新型水土流失监测装置及其应用

杨建民，孟凡宪，丛一蓬，张龙

(1.天津大学建筑工程学院土木工程系，300072，天津；2.天津大学 滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室，300072，天津；3.北京市颐和园管理处，100091，北京；4.天津大学建筑学院，300072，天津；5.天津大学 文物建筑测绘研究国家文物局重点科研基地，300072，天津)



新型水土流失监测装置及其应用

杨建民1,2，孟凡宪1，丛一蓬3，张龙4,5†

(1.天津大学建筑工程学院土木工程系，300072，天津；2.天津大学 滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室，300072，天津；3.北京市颐和园管理处，100091，北京；4.天津大学建筑学院，300072，天津；5.天津大学 文物建筑测绘研究国家文物局重点科研基地，300072，天津)

测钎法是一种应用广泛的水土流失监测方法，但是传统测钎法难以适应复杂监测地形，缺乏专门测读装置，还会产生较大监测误差，需要对其加以改进。以颐和园万寿山山体为研究对象，针对其山体特征和文物分布状况，选定18块监测场地，发明单钎多点式测读装置，选用改进的测钎法对水土流失进行监测。结果表明：1)18块监测场地考虑了土壤、坡度、植被等因素的差异，可以全面反映万寿山水土流失状况；2)单钎多点式测读装置有效降低了测钎埋点环境条件、测读方式等客观和主观误差，提高了测钎法水土流失监测结果的准确性；3)监测期间，万寿山平均土壤流失值在-3 mm～+1 mm范围内。说明新型水土流失监测装置是可行的，所用水土流失监测方法和数据处理方法，可供其他类似工程借鉴与应用。

土壤流失； 测钎； 测读装置； 颐和园

水土流失是全球性的生态问题，如何有效地实行土壤侵蚀测量和控制，已成为各国普遍关注的焦点。在水土保持、林业生态环境的建设中，首要的工作就是要进行水土流失工作的监控，为区域生态系统提供水土流失定量监控数据，对水土流失趋势进行预测，进而能够在降雨前后，掌握某一地区水土流失的状况，才可以有针对性的治理和防护[1]。

传统测量方法主要有侵蚀小区观测法、测钎法、填土法和量沟法等；先进仪器测量法主要有稀土元素示踪法、放射性核素示踪法、三维激光地形扫描和航空摄影技术等[2]。定位插钎风蚀强度观测法(简称测钎法)是目前水土流失监测的常用方法，适用于开发建设项目重点监测地区边坡风化水蚀的水土流失监测，适用于地形比较复杂、区域相对分散、植被覆盖率较高、遥感方法难以适用的小区域监测[3]。传统测钎法是指在坡面样地内，在尽可能少地扰动地表土壤的情况下，向地下有规律地插入若干细钎，在插钎上标记与土壤表层持平的位置，作为原始高度点。降水发生后，通过观测地表土层降低的厚度，观测计算土壤水蚀侵蚀量[4]。插钎观测内容包括降水情况及土壤流失量；同时，按照观测项目的要求，增加土壤理化性质、植被变化和耕作情况等观测内容。测钎规格常为50～100 cm长，直径1～2 cm的钢钎，测钎垂直坡面或竖直插入坡面，测钎钉帽端露出的一定尺寸的距离，记录初始坡面高度，降雨后或间隔一定周期，观察采集坡面新高度，与初始坡面高度差得出土壤侵蚀深度，以进一步计算得出土壤侵蚀量与降水量的影响关系[5]。

传统测钎法在测钎的设计、测钎的埋设工法以及后期的数据采读，都存在比较多的问题：其一，在土壤内插入细钎，因固定效果不佳，在人流多的地方容易被拔走丢失；其二，使用带有刻度的普通钢钎作测钎，测钎刻度在室外环境下容易锈蚀剥落，造成数据丢失；其三，由于测钎露出坡面刻度较短，给数据采集人员造成读数困难，由于视线难以平视，也容易加大读数误差；其四，传统测钎通常是锤击贯入坡面，由于钢钎有一定柔性，锤击作用下有变短的趋势，造成测钎上刻度间距变小，刻度不准；其五，需要借助标尺贴地测量读数，读数困难，也容易加大测读误差；其六，测钎埋置场地环境复杂,易受杂草碎石堆积等环境因素的随机误差影响，而引起测钎埋置点位的覆土高度变化，增加错误数据，加大测读误差。

