岸坡侵蚀量和侵蚀速率的监测方法

技术领域

本发明属于水土流失监测领域，具体涉及一种岸坡侵蚀量和侵蚀速率的监测方法。

背景技术

以三峡库区为例，三峡水库库水位每年由175m降到145m，汛期结束后，库水再由145m回升至175m，每年如此重复，其水文周期为1年。由于水位的变动幅度为30m，在库岸形成了巨大的消落带，在175m高水位时期，库水对两岸堆积体有浸泡、软化和侵蚀作用，库水位在145m的低水位时期，两岸被烈日暴晒，导致表层风化松动，加上暴雨频发，库岸侵蚀不断加深，最后导致沿江两岸大量的堆积体被侵蚀。

由于库水对两岸消落带的侵蚀，逐渐将其掏空，严重影响了两岸斜坡的稳定性，塌岸现象时有发生。侵蚀体中不仅有土壤、碎石颗粒，随着表层细小颗粒的侵蚀，堆积体中的大块石也因失稳而破坏。因此，在这种恶劣的条件下用以往的修建标尺的方法测量库岸的侵蚀非常困难。这是因为修筑在消落带内的任何监测装置都可能因侵蚀而被破坏，不仅仅是表层物质侵蚀而造成监测装置的破坏，更有可能是局部的不稳定，形成的塌方对监测装置形成毁灭性的破坏。对于岸坡侵蚀量和侵蚀速率的监测而言，需要长期的监测。长期监测不仅仅是监测工作的持续性，更在于监测装置的持久性；如果监测装置毁坏，则之前的大部分监测数据与重新修筑监测桩以后的监测数据难以对接，最终形成阶段性的监测，即每个阶段都有数据，但是每个阶段时间难以衔接，对于其规律的分析非常不利。

发明内容

本发明的目的在于提供一种岸坡侵蚀量和侵蚀速率的监测方法，该监测方法可以永久监测，不受岸坡的垮塌、巨石的冲积等变形的影响，且监测准确、简便。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种岸坡侵蚀量和侵蚀速率的监测方法，包括如下步骤：

S1、在岸坡稳定处修建岸坡监测基准点，对于基准点，其所处位置必须坚固，不能有任何的变动；

S2、以步骤S1的基准点为基准，用全站仪在需要监测的岸坡上放出多条剖面线，每条剖面线位于垂直于河流的剖面上，所有剖面互相平行，记录相邻剖面之间的距离e_n在每条剖面线上放出测点，记录同一条剖面线上相邻测点的距离e_m；

S3、依次测出所有剖面上每个测点相对于基准点的相对高程h_ij，i＝1，2，…,m,m为一个剖面内的测点的编号，j＝1，2，…，nn为剖面的编号；

S4、根据监测的要求和河岸水位涨落的规律，在监测周期内，在原地对e_n，e_m、h_ij进行重复测量，要求每次测量时的测点位置完全重叠，测点数目一致；对于监测的周期和监测的时间，根据监测的精度要求和实际的水位变动情况而定，一般而言一个水文周期监测一次，也可以多个水文周期监测一次；具体监测时间则根据实际情况而定，选择在水位最低时间段监测即可；

S5、计算岸坡侵蚀量和侵蚀速率；

1)、计算需要监测的岸坡体积V_k

$>V_k=e_m{e}_n*\left(\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}{h}_{ij}-\frac{1}{2}\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{h}_{1j}-\frac{1}{2}\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{h}_{mj}\right)---\left(1\right)$>

2)、计算所有测点投影面积S

S＝(m-1)ne_me_n(2)

3)、计算第a次与第b次(a＜b)的侵蚀量U_ab：

U_ab＝V_a-Vb(3)

