王 潔，張廣英?，劉鳳嬋，胡維銀，潘彥波

(1.保定市水土保持試驗站,071000,河北保定;2.河北省水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測總站,050011,石家莊; 3.河北省崗南水庫事務(wù)中心, 050400, 石家莊)

2020年水利部公告，我國水土流失面積269.27萬km2，超國土面積的1/4。及時、精準(zhǔn)地掌握國內(nèi)水土流失動態(tài)是我國治理水土流失、改善生態(tài)環(huán)境的基礎(chǔ)工作和必要前提[1]。選取代表性區(qū)域及典型觀測點，長期、持續(xù)地定點觀測，可有力支持水土保持科學(xué)研究、促進(jìn)傳統(tǒng)水土保持向現(xiàn)代水土保持的轉(zhuǎn)變，為水土保持規(guī)劃、水土保持效益評價和水土流失模型開發(fā)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為國家提供科學(xué)、實時、有效的流域或區(qū)域水土流失動態(tài)信息，對掌握國家水土流失現(xiàn)狀和開展水土保持工作規(guī)劃部署具有重要意義[2-3]。

目前，國家水土流失監(jiān)測網(wǎng)共布設(shè)不同級別水土流失監(jiān)測站點738個[4]，河北省崇陵觀測站是北方土石山區(qū)代表觀測站，同時是海河流域重點觀測站。崇陵觀測站始建于1959年，1966年中斷，1984年恢復(fù)觀測至今。筆者根據(jù)基層觀測站多年實際觀測經(jīng)驗[5]，以崇陵流域為例，提出水土流失觀測中遇到的常見問題，闡述對相關(guān)問題的思考與分析，并提出相應(yīng)的對策。

1 水土流失監(jiān)測的主要技術(shù)手段與進(jìn)展

國內(nèi)外水土流失監(jiān)測的主要技術(shù)手段包括徑流小區(qū)及小流域的徑流、泥沙監(jiān)測，監(jiān)測點降水量、土壤含水量、植被蓋度監(jiān)測等[4]。徑流小區(qū)土地利用類型一般具有區(qū)域代表性，國內(nèi)常用規(guī)格為長寬20 m×5 m，坡度15°。小流域一般依據(jù)徑流范圍設(shè)置測流設(shè)施，小流量溝道設(shè)置薄壁堰，大流量溝道設(shè)置寬頂堰；精度要求較高的溝道設(shè)置三角形剖面堰；測流范圍較廣的溝道設(shè)置平坦V型量水堰；含沙量較大的溝道設(shè)置長喉道槽或短喉道槽，短喉道槽造價低，具備排沙能力，應(yīng)用更廣泛。

泥沙含量的監(jiān)測為動態(tài)監(jiān)測工作中的難點，含沙量的傳統(tǒng)測量方法是人工取樣后過濾烘干法或置換法[6]，2種方法操作繁瑣、耗時費力，無法實現(xiàn)過程監(jiān)測，且人工取樣主觀性較強。目前國內(nèi)外徑流小區(qū)及小流域自動監(jiān)測、數(shù)據(jù)集控技術(shù)正在快速發(fā)展，自動設(shè)備應(yīng)用較廣泛[4]。徑流泥沙自動監(jiān)測設(shè)備的原理主要有振動法、γ射線法、超聲波法、電容法、光電法[7]以及稱量法[8-10]。振動法穩(wěn)定性較強，但在低流速時會有因泥沙沉積而造成較大誤差的可能[11]。光電法(如OBS濁度儀)使用較為廣泛，可實時、連續(xù)地測量，但維護(hù)保養(yǎng)繁瑣，誤差會積累，且其測量范圍有限。稱量法受土壤密度經(jīng)驗值樣本限制，設(shè)定的測定范圍較窄，徑流含沙量較小時精度受影響[12]。

