CN105717276A - 田块尺度坡耕地水土流失监测系统及其监测方法 - Google Patents

Abstract

田块尺度坡耕地水土流失监测系统及其监测方法，属于农业生产技术领域。现有水土流失监测方法不能适用于所有类型的土地。本发明提出的田块尺度坡耕地水土流失监测系统，田块尺度坡耕地水土流失监测方法，建立目标监测区域(1)；在目标监测区域(1)最低处设置V字型挡板(2)，通过集流装置将无动力水土流失过程自动监测装置(3)与目标监测区域(1)连接；在安装记录降雨过程的自动降雨仪(4)；进行降雨观察、目标监测区域(1)中水和土样品收集，及无动力水土流失过程自动监测装置(3)和自动降雨仪(4)中监测数据的下载。本发明方法实现了水土流失过程自动监测，监测所需的全套成本低，实用性强。

Description

田块尺度坡耕地水土流失监测系统及其监测方法

技术领域

本发明涉及一种田块尺度坡耕地水土流失监测系统及其监测方法。

背景技术

水土流失是世界上的主要灾害之一，严重威胁着人类的生存和发展，成为各国普遍关注的问题。水土流失监测是水土流失危害评估和水土保持成效评价的重要前提和方法，是水土保持生态建设宏观决策的依据。目前，坡耕地水土流失的监测多以坡面径流小区和小流域控制站为主体，野外坡面径流小区设置不同坡度、不同土地利用类型、不同水土保持措施等，开展地表径流和输沙监测，坡面小区一般有由挡水墙、集水槽、导水管、分流桶(池)和集流桶(池)组成。坡面小区起源于上世纪60年代，主要用于土壤流失方程USLE因子确定，使不同气候区、不同时间侵蚀资料确定的土壤可蚀性可以进行直接比较。此外，这种方法是以土壤流失资料为依据，同时考虑了降雨侵蚀力，并将其它侵蚀因子限制在同等条件下，因此用该指标能直接估算土壤流失量，这也是研究土壤可蚀性的最终目的。正是基于此，美国的土壤可蚀性定量标准建立在小区观测资料基础之上，并逐渐被世界各国所采用，近些年标准径流小区已成为我国水土流失监测和研究的主要手段。但该技术应用中最大的缺陷是不能真实反映自然坡面的水土流失，数据偏大或偏小；另一方面该技术造价较高，且环境干扰较大，无法移动，费时费力。小流域监测是在坡面的基础上，以小流域为单元，通过在下游出口建设卡口站，监测区域径流和输沙量，较好地反映了区域水土流失状况，然而小流域是由耕地、林地或草地等若干自然地块组成，难以区分和定量标识具体自然地块水土流失。

