水土保持自動監測設備現狀及新設備研發

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測中心站，湖北 武漢 430010； 2.中國三峽建設管理有限公司，四川 成都 610000； 3.華中農業大學 水土保持研究中心，湖北 武漢 430070)

0 引 言

水土保持監測是水土保持事業的重要一環，全面、準確、科學的水土保持監測能夠給生態規劃和國家行政提供決策依據。根據國務院印發的《生態環境監測網絡建設方案》及水利部制定的《全國水土保持信息化規劃(2013-2020 年)》，國家生態環境監測將“國家級水土保持監測點升級”列為重點建設項目，擬開展監測點數據采集智能化升級，配置自動化監測設備。同時，隨著監測標準的日漸提高和勞動力成本的增加，水土保持監測也急需技術革新來保證監測事業的穩固和發展。

根據國家要求和行業發展需求[1]，推廣使用水土保持自動監測設備十分必要且形勢緊迫。本文結合當前形勢，對水土保持監測設備應用現狀和研究進展進行了總結，并詳細介紹了一種徑流泥沙自動監測設備和一種土壤侵蝕自動監測設備。

1 水土保持監測設備應用與研究現狀

1.1 應用現狀

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

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

(3) 自動監測設備價格高，管護需求高。市場上的自動監測設備價格較高，過高的價格限制了自動監測設備的市場開發行為。部分監測設備如光電式泥沙傳感器、超聲波泥沙監測儀、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測；國家層面的監測和市場、水土保持監測項目均需要監測設備能長期處于環境惡劣、管理水平較低的區域，并進行穩定、有效、準確的監測，市場上現有的自動監測設備價格高、管護要求高嚴重制約了水土保持監測設備的推廣。

(4) 通信條件限制。實時監測依賴于穩定的數據傳輸系統，目前實施監測設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測試驗推廣為例，數據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備采用GSM通信，這種傳輸方式會產生固定通信費用且在偏遠信號較弱地區無法使用，通信條件的限制使水土保持實時監測難以做到對偏遠地區的全面站網覆蓋。

1.2 研究進展

1.2.1研究熱度低

以發表論文數據為參考指標，利用CiteSpace進行知識圖譜分析，論文數據來源于中國知網(CNKI)數據庫的中國學術期刊網絡出版總庫、中國博士學位論文全文數據庫及中國優秀碩士學位論文全文數據庫，檢索時間為2021年9月24日，主題為“水土保持”、附加詞頻“監測”“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“監測”詞頻的相關文獻共3 809篇；而含有“水土保持”主題并含“自動”詞頻的相關文獻僅占166篇，含監測自動化的占比僅為4.35%，其研究熱度較低，研究進展慢。與“水土保持監測”詞頻最熱的關鍵詞依次為“方法”(詞頻2 722次)、“設計”(詞頻1 683次)、“技術”(詞頻1 376次)、“方案”(詞頻1 008次)、“體系”(詞頻496次)、“規程”(詞頻345次)、“網絡”(詞頻362次)、“設備”(詞頻275次)，水土保持監測的主要研究方向為“方法”和“設計”，與“設備”相關的論文也并未占據主流。以“徑流泥沙監測”“土壤侵蝕監測”“風蝕監測自動化”為搜索關鍵詞，搜索水土保持監測設備相關專利，目前在保護期相關設備僅30余項。由以上簡要統計可知，水土保持監測自動化研究發布成果較少，其研究熱度較低，不是當前主流研究方向。

1.2.2學科間和行業內交流較少

水土保持監測設備是一種復雜的監測設備，其監測對象既涉及到水文、水資源、水環境等水利相關行業的內容，又與土壤、地貌、氣象等相關學科密切相關。水土保持監測設備研制更是需要依托機械、電子、通訊等專業制造知識的支撐，當前水土保持監測設備研制與相關行業、學科之間的交流明顯不足。以專利產權方、論文發出機構、市場上的設備生產商法人之間的合作發表成果為例，其合作發表的論文、共同持有的專利數量均較少，水土保持監測設備研制機構之間缺乏聯系，分散閉塞。雖有監測設備認定機制，但其認定僅停留在官方推廣層面，缺乏市場活力，產學研結合度較差，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，以推動自動設備規范發展。

