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水土保持监测具体方法措施

发布时间:2024-06-24 11:39:41    来源:水土保持之声    浏览次数:72

通过水土保持监测,摸清水土流失类型、强度与分布特征、危害及其影响情况、发生发展规律、动态变化趋势,对水土流失综合治理和生态环境建设宏观决策以及科学、合理、系统地布设水土保持各项措施具有重要意义。

水土保持监测点的布设可分为常规监测点临时监测点

01设原则

根据水土流失类型区和水土保持规划,确定监测点的布局。

以大江大河流域为单元进行统一规划。

与水文站、水土保持试验站、长期生态研究站网相结合。

监测点的密度与水土流失防治重点区的类型、监测点的具体情况和监测目标密切相关应合理确定。

02 监测点筛选

监测站点的选取和新建,应当遵循老点优先共享优先有管理保障优先的原。已有监测点,在同等条件下优先考虑;

新布设监测点,优先考虑可共享站点,减少新建;新建监测点,优先考虑有运行管理保障和可提供稳定土地的地方,比如水库、水土保持科技示范园等。

水土保持监测预报是国家生态建设宏观决策的基本依据,是水土保持事业的重要组成,是提高水土保持现代化水平的关键基础。

水土保持监测时段一般通常分为建设期和运行初期,水土保持监测成果应报上一级监测网络统一管理。

当前,小范围的监测主要靠人工实地测量;大范围的监测主要靠遥感方法,通过图像解译,确定各类图斑的界线。

遥感图像解译分计算机自动解译和人工解译两种方法目前用计算机自动解译的方法进行水土保持监测尚未成熟;

人工解译方法是通过图像解译人员以遥感影像或航空相片为背景,在各类绘图软件的支持下,进行图像解译和各类图斑的勾绘。

风蚀监测

对风蚀强度的观测采用测钎法风沙流强度采用阶梯式积沙仪收集扬沙法,同时测定土壤含水量、土壤紧实度及植被覆盖度、土地利用等。

阶梯式积沙仪测定法

在选定的监测点,分别固定安装4个集沙仪(每次观测重复两次),同时在建设区外设置2处进行对比观测。在达到起沙风速时,气流搬运的沙量绝大部分在离地面30cm的高度内,误差较小。

集沙测量一次10分钟,沙子从10个进沙孔分别进入安装在集沙仪里的塑料管进行收集测量,在风季(3~5月份)每15天测定1次,同时用风杯风速表测定相应的风速。

测钎法:

在选定的监测点,沿主风方向每隔1m布设1个测钎,一组10个测钎。每隔10m布设1组,共布设3组。每一次大风(达到起沙风速)后,观测一次风蚀(积)数量。用风速风向自记仪记录每天的地面风速,大风出现的时间、频次,整理统计监测年内起沙风的历时,然后分析风蚀量。收集气象站的平均起沙风速、大风日数、频次等。

简易水土流失观测场是生产建设项目水土流失监测常用的设施,通过在坡面上垂直于坡面均线打入测钎,在每次暴雨后和汛期结束,观测钢钎顶距地面的高度,以此计算土壤侵蚀厚度和总的土壤侵蚀量。

使用方法

1.在开发建设项目区选择具有代表性的坡面。

2.在土体较密实的坡面,可以选用长度50cm的测钎;在土体较松软的坡面,建议选用长度80cm或100cm的测钎。

3.一般每个监测场至少使用9根测钎,按3横3纵排布,测钎之间水平距离和垂直距离各1m(具体如图所示)。


4.沿铅垂方向,用锤子将测钎打入坡面直至测钎稳定为止。测钎入土深度以钎杆上刻度的上沿接近坡面为宜。

5.将每个监测区的测钎编号,并登记入册,记录各测钎的原始坡面刻度。

6.坡面面积较大时,应适当增加测钎的数量。

7.在监测区以外约1m的醒目位置,设置“水土流失监测请勿扰动”的标识。

数据计算:

每次监测时,读取、记录测钎上刻度,计算侵蚀下降高度(取多根测钎的平均值)。

根据侵蚀下降高度值,计算土壤侵蚀厚度和土壤侵蚀总体积。计算公式如下:

A=ZS1000 cosθ

式中:A——土壤侵蚀体积,m;

Z——侵蚀厚度,mm;

S——水平投影面积,m;

Ɵ——坡面坡度,°

根据侵蚀土壤体积和土质的平均密度,计算监测区域的土壤侵蚀总量。计算方式如下:

土壤侵蚀总量 = 侵蚀土壤体积×土质的平均密度


水蚀监测

对选择的重点监测地区边坡水蚀采用简易坡面量测,量测坡面形成初期的坡度、坡长、地面组成物质、容重等,每次降雨或多次降雨后侵蚀沟的体积。

具体是在监测重点地段对一定面积内(实测样方面积根据具体情况确定,一般为100m²)的侵蚀沟数量、深度、宽度、长度进行量算,计算出边坡的沟蚀量,从而得出边坡的土壤水蚀量。同时要对降水量进行观测。

说明:

侵蚀量=(细沟侵蚀量+浅沟侵蚀量)(1+30%)。

细沟侵蚀量=a×h×L×n×r。

浅沟侵蚀量=(a+b)×h×L×n×r/2。

侵蚀模数=侵蚀量×106/(侵蚀年限×投影面积)。

r—土壤容重,t/m³

植被状况监测

项目实施前、实施期末及施工期两年每年调查1次,共4次。主要指标包括植物种类、植被类型、林草生长量、林草植被覆盖度、郁闭度(乔木)等。

采用典型样方进行调查,样方大小视其具体情况而定,每一样方重复2次,一般情况下草本样方为1m×1m,灌木样方为5m×5m,乔木样方为20m×20m。

1.宏观监测和微观监测相结合。

2.连续定位观测、周期性普查和临时性监测相结合。

3.常规方法和现代先进技术相结合水土保持监测方法是指获取监测数据的手段。根据监测途径、监测对象的差异,水土保持监测可以分为微观监测和宏观监测,前者以小区样地坡面和重力侵蚀等微观内容为主,后者则主要以地表覆盖信息的遥感监测宏观内容为主。

4.充分利用现有水文、泥沙和水土保持观测资料和相关技术。

微观监测方面,水蚀坡面有较大发展,具备较好基础,但对水土流失影响较大的沟道侵蚀观测方法相对比较薄弱

水蚀预报模型是研究侵蚀过程的有效手段,能克服观测实验在数据获取性、重复性、连续性等方面的缺陷,有效揭示内在机制,发现研究薄弱环节,带动和促进机理的研究,并可作为土壤侵蚀防治与治理效益评价的科学依据。

根据不同时空尺度上的建模手段和方法,土壤侵蚀模型可分为物理模型、经验模型、概念模型和半定量模型。

在坡面尺度上,次降雨条件下土壤侵蚀模拟以物理模型为主, 但其关注的侵蚀子过程有限,且所需参数多,对数据要求较高;

年均土壤流失量的模拟则以经验模型为主,概化了各侵蚀子过程,对数据要求较低,但其应用受到建立条件的限制。

概念模型介于物理模型和经验模型之间,是将流域概化为一系列的储存库,描述存储库间的产流汇流和泥沙输移机制,但并不详细刻画侵蚀过程细节,因此所需参数较物理模型少, 且较经验模型更具有物理意义。

半定量模型主要通过对影响因子进行赋分后构建评价指数,以评价指数对产沙量进行拟合估算。因此相对于概念模型和半定量模型, 物理模型和经验模型受到的关注程度更高。

宏观监测方面,大多采用高空间分辨率、多时相、多光谱遥感数据,在地面野外调查、勘察的支持下,以人机交互解译获取土壤侵蚀信息,以土地利用类型为基础的遥感影像土壤侵蚀解译。