4)、根据a、b两次测量之间所包含的水文周期的个数N，计算单位面积内一个水文周期的侵蚀速率D

$>D=\frac{U_{ab}}{S*N}---\left(4\right)$>

式中，V_k为第K次测量需要监测的岸坡体积，单位为m³，k＝1，2，…；

e_m为同一剖面内相邻两个监测点之间的距离，单位为米；

e_n为相邻两个剖面之间的垂直距离，单位为米；

h_ij为每个测点相对于基准点的相对高程,单位为米；i为一个剖面内的监测点的编号，i＝1，2，…，m；j为剖面的编号，j＝1，2，…，n；

S为计算侵蚀体积时所有测点的投影面积，单位为m²

U_ab为第a次与第b次测量所对应的侵蚀量，其中a＜b；

D为一个水文周期的侵蚀速率，单位为米/水文周期，如果水文周期为一年，则单位为米/年；

N为两次测量之间所包含的水文周期的个数；

h_1j为测量点编号为1、剖面编号为j的测点的相对高程；

h_mj为测量点编号为m、剖面编号为j的测点的相对高程；

Va为第a次测量需要监测的岸坡体积，a为测量次数；

Vb为第b次测量需要监测的岸坡体积，b为测量次数。

更进一步的方案是，当基准点遭到破坏，需要重新选择基准点；用水准仪测出新旧基准点的高程差Δ每个测点相对于基准点的相对高程h_ij加上或减去高程差Δ即可得出每个测点相对于新基准点的相对高程。

更进一步的方案是，为简化计算，所有剖面的相邻间距保持一致，相邻剖面间距为5m～10m，而间距的多少根据地形起伏而定，剖面间距一旦确定不再更改；为简化计算，同一条剖面线上相邻测点的距离相等，且测点呈矩形的矩阵分布，相邻测点间距为3～5m，所有测点呈矩阵分布；如果地形起伏很大或起伏很小，同一条剖面线上相邻测点的距离可以更小或更大，同一条剖面线上相邻测点的距离一旦确定不再更改；

简化版计算需要监测的岸坡体积V_k

$>V_k=e_m{e}_n*\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}{h}_{ij}$>

简化版计算所有测点投影面积S

S＝mne_me_n

简化版计算第a次与第b次(a＜b)的侵蚀量U_ab：

U_ab＝V_a-V_b

简化版根据a、b两次测量之间所包含的水文周期的个数N，计算单位面积内一个水文周期的侵蚀速率D

$>D=\frac{U_{ab}}{S*N}---\left(4\right)$>

式中，V_k为第K次测量需要监测的岸坡体积，单位为m³，k＝1，2，…；

e_m为同一剖面内相邻两个监测点之间的距离，单位为米；

e_n为相邻两个剖面之间的垂直距离，单位为米；

h_ij为每个测点相对于基准点的相对高程,单位为米；i为一个剖面内的监测点的编号，i＝1，2，…，m；j为剖面的编号，j＝1.2，…n；

S为计算侵蚀体积时所有测点的投影面积，单位为m²；

U_ab为第a次与第b次测量所对应的侵蚀量，其中a＜b；

D为一个水文周期的侵蚀速率，单位为米/水文周期，如果水文周期为一年，则单位为米/年；

N为两次测量之间所包含的水文周期的个数；

Va为第a次测量需要监测的岸坡体积，a为测量次数；

Vb为第b次测量需要监测的岸坡体积，b为测量次数。

更进一步的方案是，用全站仪或水准仪测出所有剖面上每个测点相对于基准点的相对高程h_ij。

本发明可在保证每次监测所覆盖的范围是完全相同条件下，不要求每次监测的剖面和测点完全重合，即剖面间距和每条剖面内测点的密度可以改变，剖面间距不要求完全一致，可以有疏有密，同一剖面内测点的间距也不要求完全一样，可以有疏有密。只是此时没有统一的剖面间距和测点间距，只能逐条剖面计算测量的体积，最后求和。

本发明中，如果岸坡侵蚀速度快、地表形态变化大、对测量精度要求不高，测量精度允许有厘米级别的误差，或者采用的全站仪精度很高，可以达到毫米级，则所有的测量放线及高程测量可以均采用全站仪，此方法更快捷、省力。

本发明中，基准点位置的选择非常重要，关系到以后长期监测数据的持续性，基准点不能受降雨、岸坡变形以及人类活动等的影响，需要将基准点选择在稳定处，基准点最好浇筑在稳定基岩上，如果选择一般土体，要选择凸地形，不要选择在洼地，否则会积水，造成基准点移位；选择土体时，为减少沉降，需要开挖至压缩性低的土层，开挖深度为0.6～0.8m为宜，然后浇筑截面为正方形的水泥墩，其边长为0.4m～0.6m，水泥墩上表面略高出地表即可，约0.1m～0.2m，高出太多易受外界环境影响；浇筑时墩体表面嵌入一个的长螺丝，作为测量的高程基点；基准点距离需要监测的岸坡区域在500m内，距离太远其测量精度下降；基准点的位置尽量高，最好保证所有的测点以最少的次数放样结束；同时为保证测量放线的视野，其地理位置不能太低，保证所有剖面起始点能够由此进行放样。