笔者针对颐和园山体环境实施水土流失监测，并结合传统测钎法的特点，对测钎自身设计及埋设工法进行创新与改进，发明了新型测读装置和测读方法，并付诸实施。

1　新型水土流失监测装置

1.1监测装置

新型测读装置为图1所示的单钎多测点测读装置，包括1个组合外筒和5根带刻度的内筒(图2)，其中，组合外筒有1根中心筒(图2标号5所示)及均布边缘的4根边缘外筒(图2标号1～4所示)，用3块钢片连接固定。

图1　发明的单钎多测点测读装置Fig.1　Invented single-pin multiple-point measuring device

图2　测读装置组合外筒部分Fig.2　Components of the measuring device

1.2测读方法

1)将组合外筒下端，沿测钎顶端缓慢套入至组合外筒下端接触地面；

2)将地质罗盘置于测读装置钢片上，调整气泡位置，保证测读装置水平，转动测读装置，使4个外筒方向分别指向东、南、西、北4个方向，并标记做1、2、3、4号方位，中心位置为5号方位(图2)；

3)将带有刻度的内筒沿1～5号外筒顺序缓慢插入，使1～4号的内筒底端缓缓触及地面，5号中心筒内的内筒底端与测钎柱帽的顶端接触；

4)按1～5号顺序，平视读取组合外筒上端矩形读数口内刻度，并记录读数；

5)根据每根测钎累次记录的对应5点的数据，经过计算整理，得出单个测钎对应的平均数据，进而计算推导得出每块测钎场地的土壤流失量，以及推测出局部区域的土壤流失量。

1.3测读数据整理与分析

(1)

3)计算每根钢钎的平均流失值

(2)

4)计算场地的流失值的平均值

(3)

5)计算标准差

(4)

6)计算变异系数

(5)

7)计算统计修正系数

(6)

8)计算标准值

(7)

1.4新型测读装置的优点

与传统的测钎法相比，采用单钎多测点测读装置，测量土壤流失量，具有以下优点：

1)传统测钎法直接将刻度标在测钎上，测钎上刻度长期处于室外环境，容易锈蚀脱落，容易被泥土污染；而此测读装置只在采集数据时在室外使用，不会出现上述问题。

2)增加了测点的数据采集量，能够有效地降低因环境因素造成的随机误差，使监测结果更加准确。

3)读数口设置在1.5 m处的高度，方便测读人员平视读取数据，减少了传统测钎读数位置偏低造成的读数不便和误差。

4)可使用无刻度的普通钢钎作为测钎，很大程度上降低了测钎加工成本，便于野外操作，测读装置具有普适性，1台测读装置可用于多个场地的数据采集读取。而新型测读装置克服了传统测钎法中测钎上刻度容易剥落、容易污染锈蚀，读数困难、效率低、测钎加工工艺要求高和成本高等缺点。在实际测读应用中，取得良好的效果。

2　新型测读装置在颐和园万寿山的应用

颐和园在营建之初，利用拓湖清淤的泥土堆培瓮山(万寿山前身)，以改善植被条件。为防止水土流失，当时也采取了修筑挡土墙、竹篱等固土设施。这种石、土结合的山体构成方式，也直接导致万寿山易于水土流失：在颐和园的历史上，经常出现万寿山山体水土流失严重和进行山体整治的记载[7]。如今，颐和园作为世界文化遗产，每天接送游客达数万人次，过多的游人造成山体、草坪被践踏，植被遭到破坏，山路土壤板结；加之近几年，万寿山绿地改造及山体喷灌系统的建立，一些灌木、地被遭到破坏，加速了山体水土流失；因此，需配置水土保持措施，为后续水土保持工程建设，提供数据分析和技术支持。

颐和园既是国家重点文物保护单位，又是世界文化遗产，园内的山石水土既是文物，又是文物的载体。在颐和园开展水土流失监测工作既要达到监测目的，又要保证不破坏文物、不影响景观，在监测方法、监测设备、监测数据采集等方面都有其特殊性。

2.1监测方法选定

水土流失监测的现有方法中，遥感监测和控制站法适用于大范围的流域监测，坡面径流小区法和沉沙池法需要对场地进行改建，简易坡面侵蚀沟量测法不易于大面积开展，核素示踪法不便于测试，调查监测难以进行定量分析[8]。颐和园万寿山面积约77 hm2，高度约60 m，园内游人众多，郁闭度较高。为尽量减少对园林扰动，并获得准确的监测数据，经综合比较，选择测钎法作为颐和园土壤流失监测方法。