无人机遥感技术在测绘工程测量中的应用,可以对待测量区域进行全方位勘测,满足工程建设的各种信息数据需求。

  • 无人机遥感技术应用要点

1. 科学设置测量网

科学设置测量网,保证测量网具有较高精度,无人机遥感测绘系统配置的GPS技术分为静态差分技术与动态差分技术两种,对于静态差分技术的应用,可以建立基站对测绘测量数据进行分析,确保定位的准确性;动态差分技术属于载波相位差技术,可以完成坐标的准确定位。

无人机遥感技术在应用时,系统内配置的GPS技术可以实现与测绘工程实体的有机连接,以此来完成工程施工现场的全面监测,当工程出现施工变更情况后,可以基于GPS技术的监测信息为施工方案的调整提供数据支持。通过GPS技术的支持,可以对工程当地地质、温度以及湿度等条件进行有效监测,然后将其用作为施工方案编制的指导依据,尤其是某一方面或多方面条件发生变动后,可及时做出相应调整,提高施工方案的科学性与可行性。

2. GPS测绘技术应用

在外业测绘中GPS技术也起到了重要作用,通过其可以对工程施工现场各施工点进行准确定位,提高测量结果的准确性。

在工程正式测量前,需要对现场做系统的勘察,合理确定关键测量点位置,并做好标记,为后续的测绘测量工作做好准备。

另外,需要按照要求将无线GPS设备安装就位,提高天线基座的稳定性,保证信号接收无异常,对工程施工现场做全方位监测。

3.各项技术有效融合

无人机遥感技术在测绘工程测量中应用,可以得到精确度和清晰度较高的测量信息,切实满足测绘需求。例如在水利工程建设中的应用,通过无人机遥感技术可有效确定施工基础点,且各点进行交会,形成一种网状的测绘结果,确保每个网格内的数据均具有较高的精确度。

而在面对现场条件复杂的测绘区域时,可以将无人机遥感技术与信息技术进行结合,通过计算机软件的合理应用,制作与现场一致的三维模型,在此基础上来收集各重要信息,并做进一步的数据分析,绘制出完整的图纸。

并且,通过与信息技术的融合,还可以实现测绘测量数据的共享,提高数据信息的利用率。测绘测量数据信息的可靠性与精确性可以说是衡量所用测绘技术方法有效性的重要指标。

一般对于较大范围的测绘区域,应重视GPS技术的应用,建立CORS站,实时采集测绘区域内的数据信息,为图纸的绘制提供数据支持,并且在发现问题后更便于修改调整。

关于遥感监测方法的要求

1、生产建设项目水土保持监测内容主要包括扰动土地情况、取土(石、料)弃土(石、渣)情况、水土流失情况、水土保持措施等。

2、生产建设项目水土保持监测方法应遵循以下规定:

a) 点型项目不小于 100hm2 的应增加遥感监测方法。

b) 线型项目山区(丘陵区)长度不小于 5km、平原区长度不小于20km 的应增加遥感监测方法。

基本监测信息的提取

水土保持监测的基本信息一般包括土地利用类型、监测对象位置、监测对象长度与面积以及监测对象体积等,可在DEM和DOM成果的基础上进行提取。

土地利用类型:土地利用类型的识别有2种方法: 一种是目视识别及勾画,另一种是计算机分类。

第1种方法针对特定类型的地物,如取土场、弃土场、截排水沟和植被等,可通过人工目视判读,直接绘制矢量,勾画出特定类型的地物;

第2种方法针对较大的项目区域,此时直接进行人工判读,耗时很长,可利用计算机分类技术。基于前期建立的地面解译标志,采用面向对象的方法,利用多尺度分割生成影像对象,运用模糊逻辑方法,计算出对象的形状信息、纹理信息以及对象间的拓扑关系信息,通过特征参数组合,建立规则集,实现影像分类。