测点和剖面的放线通过全站仪进行，务必使每次放线后测量的位置保持一致，否则监测结果没有对比性；每次放样的路径保持一致；测点位放样可通过点石灰做记号，以方便高程测量；对于放样结果，务必使剖面垂直于河道，各个剖面之间互相平行，所有剖面内的点位在平面投影上处于阵列状态；如果放样成平行四边形，则需要修改计算公式，用e_me_nsinθ替换原方程中所有的e_me_n即可，θ为e_m与e_n的夹角。

如果岸坡塌岸速度很快，威胁到了之前设置的基准点，则可以重新在稳定处选择新的基准点，用水准仪测出新旧基准点的高程差Δ(新的高程-旧的高程)，重建后需要对于之前的监测数据进行修改，每个测点相对于基准点的相对高程h_ij加上或减去高程差Δ即可得出每个测点相对于新基准点的相对高程。

由于侵蚀量和侵蚀速率的计算是基于方格网，类似于积分形式，因此方格网越密集，其精度越高；但是对于平缓的岸坡，其方格网可以稍大。

由于岸坡侵蚀一般在完成一个水位的涨落后才比较明显，因此监测周期因水位涨落而定，一般而言一个水文周期监测一次，对于三峡库区一年为一个监测周期。

对于岸坡侵蚀量和侵蚀速率的计算公式，其核心思想和推导如下：

其思想是基于积分法，即通过点的监测数据求出一个剖面的面积，然后乘以剖面的间距，得到一个剖面对应的方块体积，依次类推求出其他剖面的体积，最后求和得到测区体积；两次体积之差即为侵蚀掉的土石方量，相邻两次水文周期的体积之差即为一个水文周期而侵蚀掉的方量，该方量除以面积即得一个水文周期的侵蚀速率。

精确版的体积推导，如下：

将所有测点、剖面等垂直投影到水平面上，得到若干计算单元，每两个相邻测点得到一个计算单元，两个测点位于计算单元长边的中点，因此最终计算范围在横向上比测量范围略大，多出一个剖面间距e_n，但前后缘计算范围是一致的。

本方法的积分思想是所有的计算单元为一个柱体，但上表面不是水平的，其前后方两个高分别是两个相邻测点的监测数据，在监测剖面上看是单元柱体一个直角梯形，将所有的单元柱体求和即得测量的体积。测点越密集，测量结果越精确。

先计算一个剖面对应的面积，最后乘以剖面间距得到一条剖面所测量的体积，然后对所有剖面求和即可。一个剖面内任意相邻两个测点的对应的面积是直角梯形，直角边是测点间距，上下底边为测量高程，

对于第一条剖面体积，其计算结果如下

对于第n条剖面体积，其计算过程为

从第一条到第n条剖面体积求和，得

精确版的计算面积、侵蚀量及侵蚀速率的推导：

根据上述可知，在一个剖面内计算单元比实际测点少一个，计算单元的长宽与测点矩阵的长宽一致，因此其计算面积为

S＝(m-1)e_mne_n

相应的，第a次与第b次两次测量，其侵蚀量为U_ab＝V_a-V_b

单位面积的侵蚀量为

$>u_{ab}=\frac{V_a-V_b}{S}$>

假设第a次与第b次之间的水文周期数为N(即使a,b可能是连续的两次监测，但可能这两次之间有若干个水文周期)，因此，侵蚀速率为

$>D=\frac{U_{ab}}{S*N}.$>

简化版的公式推导：

简化版的公式也主要是基于积分，此时每个测点代表一个柱体，柱体的底面为计算单元，测点位于计算单元的中心，柱体底面积均为e_me_n，柱体的高度为测点的相对高程h_ij，此时柱体的数目与测点的数量相同。