2 徑流小區(qū)水土保持觀測設(shè)施問題與對策

2.1 問題分析

2.1.1 徑流泥沙自動觀測儀量程有限制 目前應(yīng)用較廣泛的徑流泥沙自動觀測設(shè)備主要是基于稱量式原理設(shè)計，稱量式設(shè)備在測定小流量泥沙含量時精度較低。在不同地質(zhì)、地貌、土地利用類型、降雨歷程等多種條件影響下，徑流小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙情況有可能不在設(shè)備量程范圍。如出現(xiàn)這種情況，一方面不能確保測量數(shù)值的精準(zhǔn)，另一方面可能造成設(shè)備損壞或精準(zhǔn)度降低，致使誤差積累，形成惡性循環(huán)。由此，不同原理設(shè)備的量程限制是影響觀測值精準(zhǔn)的重要問題。

2.1.2 自動設(shè)備精密度高，受野外環(huán)境影響大 野外自動觀測精密設(shè)備受環(huán)境影響較大，極易出現(xiàn)損壞或故障。暴雨、大暴雨等極端天氣不適合人工觀測，需要設(shè)備輔助，往往這種情況設(shè)備運行會出現(xiàn)異常。例如崇陵觀測站2021年7月5—12日暴雨過程出現(xiàn)的問題：連續(xù)陰雨致使觀測儀自帶太陽能發(fā)電設(shè)備供電不足；大風(fēng)致使植被枯落物、昆蟲等進(jìn)入設(shè)備產(chǎn)生干擾；泥沙顆粒不均，卡夾砂礫、昆蟲等情況導(dǎo)致精密部件磨損、測量關(guān)鍵單元損壞，出現(xiàn)無觀測數(shù)據(jù)或記錄、傳輸異常等問題。因此目前技術(shù)條件下，自動觀測設(shè)備離不開人工及時維護(hù)，單純的自動設(shè)備不能滿足觀測站點觀測要求。自動觀測設(shè)備性能的穩(wěn)定是影響觀測值連續(xù)的重要問題。

2.1.3 自動設(shè)備專業(yè)性強，后期自主維護(hù)難 目前自動設(shè)備的維護(hù)對廠家的技術(shù)依賴性較強。經(jīng)過多年的實際運營和維護(hù)經(jīng)歷，非設(shè)備制造廠家或者管理專技人員，難以掌握自動設(shè)備的具體構(gòu)造、部件、線路等機器理論和檢修方法。監(jiān)測人員現(xiàn)階段只能解決電路有無短路、單元模塊外部是否有外部因素干擾等簡單問題，復(fù)雜問題仍需廠家親自維護(hù)，但廠家人員調(diào)度、零件運輸?shù)染婕伴L耗時問題。汛期降雨集中，廠家技術(shù)如不能及時達(dá)到站點，一旦故障往往會影響后期多次降雨徑流泥沙觀測。

2.1.4 自動設(shè)備數(shù)據(jù)量大，整編數(shù)據(jù)任務(wù)重 現(xiàn)代設(shè)備觀測密度高，數(shù)據(jù)量龐大，無效數(shù)據(jù)識別困難。各個廠家設(shè)備設(shè)置參數(shù)各不相同，最終顯示數(shù)據(jù)格式不同。例如有的設(shè)備降雨量記錄形式為每日的00：00—24：00，但是《徑流小區(qū)和小流域水土保持監(jiān)測手冊》[13]要求次降雨統(tǒng)計是08：00—翌日08：00，致使各站點在匯整數(shù)據(jù)時，耗費額外人力、工時，匯編工作時間長、站點壓力大。另外在高強度高密度數(shù)據(jù)匯整工作中，人工匯整出現(xiàn)主觀性失誤、客觀性錯誤的幾率大大提高。觀測指標(biāo)統(tǒng)一、數(shù)據(jù)形式統(tǒng)一是確保數(shù)據(jù)精準(zhǔn)、高效匯整的關(guān)鍵。