监测对象长度与面积:利用人工勾画或者计算机自动分类结果,在ArcGIS中,测量监测对象的长度,并计算其面积。

监测对象体积:基于DEM成果,利用微分思想,用高程乘以栅格大小,累加起来可近似得到监测对象的体积。体积差的计算,需用2个时间点量得的高程差乘以大小,累加起来即可得到该时间段内监测对象体积的变化。

三维模型构建:根据DEM和DOM成果,在ArcGIS中,完成项目区三维模型的构建,实现3D效果下的虚拟漫游,客观真实地呈现项目区的全貌与细节,并可据此对提取的基本信息进行局部修正。



根据水土保持监测空间尺度,可以划分为坡面水土保持监测方法,小流域水土保持监测方法和区域水土保持监测方法;

坡面水土保持监测方法

沿坡面向下运动的水流称为坡面径流,坡面径流包括地表径流和壤中流。这种方法是针对水力侵蚀的土壤流失量监测。在监测区内设施全坡面径流小区或者建议小区,通过收集测算泥沙池内的泥沙量,来推导该监测区的土壤流失量。主要用于对土质坡面土壤流失量的监测。

径流小区是观测坡面水土流失量的常用方法。根据大小划分为微型小区、中型小区和大型小区,根据不同地区建立的观测小区,可以划分为标准小区和非标准小区,按是否磕移动性可分为固定小区和移动小区

利用径流小区观测坡面的水土流失量,是将在微小面积测定的结果扩展到整个坡面,属于尺度扩展。

土壤流失量全过程监控

通过建立面径流观测场、微流域、小流域、中小河流、大流域监测点体系,共享水文站点河流、水库、入海口泥沙数据,测定全国水力侵蚀区土壤流失量及其运移和沉积情况(小流域输沙量、河道输沙量、河床淤积量、湖库淤积量、入海泥沙量等)。通过小流域卡口站,测定小流域不同时段实际输沙量,推算区域土壤流失量。

布设小区时应考虑小区的代表性、已有径流小区、监测结果的可比性、小区建设规范化、小区面积及交通条件。

径流小区监测的项目可以分为基本监测项目和选择性监测项目两大类。基本监测项目包括:降雨量、降雨历时、径流量、侵蚀量、降雨前后土壤含水量,监测结果应按次降雨日降雨汛期及全年降雨情况进行小区产流、产沙量的汇总和分析。

核素示综技术是通过比较没有发生侵蚀地块土壤中的核素含量与侵蚀地块土壤中的核素含量的差异,进而利用核素流失量与侵蚀量间的定量关系,推动坡面水土流失量的技术方法。

核素示踪技术能够直接测定特定时间段的土壤净侵蚀量,提供独立的土壤侵蚀和堆积数据以及空间分布的信息,是评价土壤侵蚀和泥沙来源的简便、快捷和高效的技术方法.利用环境核素210Pb,137Cs和7Be示踪技术测定不同时间尺度的土壤侵蚀强度,探讨了在无常规水文泥沙监测资料情况下,水土保持效益多核素联合示踪评价的方法和计算模型。

插钎法

指在坡面样地内,在尽可能少地扰动地表土壤的情况下,向地下有规律地插入若干细钎,在插钎上标记与土壤表层持平的位置,作为原始高度点。降水发生后,通过观测地表土层降低的厚度,观测计算土壤水蚀侵蚀量。插钎观测内容必须包括降水情况及土壤流失量;同时按照观测项目的要求,增加土壤理化性质、植被变化、耕作情况等观测内容。

