持研究中心，湖北 武漢 430070)

0 引 言

水土保持監(jiān)測是水土保持事業(yè)的重要一環(huán)，全面、準確、科學的水土保持監(jiān)測能夠給生態(tài)規(guī)劃和國家行政提供決策依據(jù)。根據(jù)國務(wù)院印發(fā)的《生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案》及水利部制定的《全國水土保持信息化規(guī)劃(2013-2020 年)》，國家生態(tài)環(huán)境監(jiān)測將“國家級水土保持監(jiān)測點升級”列為重點建設(shè)項目，擬開展監(jiān)測點數(shù)據(jù)采集智能化升級，配置自動化監(jiān)測設(shè)備。同時，隨著監(jiān)測標準的日漸提高和勞動力成本的增加，水土保持監(jiān)測也急需技術(shù)革新來保證監(jiān)測事業(yè)的穩(wěn)固和發(fā)展。

根據(jù)國家要求和行業(yè)發(fā)展需求[1]，推廣使用水土保持自動監(jiān)測設(shè)備十分必要且形勢緊迫。本文結(jié)合當前形勢，對水土保持監(jiān)測設(shè)備應(yīng)用現(xiàn)狀和研究進展進行了總結(jié)，并詳細介紹了一種徑流泥沙自動監(jiān)測設(shè)備和一種土壤侵蝕自動監(jiān)測設(shè)備。

1 水土保持監(jiān)測設(shè)備應(yīng)用與研究現(xiàn)狀

1.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

(1) 水土保持現(xiàn)狀監(jiān)測設(shè)備缺乏。水土保持監(jiān)測通常包括水土流失影響因子監(jiān)測、水土流失狀況監(jiān)測、水土流失危害監(jiān)測和水土保持措施及效益監(jiān)測4個方面，其中土壤侵蝕和水土流失等水土保持現(xiàn)狀監(jiān)測是水土保持監(jiān)測的核心，水土保持監(jiān)測自動化設(shè)備主要集中在水土流失影響因子監(jiān)測領(lǐng)域，如監(jiān)測降雨、土壤含水率、風向風速等，市場上可供選擇的水土保持現(xiàn)狀監(jiān)測設(shè)備較少。

(2) 實時監(jiān)測設(shè)備缺乏，自動化程度低。部分現(xiàn)狀監(jiān)測設(shè)備如插釬測量法、徑流泥沙自動采樣監(jiān)測設(shè)備、激光微地貌掃描儀、攝影測量設(shè)備等，依靠人工讀數(shù)并進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存儲運，缺乏實時監(jiān)測能力，自動化程度較低，依賴于人力導(dǎo)致監(jiān)測頻率得不到保障，低頻次監(jiān)測導(dǎo)致水土流失應(yīng)急監(jiān)測的反應(yīng)時間不足，系列問題造成了較大監(jiān)測誤差，在汛期降雨集中時表現(xiàn)更為突出。

(3) 自動監(jiān)測設(shè)備價格高，管護需求高。市場上的自動監(jiān)測設(shè)備價格較高，過高的價格限制了自動監(jiān)測設(shè)備的市場開發(fā)行為。部分監(jiān)測設(shè)備如光電式泥沙傳感器、超聲波泥沙監(jiān)測儀、γ射線濁度儀等，由于其傳感器及供能條件等的限制，僅適用于實驗室或高管護條件下的水土保持監(jiān)測；國家層面的監(jiān)測和市場、水土保持監(jiān)測項目均需要監(jiān)測設(shè)備能長期處于環(huán)境惡劣、管理水平較低的區(qū)域，并進行穩(wěn)定、有效、準確的監(jiān)測，市場上現(xiàn)有的自動監(jiān)測設(shè)備價格高、管護要求高嚴重制約了水土保持監(jiān)測設(shè)備的推廣。

