水土保持自动监测设备现状及新设备研发

张 勇，李 仁 华，姚 赫，陈 洋，王 秋 霞，魏 玉 杰

(1.长江水利委员会 长江流域水土保持监测中心站，湖北 武汉 430010； 2.中国三峡建设管理有限公司，四川 成都 610000； 3.华中农业大学 水土保持研究中心，湖北 武汉 430070)

0 引 言

水土保持监测是水土保持事业的重要一环，全面、准确、科学的水土保持监测能够给生态规划和国家行政提供决策依据。根据国务院印发的《生态环境监测网络建设方案》及水利部制定的《全国水土保持信息化规划(2013-2020 年)》，国家生态环境监测将“国家级水土保持监测点升级”列为重点建设项目，拟开展监测点数据采集智能化升级，配置自动化监测设备。同时，随着监测标准的日渐提高和劳动力成本的增加，水土保持监测也急需技术革新来保证监测事业的稳固和发展。

根据国家要求和行业发展需求[1]，推广使用水土保持自动监测设备十分必要且形势紧迫。本文结合当前形势，对水土保持监测设备应用现状和研究进展进行了总结，并详细介绍了一种径流泥沙自动监测设备和一种土壤侵蚀自动监测设备。

1 水土保持监测设备应用与研究现状

1.1 应用现状

(1) 水土保持现状监测设备缺乏。水土保持监测通常包括水土流失影响因子监测、水土流失状况监测、水土流失危害监测和水土保持措施及效益监测4个方面，其中土壤侵蚀和水土流失等水土保持现状监测是水土保持监测的核心，水土保持监测自动化设备主要集中在水土流失影响因子监测领域，如监测降雨、土壤含水率、风向风速等，市场上可供选择的水土保持现状监测设备较少。

(2) 实时监测设备缺乏，自动化程度低。部分现状监测设备如插钎测量法、径流泥沙自动采样监测设备、激光微地貌扫描仪、摄影测量设备等，依靠人工读数并进行数据转存储运，缺乏实时监测能力，自动化程度较低，依赖于人力导致监测频率得不到保障，低频次监测导致水土流失应急监测的反应时间不足，系列问题造成了较大监测误差，在汛期降雨集中时表现更为突出。

(3) 自动监测设备价格高，管护需求高。市场上的自动监测设备价格较高，过高的价格限制了自动监测设备的市场开发行为。部分监测设备如光电式泥沙传感器、超声波泥沙监测仪、γ射线浊度仪等，由于其传感器及供能条件等的限制，仅适用于实验室或高管护条件下的水土保持监测；国家层面的监测和市场、水土保持监测项目均需要监测设备能长期处于环境恶劣、管理水平较低的区域，并进行稳定、有效、准确的监测，市场上现有的自动监测设备价格高、管护要求高严重制约了水土保持监测设备的推广。

(4) 通信条件限制。实时监测依赖于稳定的数据传输系统，目前实施监测设备的通信方式包括通信电缆、光纤通信、无线、GSM 4种，以河南省[2]、辽宁省[3]、吉林省[4]、青海省[5]、北京市[6]、重庆市[7]、江西省[8]、陕西省[9]、浙江省[10]等地进行的自动化监测试验推广为例，数据和影像传输采用的是通信电缆和无线传输方式，分布式的单向传输设备采用GSM通信，这种传输方式会产生固定通信费用且在偏远信号较弱地区无法使用，通信条件的限制使水土保持实时监测难以做到对偏远地区的全面站网覆盖。

1.2 研究进展

1.2.1研究热度低

以发表论文数据为参考指标，利用CiteSpace进行知识图谱分析，论文数据来源于中国知网(CNKI)数据库的中国学术期刊网络出版总库、中国博士学位论文全文数据库及中国优秀硕士学位论文全文数据库，检索时间为2021年9月24日，主题为“水土保持”、附加词频“监测”“自动”，时间跨度1989年12月31日至2021年9月24日，精确匹配检索，共检测到含有“水土保持”主题并含“监测”词频的相关文献共3 809篇；而含有“水土保持”主题并含“自动”词频的相关文献仅占166篇，含监测自动化的占比仅为4.35%，其研究热度较低，研究进展慢。与“水土保持监测”词频最热的关键词依次为“方法”(词频2 722次)、“设计”(词频1 683次)、“技术”(词频1 376次)、“方案”(词频1 008次)、“体系”(词频496次)、“规程”(词频345次)、“网络”(词频362次)、“设备”(词频275次)，水土保持监测的主要研究方向为“方法”和“设计”，与“设备”相关的论文也并未占据主流。以“径流泥沙监测”“土壤侵蚀监测”“风蚀监测自动化”为搜索关键词，搜索水土保持监测设备相关专利，目前在保护期相关设备仅30余项。由以上简要统计可知，水土保持监测自动化研究发布成果较少，其研究热度较低，不是当前主流研究方向。