野外自然地块作为水土流失的基本单元，其水土流失量可以客观真实反映区域水土流失状况。然而由于受监测设备和方法的限制，国内外当前对自然地块水土流失直接监测还很缺乏。自然地块尤其是坡耕地田块尺度水土流失监测既是难点也是热点，为了得到更加精确且符合实际的自然坡面水土流失数据，近年来国内外水土保持学者对野外径流观测设备和方法等方面也进行了深入的探索研究，并取得了一定进展。美国Cruse(2001)研制了分段式可移动径流观测装置(Dividercollector)，并在坡耕地小尺度田面上应用。它的优点是适于野外小区域(<50m²)的径流观测，安装相对简单，测定结果精度较高，可拆卸，可移动，可用于野外实际状态下的径流观测，可用于一次性降雨或人工降雨下的观测。但也存在许多不足，观测面积较小(<50m²)，安装时每个集水槽都需调水平，分流时受表面水张力影响较大，每次降雨后都需对设备进行清理，不适于泥沙含量较大或径流强度较大的观测，使用受限。国内学者对野外水土流失监测设备研发也取得了一定进展，主要针对模拟降雨和天然降雨两个方面实现坡面水土流失的监测。在模拟降雨方面，舒安平(2012)发明“便携式水土流失动态监测仪”(专利号：ZL2012100195373)，该发明包括径流小区、模拟降雨单元、供水单元、水沙量测器、动力调节器和微处理器。本发明优点是分段组装、可拆卸，占用空间小，便于携带；径流小区搭建耗时短，模拟降雨单元安装便捷；径流小区实时采集处理，动态量测和计算土壤侵蚀模数，数据准确，适用于不同区域土壤侵蚀量动态监测及数据分析。类似模拟降雨条件下水土流失监测装置也具备上述优点，但该类型装置安装的过程要求高，一般需专业人士进行指导安装；测定过程需要在无风或小风情况下，试验环境也并不适用于所有条件，如林地土壤的监测；监测设备价格也较高。同时，模拟条件观测区域较小，与实际情况存在一定差异，尚不能用于面积较大自然地块的监测。在天然降雨坡面水土流失监测的也进行了大量研究并取得一定成果，如刘宏斌等(2014)发明的“一种坡耕地平作条件下的径流收集装置”(专利号：ZL201420253582X)，该径流收集装置包括至少一个设于坡耕地的监测地块上的径流收集管、至少一个与所述径流收集管连接的径流池以及修建在监测地块下方和径流池池壁之间的集水沟。该装置能够用于对我国坡耕地平作条件下的农田氮、磷等面源污染物流失量进行估算，提高了监测准确度，且采样过程简单快捷。但实施工程措施较为繁琐，对环境扰动较大，监测装置不可移动，所得数据不精确。而李海林等(2014)发明的“用于水土流失量监测的移动式径流小区”(专利号：ZL201420333545X)，该径流小区设置于选定的监测边坡上，其包括隔板、连接板、排水管和PE材质集水器。该应用提供一种施工方便、成本较低的用于水土流失量监测的移动式径流小区，实现径流小区的便捷性、可重复利用性，但其未能对径流过程的监测及样品的分段采集，结果的精确度也不高。但该发明有一定局限性，其不适用于野外大面积自然地块的测定，仍采用传统的分流桶和集流桶监测，非分段采集样品，所获得数据误差较大。

此外，学者们在提高水土保持监测数据精确度也进行了探索，一个方面是改进径流收集装置，如黄鹏飞等(2015)发明的“一种提高野外水位观测结果准确性的径流桶”(专利号：ZL2015200800454)，该发明包括分流桶、水位观测桶和集流桶三部分。该发明有效减小自计水位计因水面起伏波动造成的观测误差，且便于清洗，制作成本低，操作维护方便，观测结果准确性高。类似的发明尽管提高了一定的精确度，操作简便，但所获得数据只能确定一次降雨产生径流泥沙总量，未能实现径流过程的监测，因此，一些专家学者采用建立监测系统的方法提高所得数据准确性、实时性。如雷延武等(2012)发明“坡面小区水土流失自动测量系统”(ZL2011102497960)，该发明包括：相互连接的径流流量测量子系统和数据采集存储子系统，还包括：径流泥沙传感器，与数据采集存储子系统连接，径流流量测量子系统，用于测量待测液体的流量数据，并将流量数据发送至数据采集存储子系统；径流泥沙传感器，用于测量待测液体的泥沙浓度数据，并将泥沙浓度数据发至数据采集存储子模块；数据采集存储子系统，用于接收并存储流量数据及泥沙浓度数据。该发明能够自动测量坡面径流小区的水土流失，并通过全新的径流泥沙传感器和径流流量测量子系统提高测量的精度。类似水土流失监测系统数据传输过程需要提供动力设备(如电源等)，应用条件受限。

目前最为成功的为德国UGT水土流失观测系统，由径流测量系统和分段式径流泥沙自动采样系统组成，小区由围板组成，径流测量系统是利用翻斗和电磁感应系统组成，利用电子程序，设定翻斗翻动N次后，带动进样管转动，采集一翻斗样品后，进样管归为，以此循环，实现间隔泥沙样品自动采集。可用于监测径流场径流量、水土流失量及径流溶质流失量，利用自动分流采样，可以分析土壤流失量及粒径分布、溶质如氮磷等的径流流失量，进而分析不同降雨强度、不同雨滴谱、不同降雨阶段等的水土流失情况。该监测系统实现了自动化水土流失监测，然仍只适用于小区监测，需借助电力转动，安装较为复杂，可移动性差，价格也十分昂贵，限制了其野外应用。纵观国内外已有的水土流失监测设备和方法，在标准径流小区或自然小区尺度上取得了成功，在小流域控制站监测设备和方法也十分成熟，而最具代表性的中间尺度自然地块尺度的水土流失监测设备及方法缺乏，制约了水土流失的定量化研究和水土保持效益的评估。

