張 勇，李 仁 華，姚 赫，陳 洋，王 秋 霞，魏 玉 杰

(1.長(zhǎng)江水利委員會(huì) 長(zhǎng)江流域水土保持監(jiān)測(cè)中心站，湖北 武漢 430010； 2.中國(guó)三峽建設(shè)管理有限公司，四川 成都 610000； 3.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 水土保持研究中心，湖北 武漢 430070)

0 引 言

水土保持監(jiān)測(cè)是水土保持事業(yè)的重要一環(huán)，全面、準(zhǔn)確、科學(xué)的水土保持監(jiān)測(cè)能夠給生態(tài)規(guī)劃和國(guó)家行政提供決策依據(jù)。根據(jù)國(guó)務(wù)院印發(fā)的《生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案》及水利部制定的《全國(guó)水土保持信息化規(guī)劃(2013-2020 年)》，國(guó)家生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)將“國(guó)家級(jí)水土保持監(jiān)測(cè)點(diǎn)升級(jí)”列為重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，擬開(kāi)展監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集智能化升級(jí)，配置自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備。同時(shí)，隨著監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的日漸提高和勞動(dòng)力成本的增加，水土保持監(jiān)測(cè)也急需技術(shù)革新來(lái)保證監(jiān)測(cè)事業(yè)的穩(wěn)固和發(fā)展。

根據(jù)國(guó)家要求和行業(yè)發(fā)展需求[1]，推廣使用水土保持自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備十分必要且形勢(shì)緊迫。本文結(jié)合當(dāng)前形勢(shì)，對(duì)水土保持監(jiān)測(cè)設(shè)備應(yīng)用現(xiàn)狀和研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)，并詳細(xì)介紹了一種徑流泥沙自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備和一種土壤侵蝕自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備。

1 水土保持監(jiān)測(cè)設(shè)備應(yīng)用與研究現(xiàn)狀

1.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

(1) 水土保持現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)設(shè)備缺乏。水土保持監(jiān)測(cè)通常包括水土流失影響因子監(jiān)測(cè)、水土流失狀況監(jiān)測(cè)、水土流失危害監(jiān)測(cè)和水土保持措施及效益監(jiān)測(cè)4個(gè)方面，其中土壤侵蝕和水土流失等水土保持現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)是水土保持監(jiān)測(cè)的核心，水土保持監(jiān)測(cè)自動(dòng)化設(shè)備主要集中在水土流失影響因子監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，如監(jiān)測(cè)降雨、土壤含水率、風(fēng)向風(fēng)速等，市場(chǎng)上可供選擇的水土保持現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)設(shè)備較少。

(2) 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備缺乏，自動(dòng)化程度低。部分現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)設(shè)備如插釬測(cè)量法、徑流泥沙自動(dòng)采樣監(jiān)測(cè)設(shè)備、激光微地貌掃描儀、攝影測(cè)量設(shè)備等，依靠人工讀數(shù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存儲(chǔ)運(yùn)，缺乏實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力，自動(dòng)化程度較低，依賴(lài)于人力導(dǎo)致監(jiān)測(cè)頻率得不到保障，低頻次監(jiān)測(cè)導(dǎo)致水土流失應(yīng)急監(jiān)測(cè)的反應(yīng)時(shí)間不足，系列問(wèn)題造成了較大監(jiān)測(cè)誤差，在汛期降雨集中時(shí)表現(xiàn)更為突出。

(3) 自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備價(jià)格高，管護(hù)需求高。市場(chǎng)上的自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備價(jià)格較高，過(guò)高的價(jià)格限制了自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的市場(chǎng)開(kāi)發(fā)行為。部分監(jiān)測(cè)設(shè)備如光電式泥沙傳感器、超聲波泥沙監(jiān)測(cè)儀、γ射線濁度儀等，由于其傳感器及供能條件等的限制，僅適用于實(shí)驗(yàn)室或高管護(hù)條件下的水土保持監(jiān)測(cè)；國(guó)家層面的監(jiān)測(cè)和市場(chǎng)、水土保持監(jiān)測(cè)項(xiàng)目均需要監(jiān)測(cè)設(shè)備能長(zhǎng)期處于環(huán)境惡劣、管理水平較低的區(qū)域，并進(jìn)行穩(wěn)定、有效、準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)，市場(chǎng)上現(xiàn)有的自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備價(jià)格高、管護(hù)要求高嚴(yán)重制約了水土保持監(jiān)測(cè)設(shè)備的推廣。

