浅谈生产建设项目水土保持监测工作的技术创新

葛学春,许晓伟,江 涛

(1.台州市椒江区水利局,浙江 台州 318000；2.杭州华辰生态工程咨询有限公司,浙江 杭州 310014；3.中国水电顾问集团华东勘测设计研究院,浙江 杭州 310014)

1 问题的提出

水土保持监测是伴随着人们对水土流失问题的认识程度逐渐发展起来的一门技术,自然状态下正常的水土流失难以被人们所察觉,所造成的危害也相对较小,但随着经济社会的发展,生产建设项目的逐渐增多,人类对地表土壤的扰动增强,随之产生的水土流失问题也日益突出,甚至已经影响到正常的生产生活乃至生命安全。在这样的背景下,水土保持监测技术的产生成了必然的趋势。但水土保持监测技术本身并不能防治水土流失,而是及时发现水土流失隐患并通过一定的技术手段定期对水土保持措施防治效果进行定量分析,通过分析结果进一步指导生产实践。

水土保持监测从定性分析走向定量研究,可以说是水土保持监测技术的一项重大进步。1922—1927年,我国首次在山西沁源、宁武东寨和山东青岛林场建立了径流小区,观测不同森林植被和植被破坏对水土流失的影响,自此开始了我国径流小区观测和水土流失的定量化研究[2]。历经半个多世纪的发展,我国水土保持监测技术已经取得了长足的发展,初步形成了一套完整的法律法规及监测规范体系,不仅提高了水土保持监测的规范性和可操作性,更提供了法律依据与保障。然而,在取得进步的同时,更应该看到目前水土保持监测工作存在的不足,尤其是在生产建设项目中,监测技术及监测方法等方面都亟待提高。

2 目前水土保持监测的不足

2.1 监测技术发展缓慢

长期以来,在生产建设项目中普遍采用的监测方法主要有径流小区法、控制站法、沉沙池法、简易水土流失观测场法、简易坡面量测法等,对于遥感监测法由于成本较高也仅在个别项目中做尝试性地应用,并未普及。在传统监测技术中,卡口控制站法对于水土流失量的监测较为准确,但其布设条件较为严格,需要四周封闭的区域。径流小区法使用较为普遍,该方法对同一类地貌侵蚀单元的水土流失监测相对来说较为接近实际情况,但是由于径流小区的布设需要一定的空间且不受施工扰动,在生产建设项目中很难找到合适的位置布设,而对于现场存在的多个土壤侵蚀单元也无法用同一个径流小区来模拟,同时布设多个小区一方面成本太高,另一方面场地空间有限。对于其他常用监测设施,有的布设条件要求较高,有的监测数据精确度偏低,均较难满足生产建设项目水土保持监测要求。

2.2 监测成果形式单一化

根据水利部“水保〔2009〕187号”文件,水土保持监测报告主要包括监测实施方案、监测季度报告以及监测总结报告。关于报告的形式文件中只例出了目录提纲,并未对具体内容和监测结果表现形式进行限制。水土保持监测单位在长期监测过程中,多数会形成一种固定的报告形式,一是为了方便内部管理,二是使报告编写过程程序化,缩短报告编写时间。作为监测单位,这样的操作模式本无可厚非,但是由于生产建设项目的多样性以及监测技术的不断积累,长久以来沿用的报告形式可能就会出现各种问题,或者重点不突出,或者对新产生的问题描述不够充分。这些问题如果长期得不到解决,不利于监测工作的发展进步。

3 水土保持监测技术的创新

水土保持监测技术是一门与实际生产紧密联系的技术,不能期望短期内出现某种新技术大幅提高监测水平,需要广大从业人员在实践中不断摸索,掌握大量第一手资料,为行业规范制定部门提供重要依据,共同提高水土保持监测水平。

3.1 监测技术创新

3.1.1 传统监测技术创新应用

传统监测技术是在长期生产实际中总结出来的一套技术,传统监测技术发展到今天,虽然有着各种各样的弊端,但仍然有着其重要的应用。在应用的同时,换一种思路或许能够取得更好的效果,将传统监测技术的缺陷降到最低。

例如,简易水土流失观测场法(以下简称测钎法)是在水土保持监测过程中常采用的一种方法,但由于其精度低、易损坏等特点普遍不被业界看好。传统的操作方法是将测钎布置在土质侵蚀坡面,通过定期测量泥沙的侵蚀厚度来推算土壤侵蚀量。但自然环境的复杂多变,测钎处的泥沙可能会侵蚀,也可能会淤积,使监测成果具有很大的不确定性。但如将测钎布置在坡脚泥沙淤积处测量泥沙淤积厚度可能效果会好些。此外,通过合理选择测钎尺寸、统一测钎量测部位、选择合适的布设间距、改进测钎读数方式等方法都可以进一步提高测钎观测的精确度[3]。

目前,新技术尚未广泛应用时,传统的径流小区法仍被广泛使用,但文中也提到,径流小区的修建需要一定的场地条件,很多工程现场难以找到适宜的场地。面对这种情况,可以通过修建模拟径流小区的方法实现。其做法是在工程征地范围内找一平坦地块修建径流小区,小区坡度及填充物应与模拟区一致。这样做一是可以避免径流小区受施工扰动影响,方便采样；二是能尽量真实地模拟场地实际环境。需要说明的是,模拟径流小区只适用于堆土堆渣坡面,对于开挖坡面,由于无法模拟开挖面的土质松散程度则不再适用。

