新型水土流失監(jiān)測裝置及其應(yīng)用

楊建民，孟凡憲，叢一蓬，張龍

(1.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院土木工程系，300072，天津；2.天津大學(xué) 濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點實驗室，300072，天津；3.北京市頤和園管理處，100091，北京；4.天津大學(xué)建筑學(xué)院，300072，天津；5.天津大學(xué) 文物建筑測繪研究國家文物局重點科研基地，300072，天津)

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新型水土流失監(jiān)測裝置及其應(yīng)用

楊建民1,2，孟凡憲1，叢一蓬3，張龍4,5?

(1.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院土木工程系，300072，天津；2.天津大學(xué) 濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點實驗室，300072，天津；3.北京市頤和園管理處，100091，北京；4.天津大學(xué)建筑學(xué)院，300072，天津；5.天津大學(xué) 文物建筑測繪研究國家文物局重點科研基地，300072，天津)

測釬法是一種應(yīng)用廣泛的水土流失監(jiān)測方法，但是傳統(tǒng)測釬法難以適應(yīng)復(fù)雜監(jiān)測地形，缺乏專門測讀裝置，還會產(chǎn)生較大監(jiān)測誤差，需要對其加以改進(jìn)。以頤和園萬壽山山體為研究對象，針對其山體特征和文物分布狀況，選定18塊監(jiān)測場地，發(fā)明單釬多點式測讀裝置，選用改進(jìn)的測釬法對水土流失進(jìn)行監(jiān)測。結(jié)果表明：1)18塊監(jiān)測場地考慮了土壤、坡度、植被等因素的差異，可以全面反映萬壽山水土流失狀況；2)單釬多點式測讀裝置有效降低了測釬埋點環(huán)境條件、測讀方式等客觀和主觀誤差，提高了測釬法水土流失監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性；3)監(jiān)測期間，萬壽山平均土壤流失值在-3 mm～+1 mm范圍內(nèi)。說明新型水土流失監(jiān)測裝置是可行的，所用水土流失監(jiān)測方法和數(shù)據(jù)處理方法，可供其他類似工程借鑒與應(yīng)用。

土壤流失； 測釬； 測讀裝置； 頤和園

水土流失是全球性的生態(tài)問題，如何有效地實行土壤侵蝕測量和控制，已成為各國普遍關(guān)注的焦點。在水土保持、林業(yè)生態(tài)環(huán)境的建設(shè)中，首要的工作就是要進(jìn)行水土流失工作的監(jiān)控，為區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)提供水土流失定量監(jiān)控數(shù)據(jù)，對水土流失趨勢進(jìn)行預(yù)測，進(jìn)而能夠在降雨前后，掌握某一地區(qū)水土流失的狀況，才可以有針對性的治理和防護(hù)[1]。

傳統(tǒng)測量方法主要有侵蝕小區(qū)觀測法、測釬法、填土法和量溝法等；先進(jìn)儀器測量法主要有稀土元素示蹤法、放射性核素示蹤法、三維激光地形掃描和航空攝影技術(shù)等[2]。定位插釬風(fēng)蝕強度觀測法(簡稱測釬法)是目前水土流失監(jiān)測的常用方法，適用于開發(fā)建設(shè)項目重點監(jiān)測地區(qū)邊坡風(fēng)化水蝕的水土流失監(jiān)測，適用于地形比較復(fù)雜、區(qū)域相對分散、植被覆蓋率較高、遙感方法難以適用的小區(qū)域監(jiān)測[3]。傳統(tǒng)測釬法是指在坡面樣地內(nèi)，在盡可能少地擾動地表土壤的情況下，向地下有規(guī)律地插入若干細(xì)釬，在插釬上標(biāo)記與土壤表層持平的位置，作為原始高度點。降水發(fā)生后，通過觀測地表土層降低的厚度，觀測計算土壤水蝕侵蝕量[4]。插釬觀測內(nèi)容包括降水情況及土壤流失量；同時，按照觀測項目的要求，增加土壤理化性質(zhì)、植被變化和耕作情況等觀測內(nèi)容。測釬規(guī)格常為50～100 cm長，直徑1～2 cm的鋼釬，測釬垂直坡面或豎直插入坡面，測釬釘帽端露出的一定尺寸的距離，記錄初始坡面高度，降雨后或間隔一定周期，觀察采集坡面新高度，與初始坡面高度差得出土壤侵蝕深度，以進(jìn)一步計算得出土壤侵蝕量與降水量的影響關(guān)系[5]。