(4) 通信條件限制。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)依賴(lài)于穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，目前實(shí)施監(jiān)測(cè)設(shè)備的通信方式包括通信電纜、光纖通信、無(wú)線、GSM 4種，以河南省[2]、遼寧省[3]、吉林省[4]、青海省[5]、北京市[6]、重慶市[7]、江西省[8]、陜西省[9]、浙江省[10]等地進(jìn)行的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)試驗(yàn)推廣為例，數(shù)據(jù)和影像傳輸采用的是通信電纜和無(wú)線傳輸方式，分布式的單向傳輸設(shè)備采用GSM通信，這種傳輸方式會(huì)產(chǎn)生固定通信費(fèi)用且在偏遠(yuǎn)信號(hào)較弱地區(qū)無(wú)法使用，通信條件的限制使水土保持實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)難以做到對(duì)偏遠(yuǎn)地區(qū)的全面站網(wǎng)覆蓋。

1.2 研究進(jìn)展

1.2.1研究熱度低

以發(fā)表論文數(shù)據(jù)為參考指標(biāo)，利用CiteSpace進(jìn)行知識(shí)圖譜分析，論文數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)知網(wǎng)(CNKI)數(shù)據(jù)庫(kù)的中國(guó)學(xué)術(shù)期刊網(wǎng)絡(luò)出版總庫(kù)、中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù)及中國(guó)優(yōu)秀碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù)，檢索時(shí)間為2021年9月24日，主題為“水土保持”、附加詞頻“監(jiān)測(cè)”“自動(dòng)”，時(shí)間跨度1989年12月31日至2021年9月24日，精確匹配檢索，共檢測(cè)到含有“水土保持”主題并含“監(jiān)測(cè)”詞頻的相關(guān)文獻(xiàn)共3 809篇；而含有“水土保持”主題并含“自動(dòng)”詞頻的相關(guān)文獻(xiàn)僅占166篇，含監(jiān)測(cè)自動(dòng)化的占比僅為4.35%，其研究熱度較低，研究進(jìn)展慢。與“水土保持監(jiān)測(cè)”詞頻最熱的關(guān)鍵詞依次為“方法”(詞頻2 722次)、“設(shè)計(jì)”(詞頻1 683次)、“技術(shù)”(詞頻1 376次)、“方案”(詞頻1 008次)、“體系”(詞頻496次)、“規(guī)程”(詞頻345次)、“網(wǎng)絡(luò)”(詞頻362次)、“設(shè)備”(詞頻275次)，水土保持監(jiān)測(cè)的主要研究方向?yàn)椤胺椒ā焙汀霸O(shè)計(jì)”，與“設(shè)備”相關(guān)的論文也并未占據(jù)主流。以“徑流泥沙監(jiān)測(cè)”“土壤侵蝕監(jiān)測(cè)”“風(fēng)蝕監(jiān)測(cè)自動(dòng)化”為搜索關(guān)鍵詞，搜索水土保持監(jiān)測(cè)設(shè)備相關(guān)專(zhuān)利，目前在保護(hù)期相關(guān)設(shè)備僅30余項(xiàng)。由以上簡(jiǎn)要統(tǒng)計(jì)可知，水土保持監(jiān)測(cè)自動(dòng)化研究發(fā)布成果較少，其研究熱度較低，不是當(dāng)前主流研究方向。