1.2.3研究與實踐脫節

水土保持現狀監測設備研究與實踐出現部分脫節，以土壤侵蝕和徑流泥沙的自動監測設備的研究為例，土壤侵蝕自動監測設備主要基于測量土壤厚度變化的原理，根據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。上述土壤侵蝕監測設備對于測量特定條件下的土壤侵蝕有一定意義，但應用于野外還需解決安裝、傳輸、防盜等問題。徑流泥沙自動監測設備主要基于圍堰徑流小區監測的原理，根據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境。

目前在研設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雜環境條件下布設，新研設備在技術轉化上存在嚴重制約，實驗研究成果與實踐推廣存在部分脫節，成果轉化率較低。

1.3 水土保持自動監測設備研究現狀

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

1.3.1徑流泥沙監測設備

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量來進行泥沙含量判別，方法之間的差異在于收集裝置結構和測量裝置的不同，這種方法也是當前發展的主流方向[21]。目前用于野外水土流失徑流泥沙自動監測設備存在以下技術問題：①設備結構復雜不易維護、使用壽命短、自動化程度低、準確性和穩定性較差；②能耗高、供電困難，需要電機馬達供給，生產制造成本增加；③徑流由進口通入筒體內時沖擊液面、分布不均，導致水位信號和重量信號采集不準；④設備容易淤積泥沙，階段性監測后泥沙的充分排空存在困難，連續測量數據誤差增大；⑤在野外環境惡劣、無人值守的環境下易被損壞，無法滿足自動操作、分析和傳輸的功能。

1.3.2土壤侵蝕監測設備

土壤侵蝕常表現為表層土壤厚度的變化，土壤厚度變化監測是水土保持監測的一項重要內容，目前土壤厚度變化的測定方法主要有傳統方法和新方法。傳統方法包括插釬法和徑流小區觀測法，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，適宜于水土流失監測而不適宜于土壤侵蝕觀測。新技術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、單點測距法可以統稱為測距法，區別在于測距設備類型和測距點的數量，測距法測量精度高，但多因成本高、操作復雜、后期處理難度大而難以推廣，且目前國內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 水土保持自動監測新設備研發

2.1 基于累計測量減少誤差方法的徑流泥沙自動監測設備

經過大量的研究和試驗，對現有各種測量設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測設備。該設備是基于比重法測量含沙量，相對于光電法、透射法等傳統的監測方法，該方法可以減小泥沙顆粒大小、分布對測量結果的影響，操作簡單，適用性強。設備的構造如圖1所示。

設備包括筒體，筒體頂部設與徑流進水管連接的進水閥、中部設儲流室、底部側壁設出水閥，進水閥下方設錐形導水板，錐形導水板經支撐過濾網固定在側壁上，傾斜角度為30°～50°，安裝時保證錐形導水板端部與側壁間具有0.4～0.6 cm間隙；進水閥與錐形導水板之間設有凹型溢水槽，儲流室底面為經支撐結構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；筒體側壁設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；筒體底面設有稱重傳感器。此外該設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，設備可將數據進行壓縮后穩定傳輸，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電系統。