(4) 通信條件限制。實時監(jiān)測依賴于穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，目前實施監(jiān)測設(shè)備的通信方式包括通信電纜、光纖通信、無線、GSM 4種，以河南省[2]、遼寧省[3]、吉林省[4]、青海省[5]、北京市[6]、重慶市[7]、江西省[8]、陜西省[9]、浙江省[10]等地進行的自動化監(jiān)測試驗推廣為例，數(shù)據(jù)和影像傳輸采用的是通信電纜和無線傳輸方式，分布式的單向傳輸設(shè)備采用GSM通信，這種傳輸方式會產(chǎn)生固定通信費用且在偏遠信號較弱地區(qū)無法使用，通信條件的限制使水土保持實時監(jiān)測難以做到對偏遠地區(qū)的全面站網(wǎng)覆蓋。

1.2 研究進展

1.2.1研究熱度低

以發(fā)表論文數(shù)據(jù)為參考指標，利用CiteSpace進行知識圖譜分析，論文數(shù)據(jù)來源于中國知網(wǎng)(CNKI)數(shù)據(jù)庫的中國學術(shù)期刊網(wǎng)絡(luò)出版總庫、中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫及中國優(yōu)秀碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫，檢索時間為2021年9月24日，主題為“水土保持”、附加詞頻“監(jiān)測”“自動”，時間跨度1989年12月31日至2021年9月24日，精確匹配檢索，共檢測到含有“水土保持”主題并含“監(jiān)測”詞頻的相關(guān)文獻共3 809篇；而含有“水土保持”主題并含“自動”詞頻的相關(guān)文獻僅占166篇，含監(jiān)測自動化的占比僅為4.35%，其研究熱度較低，研究進展慢。與“水土保持監(jiān)測”詞頻最熱的關(guān)鍵詞依次為“方法”(詞頻2 722次)、“設(shè)計”(詞頻1 683次)、“技術(shù)”(詞頻1 376次)、“方案”(詞頻1 008次)、“體系”(詞頻496次)、“規(guī)程”(詞頻345次)、“網(wǎng)絡(luò)”(詞頻362次)、“設(shè)備”(詞頻275次)，水土保持監(jiān)測的主要研究方向為“方法”和“設(shè)計”，與“設(shè)備”相關(guān)的論文也并未占據(jù)主流。以“徑流泥沙監(jiān)測”“土壤侵蝕監(jiān)測”“風蝕監(jiān)測自動化”為搜索關(guān)鍵詞，搜索水土保持監(jiān)測設(shè)備相關(guān)專利，目前在保護期相關(guān)設(shè)備僅30余項。由以上簡要統(tǒng)計可知，水土保持監(jiān)測自動化研究發(fā)布成果較少，其研究熱度較低，不是當前主流研究方向。

1.2.2學科間和行業(yè)內(nèi)交流較少

水土保持監(jiān)測設(shè)備是一種復(fù)雜的監(jiān)測設(shè)備，其監(jiān)測對象既涉及到水文、水資源、水環(huán)境等水利相關(guān)行業(yè)的內(nèi)容，又與土壤、地貌、氣象等相關(guān)學科密切相關(guān)。水土保持監(jiān)測設(shè)備研制更是需要依托機械、電子、通訊等專業(yè)制造知識的支撐，當前水土保持監(jiān)測設(shè)備研制與相關(guān)行業(yè)、學科之間的交流明顯不足。以專利產(chǎn)權(quán)方、論文發(fā)出機構(gòu)、市場上的設(shè)備生產(chǎn)商法人之間的合作發(fā)表成果為例，其合作發(fā)表的論文、共同持有的專利數(shù)量均較少，水土保持監(jiān)測設(shè)備研制機構(gòu)之間缺乏聯(lián)系，分散閉塞。雖有監(jiān)測設(shè)備認定機制，但其認定僅停留在官方推廣層面，缺乏市場活力，產(chǎn)學研結(jié)合度較差，亟需加強研究者之間的交流、合作，建立一種合作交流和良性競爭的機制和平臺，以推動自動設(shè)備規(guī)范發(fā)展。

1.2.3研究與實踐脫節(jié)