1.2.2學(xué)科間和行業(yè)內(nèi)交流較少

水土保持監(jiān)測(cè)設(shè)備是一種復(fù)雜的監(jiān)測(cè)設(shè)備，其監(jiān)測(cè)對(duì)象既涉及到水文、水資源、水環(huán)境等水利相關(guān)行業(yè)的內(nèi)容，又與土壤、地貌、氣象等相關(guān)學(xué)科密切相關(guān)。水土保持監(jiān)測(cè)設(shè)備研制更是需要依托機(jī)械、電子、通訊等專(zhuān)業(yè)制造知識(shí)的支撐，當(dāng)前水土保持監(jiān)測(cè)設(shè)備研制與相關(guān)行業(yè)、學(xué)科之間的交流明顯不足。以專(zhuān)利產(chǎn)權(quán)方、論文發(fā)出機(jī)構(gòu)、市場(chǎng)上的設(shè)備生產(chǎn)商法人之間的合作發(fā)表成果為例，其合作發(fā)表的論文、共同持有的專(zhuān)利數(shù)量均較少，水土保持監(jiān)測(cè)設(shè)備研制機(jī)構(gòu)之間缺乏聯(lián)系，分散閉塞。雖有監(jiān)測(cè)設(shè)備認(rèn)定機(jī)制，但其認(rèn)定僅停留在官方推廣層面，缺乏市場(chǎng)活力，產(chǎn)學(xué)研結(jié)合度較差，亟需加強(qiáng)研究者之間的交流、合作，建立一種合作交流和良性競(jìng)爭(zhēng)的機(jī)制和平臺(tái)，以推動(dòng)自動(dòng)設(shè)備規(guī)范發(fā)展。

1.2.3研究與實(shí)踐脫節(jié)

水土保持現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)設(shè)備研究與實(shí)踐出現(xiàn)部分脫節(jié)，以土壤侵蝕和徑流泥沙的自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的研究為例，土壤侵蝕自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備主要基于測(cè)量土壤厚度變化的原理，根據(jù)測(cè)量原理不同可分為光電測(cè)尺法[11]、攝影測(cè)量法[12]、超聲波測(cè)距法[13]等。上述土壤侵蝕監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)于測(cè)量特定條件下的土壤侵蝕有一定意義，但應(yīng)用于野外還需解決安裝、傳輸、防盜等問(wèn)題。徑流泥沙自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備主要基于圍堰徑流小區(qū)監(jiān)測(cè)的原理，根據(jù)測(cè)量徑流中泥沙含量的方法可以分為比重法[14-15]、γ射線法[16]、振動(dòng)法、超聲波法[17]、電容法[18]、光電法[19]、激光法[20]，這些方法均受制于傳感器及供能條件，大多不適宜于野外粗放環(huán)境。

目前在研設(shè)備對(duì)于測(cè)量各土類(lèi)基本侵蝕特性有一定意義，但其研究均立足于實(shí)驗(yàn)室條件下的高精準(zhǔn)測(cè)量，依賴(lài)于高管護(hù)條件，不適宜于野外大面積復(fù)雜環(huán)境條件下布設(shè)，新研設(shè)備在技術(shù)轉(zhuǎn)化上存在嚴(yán)重制約，實(shí)驗(yàn)研究成果與實(shí)踐推廣存在部分脫節(jié)，成果轉(zhuǎn)化率較低。

1.3 水土保持自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備研究現(xiàn)狀

水土保持自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備主要可以分為徑流泥沙監(jiān)測(cè)設(shè)備和土壤侵蝕監(jiān)測(cè)設(shè)備兩類(lèi)，其研究背景、工作機(jī)理、存在制約性因素均有所不同。

1.3.1徑流泥沙監(jiān)測(cè)設(shè)備

測(cè)量徑流泥沙最常見(jiàn)的方法是比重法，比重法大部分是基于測(cè)量徑流體積和質(zhì)量來(lái)進(jìn)行泥沙含量判別，方法之間的差異在于收集裝置結(jié)構(gòu)和測(cè)量裝置的不同，這種方法也是當(dāng)前發(fā)展的主流方向[21]。目前用于野外水土流失徑流泥沙自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備存在以下技術(shù)問(wèn)題：①設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜不易維護(hù)、使用壽命短、自動(dòng)化程度低、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性較差；②能耗高、供電困難，需要電機(jī)馬達(dá)供給，生產(chǎn)制造成本增加；③徑流由進(jìn)口通入筒體內(nèi)時(shí)沖擊液面、分布不均，導(dǎo)致水位信號(hào)和重量信號(hào)采集不準(zhǔn)；④設(shè)備容易淤積泥沙，階段性監(jiān)測(cè)后泥沙的充分排空存在困難，連續(xù)測(cè)量數(shù)據(jù)誤差增大；⑤在野外環(huán)境惡劣、無(wú)人值守的環(huán)境下易被損壞，無(wú)法滿(mǎn)足自動(dòng)操作、分析和傳輸?shù)墓δ堋?/p>