针对以上发明应用均存在一定局限性，张兴义等(2007)为了实现野外较大面积坡面小区或自然地块水土流失的监测，发明了“一种可移动地表径流观测装置”(专利号：ZL200610163240.9)，主要采用翻斗径流测量系统，可对任意自然坡面径流进行直接观测且可完成对单位时间径流强度的观测，且该装置无需动力、安装简单、可移动、可重复利用。但经过4年野外观测显示，泥沙在装置中沉积较严重，影响观测准确性。因此，发明人在此基础上进行改进，于2010年发明“一种地表径流泥沙混合与样品采集装置”(专利号：ZL201010594588.X)，该发明实现了径流过程的观测，加装泥沙混合分流装置，同时实现了径流充分混合采集泥沙样品，提高了泥沙观测精度，但所采集的是一次径流全过程样品，即只能获取一次径流的输沙总量，未能实现输沙过程的观测。于是，发明人于2011年又在此基础上发明“一种地表径流泥沙样品分段采集装置”(专利号：ZL201110255659.8)，利用翻斗翻动机械传动原理，实现了径流全过程分段自动采集泥沙样品，该发明秉承以往监测装置的无需动力、安装简单、可移动、可重复利用优点，同时解决了现有技术存在所采集的样品为一次径流样品、一次径流的输沙总量及输沙过程不能观测的问题，实现了地表径流过程、输沙过程自动监测。该发明与自动降雨结合，可同时获取径流、输沙和降雨3条曲线，并将本设备命名为无动力水土流失过程自动监测装置。此外依据观测区域的大小，生产不同大小的翻斗，即制作不同量程的水土流失监测设备，满足野外较大区域自然坡面水土流失监测需求，现已广泛应用于全国14个省区水土保持监测站点和水土流失治理工程项目区水土保持效益的监测。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的水土流失监测系统应用范围受到监测环境、设备等的限制无法应用于野外坡耕地田块尺度地表径流量及输沙量的自动监测的问题，而提出一种田块尺度坡耕地水土流失监测系统和田块尺度坡耕地水土流失监测方法。

一种田块尺度坡耕地水土流失监测系统，其组成包括：V字型挡板、无动力水土流失过程自动监测装置、自动降雨仪、挡板、筛网、一组PVC导水管、PVC入水管和连接管，一组PVC导水管通过连接管连接后形成导水管，导水管一端与V字型挡板弯折处的径流孔连接，导水管另一端与无动力水土流失过程自动监测装置上端的PVC入水管连接；

其中，V字型挡板朝向目标监测区域的一面还安装筛网，且筛网倾斜插入目标监测区域的土壤中；

挡板插装在目标监测区域地表径流可能外流的边界处。

一种田块尺度坡耕地水土流失监测方法，所述方法通过以下步骤实现：

步骤一、建立目标监测区域；

步骤二、选取步骤一建立的目标监测区域中等高线的最低处设置V字型挡板；

步骤三、在与设置V字型挡板所在高度相比的下坡方向，安装无动力水土流失过程自动监测装置；

步骤四、通过集流装置将步骤三安装的无动力水土流失过程自动监测装置与步骤一建立的目标监测区域连接；

步骤五、在步骤三中已安装的无动力水土流失过程自动监测装置的旁边安装记录降雨过程的自动降雨仪，进行降雨观察；且自动降雨仪安装位置的周围高度超过1m的杂草或树木要移除；