水土保持現(xiàn)狀監(jiān)測設(shè)備研究與實踐出現(xiàn)部分脫節(jié)，以土壤侵蝕和徑流泥沙的自動監(jiān)測設(shè)備的研究為例，土壤侵蝕自動監(jiān)測設(shè)備主要基于測量土壤厚度變化的原理，根據(jù)測量原理不同可分為光電測尺法[11]、攝影測量法[12]、超聲波測距法[13]等。上述土壤侵蝕監(jiān)測設(shè)備對于測量特定條件下的土壤侵蝕有一定意義，但應(yīng)用于野外還需解決安裝、傳輸、防盜等問題。徑流泥沙自動監(jiān)測設(shè)備主要基于圍堰徑流小區(qū)監(jiān)測的原理，根據(jù)測量徑流中泥沙含量的方法可以分為比重法[14-15]、γ射線法[16]、振動法、超聲波法[17]、電容法[18]、光電法[19]、激光法[20]，這些方法均受制于傳感器及供能條件，大多不適宜于野外粗放環(huán)境。

目前在研設(shè)備對于測量各土類基本侵蝕特性有一定意義，但其研究均立足于實驗室條件下的高精準測量，依賴于高管護條件，不適宜于野外大面積復(fù)雜環(huán)境條件下布設(shè)，新研設(shè)備在技術(shù)轉(zhuǎn)化上存在嚴重制約，實驗研究成果與實踐推廣存在部分脫節(jié)，成果轉(zhuǎn)化率較低。

1.3 水土保持自動監(jiān)測設(shè)備研究現(xiàn)狀

水土保持自動監(jiān)測設(shè)備主要可以分為徑流泥沙監(jiān)測設(shè)備和土壤侵蝕監(jiān)測設(shè)備兩類，其研究背景、工作機理、存在制約性因素均有所不同。

1.3.1徑流泥沙監(jiān)測設(shè)備

測量徑流泥沙最常見的方法是比重法，比重法大部分是基于測量徑流體積和質(zhì)量來進行泥沙含量判別，方法之間的差異在于收集裝置結(jié)構(gòu)和測量裝置的不同，這種方法也是當前發(fā)展的主流方向[21]。目前用于野外水土流失徑流泥沙自動監(jiān)測設(shè)備存在以下技術(shù)問題：①設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜不易維護、使用壽命短、自動化程度低、準確性和穩(wěn)定性較差；②能耗高、供電困難，需要電機馬達供給，生產(chǎn)制造成本增加；③徑流由進口通入筒體內(nèi)時沖擊液面、分布不均，導(dǎo)致水位信號和重量信號采集不準；④設(shè)備容易淤積泥沙，階段性監(jiān)測后泥沙的充分排空存在困難，連續(xù)測量數(shù)據(jù)誤差增大；⑤在野外環(huán)境惡劣、無人值守的環(huán)境下易被損壞，無法滿足自動操作、分析和傳輸?shù)墓δ堋?/p>

1.3.2土壤侵蝕監(jiān)測設(shè)備

土壤侵蝕常表現(xiàn)為表層土壤厚度的變化，土壤厚度變化監(jiān)測是水土保持監(jiān)測的一項重要內(nèi)容，目前土壤厚度變化的測定方法主要有傳統(tǒng)方法和新方法。傳統(tǒng)方法包括插釬法和徑流小區(qū)觀測法，插釬法是將插釬垂直插入土層，讀取露出土面長度變化以計算土壤厚度變化的方法，這種方法耗時耗力、測量誤差較大；徑流小區(qū)觀測法是對土面圍堰并收集隨徑流沖下的泥沙，通過泥沙量除以圍堰面積得出土面的平均侵蝕厚度，這種方法適用面窄，人工觀測誤差大，精度較低，適宜于水土流失監(jiān)測而不適宜于土壤侵蝕觀測。新技術(shù)方法包括立體測距法[22]、單點測距法[23]、遙感解譯法[24]、光電測尺法[11]、間接法等。立體測距法、單點測距法可以統(tǒng)稱為測距法，區(qū)別在于測距設(shè)備類型和測距點的數(shù)量，測距法測量精度高，但多因成本高、操作復(fù)雜、后期處理難度大而難以推廣，且目前國內(nèi)外測距法均未解決降雨時地面積水和坡面徑流造成的測量誤差。