1.3.2土壤侵蝕監(jiān)測(cè)設(shè)備

土壤侵蝕常表現(xiàn)為表層土壤厚度的變化，土壤厚度變化監(jiān)測(cè)是水土保持監(jiān)測(cè)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，目前土壤厚度變化的測(cè)定方法主要有傳統(tǒng)方法和新方法。傳統(tǒng)方法包括插釬法和徑流小區(qū)觀測(cè)法，插釬法是將插釬垂直插入土層，讀取露出土面長(zhǎng)度變化以計(jì)算土壤厚度變化的方法，這種方法耗時(shí)耗力、測(cè)量誤差較大；徑流小區(qū)觀測(cè)法是對(duì)土面圍堰并收集隨徑流沖下的泥沙，通過(guò)泥沙量除以圍堰面積得出土面的平均侵蝕厚度，這種方法適用面窄，人工觀測(cè)誤差大，精度較低，適宜于水土流失監(jiān)測(cè)而不適宜于土壤侵蝕觀測(cè)。新技術(shù)方法包括立體測(cè)距法[22]、單點(diǎn)測(cè)距法[23]、遙感解譯法[24]、光電測(cè)尺法[11]、間接法等。立體測(cè)距法、單點(diǎn)測(cè)距法可以統(tǒng)稱(chēng)為測(cè)距法，區(qū)別在于測(cè)距設(shè)備類(lèi)型和測(cè)距點(diǎn)的數(shù)量，測(cè)距法測(cè)量精度高，但多因成本高、操作復(fù)雜、后期處理難度大而難以推廣，且目前國(guó)內(nèi)外測(cè)距法均未解決降雨時(shí)地面積水和坡面徑流造成的測(cè)量誤差。

2 水土保持自動(dòng)監(jiān)測(cè)新設(shè)備研發(fā)

2.1 基于累計(jì)測(cè)量減少誤差方法的徑流泥沙自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備

經(jīng)過(guò)大量的研究和試驗(yàn)，對(duì)現(xiàn)有各種測(cè)量設(shè)備存在的不足進(jìn)行了改進(jìn)，研究出一種新型徑流泥沙自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備。該設(shè)備是基于比重法測(cè)量含沙量，相對(duì)于光電法、透射法等傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法，該方法可以減小泥沙顆粒大小、分布對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，操作簡(jiǎn)單，適用性強(qiáng)。設(shè)備的構(gòu)造如圖1所示。

設(shè)備包括筒體，筒體頂部設(shè)與徑流進(jìn)水管連接的進(jìn)水閥、中部設(shè)儲(chǔ)流室、底部側(cè)壁設(shè)出水閥，進(jìn)水閥下方設(shè)錐形導(dǎo)水板，錐形導(dǎo)水板經(jīng)支撐過(guò)濾網(wǎng)固定在側(cè)壁上，傾斜角度為30°～50°，安裝時(shí)保證錐形導(dǎo)水板端部與側(cè)壁間具有0.4～0.6 cm間隙；進(jìn)水閥與錐形導(dǎo)水板之間設(shè)有凹型溢水槽，儲(chǔ)流室底面為經(jīng)支撐結(jié)構(gòu)支撐在筒體底面的斜坡形儲(chǔ)水底板，斜坡形儲(chǔ)水底板的最低端與出水閥下端對(duì)應(yīng)；筒體側(cè)壁設(shè)有至少一個(gè)水位探針，且最低位置的水位探針高度與所述斜坡形儲(chǔ)水底板的最高端齊平；筒體底面設(shè)有稱(chēng)重傳感器。此外該設(shè)備還包括由單片機(jī)組成的控制單元、與單片機(jī)連接的遠(yuǎn)距離無(wú)線通訊單元和供電單元，控制單元中的單片機(jī)分別與進(jìn)水閥和出水閥的閥門(mén)控制器、水位探針、稱(chēng)重傳感器和計(jì)時(shí)器連接；遠(yuǎn)距離無(wú)線通訊單元為北斗傳輸模塊，設(shè)備可將數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮后穩(wěn)定傳輸，適用于通訊條件惡劣的野外條件；供電單元包括蓄電池及與蓄電池連接的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)。