傳統(tǒng)測釬法在測釬的設(shè)計、測釬的埋設(shè)工法以及后期的數(shù)據(jù)采讀，都存在比較多的問題：其一，在土壤內(nèi)插入細(xì)釬，因固定效果不佳，在人流多的地方容易被拔走丟失；其二，使用帶有刻度的普通鋼釬作測釬，測釬刻度在室外環(huán)境下容易銹蝕剝落，造成數(shù)據(jù)丟失；其三，由于測釬露出坡面刻度較短，給數(shù)據(jù)采集人員造成讀數(shù)困難，由于視線難以平視，也容易加大讀數(shù)誤差；其四，傳統(tǒng)測釬通常是錘擊貫入坡面，由于鋼釬有一定柔性，錘擊作用下有變短的趨勢，造成測釬上刻度間距變小，刻度不準(zhǔn)；其五，需要借助標(biāo)尺貼地測量讀數(shù)，讀數(shù)困難，也容易加大測讀誤差；其六，測釬埋置場地環(huán)境復(fù)雜,易受雜草碎石堆積等環(huán)境因素的隨機誤差影響，而引起測釬埋置點位的覆土高度變化，增加錯誤數(shù)據(jù)，加大測讀誤差。

筆者針對頤和園山體環(huán)境實施水土流失監(jiān)測，并結(jié)合傳統(tǒng)測釬法的特點，對測釬自身設(shè)計及埋設(shè)工法進(jìn)行創(chuàng)新與改進(jìn)，發(fā)明了新型測讀裝置和測讀方法，并付諸實施。

1　新型水土流失監(jiān)測裝置

1.1監(jiān)測裝置

新型測讀裝置為圖1所示的單釬多測點測讀裝置，包括1個組合外筒和5根帶刻度的內(nèi)筒(圖2)，其中，組合外筒有1根中心筒(圖2標(biāo)號5所示)及均布邊緣的4根邊緣外筒(圖2標(biāo)號1～4所示)，用3塊鋼片連接固定。

圖1　發(fā)明的單釬多測點測讀裝置Fig.1　Invented single-pin multiple-point measuring device

圖2　測讀裝置組合外筒部分Fig.2　Components of the measuring device

1.2測讀方法

1)將組合外筒下端，沿測釬頂端緩慢套入至組合外筒下端接觸地面；

2)將地質(zhì)羅盤置于測讀裝置鋼片上，調(diào)整氣泡位置，保證測讀裝置水平，轉(zhuǎn)動測讀裝置，使4個外筒方向分別指向東、南、西、北4個方向，并標(biāo)記做1、2、3、4號方位，中心位置為5號方位(圖2)；

3)將帶有刻度的內(nèi)筒沿1～5號外筒順序緩慢插入，使1～4號的內(nèi)筒底端緩緩觸及地面，5號中心筒內(nèi)的內(nèi)筒底端與測釬柱帽的頂端接觸；

4)按1～5號順序，平視讀取組合外筒上端矩形讀數(shù)口內(nèi)刻度，并記錄讀數(shù)；

5)根據(jù)每根測釬累次記錄的對應(yīng)5點的數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算整理，得出單個測釬對應(yīng)的平均數(shù)據(jù)，進(jìn)而計算推導(dǎo)得出每塊測釬場地的土壤流失量，以及推測出局部區(qū)域的土壤流失量。

1.3測讀數(shù)據(jù)整理與分析

(1)

3)計算每根鋼釬的平均流失值

(2)

