城市平原區水土保持監測方法與典型設計

趙方瑩，李 璐，陸大明，鐘 莉，張世超

(1.北京圣海林生態環境科技股份有限公司，北京 100083； 2.北京市水生態保護與水土保持中心，北京 100036)

運用高新技術手段，建立類型齊全、布局科學合理的水土保持監測點，推動監測站點建設，是提升水土保持監測點監測能力的必然要求[1]。提升城市平原區水土保持監測能力是補監測短板、強監測手段的重要舉措。按照《水利部辦公廳關于進一步加強生產建設項目水土保持監測工作的通知》(辦水保〔2020〕161號)要求，應開展不同類型區典型監測點的水土流失監測，準確掌握水土流失情況，有效服務于城市水土保持和海綿城市建設，實現水土保持監測全覆蓋，為水土保持目標責任考核、生態安全預警和生態文明建設等提供基礎支撐[2]。本研究以北京市為例，探討城市平原區水土保持監測方法和典型設計。

1 城市平原區監測的意義

北京市現有的水土保持常規監測站點全部集中于山區，城市平原區尚無站點。現有的監測要素主要集中于傳統水土保持監測要求的徑流、泥沙和水質等方面，不能滿足生態建設和效益評價的需求，特別是缺乏相關生態性指標，且監測數據質量不高或數據不連續，影響了監測數據的準確性和時效性[3]。健全水土保持監測網絡，可填補城市平原區的空白；完善健全監測指標體系，測定效益定額，可為科學評價水土保持生態效益提供支撐；做好水土保持監測點典型設計，可推動監測方法完善優化，帶動監測設備研發和提升，實現水土保持監測的數字化，充分發揮監測點作用。

城市的建設及擴張帶來水土流失與生態問題。農業用地轉化為建設用地，開挖、填筑使原地貌結構、植被遭到損壞；建設工程土石方調配不合理、用土不規范，加劇了城市水土流失；地面硬化使地下水得不到有效補充，雨水下滲困難，給城市排水造成壓力，綠地、洼地面積小，雨水調蓄能力弱；城市河道及公路邊坡無法有效攔截雨水徑流，污染物不能被土壤所吸附，自我凈化功能減弱。生產建設項目監測點受現場施工破壞大，數據具有隨機性，監測時效短；觀測到的數據不具有連續性，不能及時準確地反映生產建設活動下該區域的水土流失情況。同時，生產建設項目區內的土地類型復雜，監測點的布設具有隨機性，無法以點帶面反映出整個建設區域的水土流失狀況。因此，需要通過布局城市平原區水土保持監測站點，開展全面、系統、長時間序列的城市平原區水土保持監測工作。

2 監測內容與指標

依據北京市水土保持功能區劃，城市平原區主要屬于地下水源涵養區和城市徑流控制區兩個功能區。

為滿足地下水源涵養區和城市徑流控制區的生態建設要求，需要在城市平原區水土保持工作中綜合使用滲、滯、蓄、凈、用、排等措施，促進雨水下滲、減緩徑流形成、攔滯徑流泥沙、減少地表水污染物，而利用恰當的雨水調蓄設施完成城市平原區的雨水生態凈化循環利用，既可以控制地表徑流，又能達到涵養地下水源的目的。根據水土保持功能區特征，選擇常見、典型的水土保持措施作為主要監測內容，主要包括城市水土保持措施、河岸帶水土保持措施、農地水土保持措施、施工臨時水土保持措施4大類，具體措施有透水鋪裝、下凹式綠地、植被緩沖過濾帶、坡面生態防護、臨時覆蓋等，選擇徑流量、含沙量、植被覆蓋率、COD、SS、氨氮共6項監測指標構建城市平原區水土保持監測指標體系。

3 監測方法與典型設計

根據城市平原區水土保持監測內容和指標，監測指標數據可以通過利用人工或自然匯水區、自然坡面、人工監測小區、過水斷面進行定期或不定期取樣來獲取。監測點根據地形地貌等立地條件、已有水土保持措施、所需指標及指標獲取的方法因地制宜進行設計，同步落實措施布設和指標獲取的控制措施。

河岸帶水土保持措施匯水區范圍較大，多來源于河堤路以及區域徑流，可采用自然坡面結合監測小區的方法，在進、出水口布設監測設備，獲取河岸帶水土保持措施效益指標。

3.1 城市水土保持措施

3.1.1 透水鋪裝

按照《透水磚路面技術規程》(CJJ/T 188—2012)、《透水瀝青路面技術規程》(CJJ/T 190—2012)、《透水水泥混凝土路面技術規程》(CJJ/T 135—2009)中的典型設計確定透水鋪裝場地的豎向結構，包括透水面層、找平層、基層、墊層及土基，當土基為砂土或級配碎石時可不設置墊層。