3.1.2 新技术综合应用

水土保持监测新技术是随着科学技术的进步而逐渐发展起来的。目前,应用在水土保持监测中的新技术主要有三维激光扫描、差分GPS、摄影测量、差分雷达干涉测量、低空无人飞行器遥感系统、光电侵蚀针系统、核素示踪法等[4]。新技术的产生在一定程度上提高了监测数据的精确度和监测工作的自动化程度,减少了工作量。但是,要将新技术完全应用到生产建设项目水土保持监测中还有很长一段路要走,一方面新技术的直接应用会导致监测成本大大增加；另一方面,由于生产建设项目的多样性和复杂性,探索新技术在水土保持监测工作中运用有一个过程。

新技术应用的同时,应注意与传统技术的结合,不能单纯依赖某项技术解决所有问题。以测钎法为例,传统的测钎存在精度低、读数误差大等诸多缺点。中国水电顾问集团华东勘测设计研究院利用传统测钎的测量原理结合光电技术研究出一种全新的水土保持监测工具—光电测尺[5]。借助光电池对光线的高灵敏度提高了测量精度,并借助发光二极管实现自动读数,解决了传统测钎读数误差大的弊端,未来还可以通过信号处理系统及网络传输等技术实现数据实时自动传输。

光电侵蚀针[6]以及光电测尺[7]都是对传统测钎的一种改进,这些技术本身应该说都具有较高的技术含量,但仍然面临着与传统测钎相同的问题。利用光电测钎测量精度和自动化程度高的特点,可以通过增大测钎布设密度和范围,将每一个测钎作为一个三维坐标点,将测得的数据输入计算机,通过三维模拟软件 (如Matlab等)绘制监测区域不同监测时段的地形图,通过前后对比计算出土壤侵蚀量,减少单一测点的偶然性引起的测量误差。

3.2 监测成果整编创新

监测报告是对监测过程及监测成果的一种展现形式,其编写质量的好坏直接影响到监测单位的声誉。监测报告在符合格式要求的前提下,应做到数据真实可靠、重点突出、内容表现一目了然。

监测报告的创新首先应从报告内容的表现形式入手,监测报告尤其是监测数据的展现应直观形象,通过各种图表的结合比单纯的表格更生动,也更具有可读性。尤其是在监测过程中如果引进了新技术,将分析结果图片添加到报告中,有助于他人理解新技术的应用,比单纯的文字表格描述更有说服力。此外,报告的内容要根据生产建设项目的具体情况适当调整,不能千篇一律,体现重点突出、个性鲜明的特点。如线状工程要交代清楚沿途路线走向经过、弃渣场布置情况,点状工程要明确现场不同监测分区及侵蚀单元的范围等。

监测报告的创新还包括内容的模块化。尤其是数据计算部分,应注意积累方法,将其进行模块化处理,避免每次重复计算,增加工作量。例如可以利用Excel的公式编辑和宏编辑功能将需要计算的数据整理成固定模块,以后每次只需输入数据就能自动计算出需要的结果,从而提高工作效率。

4 水土保持监测工作的展望

水土保持监测工作的创新,不仅需要广大监测人员长期的实践经验积累,更需要对各种问题敏锐的观察力,要努力扩展自身的知识面。此外,新技术的引进,对于成本控制、现有工作人员的技术水平以及社会的认可程度等都提出了新的挑战。

我国的水土保持监测无论从实践还是理论研究都还处在起步阶段,尤其是在土壤侵蚀定量化研究方面还比较欠缺,今后的水土保持监测事业必将有着广阔的发展空间。生产建设项目水土保持监测的最终目的是及时了解工程水土流失情况及其造成的危害,并为水土流失防治措施设计提供技术支撑。随着科技的不断进步和监测人员素质的提高,相信今后会探索出一套真正符合生产建设项目水土保持监测的便捷实用的方法。

[1]刘震.水土保持监测技术[M].北京：中国大地出版社,2004.

[2]郭索彦,李智广.我国水土保持监测的发展历程与成就[J].中国水土保持科学,2009,7(5)：19-20.

[3]李俊,李海林,李健.关于水土保持监测中测钎应用的思考[J].水土保持应用技术,2009(1)：21-22.

[4]唐强,鲍玉海,贺秀斌,等.土壤侵蚀监测新方法和新技术[J].中国水土保持科学,2011,9(2)：11-18.

[5]中国水电顾问集团华东勘测设计研究院.一种用于土壤侵蚀观测的光电测尺：中国,200920191369.X[P].2010-05-26.

[6]Lawler D M.A new technique for the automatic monitoring of erosion and deposition rates[J].Water Resources and Research,1991(27)：2125-2128.

[7]李俊.一种用于土壤侵蚀观测的光电测尺研究[C]//中国水土保持学会规划设计专业委员会2011年年会论文集.北京：中国学术期刊电子出版社,2011.