4)計算場地的流失值的平均值

(3)

5)計算標(biāo)準(zhǔn)差

(4)

6)計算變異系數(shù)

(5)

7)計算統(tǒng)計修正系數(shù)

(6)

8)計算標(biāo)準(zhǔn)值

(7)

1.4新型測讀裝置的優(yōu)點

與傳統(tǒng)的測釬法相比，采用單釬多測點測讀裝置，測量土壤流失量，具有以下優(yōu)點：

1)傳統(tǒng)測釬法直接將刻度標(biāo)在測釬上，測釬上刻度長期處于室外環(huán)境，容易銹蝕脫落，容易被泥土污染；而此測讀裝置只在采集數(shù)據(jù)時在室外使用，不會出現(xiàn)上述問題。

2)增加了測點的數(shù)據(jù)采集量，能夠有效地降低因環(huán)境因素造成的隨機誤差，使監(jiān)測結(jié)果更加準(zhǔn)確。

3)讀數(shù)口設(shè)置在1.5 m處的高度，方便測讀人員平視讀取數(shù)據(jù)，減少了傳統(tǒng)測釬讀數(shù)位置偏低造成的讀數(shù)不便和誤差。

4)可使用無刻度的普通鋼釬作為測釬，很大程度上降低了測釬加工成本，便于野外操作，測讀裝置具有普適性，1臺測讀裝置可用于多個場地的數(shù)據(jù)采集讀取。而新型測讀裝置克服了傳統(tǒng)測釬法中測釬上刻度容易剝落、容易污染銹蝕，讀數(shù)困難、效率低、測釬加工工藝要求高和成本高等缺點。在實際測讀應(yīng)用中，取得良好的效果。

2　新型測讀裝置在頤和園萬壽山的應(yīng)用

頤和園在營建之初，利用拓湖清淤的泥土堆培甕山(萬壽山前身)，以改善植被條件。為防止水土流失，當(dāng)時也采取了修筑擋土墻、竹籬等固土設(shè)施。這種石、土結(jié)合的山體構(gòu)成方式，也直接導(dǎo)致萬壽山易于水土流失：在頤和園的歷史上，經(jīng)常出現(xiàn)萬壽山山體水土流失嚴(yán)重和進(jìn)行山體整治的記載[7]。如今，頤和園作為世界文化遺產(chǎn)，每天接送游客達(dá)數(shù)萬人次，過多的游人造成山體、草坪被踐踏，植被遭到破壞，山路土壤板結(jié)；加之近幾年，萬壽山綠地改造及山體噴灌系統(tǒng)的建立，一些灌木、地被遭到破壞，加速了山體水土流失；因此，需配置水土保持措施，為后續(xù)水土保持工程建設(shè)，提供數(shù)據(jù)分析和技術(shù)支持。

頤和園既是國家重點文物保護(hù)單位，又是世界文化遺產(chǎn)，園內(nèi)的山石水土既是文物，又是文物的載體。在頤和園開展水土流失監(jiān)測工作既要達(dá)到監(jiān)測目的，又要保證不破壞文物、不影響景觀，在監(jiān)測方法、監(jiān)測設(shè)備、監(jiān)測數(shù)據(jù)采集等方面都有其特殊性。

2.1監(jiān)測方法選定

水土流失監(jiān)測的現(xiàn)有方法中，遙感監(jiān)測和控制站法適用于大范圍的流域監(jiān)測，坡面徑流小區(qū)法和沉沙池法需要對場地進(jìn)行改建，簡易坡面侵蝕溝量測法不易于大面積開展，核素示蹤法不便于測試，調(diào)查監(jiān)測難以進(jìn)行定量分析[8]。頤和園萬壽山面積約77 hm2，高度約60 m，園內(nèi)游人眾多，郁閉度較高。為盡量減少對園林?jǐn)_動，并獲得準(zhǔn)確的監(jiān)測數(shù)據(jù)，經(jīng)綜合比較，選擇測釬法作為頤和園土壤流失監(jiān)測方法。