項目建設中透水鋪裝材料的選取依據項目類型和性質，需要考慮的因素主要包括施工工藝便捷程度、工程造價成本、景觀觀賞性、載荷等級等。通過調查并查閱相關文獻，選取北京市內最為常用的透水磚、透水混凝土、植草磚等常見透水鋪裝形式，并設置裸地、草地、混凝土硬化三類下墊面與透水鋪裝作為對照，獲得不同類型措施各項監測指標。

監測小區投影尺寸為5 m×20 m，邊墻可采用砌筑材料、金屬板、合成材料板，典型設計采用金屬板材料作為邊墻。鋪裝面層平整，透水鋪裝滲透系數通過原位單環入滲試驗計算。小區底端外接不透水導流槽，尺寸根據徑流量確定，排水縱坡不小于0.3%，配備薄壁堰或巴歇爾槽結合在線流量監測裝置、含沙量監測裝置，測量透水鋪裝的徑流量及含沙量，也可接徑流桶進行人工監測。

3.1.2 下凹式綠地

下凹式綠地是一種高度低于周圍地面高度的雨水管理系統，可以暫時蓄滯雨水及徑流，削減路面徑流量，降低雨水管網運輸壓力，還具備一定的水質凈化作用。下凹式綠地的下凹深度、占地面積、植物種類、填料等都會對其水文效應產生影響。本研究采用北京市內常見的高羊茅草種。另外，還可以在綠地內搭配滲井措施進行集中入滲，提升下凹式綠地的調節能力。

將下凹式綠地設置在廣場、道路、停車場中央或兩側，若場地條件允許，則可設置在不透水鋪裝下游，匯水以集中或漫流的方式進入小區。下凹式綠地深度一般為100 mm，綠地出水口可接植草溝，出水口標高高于綠地100 mm。按照小區綠化率不低于30%標準計算，外部匯水區面積為綠地面積2倍及以上，匯水區為不透水鋪裝或屋頂等。

下凹式綠地的水土保持監測采用監測小區法，小區投影尺寸為5 m×20 m。小區邊墻可采用砌筑材料、金屬板、合成材料板，埋深300 mm，地面以上高100～150 mm。下凹式綠地徑流可通過集流槽排入植草溝，通過布設薄壁堰或巴歇爾槽結合在線流量監測裝置、泥沙監測裝置監測徑流量及含沙量。

3.1.3 植草溝

植草溝是城市雨洪管理措施中的一種，在起到輸送雨水作用的同時，可以延緩地表徑流形成、促進雨水下滲。植草溝的設計主要為構建時的植被種類和水力系數，具體的要求包括溝道長度、縱向坡度、最大徑流流速、斷面尺寸等。植草溝斷面可以選擇U形或梯形，溝寬為1 500～2 000 mm，深度為200～300 mm，長度不低于20 m。植草溝的植被類型選擇野牛草或高羊茅。

植草溝的水土保持監測采用監測小區法，若場地條件允許，則模擬實際應用場景，設置在下凹式綠地下游。小區采用金屬板或合成材料板邊墻圍擋，板厚度為2～5 mm，埋深300 mm，出露地面100～150 mm，防止周邊匯水進入監測區域。

植草溝上下游斷面處分別設置薄壁堰或巴歇爾槽，結合在線流量監測裝置、泥沙監測裝置進行實時監測，安裝時堰箱水平放置，堰中心線與水流中線重合，堰下游最高水位在堰口以下不小于50 mm，具體參照《明渠堰槽流量計計量檢定規程》[JJG(水利)004—2015]，下游匯水可進入雨水濕地。

3.1.4 小微濕地

小微濕地匯水區為道路、廣場，若場地條件允許，則根據實際應用場景，設置在植草溝下游，蓄水容積根據上游徑流進行相應計算。小微濕地水深根據水生植物可能達到的最大深度確定，一般為0.8～1.2 m；選擇凈化能力強、耐污性能好的鄉土物種，包括沉水、浮葉、挺水植物立體配置；濕地面積10～1 000 m2。小微濕地可以設計不同配置措施，如不同過濾材料、不同植物配置等。按照水流方式的差異將小微濕地劃分為表面流濕地、潛流濕地、垂直流濕地；在城市中的建筑小區、道路或廣場等地，受場地大小、景觀要求等因素影響，人工濕地有其他的表現形式，如生物通道、雨水花園、生物滯留池等。