2 水土保持自動監(jiān)測新設(shè)備研發(fā)

2.1 基于累計測量減少誤差方法的徑流泥沙自動監(jiān)測設(shè)備

經(jīng)過大量的研究和試驗，對現(xiàn)有各種測量設(shè)備存在的不足進行了改進，研究出一種新型徑流泥沙自動監(jiān)測設(shè)備。該設(shè)備是基于比重法測量含沙量，相對于光電法、透射法等傳統(tǒng)的監(jiān)測方法，該方法可以減小泥沙顆粒大小、分布對測量結(jié)果的影響，操作簡單，適用性強。設(shè)備的構(gòu)造如圖1所示。

設(shè)備包括筒體，筒體頂部設(shè)與徑流進水管連接的進水閥、中部設(shè)儲流室、底部側(cè)壁設(shè)出水閥，進水閥下方設(shè)錐形導(dǎo)水板，錐形導(dǎo)水板經(jīng)支撐過濾網(wǎng)固定在側(cè)壁上，傾斜角度為30°～50°，安裝時保證錐形導(dǎo)水板端部與側(cè)壁間具有0.4～0.6 cm間隙；進水閥與錐形導(dǎo)水板之間設(shè)有凹型溢水槽，儲流室底面為經(jīng)支撐結(jié)構(gòu)支撐在筒體底面的斜坡形儲水底板，斜坡形儲水底板的最低端與出水閥下端對應(yīng)；筒體側(cè)壁設(shè)有至少一個水位探針，且最低位置的水位探針高度與所述斜坡形儲水底板的最高端齊平；筒體底面設(shè)有稱重傳感器。此外該設(shè)備還包括由單片機組成的控制單元、與單片機連接的遠距離無線通訊單元和供電單元，控制單元中的單片機分別與進水閥和出水閥的閥門控制器、水位探針、稱重傳感器和計時器連接；遠距離無線通訊單元為北斗傳輸模塊，設(shè)備可將數(shù)據(jù)進行壓縮后穩(wěn)定傳輸，適用于通訊條件惡劣的野外條件；供電單元包括蓄電池及與蓄電池連接的風光互補發(fā)電系統(tǒng)。

為解決進水沖擊大、分布不均的問題，設(shè)備在進水閥下方設(shè)計了凹型溢水槽、錐形導(dǎo)水板和支撐過濾網(wǎng)。凹型溢水槽能夠削弱徑流直接沖擊力，并將徑流中泥沙分散，保證徑流可從凹型溢水槽均勻溢出；錐形導(dǎo)水板用于承接從凹型溢水槽溢出的液體，將其沿錐面向周圍均勻分散，使徑流沿側(cè)壁流入儲流室，避免徑流直接沖擊液面，在安裝錐形導(dǎo)水板時，其端部與筒壁的間隙要求控制在0.4～0.6 cm，間隙過大會造成徑流不能沿壁留下，影響水位探針的測定結(jié)果，間隙過小會造成流速緩慢，有大量泥沙通過時會發(fā)生堵塞，影響測量結(jié)果的準確性；支撐過濾網(wǎng)則可以防止樹葉石塊等隨徑流進入儲液室。該設(shè)備與已有徑流泥沙自動監(jiān)測設(shè)備相比，在儲流室底面設(shè)計了斜坡形儲水底板，并增大了測量體積，一方面即能減少儲流室底部的液體存量，又具有導(dǎo)向作用，排水時能夠?qū)⒑嗌车膹搅饕蚺潘y，實現(xiàn)快速排水、監(jiān)測高效；另一方面，斜坡形儲水底板不易淤積泥沙，排水時儲流室內(nèi)液體可對板面進行沖刷，為下階段的準確測量提供有力保障。在水位探針設(shè)置方面，要求至少設(shè)置2根水位探針，且保證最低位置的水位探針高度與斜坡形儲水底板的最高端齊平。若低于斜坡形儲水底板的最高端，則可能受泥沙影響導(dǎo)致數(shù)據(jù)準確性降低，影響計算；若僅設(shè)置一根水位探針會造成儲流室內(nèi)的水位低于斜坡形儲水底板的最高端，無法有效沖刷斜坡形儲水底板，且通過多根探針測量取階段平均值，能夠有效降低測量誤差。整個設(shè)備選擇通過閥門控制器控制進水閥和出水閥的開閉，閥門可以使用電磁閥等快速響應(yīng)的閥門，利用單片機經(jīng)水位探針采集水位信號，稱重傳感器采集儲流室內(nèi)的重量信號，經(jīng)計時器記錄到達某一水位的時間，結(jié)合已知其他數(shù)據(jù)，可在單片機中實現(xiàn)計算分析得到目標數(shù)據(jù)，并通過遠距離無線通訊單元實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)了無人看守的自動化監(jiān)測，能夠適應(yīng)野外作業(yè)的各種惡劣環(huán)境，滿足不同區(qū)域的自動監(jiān)測需求。