基本要求

(1)样地四周30米范围内无与试验项目有关的高大树木和建筑物等。

(2)样地坡面应平整、不修或修坡尽量少(尽量选用自然坡面)。

(3)插入土壤中的钎要牢固稳定,不因风吹雨打而松动。

设备配置

(1)常规配置:钎子若干个、雨量计和雨量桶(每个插钎径流场配置一套)、标尺、取样器设备(土钻、土盒、环刀等)、样品分析设备(烘箱、天平等)。

(2)选择性配置:土壤物理性质观测设备(张力计、土壤水分测定仪、剪力器等)。

(3)雨量观测设备:按照中华人民共和国行业标准SL21-90执行。

技术要求

工作环境:插钎样地周围应布设步道,保证降水后观测人员能到达扦插点。样地应不受崩塌、侧流的影响。

精度:插钎要尽可能的细,以减少插钎过程中对周围地面的影响;钎插角度误差小于0.5度。天平精度1%,测量尺精度2毫米。

整体结构要求:插钎成品字型或梅花型均匀分布于样地上,钎插深度要大于坡地土壤可能的侵蚀深度,地面要露头,便于标记或寻找。样地四周要有栏杆。雨量计距离插钎的距离小于100米。

外观质量要求:钎子顺直,插钎布设规范,标记物统一牢固,标志碑牌、桩的编号清晰、完整配套。

材料要求:插钎由硬木或膨胀系数小的金属材料制成。

全球定位系统( GPS )技术

GPS技术可以实现精准的三维定位,能够让管理人员采集现场的基础数据,并构建完善的GPS内部控制网络,排除外界主客观因素给数据准确性带来的不良影响。

GPS技术可以用于坡面水土保持监测特别是对坡面切沟的长期定位监测,利用高精度GPS系统在坡面上进行水土保持监测,作业速度快、精度高、测量不受恶劣天气影响

三维激光扫描仪法

三维激光扫描仪法是目前国际上先进的地面空间数据测量方法,它将传统的点测量扩展到面测量,可以对复杂的地面特征进行扫描,形成地表的三维坐标数据,而每一个数据(点)都带有相应的X、Y、Z坐标数值。这些数据(点)集合起来形成的点云,就能够表现出监测地表的特征。研究人员经后续的计算机处理,可以对数据进行多种分析和计算。利用大量高精度点云三维数据,通过发射和接收脉冲激光能够及时的将被测物体的彩色三维景观合理的再现。三维激光扫描仪能够清楚地分析出被监测区域土壤侵蚀的基本情况, 针对于相关的侵蚀信息展开合理的分析,解读坡面土壤的侵蚀量,快速监测废弃土壤和矿渣量,测量精度高。

  • 小流域水土保持监测

小流域水土保持监测是水土保持监测的重要组成部分,可以弥补坡面监测无法反映土地利用变化对水土流失影响的缺陷,是小流域水土保持工程规划、生态环境建设的基础。目前,对于小流域水土保持监测,主要有控制站监测和侵蚀调查两种方法。

小流域控制站监测:

小流域由于面积小,汇流迅速,所以其径流泥沙变化幅度比较大。研究人员一般通过对流域出口处控制站内次降雨的水位监测,获得小流域次降雨径流资料,在径流测量的同时采集水沙样,进一步分析得到含沙量,从而获得小流域次降雨泥沙资料。在获得次降雨径流泥沙资料的基础上,研究人员经过资料汇总分析,可得到该流域逐月、逐年的径流泥沙资料。

小流域水土保持监测中采用的控制站多为薄壁堰型量水堰,堰顶厚度变化对水舌影响不大,从而不影响过堰浪量。控制站位置的选择十分重要,选址的基本要求是水流顺畅、无弯道和宽窄变化的沟道,沟道比降相对均一,保证水流流动时无明显的冲淤发生,岸边杂草不影响水流运动,控制站下游不存在回水。

小流域侵蚀调查

小流域土壤侵蚀调查与径流泥沙监测,可以相互补充和验证,特别是对于没有径流泥沙监测的流域,其调查成果对于小流域水土流失评价、水土保持措施的优化配置,具有重要的意义。很多地方都修建了大大小小的水库和塘坝,这些水库和塘坝的修建,为小流域土壤侵蚀调查提供了有利的条件。

  • 区域水土保持监测


区域水土保持监测是分析区域水土流失规律、评价区域水土保持效益、制定区域水土保持战略的基础,在水土保持监测体系中占有重要的地位。目前,国内外对于区域水土保持的监测,主要有遥感调查和抽样调查两种方法。