对于任意一个监测点，其体积为V_ij＝e_me_nh_ij，则对所有的测点求和可得

其中i＝1，2，…，m；j＝1，2，…，n

由于测点位于计算单元的中心，因此四周会多出一部分计算面积，在沿河道方向上多一个剖面的长度e_n在垂直于河道的方向上，多一个测点间距e_n。根据一般河道而言，沿河道方向其高差比较小，计算面积大对计算结果精度影响小，但在垂直于河道的方向，其高差大，如果多算了面积，则对结果影响大，误差略高。但整体上，如果一个剖面的测点足够密(m＞10)，此方法误差也比较小。

其面积计算公式为

S＝mne_me_n

其他计算公式与精确版一致，不再推导。

与现有的方法比，本发明的优点在于：

1)完全摒弃了传统的在岸坡上设置监测标尺或其他结构，仅仅需要在非常稳定的地方设置一个基准点即可，其建造成本非常低，且非常耐用；

2)可实现永久监测，不受岸坡的垮塌、巨石的冲积等变形的影响，完全摆脱了因岸坡变形导致标尺损毁以及监测数据的间断；

3)即使之前基准点选择不当，基准点有变形的可能，本方法也可以通过在安全地带修建新的稳定的基准点，并对监测数据加以处理，从而实现了监测数据的持续性；

4)本方法适应性强，对于一般岸坡均可采用本方法，特别适合监测变形很大的岸坡；

5)该方法不仅可以用来测量岸坡的侵蚀量和侵蚀速率，也可以沿河道不同地方，每处布置1～3条剖面，仅仅监测河道剖面的地表变形，分析岸坡的变形规律；

6)精度可控，本方法可以根据实际需要通过增加测点矩阵的布点密度，从而获得很高精度的结果，也可以减少测点的布点密度，减少工作量，获得适宜精度的结果；

7)本方法操作简单、计算快捷，通过控制测点和剖面的密度，加上合适精度的测量仪器，即可得到理想精度的侵蚀量和侵蚀速率。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为基准点建造于稳定基岩上的结构示意图；

图2为基准点建造于土体上的结构示意图；

图3为监测布置示意图；

图4为采用精确计算方法时的计算平面图；

图5为采用精确计算方法时的计算剖面图；

图6为采用简化版的计算方法时的计算平面图；

图7为采用简化版的计算方法时的计算剖面图。

其中，1-基准点，2-螺丝，3-土层，4-基岩，5-测点水平间距，6-剖面水平间距，7-沿剖面方向，8-垂直于剖面方向，9-测点，10-剖面，11-高水位线，12-低水位线，13-河流，14-计算单元在水平面上的投影，15-测点高程，16-计算单元剖面，19-测点间距。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1-图5，一种岸坡侵蚀量和侵蚀速率的监测方法，包括如下步骤：

S1、根据需要在岸坡合适位置选择监测区域，在该区域附近约100m范围内，远离河道的稳定处修建基准点1，在基岩4凿出深0.2～0.3m、长宽0.4～0.6的坑，在坑内浇筑混凝土，最后在混凝土上表面插入合适大小的螺丝2，如图1，丝扣朝下；如果没有浅埋的基岩4，则需要开挖压缩性低的土层3，在土层3内开挖深约0.6～0.8m的坑，最后以同样的方法做好基准点1；

S2、以步骤S1的基准点1为基准，用全站仪在需要监测的岸坡上放多条剖面线，每条剖面线位于垂直于河流的剖面10上，所有剖面10互相平行，记录相邻剖面10之间的距离e_n；在每条剖面线上设置测点9，记录同一条剖面线上相邻测点9的距离e_m；如果全站仪处可以直接将所有点放样，可以直接放样完毕，否则，需要用全站仪将测点一步步引出来，用水准仪测量引出点的高程15，记录引出点的数据，以便以后用同样的路径进行测量，最后成剖面的进行放样，每定一个测点9就点一下石灰，依次完成所有剖面10的放样；记录所有测点的放样数据，以后以同样的数据进行重复放样；

S3、用水准仪依次测出所有剖面上每个测点相对于基准点的相对高程h_ij，i＝1，2，…，m，m为一个剖面内的测点的编号，j＝1，2，…，n，n为剖面的编号；

S4、计算需要监测的岸坡体积，完成第一次测量；

$>V_1=e_m{e}_n*\left(\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}{h}_{ij}-\frac{1}{2}\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{h}_{1j}-\frac{1}{2}\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{h}_{mj}\right)$>