為解決進(jìn)水沖擊大、分布不均的問(wèn)題，設(shè)備在進(jìn)水閥下方設(shè)計(jì)了凹型溢水槽、錐形導(dǎo)水板和支撐過(guò)濾網(wǎng)。凹型溢水槽能夠削弱徑流直接沖擊力，并將徑流中泥沙分散，保證徑流可從凹型溢水槽均勻溢出；錐形導(dǎo)水板用于承接從凹型溢水槽溢出的液體，將其沿錐面向周?chē)鶆蚍稚?，使徑流沿?cè)壁流入儲(chǔ)流室，避免徑流直接沖擊液面，在安裝錐形導(dǎo)水板時(shí)，其端部與筒壁的間隙要求控制在0.4～0.6 cm，間隙過(guò)大會(huì)造成徑流不能沿壁留下，影響水位探針的測(cè)定結(jié)果，間隙過(guò)小會(huì)造成流速緩慢，有大量泥沙通過(guò)時(shí)會(huì)發(fā)生堵塞，影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性；支撐過(guò)濾網(wǎng)則可以防止樹(shù)葉石塊等隨徑流進(jìn)入儲(chǔ)液室。該設(shè)備與已有徑流泥沙自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備相比，在儲(chǔ)流室底面設(shè)計(jì)了斜坡形儲(chǔ)水底板，并增大了測(cè)量體積，一方面即能減少儲(chǔ)流室底部的液體存量，又具有導(dǎo)向作用，排水時(shí)能夠?qū)⒑嗌车膹搅饕蚺潘y，實(shí)現(xiàn)快速排水、監(jiān)測(cè)高效；另一方面，斜坡形儲(chǔ)水底板不易淤積泥沙，排水時(shí)儲(chǔ)流室內(nèi)液體可對(duì)板面進(jìn)行沖刷，為下階段的準(zhǔn)確測(cè)量提供有力保障。在水位探針設(shè)置方面，要求至少設(shè)置2根水位探針，且保證最低位置的水位探針高度與斜坡形儲(chǔ)水底板的最高端齊平。若低于斜坡形儲(chǔ)水底板的最高端，則可能受泥沙影響導(dǎo)致數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性降低，影響計(jì)算；若僅設(shè)置一根水位探針會(huì)造成儲(chǔ)流室內(nèi)的水位低于斜坡形儲(chǔ)水底板的最高端，無(wú)法有效沖刷斜坡形儲(chǔ)水底板，且通過(guò)多根探針測(cè)量取階段平均值，能夠有效降低測(cè)量誤差。整個(gè)設(shè)備選擇通過(guò)閥門(mén)控制器控制進(jìn)水閥和出水閥的開(kāi)閉，閥門(mén)可以使用電磁閥等快速響應(yīng)的閥門(mén)，利用單片機(jī)經(jīng)水位探針采集水位信號(hào)，稱(chēng)重傳感器采集儲(chǔ)流室內(nèi)的重量信號(hào)，經(jīng)計(jì)時(shí)器記錄到達(dá)某一水位的時(shí)間，結(jié)合已知其他數(shù)據(jù)，可在單片機(jī)中實(shí)現(xiàn)計(jì)算分析得到目標(biāo)數(shù)據(jù)，并通過(guò)遠(yuǎn)距離無(wú)線通訊單元實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人看守的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，能夠適應(yīng)野外作業(yè)的各種惡劣環(huán)境，滿(mǎn)足不同區(qū)域的自動(dòng)監(jiān)測(cè)需求。