2.2测钎设计与制作

测钎设计和制作包括测钎的几何尺寸、形状、标记和材料。为达到长期监测积累数据的目的，测钎采用耐腐蚀性强的304型号不锈钢。如图3所示，通过坑探和调研发现，万寿山覆土厚度为1.5 m以内，土质为杂填土，含有建筑垃圾。为此，制作了0.6、0.8和1.2 m 3种长度规格的测钎，以适应不同的覆土厚度。测钎横截面为正六边形，既利于雨水绕流，又利于标记高程刻度(图4)。

图3　现场坑探Fig.3　Photos of exploring mining

图4　测钎Fig.4　Photos of chain pins

2.3测钎埋设

场地选择需要考虑以下因素：不破坏文物；位置比较隐蔽，不影响园林景观，不易被游人发现；山坡覆土较厚，易于施工埋设测钎；场地的坡度、植被覆盖率、草的种类、郁闭度等因素的差异，以对比各种因素对水土流失的影响[9]。

图5　现场埋设测钎Fig.5　Photos of embedding chain pins into soil

图6　万寿山18块测钎场地及测钎布置分布图Fig.6　Distribution of 18 measurement sites on the Longevity Hill of the Summer Palace

为达到坚固耐久的效果，防止被盗丢失或踩踏晃动，而影响读数的精确，埋设测钎选用素混凝土加固的方法，采取的工序是：选址→钻孔→清理→注浆→插钎→养护→回填土。现场埋设测钎工作照片见图5，选取的18块场地位置见图6。考虑到素混凝土硬化收缩，以及回填土固结沉降等因素，第1次读数需要在素混凝土达到强度要求、回填土趋于稳定的条件下再进行。

2.4传统测钎法水土流失监测数据整理

从图6所示的水土流失测钎分布的18块场地中，5号场地所有测纤均未丢失，场地完整性较好，且5号场地测量数据从2013年9月至2016年3月记录较完整，具有连续性，方便数据对比分析；因此，选取具有代表性的5号场地，该场地所读取的11次监测数据见表1、表2和表3，其中表1是传统测钎法测得的数据。

5号场地位于清可轩正下方一缓坡处，草类植被较多；将表1中后4次的数据分别与第1次的数据做比较，便能得到传统测钎法每根测钎的土壤流失值；对每块场地内，所有测钎所示的流失值求平均值，便得到每块场地相对初始读数的土壤流失的变化值。传统测钎法得到的4次读数的场地平均流失值及新装置测钎法方法的数据汇总见表4。图8示出传统测钎法测钎读取值对比与初始值(2013年9月12日)的变化值。

图7　现场测读Fig.7　Photos of site work

表1　5号场地前5次读数汇总

Note:i refers to the site’s number.j refers to the chain pin’s number.All chain pins of No.5 site are not lost.The site’s integrity is better.Measurement data of No.5 site is complete,with continuity,and it’s convenient for data analysis.

2.5新监测装置水土流失监测数据整理

5号场地应用新型监测装置测读数据，数据整理结果见表2和表3。之所以分开列出，是因为测量内筒发生变化，使得测量标准不一样。图9为新监测装置测钎法读取2015年7月份数据值，对比初始值(2015年6月11日)的变化值；图10为新监测装置测钎法测得数据值，对比初始值(2015年9月24日)的变化值。

对以上2013年9月—2016年3月的监测数据分析显示，5号场地土壤流失特征如下：

1)同一块场地不同测钎的测读数据有正有负，即场地内同时发生土壤侵蚀和土壤沉积，说明对局部区域，需要通过增加测点，以减少误差，避免以偏概全；

表2　6、7月份5号场地读数汇总

表3　5号场地后4次读数汇总

表4　5号场地平均土壤流失值

注：分别以2013年9月份、2015年6月份、2015年9月份为初始值对比。Note:Contrast with September 2013,June 2015 and September 2015 respectively.