小微濕地進出水口水量、含沙量及水質可通過上下游植草溝進出水斷面監測指標獲取。

3.1.5 滲井/滲溝

滲井/滲溝規格根據上游流量進行相應計算，典型設計可以取常用尺寸進行設計。滲井/滲溝可以單獨設置在下凹式綠地或小微濕地的末端，可以是多個下凹式綠地或小微濕地的來水。

滲井/滲溝監測可結合下凹式綠地或小微濕地進行，監測裝置設置在下凹式綠地或小微濕地的下游。下凹式綠地或小微濕地監測小區的排水量和水質就是滲井/滲溝的進水量和水質指標，其中水量指標是重點。滲井設置溢流口，在溢流口監測外排水的流量、含沙量和水質。

3.1.6 蓄水池

蓄水池用于雨水的收集利用，也有削峰作用。蓄水池的容積應根據項目區匯水面積設計，設計要求可以參照《城鎮雨水調蓄工程技術規范》(GB 51174—2017)、《雨水調蓄設施——鋼筋混凝土雨水調蓄池》(20S805-1)。蓄水池前端可設置沉淀池，通過水量智能監測控制管理系統，在蓄水池內配置水位傳感器和流量傳感器，用于監測蓄水池的水位、進水量、排水量等參數信息，計算徑流利用率。

3.2 河岸帶水土保持措施

3.2.1 河岸植被緩沖過濾帶

植被緩沖過濾帶一般是介于陸地和水體之間的植被帶，可以發揮凈化水質、保持土壤、減緩面源污染的作用。目前植被緩沖過濾帶的主要區分形式體現在植物種類搭配形式以及坡面整地方式上，較為常見的植物種類形式包括草地過濾帶、灌木過濾帶、喬木過濾帶或者以兩種及兩種以上植被類型構成的復合過濾帶，主要整地方式有水平條整地、反坡梯田整地、樹盤整地等，植被過濾帶的截污滯沙功能受以上因素共同影響。

(1)植草緩沖過濾帶。草地過濾帶的植被主要是草本植物，具有生長迅速、莖稈粗壯、分蘗密集且耐污能力強的特點，在阻滯徑流、減少泥沙搬運方面具有一定效果，且造價成本低，構建要素主要包括植被種類、栽植密度等，可以選擇的草種包括高羊茅、野牛草等。

(2)灌草緩沖過濾帶。灌草緩沖過濾帶中灌木植物可以增加覆蓋面積，其根系發達，有利于改良土壤性質，對污染物的凈化作用更強，且具備一定景觀效果，構建要素需要考慮灌草設置比例、灌木種類、栽植密度等，可以選擇的灌木種主要有紫穗槐、胡枝子、珍珠梅、砂地柏等。

(3)喬灌草緩沖過濾帶。喬灌草緩沖過濾帶是更為復雜的過濾帶結構，在空間上更為立體，可以綜合不同植被的優勢且壽命更長，可以有效減小降雨侵蝕力強度，對污染物的控制更為有效，可以選擇的小喬木包括山桃、山杏、榆樹、柳樹等。

水土保持監測可采用監測小區法，小區邊墻可采用砌筑材料、金屬板、合成材料板的形式，植被過濾帶匯水來源于集中排放或漫排，需在小區上端匯水區設置集流槽，進水口設置齒狀擴散溢流槽，保證匯水以漫排方式均勻進入小區。

監測小區投影尺寸為5 m×20 m，或以5 m監測寬度對坡面的全長進行監測，采用開放式結構，用于收集上游徑流，進、出水口設置薄壁堰或巴歇爾槽結合在線流量監測裝置、泥沙監測裝置進行實時監測。

3.2.2 河岸坡面生態防護

坡面生態防護主要應用在河道斷面常水位以上的土質邊坡，首先應滿足河道邊坡結構穩定的基本要求，其次應滿足水土保持及環境保護的要求，減少邊坡水土流失，同時還要考慮河道整治工程的投資，確保工程的經濟性。河道邊坡植被的選擇需首先考慮河道水位、流速等水力要素，優先選用適應性強、易成活、與當地景觀協調一致的植物。此外還應充分考慮喬、灌、草等植物的搭配效果，營造與周邊景觀相協調的水生態環境。

(1)栽植喬灌草坡面生態防護。設置僅栽植喬灌草植物種的生態防護措施，應考慮邊坡的地形地質條件，選擇適應性強的植物種，草種可以選擇高羊茅、野牛草，灌木選擇紫穗槐、胡枝子、珍珠梅，喬木可以選擇山桃、山杏、榆樹、柳樹，形成喬灌草搭配的復合坡面防護。可與草地、灌木、喬木坡面防護或者兩種植被類型構成的復合坡面防護進行對比監測。