為解決進水沖擊大、分布不均的問題，設備在進水閥下方設計了凹型溢水槽、錐形導水板和支撐過濾網。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，使徑流沿側壁流入儲流室，避免徑流直接沖擊液面，在安裝錐形導水板時，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果，間隙過小會造成流速緩慢，有大量泥沙通過時會發生堵塞，影響測量結果的準確性；支撐過濾網則可以防止樹葉石塊等隨徑流進入儲液室。該設備與已有徑流泥沙自動監測設備相比，在儲流室底面設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，又具有導向作用，排水時能夠將含泥沙的徑流引向排水閥，實現快速排水、監測高效；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。在水位探針設置方面，要求至少設置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致數據準確性降低，影響計算；若僅設置一根水位探針會造成儲流室內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的閥門，利用單片機經水位探針采集水位信號，稱重傳感器采集儲流室內的重量信號，經計時器記錄到達某一水位的時間，結合已知其他數據，可在單片機中實現計算分析得到目標數據，并通過遠距離無線通訊單元實現數據傳輸，實現了無人看守的自動化監測，能夠適應野外作業的各種惡劣環境，滿足不同區域的自動監測需求。

2.2 基于多傳感器互相矯正的土壤侵蝕自動監測設備

基于土壤侵蝕監測實際需求和超聲波測距原理，開發出一種自動化程度高、測量準確、價格便宜、安裝方便、適宜野外無人監管區域的土壤侵蝕監測設備，設備主要由控制終端、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，設備的構造如圖2所示。

該設備基于超聲波測距原理，使用其它傳感器進行間接數據支撐和修正，監測數據較為準確，同時該設備可作為一個監測平臺使用，以供搭載更多監測傳感器。該設備要求垂直安裝，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。為監測設備是否處于正常工作狀態，在設備控制盒中裝設傾斜報警器，當設備傾斜或者遭受破壞時會發出報警音，該信號能夠立即傳回后臺管理端，提醒工作人員開啟應急措施。該設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星和GSM復合傳輸技術，存儲處理器采用單片機，集成系統采用電路板集成，不僅可作為土壤侵蝕的實時監測設備，也可作為支持多個傳感器擴展的監測平臺使用，只要根據實際監測要求增加(刪減)微型傳感器和控制模塊，即可達到目的監測效果。

監測設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據，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，設備計算時排除薄層水造成測量誤差數據，提高了土壤厚度變化監測精度，適宜于野外復雜環境下的土壤侵蝕監測，具備較好的推廣前景。

3 新設備試驗及分析

3.1 徑流泥沙自動監測設備試驗及分析

為了驗證徑流泥沙自動監測設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，驗證泥沙量測定結果的準確性。控制Si，不控制Vi進行試驗，讀取5次數據；控制流量Vi，不控制Si進行試驗，讀取5次數據，求得徑流量測定的平均值和標準差。

試驗結果如圖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系，泥沙量的測定值與真實值相對誤差在7.8%以內，徑流量的測試值與真實值相對誤差在4.1%以內，設備具有較好的測量精度。

設備設計結構極為簡單可靠、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、生產和維護成本低，使用壽命長、排沙效果好，實際使用時設備內無泥沙淤積，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測。

3.2 土壤侵蝕自動監測設備試驗及分析

為了驗證該設備監測的準確性，根據要求垂直布置好本設備，在監測設備下放置一個帶刻尺圍欄的平板車，將平板車分別調整至水平0°，10°，20°，30°，對該設備進行讀數，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，測試結果如圖4所示。由圖4分析可知，在0°，10°，20°，30°坡度下，監測結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，表明該設備在0°～30°范圍內具有較高的測量精度。

為驗證該設備對平地(0°)積水和坡面薄層水流誤差的剔除效果，在維持水平狀態(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，進行設備讀取，本設備讀數與光電測尺測定數據如圖5所示。試驗結果表明，光電測尺讀數的總誤差為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%，該設備讀數的總誤差平方和為2.6 cm，平均誤差為0.09 cm，對比發現該設備在剔除積水和薄層水流誤差值后精度提高。

4 結 論

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

(2) 本文介紹的徑流泥沙自動監測設備，解決了常規比重法監測設備易淤積、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的自動監測具有明顯意義。

(3) 本文介紹的土壤侵蝕監測設備，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，設備結構簡單、造價較低、具有較強的推廣前景。