图8　传统测法相比于2013年9月各年测钎读数变化值Fig.8　Changes of measured value of chain pins compared to September 2013 by traditional method

图9　新监测法相比于2016年6月测钎读数变化值Fig.9　Changes of measured value of chain pins compared to June 2016 by new method

图10　新监测法相比于2015年9月各年测钎读数变化值Fig.10　Changes of measured value of chain pins compared to September 2015 by new method

2)监测区域的土壤并非持续流失，而是在正负流失量间反复，单测点流失量在-15～+15 mm之间，场地流失均值在-3～+1 mm之间。

新监测装置测读的数据与传统方法测读的数据比较有以下特点：

1)表1测读数据尾数以“0”和“5”居多，表2和表3则不然，尾数分布于0～9，说明新装置可提高测读精度；

2)表4中场地流失均值由传统方法得出正值，而新装置测读结果都为负值，说明当水土流失量较小时，传统方法由于测读精度低，可能影响场地流失均值的结果。

3　结论

针对传统测钎法难以适应测点复杂三维局部微地形的特点，发明了一钎多点的新测读装置，并改进了埋设方法，以防丢失，应用于颐和园万寿山，获得良好监测效果。

1)颐和园万寿山18块监测区域，考虑了场地土壤、坡度、植被等因素的差异，可以全面反映万寿山水土流失状况；

2)采用钻孔和注浆的施工方法，改进了测钎埋置方法，选用不锈钢制作长钢钎，发明的单钎多点式测读装置，有效降低了测钎埋点环境条件和测读方式等客观和主观误差，提高了测钎法水土流失监测结果的准确性；

3)监测期间，万寿山平均土壤流失值在-3 mm～+1 mm范围内。

本文提出了适用于文物保护单位在环境较复杂的小区域内，实施水土流失监测的一种改进的测钎法，改善或克服传统测钎法精度不高、测读困难、容易丢失测钎、易受环境干扰等诸多缺点，所用水土流失监测方法和数据处理方法，可供其他类似工程借鉴与应用。

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A new device and its application in soil and water loss monitoring

Yang Jianmin1,2,Meng Fanxian1,Cong Yipeng3,Zhang Long4,5

(1.Department of Civil Engineering,Tianjin University,300072,Tianjin,China; 2.Key Laboratory of Coast Civil Structure Safety of China Ministry of Education,Tianjin University,300072,Tianjin,China; 3.Beijing Summer Palace Administration,100091,Beijing,China;4.School of Architecture,Tianjin University,300072,Tianjin,China; 5.Key Scientific Research Base of Building Surveying and Mapping of Cultural Relics,State Administration for Cultural Heritage,Tianjin University,300072,Tianjin,China)

[Background] Chain pin method is applied widely in monitoring soil and water loss.The traditional chain pin method is insufficient when it is used in complex terrain.Without special measuring device,the monitoring error would be generated,thus the traditional measuring device should be improved.[Methods] According to the topography and cultural relics distribution of the Longevity Hill in the Summer Palace,improved chain pin method was deployed and the pins were produced with stainless steel.After geological exploration and topographic feature survey,hundreds of pins were embedded at 18 sites where there may be serious soil and water loss and be shady for tourists.To reduce the measurement error,a special measuring device was invented.The new device can measure soil and water loss data of measuring pin and more than one points around pin.[Results] Analyzing measured data using the new single-pin multiple-point device,the following results were obtained.1) Several influencing factors such as soil,slope and vegetation were considered in these 18 sites,which fully reflected the soil and water loss conditions of the Longevity Hill.2) By the new measuring device,the subjective and objective errors from the environmental conditions and reading data were efficiently reduced,consequently the accuracy of monitoring the soil and water loss by the method of chain pin increased.Measuring accuracy of traditional method was 5 mm,and the measuring accuracy from new single-pin multiple-point device was 1 mm.3) Principle of statistics was used to processing data,and the result from analyzing the monitored data showed that during the period of monitoring,value of water and soil loss on the Longevity Hill was in range of -3 mm to +1 mm.[Conclusions] The new single-pin multiple-point device of monitoring the soil and water loss was applied successfully on the Longevity Hill in the Summer Palace.The new device is practicable in monitoring soil and water loss and it can improve the precision.During the period of 3 years of monitoring,the value of water and soil loss on the Longevity Hill was in range of -3 mm to +1 mm.

soil and water loss; chain pin; measuring device; the Summer Palace

2015-03-27

2015-11-25

项目名称：国家自然科学基金青年项目“颐和园营建过程研究”(51108306)

杨建民(1979— )，男，博士，副教授。主要研究方向：岩土工程。E-mail:yangjianmin@tju.edu.cn

简介：张龙(1981— )，男，博士，副教授。主要研究方向：清代皇家园林、样式雷建筑图档。E-mail:arcdragon@163.com

S157.1

A

1672-3007(2016)04-0113-08

10.16843/j.sswc.2016.04.014