步骤六、进行目标监测区域中水和土样品收集，及无动力水土流失过程自动监测装置和自动降雨仪中监测数据的下载。

本发明的有益效果为：

1)本发明方法实施过程简单，所需材料易于购买，且可重复使用，如筛网、铁板、PVC管，成本较低。

2)实现坡耕地田块水土流失直接监测，而且能够直接得到一场降雨产生的径流、输沙和降雨过程以及径流和土壤流失总量数据。

3)监测过程实现无动力监测，无需借助其他外力，如电源等，为野外应用提供了有利条件。

4)实现了水土流失过程自动监测，无需人员值守，保证了监测质量的同时，减少人力投入。

5)该方法对耕地扰动小，不会造成土壤污染，无需复杂工程措施，易于实施。6)监测所需的全套成本低，实用性强。

附图说明

图1为本发明本发明各个设备放置及具体工程措施位置平面图。

图2为本发明实施各个设备安置的侧面图。

图3为本发明中一种地表径流泥沙样品分段采集装置安装图；

具体实施方式

具体实施方式一：

本实施方式的田块尺度坡耕地水土流失监测方法，结合图1至图3所示，其组成包括：V字型挡板2、无动力水土流失过程自动监测装置3、自动降雨仪4、挡板5、筛网6、一组PVC导水管8、PVC入水管9和连接管10，一组PVC导水管8通过连接管10连接后形成导水管，导水管一端与V字型挡板2弯折处的径流孔7连接，导水管另一端与无动力水土流失过程自动监测装置3上端的PVC入水管9连接；

其中，V字型挡板2朝向目标监测区域的一面还安装筛网6，且筛网6倾斜插入目标监测区域的土壤中；

挡板5插装在目标监测区域地表径流可能外流的边界处。

所述挡板5可以选用PVC板或者金属挡板。

具体实施方式二：

与具体实施方式一不同的是，本实施方式的田块尺度坡耕地水土流失监测系统，

所述的径流孔7的直径为0.5-1m；

所述的V字型挡板2的长、宽和厚度分别为2.00m、0.40m与0.001m；

所述的V字型挡板2的弯折角度介于90°与180°之间。

具体实施方式三：

本实施方式的田块尺度坡耕地水土流失监测方法，结合图1所示，所述方法通过以下步骤实现：

步骤一、建立目标监测区域1；

步骤二、选取步骤一建立的目标监测区域1中等高线的最低处设置V字型挡板2；

步骤三、在与设置V字型挡板2所在高度相比的下坡方向，安装无动力水土流失过程自动监测装置3；

步骤四、通过集流装置将步骤三安装的无动力水土流失过程自动监测装置3与步骤一建立的目标监测区域1连接，用于对目标检测区域中水和土样品流失的收集；

步骤五、在步骤三中已安装的无动力水土流失过程自动监测装置3的旁边安装记录降雨过程的自动降雨仪4，进行降雨观察；且自动降雨仪4安装位置的周围高度超过1m的杂草或树木要移除，防止其影响最终降雨结果；

步骤六、进行目标监测区域1中水和土样品收集，及无动力水土流失过程自动监测装置3和自动降雨仪4中监测数据的下载。

具体实施方式四：

与具体实施方式三不同的是，本实施方式的田块尺度坡耕地水土流失监测方法，步骤一所述建立目标监测区域1的过程为，选取具有自然分水岭或通过工程施工形成的具有单一地表径流出口的坡耕地作为目标监测区域1；根据耕作方式和作物种植情况，在地表径流可能外流的边界处修筑土埂5或埋置挡板5，将欲观测的坡耕地围成全封闭区域；确定边界后，用全站仪测定目标监测区域1的面积和坡度。

具体实施方式五：

与具体实施方式三或四不同的是，本实施方式的田块尺度坡耕地水土流失监测方法，步骤二所述目标监测区域1中等高线的最低处设置V字型挡板2的过程为，选取目标监测区域1中等高线的最低处作为径流出口，在径流出口处垂直地面插装一块V字型挡板2，便于径流汇集于一点，同时在V字型挡板的一侧设置筛网6，用以拦截径流携带的秸秆和茎叶枯落等杂物。

具体实施方式六：

与具体实施方式五不同的是，本实施方式的田块尺度坡耕地水土流失监测方法，所述V字型挡板2的弯折处还设置径流孔7，径流孔7中心与V字型挡板2入土边缘的距离为0.4-0.6m，V字型挡板2埋入土壤的深度为0.20m。

体实施方式七：

与具体实施方式六不同的是，本实施方式的田块尺度坡耕地水土流失监测方法，所述筛网6插入目标监测区域1地表面后，与目标监测区域1地表面呈45°角的倾斜方向，筛网6上的网孔直径约为0.01m。