2.2 基于多傳感器互相矯正的土壤侵蝕自動監(jiān)測設(shè)備

基于土壤侵蝕監(jiān)測實際需求和超聲波測距原理，開發(fā)出一種自動化程度高、測量準確、價格便宜、安裝方便、適宜野外無人監(jiān)管區(qū)域的土壤侵蝕監(jiān)測設(shè)備，設(shè)備主要由控制終端、以及與控制終端連接的超聲波測距儀(4個)、紅外線雨量計、空氣溫濕度傳感器、土壤溫度濕度傳感器、存儲單元及北斗傳輸模塊、太陽能供能模塊及其他輔助功能模塊等組成，設(shè)備的構(gòu)造如圖2所示。

該設(shè)備基于超聲波測距原理，使用其它傳感器進行間接數(shù)據(jù)支撐和修正，監(jiān)測數(shù)據(jù)較為準確，同時該設(shè)備可作為一個監(jiān)測平臺使用，以供搭載更多監(jiān)測傳感器。該設(shè)備要求垂直安裝，即主支撐桿垂直于水平面，主支撐桿地面長度1 m，地下長度0.4 m，采用膨脹錨固方式固定，兩個超聲波測距儀支撐桿垂直相交，支臂長度相當，且每個支臂長度不超過0.6 m，不少于0.4 m。土壤含水率傳感器埋藏深度在(20±2) cm左右，同時上覆防水護罩，避免水沿探針路徑直接下滲造成測量誤差。為監(jiān)測設(shè)備是否處于正常工作狀態(tài)，在設(shè)備控制盒中裝設(shè)傾斜報警器，當設(shè)備傾斜或者遭受破壞時會發(fā)出報警音，該信號能夠立即傳回后臺管理端，提醒工作人員開啟應(yīng)急措施。該設(shè)備的供能模塊采用太陽能電池板，信息傳輸模塊采用北斗衛(wèi)星和GSM復(fù)合傳輸技術(shù)，存儲處理器采用單片機，集成系統(tǒng)采用電路板集成，不僅可作為土壤侵蝕的實時監(jiān)測設(shè)備，也可作為支持多個傳感器擴展的監(jiān)測平臺使用，只要根據(jù)實際監(jiān)測要求增加(刪減)微型傳感器和控制模塊，即可達到目的監(jiān)測效果。

監(jiān)測設(shè)備基于超聲波測距儀測距原理可同步獲得4個點位的土壤厚度數(shù)據(jù)，并通過搭載的紅外線雨量計、土壤含水率測量探針等傳感器判斷是否存在降雨、積水、坡面薄層水流等情況，若判別存在地面積水和地表徑流誤差，設(shè)備計算時排除薄層水造成測量誤差數(shù)據(jù)，提高了土壤厚度變化監(jiān)測精度，適宜于野外復(fù)雜環(huán)境下的土壤侵蝕監(jiān)測，具備較好的推廣前景。