(2)分級整地+生態植被毯+栽植喬灌。坡長超過10 m后宜分級處理，可以采用水平條整地、鉛絲石籠、生態植被袋、景石、松木樁等形式對坡面分級，分級坡面采用生態植被毯結合灌草種子進行坡面防護和植被恢復。撒播的植物種一般選用灌草混合配方，優先選取根系發達、耐旱耐瘠薄的植物種。喬木可以選擇山桃、山杏、柳樹，灌木選擇紫穗槐、胡枝子、丁香等。此方式一般適用于坡比緩于1∶1.5的穩定坡面。

(3)生態基材噴附+栽植喬灌。生態基材噴附是將有機質、保水劑、黏合劑、植物種子等材料配置成的核心基質材料，根據現場可利用土源和土壤地質條件進行二次調配，通過高壓噴射系統將植物生長基質噴射到工程實施的區域，營造植物生長的條件，坡面可栽植喬灌恢復植被，改善景觀。此方式適用于河道坡比緩于1∶1的穩定土質邊坡。

(4)坡改平生態磚護坡。坡改平生態磚護坡技術是通過控制坡面徑流實現控制坡面土壤流失的目的，利用護坡砌塊前后兩端不等高的特殊結構設計，將所防護斜坡表面由六角空心護坡磚形成的坡面組合改變為由多個上部呈水平狀態的砌塊坡面組合，使砌塊內的土壤處于水平穩定狀態，從而最大程度地防治水土流失。坡改平生態磚護坡植物類型也有多種配置模式，草本植物可選擇野牛草、早熟禾、黑麥草等，灌木可選擇砂地柏、紫穗槐、女貞、小葉黃楊、薔薇與迎春等，藤本植物可選擇五葉地錦。

采用標準封閉徑流小區法進行水土保持監測，監測小區投影尺寸為5 m×20 m，邊墻可采用砌筑材料或金屬板，也可以根據實際情況對坡面的全長進行監測，監測坡面坡比緩于1∶1。監測小區底部設置集流槽，上緣與地面同高，槽底向下傾斜，外接薄壁堰或巴歇爾槽結合在線流量監測裝置、泥沙監測裝置監測流量、含沙量及水質，也可接徑流桶進行人工監測。

3.3 農地水土保持措施

農地水土保持措施監測內容包括耕作方式、生物地埂及植草溝，可采用監測小區等方法進行整體監測。對于整體的農田作業區，選擇合適地點，在排水溝出水口設置監測點，也可以對完整的農業種植排水區進行整體監測。

3.4 施工臨時水土保持措施

(1)臨時覆蓋。對生產建設項目實施過程中臨時堆土、堆料采用的防護措施進行監測，措施類型可選用常見的纖維網和土工布，監測方法可以采用標準監測小區法。

(2)臨時排水溝。針對平原區典型生產建設項目，可以設計不同材質和斷面的臨時排水溝，可以單獨進行監測，也可以結合臨時覆蓋和臨時攔擋進行整體監測，匯水區為項目區占地面積。

(3)臨時攔擋。結合臨時覆蓋和臨時排水溝進行監測。

(4)沉沙池。根據項目占地面積、臨時排水溝設置情況，按照《灌溉與排水工程設計標準》(GB 50288—2018)和《室外排水設計標準》(GB 50014—2021)，計算出單座沉沙池可承擔的匯水面積，確定臨時沉沙池的位置和數量。

沉沙池進、出水口與排水溝相接，在排水溝內布置薄壁堰或巴歇爾槽結合在線流量計、泥沙監測裝置進行監測。

4 結 語

根據北京市城市平原區水土保持功能定位，確定了城市平原區水土保持監測內容和指標，針對城市水土保持、河岸帶水土保持、農地水土保持、臨時水土保持4類措施的徑流量、含沙量、植被覆蓋率、COD、SS、氨氮6項監測指標，通過利用人工或自然匯水區、自然坡面、監測小區、過水斷面，設置監測設備裝置，獲取監測數據，并選擇具有代表性的典型措施進行了典型設計。

城市平原區的水土保持監測內容與指標體系研究尚不成熟，監測方法尚處于摸索階段，需要不斷積累經驗，不同區域還需結合監測區域的具體情況，適度優化調整措施布局與設計，以科學、穩定地獲取監測指標數據，為城市平原區水土保持決策提供依據。