2.2 基于多傳感器互相矯正的土壤侵蝕自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備

基于土壤侵蝕監(jiān)測(cè)實(shí)際需求和超聲波測(cè)距原理，開(kāi)發(fā)出一種自動(dòng)化程度高、測(cè)量準(zhǔn)確、價(jià)格便宜、安裝方便、適宜野外無(wú)人監(jiān)管區(qū)域的土壤侵蝕監(jiān)測(cè)設(shè)備，設(shè)備主要由控制終端、以及與控制終端連接的超聲波測(cè)距儀(4個(gè))、紅外線雨量計(jì)、空氣溫濕度傳感器、土壤溫度濕度傳感器、存儲(chǔ)單元及北斗傳輸模塊、太陽(yáng)能供能模塊及其他輔助功能模塊等組成，設(shè)備的構(gòu)造如圖2所示。

該設(shè)備基于超聲波測(cè)距原理，使用其它傳感器進(jìn)行間接數(shù)據(jù)支撐和修正，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確，同時(shí)該設(shè)備可作為一個(gè)監(jiān)測(cè)平臺(tái)使用，以供搭載更多監(jiān)測(cè)傳感器。該設(shè)備要求垂直安裝，即主支撐桿垂直于水平面，主支撐桿地面長(zhǎng)度1 m，地下長(zhǎng)度0.4 m，采用膨脹錨固方式固定，兩個(gè)超聲波測(cè)距儀支撐桿垂直相交，支臂長(zhǎng)度相當(dāng)，且每個(gè)支臂長(zhǎng)度不超過(guò)0.6 m，不少于0.4 m。土壤含水率傳感器埋藏深度在(20±2) cm左右，同時(shí)上覆防水護(hù)罩，避免水沿探針路徑直接下滲造成測(cè)量誤差。為監(jiān)測(cè)設(shè)備是否處于正常工作狀態(tài)，在設(shè)備控制盒中裝設(shè)傾斜報(bào)警器，當(dāng)設(shè)備傾斜或者遭受破壞時(shí)會(huì)發(fā)出報(bào)警音，該信號(hào)能夠立即傳回后臺(tái)管理端，提醒工作人員開(kāi)啟應(yīng)急措施。該設(shè)備的供能模塊采用太陽(yáng)能電池板，信息傳輸模塊采用北斗衛(wèi)星和GSM復(fù)合傳輸技術(shù)，存儲(chǔ)處理器采用單片機(jī)，集成系統(tǒng)采用電路板集成，不僅可作為土壤侵蝕的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備，也可作為支持多個(gè)傳感器擴(kuò)展的監(jiān)測(cè)平臺(tái)使用，只要根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)要求增加(刪減)微型傳感器和控制模塊，即可達(dá)到目的監(jiān)測(cè)效果。

監(jiān)測(cè)設(shè)備基于超聲波測(cè)距儀測(cè)距原理可同步獲得4個(gè)點(diǎn)位的土壤厚度數(shù)據(jù)，并通過(guò)搭載的紅外線雨量計(jì)、土壤含水率測(cè)量探針等傳感器判斷是否存在降雨、積水、坡面薄層水流等情況，若判別存在地面積水和地表徑流誤差，設(shè)備計(jì)算時(shí)排除薄層水造成測(cè)量誤差數(shù)據(jù)，提高了土壤厚度變化監(jiān)測(cè)精度，適宜于野外復(fù)雜環(huán)境下的土壤侵蝕監(jiān)測(cè)，具備較好的推廣前景。

3 新設(shè)備試驗(yàn)及分析

3.1 徑流泥沙自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備試驗(yàn)及分析

為了驗(yàn)證徑流泥沙自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備能減少累計(jì)測(cè)量誤差的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)稱(chēng)取mi泥土加入Vi水中，配制泥沙量Si=mi/Vi的泥水混合物，通過(guò)配制多組不同梯度Si，驗(yàn)證泥沙量測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性?？刂芐i，不控制Vi進(jìn)行試驗(yàn)，讀取5次數(shù)據(jù)；控制流量Vi，不控制Si進(jìn)行試驗(yàn)，讀取5次數(shù)據(jù)，求得徑流量測(cè)定的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，泥沙量和徑流量的測(cè)試值與真實(shí)值均具有明顯的線性關(guān)系，泥沙量的測(cè)定值與真實(shí)值相對(duì)誤差在7.8%以?xún)?nèi)，徑流量的測(cè)試值與真實(shí)值相對(duì)誤差在4.1%以?xún)?nèi)，設(shè)備具有較好的測(cè)量精度。