S5、根据监测的要求和河岸水位涨落的规律，在监测周期内，在原地对e_n、e_m、n_ij进行重复测量，得到另一组数据，要求每次测量时的测点9位置完全重叠，测点数目一致；对于监测的周期和监测的时间，根据监测的精度要求和实际的水位变动情况而定，一般而言一个水文周期监测一次，也可以多个水文周期监测一次；具体监测时间则根据实际情况而定，选择在水位最低时间段监测即可；

S6、计算需要监测的岸坡体积，完成第二次测量；

$>V_2=e_m{e}_n*\left(\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}{h}_{ij}-\frac{1}{2}\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{h}_{1j}-\frac{1}{2}\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{h}_{mj}\right)$>

S7、计算所有测点投影面积S

S＝(m-1)ne_me_n

S8、计算第1次与第2次的侵蚀量U₁₂：

U₁₂＝V₁-V₂

S9、根据两次测量之间所包含的水文周期的个数N，计算单位面积内一个水文周期的侵蚀速率D

$>D=\frac{U_{12}}{S*N}$>

式中，V₁为第1次测量需要监测的岸坡体积，单位为m³

V₂为第2次测量需要监测的岸坡体积，单位为m³

e_m为同一剖面内相邻两个监测点之间的距离，单位为米；

e_n为相邻两个剖面之间的垂直距离，单位为米；

h_ij为每个测点相对于基准点的相对高程,单位为米；i为一个剖面内的监测点的编号，i＝1，2，…，m；j为剖面的编号，j＝1，2，…，n；

S为计算侵蚀体积时所有测点的投影面积，单位为m²；

U₁₂为第1次与第2次测量所对应的侵蚀量；

D为一个水文周期的侵蚀速率，单位为米/水文周期，如果水文周期为一年，则单位为米/年；

N为两次测量之间所包含的水文周期的个数；

h_1j为测量点编号为1、剖面编号为j的测点的相对高程；

h_mj为测量点编号为m、剖面编号为j的测点的相对高程。

参见图6-7，为简化计算，可使所有剖面10的相邻间距保持一致，相邻剖面间距为5m～10m，剖面间距一旦确定不再更改；可使同一条剖面线上相邻测点9的距离相等，且测点呈矩形的矩阵分布，相邻测点9间距为3～5m，同一条剖面线上相邻测点的距离一旦确定不再更改；

简化版计算需要监测的岸坡体积V_k

$>V_k=e_m{e}_n*\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}{h}_{ij}$>

简化版计算所有测点投影面积SS＝m_ne_me_n

简化版计算第a次与第b次(a＜b)的侵蚀量U_ab：

U_ab＝V_a-V_b

两个体积之差即为两次间隔的测区总的侵蚀量；

根据a、b两次测量之间所包含的水文周期的个数N，计算单位面积内一个水文周期的侵蚀速率D

$>D=\frac{U_{ab}}{S*N}$>

式中，V_k为第K次测量需要监测的岸坡体积，单位为m³k＝1，2，…；

e_m为同一剖面内相邻两个监测点之间的距离，单位为米；

e_n为相邻两个剖面之间的垂直距离，单位为米；

h_ij为每个测点相对于基准点的相对高程,单位为米；i为一个剖面内的监测点的编号，i＝1，2，…，m；j为剖面的编号，j＝1，2，…，n；

S为计算侵蚀体积时所有测点的投影面积，单位为m²

U_ab为第a次与第b次测量所对应的侵蚀量，其中a＜b；

D为一个水文周期的侵蚀速率，单位为米/水文周期，如果水文周期为一年，则单位为米/年；

N为两次测量之间所包含的水文周期的个数；

Va为第a次测量需要监测的岸坡体积，a为测量次数；

Vb为第b次测量需要监测的岸坡体积，b为测量次数。

在保证每次监测所覆盖的范围是完全相同条件下，不要求每次的监测的剖面和测点完全重合，即剖面间距和每个剖面内测点的密度可以改变，剖面间距不要求完全一致，可以有疏有密，同一剖面内测点的间距也不要求完全一样，可以有疏有密。此时由于没有统一的剖面间距和测点间距，计算公式原理与之前一致，但没有统一的形式，不再进行推导，其核心也是基于积分的思想，先计算每条剖面所测量的面积，乘以本剖面覆盖宽度，得到本剖面的体积，以此类推计算所有剖面测得的体积，求出测区体积。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。