1.2.2学科间和行业内交流较少

水土保持监测设备是一种复杂的监测设备，其监测对象既涉及到水文、水资源、水环境等水利相关行业的内容，又与土壤、地貌、气象等相关学科密切相关。水土保持监测设备研制更是需要依托机械、电子、通讯等专业制造知识的支撑，当前水土保持监测设备研制与相关行业、学科之间的交流明显不足。以专利产权方、论文发出机构、市场上的设备生产商法人之间的合作发表成果为例，其合作发表的论文、共同持有的专利数量均较少，水土保持监测设备研制机构之间缺乏联系，分散闭塞。虽有监测设备认定机制，但其认定仅停留在官方推广层面，缺乏市场活力，产学研结合度较差，亟需加强研究者之间的交流、合作，建立一种合作交流和良性竞争的机制和平台，以推动自动设备规范发展。

1.2.3研究与实践脱节

水土保持现状监测设备研究与实践出现部分脱节，以土壤侵蚀和径流泥沙的自动监测设备的研究为例，土壤侵蚀自动监测设备主要基于测量土壤厚度变化的原理，根据测量原理不同可分为光电测尺法[11]、摄影测量法[12]、超声波测距法[13]等。上述土壤侵蚀监测设备对于测量特定条件下的土壤侵蚀有一定意义，但应用于野外还需解决安装、传输、防盗等问题。径流泥沙自动监测设备主要基于围堰径流小区监测的原理，根据测量径流中泥沙含量的方法可以分为比重法[14-15]、γ射线法[16]、振动法、超声波法[17]、电容法[18]、光电法[19]、激光法[20]，这些方法均受制于传感器及供能条件，大多不适宜于野外粗放环境。

目前在研设备对于测量各土类基本侵蚀特性有一定意义，但其研究均立足于实验室条件下的高精准测量，依赖于高管护条件，不适宜于野外大面积复杂环境条件下布设，新研设备在技术转化上存在严重制约，实验研究成果与实践推广存在部分脱节，成果转化率较低。

1.3 水土保持自动监测设备研究现状

水土保持自动监测设备主要可以分为径流泥沙监测设备和土壤侵蚀监测设备两类，其研究背景、工作机理、存在制约性因素均有所不同。

1.3.1径流泥沙监测设备

测量径流泥沙最常见的方法是比重法，比重法大部分是基于测量径流体积和质量来进行泥沙含量判别，方法之间的差异在于收集装置结构和测量装置的不同，这种方法也是当前发展的主流方向[21]。目前用于野外水土流失径流泥沙自动监测设备存在以下技术问题：①设备结构复杂不易维护、使用寿命短、自动化程度低、准确性和稳定性较差；②能耗高、供电困难，需要电机马达供给，生产制造成本增加；③径流由进口通入筒体内时冲击液面、分布不均，导致水位信号和重量信号采集不准；④设备容易淤积泥沙，阶段性监测后泥沙的充分排空存在困难，连续测量数据误差增大；⑤在野外环境恶劣、无人值守的环境下易被损坏，无法满足自动操作、分析和传输的功能。

1.3.2土壤侵蚀监测设备

土壤侵蚀常表现为表层土壤厚度的变化，土壤厚度变化监测是水土保持监测的一项重要内容，目前土壤厚度变化的测定方法主要有传统方法和新方法。传统方法包括插钎法和径流小区观测法，插钎法是将插钎垂直插入土层，读取露出土面长度变化以计算土壤厚度变化的方法，这种方法耗时耗力、测量误差较大；径流小区观测法是对土面围堰并收集随径流冲下的泥沙，通过泥沙量除以围堰面积得出土面的平均侵蚀厚度，这种方法适用面窄，人工观测误差大，精度较低，适宜于水土流失监测而不适宜于土壤侵蚀观测。新技术方法包括立体测距法[22]、单点测距法[23]、遥感解译法[24]、光电测尺法[11]、间接法等。立体测距法、单点测距法可以统称为测距法，区别在于测距设备类型和测距点的数量，测距法测量精度高，但多因成本高、操作复杂、后期处理难度大而难以推广，且目前国内外测距法均未解决降雨时地面积水和坡面径流造成的测量误差。