設(shè)備設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)極為簡(jiǎn)單可靠、操作簡(jiǎn)便、計(jì)算簡(jiǎn)單，不需要電動(dòng)馬達(dá)供能，能耗低、自動(dòng)化程度高、準(zhǔn)確性高、生產(chǎn)和維護(hù)成本低，使用壽命長(zhǎng)、排沙效果好，實(shí)際使用時(shí)設(shè)備內(nèi)無(wú)泥沙淤積，長(zhǎng)期使用也具有較高的準(zhǔn)確性，適用于野外水土流失徑流泥沙自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

3.2 土壤侵蝕自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備試驗(yàn)及分析

為了驗(yàn)證該設(shè)備監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，根據(jù)要求垂直布置好本設(shè)備，在監(jiān)測(cè)設(shè)備下放置一個(gè)帶刻尺圍欄的平板車(chē)，將平板車(chē)分別調(diào)整至水平0°，10°，20°，30°，對(duì)該設(shè)備進(jìn)行讀數(shù)，并用激光測(cè)距儀讀取超聲波測(cè)距頭距平板車(chē)距離進(jìn)行矯正，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。由圖4分析可知，在0°，10°，20°，30°坡度下，監(jiān)測(cè)結(jié)果的總標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.19，0.21，0.15，0.27 cm，其測(cè)量精度在0.3 cm以?xún)?nèi)，表明該設(shè)備在0°～30°范圍內(nèi)具有較高的測(cè)量精度。

為驗(yàn)證該設(shè)備對(duì)平地(0°)積水和坡面薄層水流誤差的剔除效果，在維持水平狀態(tài)(0°)的平板車(chē)上均勻裝壤土，每次控制裝填0.5 cm土，在裝土高3，6，9，12 cm時(shí)，利用光電測(cè)尺和水位計(jì)分別補(bǔ)充0.5，1.0，0.5，1.0 cm深的積水，待液位恒定后，進(jìn)行設(shè)備讀取，本設(shè)備讀數(shù)與光電測(cè)尺測(cè)定數(shù)據(jù)如圖5所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，光電測(cè)尺讀數(shù)的總誤差為6.8 cm，平均誤差為0.2 cm，其中4次積水誤差對(duì)總誤差的貢獻(xiàn)率高達(dá)49%，該設(shè)備讀數(shù)的總誤差平方和為2.6 cm，平均誤差為0.09 cm，對(duì)比發(fā)現(xiàn)該設(shè)備在剔除積水和薄層水流誤差值后精度提高。

4 結(jié) 論

(1) 當(dāng)前水土保持現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)設(shè)備的應(yīng)用尚處于全面展開(kāi)的探索階段，其設(shè)備研究與實(shí)踐應(yīng)用仍存在明顯脫節(jié)，成果轉(zhuǎn)換率較低，在面臨國(guó)家推進(jìn)水土保持監(jiān)測(cè)信息化戰(zhàn)略的緊迫壓力下，應(yīng)加強(qiáng)行業(yè)交流，落實(shí)設(shè)備研制任務(wù)書(shū)和推廣時(shí)間表，激發(fā)市場(chǎng)活力，開(kāi)展國(guó)家試點(diǎn)工作，有效推進(jìn)水土保持自動(dòng)監(jiān)測(cè)事業(yè)的發(fā)展。

(2) 本文介紹的徑流泥沙自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，解決了常規(guī)比重法監(jiān)測(cè)設(shè)備易淤積、測(cè)量誤差大、供能要求高、通訊困難的難題，并利用多次取平均值的方法減少了水流動(dòng)量造成的測(cè)量誤差，適宜于野外無(wú)人管護(hù)條件，對(duì)于當(dāng)前野外徑流小區(qū)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)具有明顯意義。

(3) 本文介紹的土壤侵蝕監(jiān)測(cè)設(shè)備，利用多傳感器測(cè)量互相矯正計(jì)算，剔除了土壤表層積水和坡面徑流造成的較大測(cè)量誤差，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)較低、具有較強(qiáng)的推廣前景。