3 新設(shè)備試驗及分析

3.1 徑流泥沙自動監(jiān)測設(shè)備試驗及分析

為了驗證徑流泥沙自動監(jiān)測設(shè)備能減少累計測量誤差的準確性，實驗稱取mi泥土加入Vi水中，配制泥沙量Si=mi/Vi的泥水混合物，通過配制多組不同梯度Si，驗證泥沙量測定結(jié)果的準確性。控制Si，不控制Vi進行試驗，讀取5次數(shù)據(jù)；控制流量Vi，不控制Si進行試驗，讀取5次數(shù)據(jù)，求得徑流量測定的平均值和標準差。

試驗結(jié)果如圖3所示，泥沙量和徑流量的測試值與真實值均具有明顯的線性關(guān)系，泥沙量的測定值與真實值相對誤差在7.8%以內(nèi)，徑流量的測試值與真實值相對誤差在4.1%以內(nèi)，設(shè)備具有較好的測量精度。

設(shè)備設(shè)計結(jié)構(gòu)極為簡單可靠、操作簡便、計算簡單，不需要電動馬達供能，能耗低、自動化程度高、準確性高、生產(chǎn)和維護成本低，使用壽命長、排沙效果好，實際使用時設(shè)備內(nèi)無泥沙淤積，長期使用也具有較高的準確性，適用于野外水土流失徑流泥沙自動監(jiān)測。

3.2 土壤侵蝕自動監(jiān)測設(shè)備試驗及分析

為了驗證該設(shè)備監(jiān)測的準確性，根據(jù)要求垂直布置好本設(shè)備，在監(jiān)測設(shè)備下放置一個帶刻尺圍欄的平板車，將平板車分別調(diào)整至水平0°，10°，20°，30°，對該設(shè)備進行讀數(shù)，并用激光測距儀讀取超聲波測距頭距平板車距離進行矯正，測試結(jié)果如圖4所示。由圖4分析可知，在0°，10°，20°，30°坡度下，監(jiān)測結(jié)果的總標準偏差分別為0.19，0.21，0.15，0.27 cm，其測量精度在0.3 cm以內(nèi)，表明該設(shè)備在0°～30°范圍內(nèi)具有較高的測量精度。

為驗證該設(shè)備對平地(0°)積水和坡面薄層水流誤差的剔除效果，在維持水平狀態(tài)(0°)的平板車上均勻裝壤土，每次控制裝填0.5 cm土，在裝土高3，6，9，12 cm時，利用光電測尺和水位計分別補充0.5，1.0，0.5，1.0 cm深的積水，待液位恒定后，進行設(shè)備讀取，本設(shè)備讀數(shù)與光電測尺測定數(shù)據(jù)如圖5所示。試驗結(jié)果表明，光電測尺讀數(shù)的總誤差為6.8 cm，平均誤差為0.2 cm，其中4次積水誤差對總誤差的貢獻率高達49%，該設(shè)備讀數(shù)的總誤差平方和為2.6 cm，平均誤差為0.09 cm，對比發(fā)現(xiàn)該設(shè)備在剔除積水和薄層水流誤差值后精度提高。

4 結(jié) 論

(1) 當前水土保持現(xiàn)狀監(jiān)測設(shè)備的應(yīng)用尚處于全面展開的探索階段，其設(shè)備研究與實踐應(yīng)用仍存在明顯脫節(jié)，成果轉(zhuǎn)換率較低，在面臨國家推進水土保持監(jiān)測信息化戰(zhàn)略的緊迫壓力下，應(yīng)加強行業(yè)交流，落實設(shè)備研制任務(wù)書和推廣時間表，激發(fā)市場活力，開展國家試點工作，有效推進水土保持自動監(jiān)測事業(yè)的發(fā)展。

(2) 本文介紹的徑流泥沙自動監(jiān)測設(shè)備，解決了常規(guī)比重法監(jiān)測設(shè)備易淤積、測量誤差大、供能要求高、通訊困難的難題，并利用多次取平均值的方法減少了水流動量造成的測量誤差，適宜于野外無人管護條件，對于當前野外徑流小區(qū)的自動監(jiān)測具有明顯意義。

(3) 本文介紹的土壤侵蝕監(jiān)測設(shè)備，利用多傳感器測量互相矯正計算，剔除了土壤表層積水和坡面徑流造成的較大測量誤差，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、造價較低、具有較強的推廣前景。