城市平原区水土保持监测方法与典型设计
本篇文章发表于《中国水土保持》杂志2023年第1期，作者：赵方莹，李璐，陆大明，钟莉，张世超。
赵方莹(1974—)，男，江苏高邮人，教授级高级工程师，博士，北京圣海林生态环境科技股份有限公司董事长，研究方向为水土保持生态修复。
摘要
水土保持监测是水土保持工作的重要组成部分，以北京市为例，根据北京市平原区水土保持功能定位，确定了城市平原区水土保持监测内容和指标，针对城市水土保持、河岸带水土保持、农地水土保持、施工临时水土保持4类措施的径流量、泥沙量、植被覆盖率、COD、SS、氨氮6项监测指标，通过利用人工或自然汇水区、自然坡面、监测小区、过水断面，对监测数据获取方法进行探讨，并选择具有代表性的典型措施做了典型设计，为城市平原区水土保持监测站点的设计和监测指标的获取提供参考借鉴。
运用高新技术手段，建立类型齐全、布局科学合理的水土保持监测点，推动监测站点建设，是提升水土保持监测点监测能力的必然要求。提升城市平原区水土保持监测能力是补监测短板、强监测手段的重要举措。
按照《水利部办公厅关于进一步加强生产建设项目水土保持监测工作的通知》(办水保〔2020〕161号)要求，应开展不同类型区典型监测点的水土流失监测，准确掌握水土流失情况，有效服务于城市水土保持和海绵城市建设，实现水土保持监测全覆盖，为水土保持目标责任考核、生态安全预警和生态文明建设等提供基础支撑。本研究以北京市为例，探讨城市平原区水土保持监测方法和典型设计。
1 城市平原区监测的意义
北京市现有的水土保持常规监测站点全部集中于山区，城市平原区尚无站点。现有的监测要素主要集中于传统水土保持监测要求的径流、泥沙和水质等方面，不能满足生态建设和效益评价的需求，特别是缺乏相关生态性指标，且监测数据质量不高或数据不连续，影响了监测数据的准确性和时效性。
健全水土保持监测网络，可填补城市平原区的空白；完善健全监测指标体系，测定效益定额，可为科学评价水土保持生态效益提供支撑；做好水土保持监测点典型设计，可推动监测方法完善优化，带动监测设备研发和提升，实现水土保持监测的数字化，充分发挥监测点作用。
城市的建设及扩张带来水土流失与生态问题。农业用地转化为建设用地，开挖、填筑使原地貌结构、植被遭到损坏；建设工程土石方调配不合理、用土不规范，加剧了城市水土流失；地面硬化使地下水得不到有效补充，雨水下渗困难，给城市排水造成压力，绿地、洼地面积小，雨水调蓄能力弱；城市河道及公路边坡无法有效拦截雨水径流，污染物不能被土壤所吸附，自我净化功能减弱。生产建设项目监测点受现场施工破坏大，数据具有随机性，监测时效短；观测到的数据不具有连续性，不能及时准确地反映生产建设活动下该区域的水土流失情况。
同时，生产建设项目区内的土地类型复杂，监测点的布设具有随机性，无法以点带面反映出整个建设区域的水土流失状况。因此，需要通过布局城市平原区水土保持监测站点，开展全面、系统、长时间序列的城市平原区水土保持监测工作。
2 监测内容与指标
依据北京市水土保持功能区划，城市平原区主要属于地下水源涵养区和城市径流控制区两个功能区。为满足地下水源涵养区和城市径流控制区的生态建设要求，需要在城市平原区水土保持工作中综合使用渗、滞、蓄、净、用、排等措施，促进雨水下渗、减缓径流形成、拦滞径流泥沙、减少地表水污染物，而利用恰当的雨水调蓄设施完成城市平原区的雨水生态净化循环利用，既可以控制地表径流，又能达到涵养地下水源的目的。
根据水土保持功能区特征，选择常见、典型的水土保持措施作为主要监测内容，主要包括城市水土保持措施、河岸带水土保持措施、农地水土保持措施、施工临时水土保持措施4大类，具体措施有透水铺装、下凹式绿地、植被缓冲过滤带、坡面生态防护、临时覆盖等，选择径流量、含沙量、植被覆盖率、COD、SS、氨氮共6项监测指标构建城市平原区水土保持监测指标体系。
3 监测方法与典型设计