2 水土保持自动监测新设备研发

2.1 基于累计测量减少误差方法的径流泥沙自动监测设备

经过大量的研究和试验，对现有各种测量设备存在的不足进行了改进，研究出一种新型径流泥沙自动监测设备。该设备是基于比重法测量含沙量，相对于光电法、透射法等传统的监测方法，该方法可以减小泥沙颗粒大小、分布对测量结果的影响，操作简单，适用性强。设备的构造如图1所示。

设备包括筒体，筒体顶部设与径流进水管连接的进水阀、中部设储流室、底部侧壁设出水阀，进水阀下方设锥形导水板，锥形导水板经支撑过滤网固定在侧壁上，倾斜角度为30°～50°，安装时保证锥形导水板端部与侧壁间具有0.4～0.6 cm间隙；进水阀与锥形导水板之间设有凹型溢水槽，储流室底面为经支撑结构支撑在筒体底面的斜坡形储水底板，斜坡形储水底板的最低端与出水阀下端对应；筒体侧壁设有至少一个水位探针，且最低位置的水位探针高度与所述斜坡形储水底板的最高端齐平；筒体底面设有称重传感器。此外该设备还包括由单片机组成的控制单元、与单片机连接的远距离无线通讯单元和供电单元，控制单元中的单片机分别与进水阀和出水阀的阀门控制器、水位探针、称重传感器和计时器连接；远距离无线通讯单元为北斗传输模块，设备可将数据进行压缩后稳定传输，适用于通讯条件恶劣的野外条件；供电单元包括蓄电池及与蓄电池连接的风光互补发电系统。

为解决进水冲击大、分布不均的问题，设备在进水阀下方设计了凹型溢水槽、锥形导水板和支撑过滤网。凹型溢水槽能够削弱径流直接冲击力，并将径流中泥沙分散，保证径流可从凹型溢水槽均匀溢出；锥形导水板用于承接从凹型溢水槽溢出的液体，将其沿锥面向周围均匀分散，使径流沿侧壁流入储流室，避免径流直接冲击液面，在安装锥形导水板时，其端部与筒壁的间隙要求控制在0.4～0.6 cm，间隙过大会造成径流不能沿壁留下，影响水位探针的测定结果，间隙过小会造成流速缓慢，有大量泥沙通过时会发生堵塞，影响测量结果的准确性；支撑过滤网则可以防止树叶石块等随径流进入储液室。该设备与已有径流泥沙自动监测设备相比，在储流室底面设计了斜坡形储水底板，并增大了测量体积，一方面即能减少储流室底部的液体存量，又具有导向作用，排水时能够将含泥沙的径流引向排水阀，实现快速排水、监测高效；另一方面，斜坡形储水底板不易淤积泥沙，排水时储流室内液体可对板面进行冲刷，为下阶段的准确测量提供有力保障。在水位探针设置方面，要求至少设置2根水位探针，且保证最低位置的水位探针高度与斜坡形储水底板的最高端齐平。若低于斜坡形储水底板的最高端，则可能受泥沙影响导致数据准确性降低，影响计算；若仅设置一根水位探针会造成储流室内的水位低于斜坡形储水底板的最高端，无法有效冲刷斜坡形储水底板，且通过多根探针测量取阶段平均值，能够有效降低测量误差。整个设备选择通过阀门控制器控制进水阀和出水阀的开闭，阀门可以使用电磁阀等快速响应的阀门，利用单片机经水位探针采集水位信号，称重传感器采集储流室内的重量信号，经计时器记录到达某一水位的时间，结合已知其他数据，可在单片机中实现计算分析得到目标数据，并通过远距离无线通讯单元实现数据传输，实现了无人看守的自动化监测，能够适应野外作业的各种恶劣环境，满足不同区域的自动监测需求。

2.2 基于多传感器互相矫正的土壤侵蚀自动监测设备

基于土壤侵蚀监测实际需求和超声波测距原理，开发出一种自动化程度高、测量准确、价格便宜、安装方便、适宜野外无人监管区域的土壤侵蚀监测设备，设备主要由控制终端、以及与控制终端连接的超声波测距仪(4个)、红外线雨量计、空气温湿度传感器、土壤温度湿度传感器、存储单元及北斗传输模块、太阳能供能模块及其他辅助功能模块等组成，设备的构造如图2所示。