2.2測釬設(shè)計與制作

測釬設(shè)計和制作包括測釬的幾何尺寸、形狀、標(biāo)記和材料。為達(dá)到長期監(jiān)測積累數(shù)據(jù)的目的，測釬采用耐腐蝕性強的304型號不銹鋼。如圖3所示，通過坑探和調(diào)研發(fā)現(xiàn)，萬壽山覆土厚度為1.5 m以內(nèi)，土質(zhì)為雜填土，含有建筑垃圾。為此，制作了0.6、0.8和1.2 m 3種長度規(guī)格的測釬，以適應(yīng)不同的覆土厚度。測釬橫截面為正六邊形，既利于雨水繞流，又利于標(biāo)記高程刻度(圖4)。

圖3　現(xiàn)場坑探Fig.3　Photos of exploring mining

圖4　測釬Fig.4　Photos of chain pins

2.3測釬埋設(shè)

場地選擇需要考慮以下因素：不破壞文物；位置比較隱蔽，不影響園林景觀，不易被游人發(fā)現(xiàn)；山坡覆土較厚，易于施工埋設(shè)測釬；場地的坡度、植被覆蓋率、草的種類、郁閉度等因素的差異，以對比各種因素對水土流失的影響[9]。

圖5　現(xiàn)場埋設(shè)測釬Fig.5　Photos of embedding chain pins into soil

圖6　萬壽山18塊測釬場地及測釬布置分布圖Fig.6　Distribution of 18 measurement sites on the Longevity Hill of the Summer Palace

為達(dá)到堅固耐久的效果，防止被盜丟失或踩踏晃動，而影響讀數(shù)的精確，埋設(shè)測釬選用素混凝土加固的方法，采取的工序是：選址→鉆孔→清理→注漿→插釬→養(yǎng)護(hù)→回填土?，F(xiàn)場埋設(shè)測釬工作照片見圖5，選取的18塊場地位置見圖6?？紤]到素混凝土硬化收縮，以及回填土固結(jié)沉降等因素，第1次讀數(shù)需要在素混凝土達(dá)到強度要求、回填土趨于穩(wěn)定的條件下再進(jìn)行。

2.4傳統(tǒng)測釬法水土流失監(jiān)測數(shù)據(jù)整理

從圖6所示的水土流失測釬分布的18塊場地中，5號場地所有測纖均未丟失，場地完整性較好，且5號場地測量數(shù)據(jù)從2013年9月至2016年3月記錄較完整，具有連續(xù)性，方便數(shù)據(jù)對比分析；因此，選取具有代表性的5號場地，該場地所讀取的11次監(jiān)測數(shù)據(jù)見表1、表2和表3，其中表1是傳統(tǒng)測釬法測得的數(shù)據(jù)。

5號場地位于清可軒正下方一緩坡處，草類植被較多；將表1中后4次的數(shù)據(jù)分別與第1次的數(shù)據(jù)做比較，便能得到傳統(tǒng)測釬法每根測釬的土壤流失值；對每塊場地內(nèi)，所有測釬所示的流失值求平均值，便得到每塊場地相對初始讀數(shù)的土壤流失的變化值。傳統(tǒng)測釬法得到的4次讀數(shù)的場地平均流失值及新裝置測釬法方法的數(shù)據(jù)匯總見表4。圖8示出傳統(tǒng)測釬法測釬讀取值對比與初始值(2013年9月12日)的變化值。

圖7　現(xiàn)場測讀Fig.7　Photos of site work

表1　5號場地前5次讀數(shù)匯總

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新監(jiān)測裝置水土流失監(jiān)測數(shù)據(jù)整理

5號場地應(yīng)用新型監(jiān)測裝置測讀數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)整理結(jié)果見表2和表3。之所以分開列出，是因為測量內(nèi)筒發(fā)生變化，使得測量標(biāo)準(zhǔn)不一樣。圖9為新監(jiān)測裝置測釬法讀取2015年7月份數(shù)據(jù)值，對比初始值(2015年6月11日)的變化值；圖10為新監(jiān)測裝置測釬法測得數(shù)據(jù)值，對比初始值(2015年9月24日)的變化值。