根据城市平原区水土保持监测内容和指标，监测指标数据可以通过利用人工或自然汇水区、自然坡面、人工监测小区、过水断面进行定期或不定期取样来获取。监测点根据地形地貌等立地条件、已有水土保持措施、所需指标及指标获取的方法因地制宜进行设计，同步落实措施布设和指标获取的控制措施。
河岸带水土保持措施汇水区范围较大，多来源于河堤路以及区域径流，可采用自然坡面结合监测小区的方法，在进、出水口布设监测设备，获取河岸带水土保持措施效益指标。
3.1 城市水土保持措施
3.1.1 透水铺装
按照《透水砖路面技术规程》(CJJ/T 188—2012)、《透水沥青路面技术规程》(CJJ/T 190—2012)、《透水水泥混凝土路面技术规程》(CJJ/T 135—2009)中的典型设计确定透水铺装场地的竖向结构，包括透水面层、找平层、基层、垫层及土基，当土基为砂土或级配碎石时可不设置垫层。
项目建设中透水铺装材料的选取依据项目类型和性质，需要考虑的因素主要包括施工工艺便捷程度、工程造价成本、景观观赏性、载荷等级等。通过调查并查阅相关文献，选取北京市内最为常用的透水砖、透水混凝土、植草砖等常见透水铺装形式，并设置裸地、草地、混凝土硬化三类下垫面与透水铺装作为对照，获得不同类型措施各项监测指标。
监测小区投影尺寸为5m×20m，边墙可采用砌筑材料、金属板、合成材料板，典型设计采用金属板材料作为边墙。铺装面层平整，透水铺装渗透系数通过原位单环入渗试验计算。小区底端外接不透水导流槽，尺寸根据径流量确定，排水纵坡不小于0.3%，配备薄壁堰或巴歇尔槽结合在线流量监测装置、含沙量监测装置，测量透水铺装的径流量及含沙量，也可接径流桶进行人工监测。
3.1.2 下凹式绿地
下凹式绿地是一种高度低于周围地面高度的雨水管理系统，可以暂时蓄滞雨水及径流，削减路面径流量，降低雨水管网运输压力，还具备一定的水质净化作用。下凹式绿地的下凹深度、占地面积、植物种类、填料等都会对其水文效应产生影响。本研究采用北京市内常见的高羊茅草种。另外，还可以在绿地内搭配渗井措施进行集中入渗，提升下凹式绿地的调节能力。
将下凹式绿地设置在广场、道路、停车场中央或两侧，若场地条件允许，则可设置在不透水铺装下游，汇水以集中或漫流的方式进入小区。下凹式绿地深度一般为100mm，绿地出水口可接植草沟，出水口标高高于绿地100mm。按照小区绿化率不低于30%标准计算，外部汇水区面积为绿地面积2倍及以上，汇水区为不透水铺装或屋顶等。
下凹式绿地的水土保持监测采用监测小区法，小区投影尺寸为5m×20m。小区边墙可采用砌筑材料、金属板、合成材料板，埋深300mm，地面以上高100～150mm。下凹式绿地径流可通过集流槽排入植草沟，通过布设薄壁堰或巴歇尔槽结合在线流量监测装置、泥沙监测装置监测径流量及含沙量。
3.1.3 植草沟
植草沟是城市雨洪管理措施中的一种，在起到输送雨水作用的同时，可以延缓地表径流形成、促进雨水下渗。植草沟的设计主要为构建时的植被种类和水力系数，具体的要求包括沟道长度、纵向坡度、最大径流流速、断面尺寸等。植草沟断面可以选择U形或梯形，沟宽为1500～2000mm，深度为200～300mm，长度不低于20m。植草沟的植被类型选择野牛草或高羊茅。
植草沟的水土保持监测采用监测小区法，若场地条件允许，则模拟实际应用场景，设置在下凹式绿地下游。小区采用金属板或合成材料板边墙围挡，板厚度为2～5mm，埋深300mm，出露地面100～150mm，防止周边汇水进入监测区域。
植草沟上下游断面处分别设置薄壁堰或巴歇尔槽，结合在线流量监测装置、泥沙监测装置进行实时监测，安装时堰箱水平放置，堰中心线与水流中线重合，堰下游最高水位在堰口以下不小于50mm，具体参照《明渠堰槽流量计计量检定规程》[JJG(水利)004—2015]，下游汇水可进入雨水湿地。
3.1.4 小微湿地