体实施方式八：

与具体实施方式三、四、五或七不同的是，本实施方式的田块尺度坡耕地水土流失监测方法，步骤三所述安装无动力水土流失过程自动监测装置3的过程为，

步骤三一、无动力水土流失过程自动监测装置3安装于V字型挡板2收集样品后样品走向的方向，根据无动力水土流失过程自动监测装置3和V字型挡板2与水平面之间的高度差和地形坡降确定无动力水土流失过程自动监测装置3的安装位置；

步骤三二、在确定的无动力水土流失过程自动监测装置3的安装位置下挖土坑，将无动力水土流失过程自动监测装置3安装在挖好的土坑中；其中，土坑侧壁与无动力水土流失过程自动监测装置3之间的距离为0.20-0.40m，起到固定无动力水土流失过程自动监测装置3的作用；土坑深度以V字型挡板2至无动力水土流失过程自动监测装置3上端导水管坡降不小于5％为标准，无动力水土流失过程自动监测装置3安装完成后，调节无动力水土流失过程自动监测装置3安装完成后至水平方可使用。

具体实施方式九：

与具体实施方式八不同的是，本实施方式的田块尺度坡耕地水土流失监测方法，步骤四所述通过集流装置将步骤三安装的无动力水土流失过程自动监测装置3与步骤一建立的目标监测区域1连接的过程为，将一组PVC导水管8连通形成的导水管，一端与V字型挡板2上的径流孔7连接，另一端与无动力水土流失过程自动监测装置3上端的PVC入水管9连接；且一组PVC导水管8连通形成的导水管的长度与目标监测区域1的坡度相适应，应使无动力水土流失过程自动监测装置3底部的地表径流能自然下流。

体实施方式十：

与具体实施方式九不同的是，本实施方式的田块尺度坡耕地水土流失监测方法，所述PVC导水管8之间通过连接管10连接，PVC导水管8与无动力水土流失过程自动监测装置3上端的PVC入水管9之间通过连接管10连接。

体实施方式十一：

与具体实施方式六、七、九或十不同的是，本实施方式的田块尺度坡耕地水土流失监测方法，步骤六所述进行目标监测区域1中水和土样品收集，及无动力水土流失过程自动监测装置3和自动降雨仪4中监测数据的下载的过程为，每次降雨产流结束后，利用智能终端对无动力水土流失过程自动监测装置3和自动降雨仪4的数据进行下载；用空的样品瓶更换已收集了样品的样品瓶，收集了样品的样品瓶带回实验室做进一步泥沙含量分析；并在每次降雨后要及时清理筛网6上附着的作物茎叶残体，以免随径流进入样品瓶，影响结果。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.田块尺度坡耕地水土流失监测系统，其特征在于：其组成包括：V字型挡板(2)、无动力水土流失过程自动监测装置(3)、自动降雨仪(4)、挡板(5)、筛网(6)、一组PVC导水管(8)、PVC入水管(9)和连接管(10)，一组PVC导水管(8)通过连接管(10)连接后形成导水管，导水管一端与V字型挡板(2)弯折处的径流孔(7)连接，导水管另一端与无动力水土流失过程自动监测装置(3)上端的PVC入水管(9)连接；

其中，V字型挡板(2)朝向目标监测区域的一面还安装筛网(6)，且筛网(6)倾斜插入目标监测区域的土壤中；

挡板(5)插装在目标监测区域地表径流可能外流的边界处。

2.根据权利要求1所述的田块尺度坡耕地水土流失监测系统的田块尺度坡耕地水土流失监测方法，其特征在于：所述方法通过以下步骤实现：

步骤一、建立目标监测区域(1)；

步骤二、选取步骤一建立的目标监测区域(1)中等高线的最低处设置V字型挡板(2)；

步骤三、在与设置V字型挡板(2)所在高度相比的下坡方向，安装无动力水土流失过程自动监测装置(3)；

步骤四、通过集流装置将步骤三安装的无动力水土流失过程自动监测装置(3)与步骤一建立的目标监测区域(1)连接；

步骤五、在步骤三中已安装的无动力水土流失过程自动监测装置(3)的旁边安装记录降雨过程的自动降雨仪(4)，进行降雨观察；且自动降雨仪(4)安装位置的周围高度超过1m的杂草或树木要移除；