该设备基于超声波测距原理，使用其它传感器进行间接数据支撑和修正，监测数据较为准确，同时该设备可作为一个监测平台使用，以供搭载更多监测传感器。该设备要求垂直安装，即主支撑杆垂直于水平面，主支撑杆地面长度1 m，地下长度0.4 m，采用膨胀锚固方式固定，两个超声波测距仪支撑杆垂直相交，支臂长度相当，且每个支臂长度不超过0.6 m，不少于0.4 m。土壤含水率传感器埋藏深度在(20±2) cm左右，同时上覆防水护罩，避免水沿探针路径直接下渗造成测量误差。为监测设备是否处于正常工作状态，在设备控制盒中装设倾斜报警器，当设备倾斜或者遭受破坏时会发出报警音，该信号能够立即传回后台管理端，提醒工作人员开启应急措施。该设备的供能模块采用太阳能电池板，信息传输模块采用北斗卫星和GSM复合传输技术，存储处理器采用单片机，集成系统采用电路板集成，不仅可作为土壤侵蚀的实时监测设备，也可作为支持多个传感器扩展的监测平台使用，只要根据实际监测要求增加(删减)微型传感器和控制模块，即可达到目的监测效果。

监测设备基于超声波测距仪测距原理可同步获得4个点位的土壤厚度数据，并通过搭载的红外线雨量计、土壤含水率测量探针等传感器判断是否存在降雨、积水、坡面薄层水流等情况，若判别存在地面积水和地表径流误差，设备计算时排除薄层水造成测量误差数据，提高了土壤厚度变化监测精度，适宜于野外复杂环境下的土壤侵蚀监测，具备较好的推广前景。

3 新设备试验及分析

3.1 径流泥沙自动监测设备试验及分析

为了验证径流泥沙自动监测设备能减少累计测量误差的准确性，实验称取mi泥土加入Vi水中，配制泥沙量Si=mi/Vi的泥水混合物，通过配制多组不同梯度Si，验证泥沙量测定结果的准确性。控制Si，不控制Vi进行试验，读取5次数据；控制流量Vi，不控制Si进行试验，读取5次数据，求得径流量测定的平均值和标准差。

试验结果如图3所示，泥沙量和径流量的测试值与真实值均具有明显的线性关系，泥沙量的测定值与真实值相对误差在7.8%以内，径流量的测试值与真实值相对误差在4.1%以内，设备具有较好的测量精度。

设备设计结构极为简单可靠、操作简便、计算简单，不需要电动马达供能，能耗低、自动化程度高、准确性高、生产和维护成本低，使用寿命长、排沙效果好，实际使用时设备内无泥沙淤积，长期使用也具有较高的准确性，适用于野外水土流失径流泥沙自动监测。

3.2 土壤侵蚀自动监测设备试验及分析

为了验证该设备监测的准确性，根据要求垂直布置好本设备，在监测设备下放置一个带刻尺围栏的平板车，将平板车分别调整至水平0°，10°，20°，30°，对该设备进行读数，并用激光测距仪读取超声波测距头距平板车距离进行矫正，测试结果如图4所示。由图4分析可知，在0°，10°，20°，30°坡度下，监测结果的总标准偏差分别为0.19，0.21，0.15，0.27 cm，其测量精度在0.3 cm以内，表明该设备在0°～30°范围内具有较高的测量精度。

为验证该设备对平地(0°)积水和坡面薄层水流误差的剔除效果，在维持水平状态(0°)的平板车上均匀装壤土，每次控制装填0.5 cm土，在装土高3，6，9，12 cm时，利用光电测尺和水位计分别补充0.5，1.0，0.5，1.0 cm深的积水，待液位恒定后，进行设备读取，本设备读数与光电测尺测定数据如图5所示。试验结果表明，光电测尺读数的总误差为6.8 cm，平均误差为0.2 cm，其中4次积水误差对总误差的贡献率高达49%，该设备读数的总误差平方和为2.6 cm，平均误差为0.09 cm，对比发现该设备在剔除积水和薄层水流误差值后精度提高。

4 结 论

(1) 当前水土保持现状监测设备的应用尚处于全面展开的探索阶段，其设备研究与实践应用仍存在明显脱节，成果转换率较低，在面临国家推进水土保持监测信息化战略的紧迫压力下，应加强行业交流，落实设备研制任务书和推广时间表，激发市场活力，开展国家试点工作，有效推进水土保持自动监测事业的发展。

(2) 本文介绍的径流泥沙自动监测设备，解决了常规比重法监测设备易淤积、测量误差大、供能要求高、通讯困难的难题，并利用多次取平均值的方法减少了水流动量造成的测量误差，适宜于野外无人管护条件，对于当前野外径流小区的自动监测具有明显意义。

(3) 本文介绍的土壤侵蚀监测设备，利用多传感器测量互相矫正计算，剔除了土壤表层积水和坡面径流造成的较大测量误差，设备结构简单、造价较低、具有较强的推广前景。