小微湿地汇水区为道路、广场，若场地条件允许，则根据实际应用场景，设置在植草沟下游，蓄水容积根据上游径流进行相应计算。小微湿地水深根据水生植物可能达到的最大深度确定，一般为0.8～1.2m；选择净化能力强、耐污性能好的乡土物种，包括沉水、浮叶、挺水植物立体配置；湿地面积10～1000m2。小微湿地可以设计不同配置措施，如不同过滤材料、不同植物配置等。按照水流方式的差异将小微湿地划分为表面流湿地、潜流湿地、垂直流湿地；在城市中的建筑小区、道路或广场等地，受场地大小、景观要求等因素影响，人工湿地有其他的表现形式，如生物通道、雨水花园、生物滞留池等。
小微湿地进出水口水量、含沙量及水质可通过上下游植草沟进出水断面监测指标获取。
3.1.5 渗井/渗沟
渗井/渗沟规格根据上游流量进行相应计算，典型设计可以取常用尺寸进行设计。渗井/渗沟可以单独设置在下凹式绿地或小微湿地的末端，可以是多个下凹式绿地或小微湿地的来水。
渗井/渗沟监测可结合下凹式绿地或小微湿地进行，监测装置设置在下凹式绿地或小微湿地的下游。下凹式绿地或小微湿地监测小区的排水量和水质就是渗井/渗沟的进水量和水质指标，其中水量指标是重点。渗井设置溢流口，在溢流口监测外排水的流量、含沙量和水质。
3.1.6 蓄水池
蓄水池用于雨水的收集利用，也有削峰作用。蓄水池的容积应根据项目区汇水面积设计，设计要求可以参照《城镇雨水调蓄工程技术规范》(GB51174—2017)、《雨水调蓄设施———钢筋混凝土雨水调蓄池》(20S805-1)。蓄水池前端可设置沉淀池，通过水量智能监测控制管理系统，在蓄水池内配置水位传感器和流量传感器，用于监测蓄水池的水位、进水量、排水量等参数信息，计算径流利用率。
3.2 河岸带水土保持措施
3.2.1 河岸植被缓冲过滤带
植被缓冲过滤带一般是介于陆地和水体之间的植被带，可以发挥净化水质、保持土壤、减缓面源污染的作用。目前植被缓冲过滤带的主要区分形式体现在植物种类搭配形式以及坡面整地方式上，较为常见的植物种类形式包括草地过滤带、灌木过滤带、乔木过滤带或者以两种及两种以上植被类型构成的复合过滤带，主要整地方式有水平条整地、反坡梯田整地、树盘整地等，植被过滤带的截污滞沙功能受以上因素共同影响。
(1)植草缓冲过滤带。
草地过滤带的植被主要是草本植物，具有生长迅速、茎秆粗壮、分蘖密集且耐污能力强的特点，在阻滞径流、减少泥沙搬运方面具有一定效果，且造价成本低，构建要素主要包括植被种类、栽植密度等，可以选择的草种包括高羊茅、野牛草等。
(2)灌草缓冲过滤带。
灌草缓冲过滤带中灌木植物可以增加覆盖面积，其根系发达，有利于改良土壤性质，对污染物的净化作用更强，且具备一定景观效果，构建要素需要考虑灌草设置比例、灌木种类、栽植密度等，可以选择的灌木种主要有紫穗槐、胡枝子、珍珠梅、砂地柏等。
(3)乔灌草缓冲过滤带。
乔灌草缓冲过滤带是更为复杂的过滤带结构，在空间上更为立体，可以综合不同植被的优势且寿命更长，可以有效减小降雨侵蚀力强度，对污染物的控制更为有效，可以选择的小乔木包括山桃、山杏、榆树、柳树等。
水土保持监测可采用监测小区法，小区边墙可采用砌筑材料、金属板、合成材料板的形式，植被过滤带汇水来源于集中排放或漫排，需在小区上端汇水区设置集流槽，进水口设置齿状扩散溢流槽，保证汇水以漫排方式均匀进入小区。
监测小区投影尺寸为5m×20m，或以5m监测宽度对坡面的全长进行监测，采用开放式结构，用于收集上游径流，进、出水口设置薄壁堰或巴歇尔槽结合在线流量监测装置、泥沙监测装置进行实时监测。
3.2.2 河岸坡面生态防护
坡面生态防护主要应用在河道断面常水位以上的土质边坡，首先应满足河道边坡结构稳定的基本要求，其次应满足水土保持及环境保护的要求，减少边坡水土流失，同时还要考虑河道整治工程的投资，确保工程的经济性。河道边坡植被的选择需首先考虑河道水位、流速等水力要素，优先选用适应性强、易成活、与当地景观协调一致的植物。此外还应充分考虑乔、灌、草等植物的搭配效果，营造与周边景观相协调的水生态环境。