步骤六、进行目标监测区域(1)中水和土样品收集，及无动力水土流失过程自动监测装置(3)和自动降雨仪(4)中监测数据的下载。

3.根据权利要求2所述田块尺度坡耕地水土流失监测方法，其特征在于：步骤一所述建立目标监测区域(1)的过程为，选取具有自然分水岭或通过工程施工形成的具有单一地表径流出口的坡耕地作为目标监测区域(1)；根据耕作方式和作物种植情况，在地表径流可能外流的边界处修筑土埂(5)或埋置挡板(5)，将欲观测的坡耕地围成全封闭区域；确定边界后，用全站仪测定目标监测区域(1)的面积和坡度。

4.根据权利要求2或3所述田块尺度坡耕地水土流失监测方法，其特征在于：步骤二所述目标监测区域(1)中等高线的最低处设置V字型挡板(2)的过程为，选取目标监测区域(1)中等高线的最低处作为径流出口，在径流出口处垂直地面插装一块V字型挡板(2)，同时在V字型挡板的一侧设置筛网(6)。

5.根据权利要求4所述田块尺度坡耕地水土流失监测方法，其特征在于：所述V字型挡板(2)的弯折处还设置径流孔(7)，径流孔(7)中心与V字型挡板(2)入土边缘的距离为0.4-0.6m，V字型挡板(2)埋入土壤的深度为0.20m。

6.根据权利要求5所述田块尺度坡耕地水土流失监测方法，其特征在于：所述筛网(6)插入目标监测区域(1)地表面后，与目标监测区域(1)地表面呈45°角的倾斜方向，筛网(6)上的网孔直径约为0.01m。

7.根据权利要求2、3、5或6所述田块尺度坡耕地水土流失监测方法，其特征在于：步骤三所述安装无动力水土流失过程自动监测装置(3)的过程为，

步骤三一、无动力水土流失过程自动监测装置(3)安装于V字型挡板(2)收集样品后样品走向的方向，根据无动力水土流失过程自动监测装置(3)和V字型挡板(2)与水平面之间的高度差和地形坡降确定无动力水土流失过程自动监测装置(3)的安装位置；

步骤三二、在确定的无动力水土流失过程自动监测装置(3)的安装位置下挖土坑，将无动力水土流失过程自动监测装置(3)安装在挖好的土坑中；其中，土坑侧壁与无动力水土流失过程自动监测装置(3)之间的距离为0.20-0.40m；土坑深度以V字型挡板(2)至无动力水土流失过程自动监测装置(3)上端导水管坡降不小于5％为标准，无动力水土流失过程自动监测装置(3)安装完成后，调节无动力水土流失过程自动监测装置(3)安装完成后至水平。

8.根据权利要求7所述田块尺度坡耕地水土流失监测方法，其特征在于：步骤四所述通过集流装置将步骤三安装的无动力水土流失过程自动监测装置(3)与步骤一建立的目标监测区域(1)连接的过程为，将一组PVC导水管(8)连通形成的导水管，一端与V字型挡板(2)上的径流孔(7)连接，另一端与无动力水土流失过程自动监测装置(3)上端的PVC入水管(9)连接；且一组PVC导水管(8)连通形成的导水管的长度与目标监测区域(1)的坡度相适应，应使无动力水土流失过程自动监测装置(3)底部的地表径流能自然下流。

9.根据权利要求8所述田块尺度坡耕地水土流失监测方法，其特征在于：所述PVC导水管(8)之间通过连接管(10)连接，PVC导水管(8)与无动力水土流失过程自动监测装置(3)上端的PVC入水管(9)之间通过连接管(10)连接。

10.根据权利要求3、4、6或7所述田块尺度坡耕地水土流失监测方法，其特征在于：步骤六所述进行目标监测区域(1)中水和土样品收集，及无动力水土流失过程自动监测装置(3)和自动降雨仪(4)中监测数据的下载的过程为，每次降雨产流结束后，利用智能终端对无动力水土流失过程自动监测装置(3)和自动降雨仪(4)的数据进行下载；用空的样品瓶更换已收集了样品的样品瓶，收集了样品的样品瓶带回实验室做进一步泥沙含量分析；并在每次降雨后要及时清理筛网(6)上附着的作物茎叶残体。