對以上2013年9月—2016年3月的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析顯示，5號場地土壤流失特征如下：

1)同一塊場地不同測釬的測讀數(shù)據(jù)有正有負(fù)，即場地內(nèi)同時發(fā)生土壤侵蝕和土壤沉積，說明對局部區(qū)域，需要通過增加測點，以減少誤差，避免以偏概全；

表2　6、7月份5號場地讀數(shù)匯總

表3　5號場地后4次讀數(shù)匯總

表4　5號場地平均土壤流失值

注：分別以2013年9月份、2015年6月份、2015年9月份為初始值對比。Note:Contrast with September 2013,June 2015 and September 2015 respectively.

圖8　傳統(tǒng)測法相比于2013年9月各年測釬讀數(shù)變化值Fig.8　Changes of measured value of chain pins compared to September 2013 by traditional method

圖9　新監(jiān)測法相比于2016年6月測釬讀數(shù)變化值Fig.9　Changes of measured value of chain pins compared to June 2016 by new method

圖10　新監(jiān)測法相比于2015年9月各年測釬讀數(shù)變化值Fig.10　Changes of measured value of chain pins compared to September 2015 by new method

2)監(jiān)測區(qū)域的土壤并非持續(xù)流失，而是在正負(fù)流失量間反復(fù)，單測點流失量在-15～+15 mm之間，場地流失均值在-3～+1 mm之間。

新監(jiān)測裝置測讀的數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)方法測讀的數(shù)據(jù)比較有以下特點：

1)表1測讀數(shù)據(jù)尾數(shù)以“0”和“5”居多，表2和表3則不然，尾數(shù)分布于0～9，說明新裝置可提高測讀精度；

2)表4中場地流失均值由傳統(tǒng)方法得出正值，而新裝置測讀結(jié)果都為負(fù)值，說明當(dāng)水土流失量較小時，傳統(tǒng)方法由于測讀精度低，可能影響場地流失均值的結(jié)果。

3　結(jié)論

針對傳統(tǒng)測釬法難以適應(yīng)測點復(fù)雜三維局部微地形的特點，發(fā)明了一釬多點的新測讀裝置，并改進(jìn)了埋設(shè)方法，以防丟失，應(yīng)用于頤和園萬壽山，獲得良好監(jiān)測效果。

1)頤和園萬壽山18塊監(jiān)測區(qū)域，考慮了場地土壤、坡度、植被等因素的差異，可以全面反映萬壽山水土流失狀況；

2)采用鉆孔和注漿的施工方法，改進(jìn)了測釬埋置方法，選用不銹鋼制作長鋼釬，發(fā)明的單釬多點式測讀裝置，有效降低了測釬埋點環(huán)境條件和測讀方式等客觀和主觀誤差，提高了測釬法水土流失監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性；

3)監(jiān)測期間，萬壽山平均土壤流失值在-3 mm～+1 mm范圍內(nèi)。

本文提出了適用于文物保護(hù)單位在環(huán)境較復(fù)雜的小區(qū)域內(nèi)，實施水土流失監(jiān)測的一種改進(jìn)的測釬法，改善或克服傳統(tǒng)測釬法精度不高、測讀困難、容易丟失測釬、易受環(huán)境干擾等諸多缺點，所用水土流失監(jiān)測方法和數(shù)據(jù)處理方法，可供其他類似工程借鑒與應(yīng)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

項目名稱：國家自然科學(xué)基金青年項目“頤和園營建過程研究”(51108306)

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

簡介：張龍(1981— )，男，博士，副教授。主要研究方向：清代皇家園林、樣式雷建筑圖檔。E-mail:arcdragon@163.com

S157.1

A

1672-3007(2016)04-0113-08

10.16843/j.sswc.2016.04.014