(1)栽植乔灌草坡面生态防护。
设置仅栽植乔灌草植物种的生态防护措施，应考虑边坡的地形地质条件，选择适应性强的植物种，草种可以选择高羊茅、野牛草，灌木选择紫穗槐、胡枝子、珍珠梅，乔木可以选择山桃、山杏、榆树、柳树，形成乔灌草搭配的复合坡面防护。可与草地、灌木、乔木坡面防护或者两种植被类型构成的复合坡面防护进行对比监测。
(2)分级整地+生态植被毯+栽植乔灌。
坡长超过10m后宜分级处理，可以采用水平条整地、铅丝石笼、生态植被袋、景石、松木桩等形式对坡面分级，分级坡面采用生态植被毯结合灌草种子进行坡面防护和植被恢复。撒播的植物种一般选用灌草混合配方，优先选取根系发达、耐旱耐瘠薄的植物种。乔木可以选择山桃、山杏、柳树，灌木选择紫穗槐、胡枝子、丁香等。此方式一般适用于坡比缓于1∶1.5的稳定坡面。
(3)生态基材喷附+栽植乔灌。
生态基材喷附是将有机质、保水剂、黏合剂、植物种子等材料配置成的核心基质材料，根据现场可利用土源和土壤地质条件进行二次调配，通过高压喷射系统将植物生长基质喷射到工程实施的区域，营造植物生长的条件，坡面可栽植乔灌恢复植被，改善景观。此方式适用于河道坡比缓于1∶1的稳定土质边坡。
(4)坡改平生态砖护坡。
坡改平生态砖护坡技术是通过控制坡面径流实现控制坡面土壤流失的目的，利用护坡砌块前后两端不等高的特殊结构设计，将所防护斜坡表面由六角空心护坡砖形成的坡面组合改变为由多个上部呈水平状态的砌块坡面组合，使砌块内的土壤处于水平稳定状态，从而最大程度地防治水土流失。坡改平生态砖护坡植物类型也有多种配置模式，草本植物可选择野牛草、早熟禾、黑麦草等，灌木可选择砂地柏、紫穗槐、女贞、小叶黄杨、蔷薇与迎春等，藤本植物可选择五叶地锦。
采用标准封闭径流小区法进行水土保持监测，监测小区投影尺寸为5m×20m，边墙可采用砌筑材料或金属板，也可以根据实际情况对坡面的全长进行监测，监测坡面坡比缓于1∶1。监测小区底部设置集流槽，上缘与地面同高，槽底向下倾斜，外接薄壁堰或巴歇尔槽结合在线流量监测装置、泥沙监测装置监测流量、含沙量及水质，也可接径流桶进行人工监测。
3.3 农地水土保持措施
农地水土保持措施监测内容包括耕作方式、生物地埂及植草沟，可采用监测小区等方法进行整体监测。对于整体的农田作业区，选择合适地点，在排水沟出水口设置监测点，也可以对完整的农业种植排水区进行整体监测。
3.4 施工临时水土保持措施
(1)临时覆盖。
对生产建设项目实施过程中临时堆土、堆料采用的防护措施进行监测，措施类型可选用常见的纤维网和土工布，监测方法可以采用标准监测小区法。
(2)临时排水沟。
针对平原区典型生产建设项目，可以设计不同材质和断面的临时排水沟，可以单独进行监测，也可以结合临时覆盖和临时拦挡进行整体监测，汇水区为项目区占地面积。
(3)临时拦挡。
结合临时覆盖和临时排水沟进行监测。
(4)沉沙池。
根据项目占地面积、临时排水沟设置情况，按照《灌溉与排水工程设计标准》(GB50288—2018)和《室外排水设计标准》(GB50014—2021)，计算出单座沉沙池可承担的汇水面积，确定临时沉沙池的位置和数量。
沉沙池进、出水口与排水沟相接，在排水沟内布置薄壁堰或巴歇尔槽结合在线流量计、泥沙监测装置进行监测。
4 结语
根据北京市城市平原区水土保持功能定位，确定了城市平原区水土保持监测内容和指标，针对城市水土保持、河岸带水土保持、农地水土保持、临时水土保持4类措施的径流量、含沙量、植被覆盖率、COD、SS、氨氮6项监测指标，通过利用人工或自然汇水区、自然坡面、监测小区、过水断面，设置监测设备装置，获取监测数据，并选择具有代表性的典型措施进行了典型设计。
城市平原区的水土保持监测内容与指标体系研究尚不成熟，监测方法尚处于摸索阶段，需要不断积累经验，不同区域还需结合监测区域的具体情况，适度优化调整措施布局与设计，以科学、稳定地获取监测指标数据，为城市平原区水土保持决策提供依据。