2.2 思考與對策

2.2.1 徑流小區(qū)布設(shè)水沙觀測復(fù)合設(shè)備 針對徑流小區(qū)水沙自動觀測設(shè)備量程限制問題，建議考慮布設(shè)水沙觀測復(fù)合設(shè)備(圖1)。例如小區(qū)出水口安裝堰槽式流量測量設(shè)備，堰槽上安裝高精度超聲波水位測量儀，根據(jù)試驗需要，即時測定水位換算成即時流量(徑流泥沙)，觀測流量過程(測量范圍0～21.6 m3/h)。泥沙自動監(jiān)測設(shè)備可同時設(shè)計多光譜測定設(shè)備(小量程泥沙含量)和稱量式測定設(shè)備(大量程泥沙含量)2個測量模塊。多光譜測定設(shè)備安裝在徑流小區(qū)下游末端的匯流堰槽上，利用多光譜(紅、藍(lán))紅外傳感器，實時測量小量程泥沙含量；稱量式測定的核心設(shè)備為一套稱量式泥沙自動測量儀，實時測量中、大量程泥沙含量，確保了大、中、小測值的精準(zhǔn)性和完整性。

圖1 徑流小區(qū)水沙觀測復(fù)合設(shè)備示意圖Fig.1 Schematic water and sediment observation complex equipment in runoff plot

2.2.2 安裝報警裝置，人工及時處理設(shè)備故障 野外環(huán)境不穩(wěn)定，設(shè)備性能極易受影響，可在設(shè)備安裝報警裝置，同時警報監(jiān)測人員和廠家，監(jiān)測人員可及時發(fā)現(xiàn)、處理簡易問題，廠家第一時間在線檢測問題所在，分派人員到測點維修；另可考慮，精密測試環(huán)節(jié)可否設(shè)置在室內(nèi)，或者給精密部件單元搭建設(shè)備間。對于監(jiān)測站點，為確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)和完整，目前技術(shù)條件下，仍應(yīng)采用自動設(shè)備加人工相結(jié)合的模式觀測。

2.2.3 設(shè)備模塊化組裝，便于后期自主維護(hù) 加強監(jiān)測人員培訓(xùn)，具備條件時，可在每個站點設(shè)專員學(xué)習(xí)設(shè)備組件及線路維護(hù)；在系統(tǒng)內(nèi)，制訂統(tǒng)一的自動監(jiān)測設(shè)備使用手冊；在引進(jìn)設(shè)備時，應(yīng)與廠家協(xié)議后期維護(hù)問題，保障與設(shè)備廠家溝通及時順暢，確保自動設(shè)備的運行維護(hù)。廠家應(yīng)將設(shè)備模塊化組裝，便于檢修；同時加強自動設(shè)備防雷技術(shù)。

2.2.4 廠家規(guī)范數(shù)據(jù)庫，減小數(shù)據(jù)整理量 設(shè)備數(shù)據(jù)庫應(yīng)顯示原始數(shù)據(jù)和最終數(shù)據(jù)，便于后期對數(shù)據(jù)進(jìn)行矯正。管理部門統(tǒng)一要求，廠家設(shè)計制造統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，是保證設(shè)備數(shù)據(jù)精準(zhǔn)、可用、好用的重要途徑。廠家設(shè)計應(yīng)考慮設(shè)備自動劃分次降雨、日降雨，增設(shè)具備自動計算、整編、制圖表功能的云平臺[14]；行業(yè)內(nèi)部可制訂制式數(shù)據(jù)匯總表格，統(tǒng)一格式要求，固定數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)公式，減少重復(fù)、無效、失誤的輸入[15]。

未來自動設(shè)備趨于更穩(wěn)定高效，加之完善的數(shù)據(jù)庫及云平臺建設(shè)，是否可以考慮由設(shè)備廠家每月向站點直接提供符合行業(yè)要求的數(shù)據(jù)匯編，站點購買設(shè)備的模式是否可以向購買廠家最終數(shù)據(jù)的模式轉(zhuǎn)變，有待進(jìn)一步實踐與摸索。

3 小流域水土保持觀測設(shè)施問題與對策

3.1 問題分析

3.1.1 觀測設(shè)施單一 ，量程范圍窄 受暴雨影響洪峰陡漲陡落的小流域，徑流變化較大，例如崇陵小流域，徑流范圍在0～30 m3/s，洪峰流量是枯水季流量的5萬多倍。此類徑流特征的流域，單一的觀測設(shè)施很難全過程高精度測量大、小徑流，而SL 24—1991《堰槽測流規(guī)范》[16]使用的堰、槽大多測流范圍較窄，或較大量程或較小量程，難以滿足同地域不同時段大洪水、中等洪水、枯水流量的測量需求。