遥感调查

遥感监测是普遍采用的宏观监测手段,具有较强的宏观性和时效性。它是以监测区域的遥感影像为基础资料源,借助计算机图像处理和光谱分析技术,通过各种形式的人机对话,解译不同时相遥感影像的土地资源利用现状,土壤类型变化,土壤侵蚀的类型、特征及危害,地貌及地形坡度分布,河道、水体和水系调查,草地类型及分布,林地类型及森林分布,农田水利工程及其效益调查,水利技术措施及效益调查,水土保持工程和生物防治设施及其效益,居民区分布及道路交通网的状况等基础数据。

它具有适时性强、地面光谱资料丰富并可获得多时相资料、覆盖范围大、准确度高、成本低的优点,更适合大范围监测。

抽样调查:

抽样监测用于获取监测区域水土保持治理效果、总结水土保持治理经验等数据,通过询问、收集资料、普查、典型调查、重点调查等方法进行。

对不同的监测内容应确定与其相应的监测方法。对大范围水土流失的面积、侵蚀强度、侵蚀量及植被覆需度等的监测 ,应以“3S”技术手段为主,辅以统计数据等进行分析、评价;

对局部范围水土流失危害、发展趋势、治理情况与效益及人为水土流失情况等的监测,应以定点观测和调查统计为主,辅以相关数据的分析、评价。

近年来,水土保持工作逐渐受到重视,全国水土保持监测工作在监测方案、技术标准体系建设、监测网络和信息系统建设、水土流失动态监测、基础数据库和信息化建设等方面取得了明显的成效和长足的发展。

但是,我国水土保持工作由于整体建设起步较晚、经验较少,还存在较多的问题。如:水土保持监测机构地面监测点的覆盖面相对国土面积还远远不够, 自动化的地面观测程度不高;相对遥感监测技术而言,水土保持监测的询问调查、典型调查和地面观测等技术水准差异很大,从而影响水土流失和水土保持评价。

“3S”技术在水土保持动态监测中拥有广阔的发展前景。随着“3S”技术的进一步发展,我们应充分利用其各自的优势,扬长避短,探求它们之间更合理的集成方式。为了提高监测精度,可寻求将“3S”技术与专家支持系统(ES)、神经网络(NN)等技术相结合的途径,融入逻辑关系判断方法,提高人机交互解译的能力。

“3S”技术在水土保持监测网络和信息系统中也将有很大的发展空间,其中,可通过“3S”技术应用试点和推广工作,采取常规监测与现代先进监测技术相结合的方式开展工作,并在此基础上,通过不断完善提高,逐步实现全面应用“3S”技术进行动态监测。

随着水土保持监测条件的不断改善,这些技术可以进一步推动我国水土保持监测业务的开展,更好地支持国家和地方的水土保持规划、治理与监督工作,更好地服务于各种公益性需求。

信息化是推动监测站点工作和发展的重要动力。加强新设备、新技术、新方法应用,实现监测站点自动化,提高智能化,提升现代化,增强及时精准定量定位全方面支撑。开发完善监测站点信息管理系统,实现自动采集、自动存储、自动传输、自动处理、自动预警。建立实时监控系统,重要站点由水利部监测中心等单位实时监控,监测数据实时传输、实时显示。

依照新时期对水土保持监测站点建设、运行提出的新要求,监测站点面临新的改革发展任务。水利部应当统筹全局、科学论证,做好国家监测站点发展总体设计,将其纳入全国生态环境监测网络建设,为重点区域水土保持监测发展提供指南和依据;明确国家监测站点发展目标、建设任务、总体布局、工作重点;

积极纳入“十四五”等相关规划,加快立项,落实经费,抓紧启动;建设形成功能齐全、数量合理、分布科学、管理规范的新时代监测站点网络,全面提升监测站点能力和水平,提高监测支撑,满足经济社会发展和社会公众要求。

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来源:水土保持之声(侵删)



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