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】
[0001 ]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】
[0002]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。
[0003]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(Divider collector)，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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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20 I O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