3.1.2 觀測設(shè)施依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，建設(shè)不規(guī)范 基層水土保持觀測站點，小流域、溝道控制站等觀測設(shè)施的設(shè)計、施工一般都自行實施，觀測設(shè)施采用的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)并不完全統(tǒng)一；對于觀測指標(biāo)、觀測內(nèi)容的實操規(guī)范及約束指標(biāo)體系的硬性要求和彈性要求并不明確，各地觀測實操方法多是基于對理論概念的主觀理解和經(jīng)驗自行設(shè)計測量步驟、注意事項；另外，部分測流建筑建設(shè)不規(guī)范，對后期數(shù)據(jù)觀測、匯整、校核及應(yīng)用均存在一定的影響。

3.1.3 小流域控制站，水沙自動觀測協(xié)同難 現(xiàn)有設(shè)備通常不能精準(zhǔn)完整地測量徑流從形成到結(jié)束的全過程，水沙協(xié)同設(shè)備不完備，多為單點監(jiān)測，在整個徑流斷面上缺少橫向、縱向多測點設(shè)計。目前崇陵觀測站流域出口處的徑流泥沙自動觀測儀，僅在出口斷面中間位置設(shè)置了一處觀測裝置，但徑流泥沙并不是勻質(zhì)的。橫向空間上，測點只能代表斷面中間徑流的泥沙含量，并不能代表全部橫向非勻質(zhì)徑流的泥沙含量；縱向空間上，水沙因密度異質(zhì)性在縱向空間上分布不均，探測設(shè)備一個測點在縱向空間上更難具有代表性；另外，當(dāng)徑流量超出三角薄壁堰觀測量程時，泥沙含量仍然是三角薄壁堰處的測點含量，但徑流量卻為下游10 m外的巴歇爾堰口測點數(shù)據(jù)，水沙自動觀測不同步。因此，水沙時空同步觀測是提升流域斷面水沙協(xié)同觀測的關(guān)鍵問題。

3.2 思考與對策

3.2.1 結(jié)合實際，布設(shè)復(fù)合堰 對于全年徑流量分布比較均勻的小流域，可建設(shè)符合流量要求的單一堰槽；對于暴雨洪峰陡漲陡落的小流域，可根據(jù)實際情況，自上而下布設(shè)二級復(fù)合堰或三級復(fù)合堰。例如崇陵觀測站流域總出口把測量小流量的三角形薄壁堰、測量中流量的巴歇爾槽和測量大流量的平坦Ⅴ型量水堰設(shè)計在一起，形成三級復(fù)合堰，當(dāng)流量≥0～0.15 m3/s時，利用測得的三角堰的水位計算流量，而巴歇爾槽、平坦Ⅴ型量水堰的測量水位不參與計算；當(dāng)流量>0.15～2.5 m3/s時，利用巴歇爾槽的測量水位計算流量，而三角堰、平坦Ⅴ型量水堰的測量水位不參與計算；當(dāng)流量>2.5～50 m3/s時，利用平坦Ⅴ型量水堰的水位計算流量，加上導(dǎo)流孔的流量則是整個斷面的過水流量，而三角堰、巴歇爾槽測量的水位不參與計算。

如2021年7月3—17日，4次雨后次洪水過程的最高瞬時流量分別達(dá)到了0.005 7、0.094 5、0.095 1和1.222 0 m3/s(圖2)。一般洪水如2021年7月3、5、11日，洪峰流量在0.15 m3/s以下，流量較小，巴歇爾槽和平坦V型量水堰測量值幾乎無變化，甚至難以測得具體數(shù)值，但三角形薄壁堰較精確得測得了洪峰流量及洪水過程；而17日降雨達(dá)到大暴雨級別，在此次洪水開始7 h內(nèi)三角形薄壁堰精準(zhǔn)記錄前期洪水過程，但7 h后洪水超出其量程，巴歇爾槽測得了27 h后的洪峰流量和后期洪水過程。三級復(fù)合堰滿足了小流量洪水觀測的精準(zhǔn)度要求和大流量洪水觀測的大量程要求。

圖2 崇陵觀測站2021年監(jiān)測數(shù)據(jù)趨勢圖Fig.2 Trend chart of monitoring data of Chongling Observation Station in 2021

3.2.2 統(tǒng)一設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、建設(shè)規(guī)范 建議流域管理部門或者省水行政主管部門組織專業(yè)技術(shù)團(tuán)隊，收集多地具有典型代表意義的小流域水土流失觀測資料，匯編具有統(tǒng)一性、原則性的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，制訂具有針對性的建設(shè)規(guī)范、實操規(guī)程、指南等，來統(tǒng)一各觀測站點相關(guān)水土流失觀測設(shè)施設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、建設(shè)規(guī)范，以及觀測規(guī)程，做到精準(zhǔn)測、連續(xù)測，減小觀測誤差和漏測情況。

建議各地觀測站點嚴(yán)格按照現(xiàn)有流域或者省市水土流失觀測相關(guān)規(guī)范文件，對于規(guī)范尚未涉及的實測問題要及時與上級或同級站點溝通，按照上級統(tǒng)一要求或指示開展實測工作；另外對實際監(jiān)測中遇到的問題和處理方法做好記錄，在工作匯報或各級碰頭會議上全面、及時地匯報給上級部門，以待主管部門做出統(tǒng)一要求，更為全面系統(tǒng)的應(yīng)對、解決監(jiān)測問題。

3.2.3 多點觀測，增設(shè)多探頭自動監(jiān)測設(shè)備 針對單一測點難以控制徑流斷面問題，建議在小流域控制站觀測斷面上豎向、橫向多點布設(shè)觀測設(shè)備，提高數(shù)據(jù)精度。例如可在控制站處水體中設(shè)置安裝桿，分不同水深安裝多光譜(紅、藍(lán))紅外傳感器，在筒式測量傳感器設(shè)計中，根據(jù)低、常水位和高水位的液位變化特征，在徑流剖面垂直分布多個泥沙測量口(標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)配置3個傳感器，圖3)，對水體泥沙含量測量陣列全時段測量各層泥沙含量(泥沙含量范圍小)，獲得徑流斷面含沙量的梯度分布。多點自動監(jiān)測設(shè)備可確保測值更精準(zhǔn)、更科學(xué)、接近實際值。

圖3 三級復(fù)合堰設(shè)備多點布設(shè)示意圖Fig.3 Multi-point layout of three-stage compound weir equipment

4 小結(jié)

1)各級管理部門應(yīng)逐步完善相關(guān)規(guī)程、規(guī)范，實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一化，使設(shè)備研發(fā)、設(shè)施建設(shè)、各監(jiān)測環(huán)節(jié)均有規(guī)可依。

2)研發(fā)部門應(yīng)進(jìn)一步提升監(jiān)測設(shè)備的精準(zhǔn)性、穩(wěn)定性、廣適性及抗干擾性，使自動監(jiān)測設(shè)備在極端天氣中真正起到“兜底”作用。可結(jié)合人工智能科技，增加環(huán)境變化識別功能，拓寬設(shè)備運行條件，最終實現(xiàn)智慧水土保持。

3)各基層觀測點應(yīng)加強監(jiān)測人員專業(yè)技能培訓(xùn)。增加培訓(xùn)頻次、拓寬培訓(xùn)內(nèi)容、配合外業(yè)實練，包括水土流失監(jiān)測基礎(chǔ)理論培訓(xùn)、人工監(jiān)測詳規(guī)及原理、監(jiān)測設(shè)備原理拓展及器械組成拆裝、普遍故障檢修培訓(xùn)等。最終目的提高監(jiān)測人員專業(yè)能力，確保監(jiān)測水平，減少監(jiān)測工作的主觀不利因素。

綜上，更完善健全的法規(guī)制度，高新科技的融合與投入，更專更深領(lǐng)域的理論應(yīng)用研發(fā)，監(jiān)測人員技能提升培訓(xùn)，是保障水土流失監(jiān)測工作高效精準(zhǔn)開展的有效對策，促使監(jiān)測工作更嚴(yán)謹(jǐn)、更科學(xué)、更實用，為國家水土流失防治和水土保持規(guī)劃提供有力保障。