黃河流域水土保持監測體系及能力建設

殷寶庫，曹　煒，王　略，王　帆，陳桂榮,張建國

(黃河流域水土保持生態環境監測中心，陜西 西安 710021)

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黃河流域水土保持監測體系及能力建設

殷寶庫，曹煒，王略，王帆，陳桂榮,張建國

(黃河流域水土保持生態環境監測中心，陜西 西安 710021)

水土保持；監測網絡；遙感監測；地面觀測；信息采集；監測能力建設；黃河流域

從黃河流域水土保持監測體系建設出發，梳理了監測網絡建設的現狀，介紹了近幾年開展的水土保持監測項目和取得的豐碩成果。針對目前黃河流域水土保持監測體系及能力建設存在的問題，如信息采集自動化程度需要進一步提高、應用系統及信息資源共享不能滿足監測工作發展、重點監測區監測覆蓋不全等，提出了設想和建議。

1　監測體系及能力建設現狀

1.1監測網絡建設

黃河流域水土保持監測站網是水利部水土保持監測網絡的重要組成部分，主要由黃河水利委員會(簡稱“黃委”)監測機構和省區監測機構組成。黃委監測機構包括黃河流域水土保持生態環境監測中心、鄭州監控中心和天水、西峰、榆林、臨潼等4個直屬監測分中心；省區監測機構由黃河流域各省區監測總站、地市監測分站和縣市水土保持監測點組成。目前，黃河流域已建成10個省區監測總站、35個地市監測分站、 215個監測點的水土保持監測站網(組織體系見圖1)。

圖1　黃河流域水土保持監測站網組織體系示意

為了充分利用現代科學技術，加快黃河流域水土保持信息化發展步伐，提高水土保持預防保護與治理水平，服務黃河的治理開發與管理，黃河流域水土保持生態環境監測中心建立了水土保持生態環境監測系統。該系統利用遙感技術、全球定位系統、地理信息系統(“3S”技術)，輔以自動化的地面觀測、實地調查和巡測，建立高效的水土保持信息采集系統，強化流域水土保持宏觀信息采集；利用計算機網絡技術，建立快速的水土保持信息傳輸網絡，加快信息傳輸速度；利用計算機海量信息(數據)存儲技術，建立規范的信息存儲服務系統，強化信息資源管理；結合水土保持業務工作流程，建立方便、實用的水土保持應用系統，服務于水土保持規劃、科研、監督、管理、示范等各個業務領域。

1.2遙感監測

近5年來，黃河流域水土保持監測機構完成了多項水土保持遙感監測項目，這些項目的實施提高了技術水平，鍛煉了隊伍，獲得了大量的監測數據。

(1)黃河中游多沙粗沙區重點支流水土保持動態監測項目，將數字航空攝影及其數據處理、地理信息系統、全球定位系統等技術成功應用于水土保持監測工作，獲得了覆蓋面積達2萬km2的皇甫川、清水川、孤山川、窟野河、禿尾河、石馬川、佳蘆河等7條支流流域0.38 m的高分辨率正射航攝影像及水土保持措施、土地利用、植被覆蓋、土壤侵蝕、生產建設項目分布等監測成果。

(2)黃河上中游水土保持措施效益與評價項目，在水土保持措施調查范圍、內容和精度方面創黃土高原地區之最。在黃土高原地區64萬km2土地上開展了321個樣區0.90萬km2的水土保持措施數量地面調查和3.30萬km2的水土保持措施數量遙感調查，調查范圍和精度均超過了以往黃土高原地區水土保持措施調查。該項目采用資料收集、地面調查、遙感調查和抽樣調查、數理統計等相結合的綜合調查方法，既充分發揮了各種調查方法的特點，又對水土保持監測方法應用進行了創新。

(3)國家“十二五”科技支撐計劃課題“黃河中游來沙銳減主要驅動力及人為調控效應研究”項目，基于2.1 m分辨率衛星影像，完成了黃河上中游17萬km2主要來沙區梯田的解譯工作，同時通過調查獲得了大量梯田、林草、淤地壩的實測數據。該項目構建了大空間尺度的梯田、林草減沙作用評價方法，提出了現狀梯田、林草的年均減沙作用，闡明了不同地區梯條田和林草在極端暴雨條件下的減沙作用；基于第一次全國水利普查等數據，結合300余座淤地壩的野外調查，核實了研究區淤地壩的建壩時間、已淤庫容等指標，建立了淤地壩攔沙量計算方法；開發的“基于成因分析的下墊面變化減沙相應測算系統”，取得了中華人民共和國國家版權局計算機軟件著作權登記證書。

(4)黃河流域(片)全國水土流失動態監測與公告項目，涉及青海、甘肅、寧夏、內蒙古、山西、陜西、河南、山東、新疆等9省區，以及新疆生產建設兵團的5個國家級重點治理區、4個國家級重點預防區的水土流失動態監測任務。該項目采用固定監測區域、連續開展、逐年增加的方式，利用2.1 m分辨率衛星影像獲取典型縣域土地利用、植被覆蓋、水土保持措施等信息，進而判定水土流失侵蝕強度等級。目前，該項目已連續開展了4年，獲得了10余萬km2的高分辨率衛星影像及準格爾旗、神木、吳起等近20個典型縣旗的多期監測成果。

通過水土保持遙感監測項目，擁有了高精度RTK GPS、全站儀等監測設備，ArcGIS、ERDAS等專業分析處理軟件和面向對象的遙感信息快速提取軟件eCognition，積累了豐富的遙感影像處理、影像解譯、專題圖制作等經驗，形成了集采集、處理、分析于一體的水土保持遙感監測體系，培養了一批水土保持遙感監測技術人員，為黃河流域水土保持遙感動態監測工作奠定了堅實的基礎。

1.3地面觀測

從20世紀四五十年代開始，黃委的天水、西峰、綏德水土保持試驗站就開展了水土流失試驗觀測，獲得了多年的水土流失觀測資料，為水土保持科學研究提供了重要的數據支撐。現三站有控制站16個、徑流場63個、雨量站90個，已被納入全國水土保持基本監測點。

依托全國水土流失動態監測與公告項目，黃河流域水土保持生態環境監測中心聯合流域省級監測總站(中心)和監測站點所屬管理單位開展了40多個典型監測站點的水土流失監測，監測內容包括降雨、徑流、泥沙、植被覆蓋度(郁閉度)、土壤水分等，其中降雨、徑流、土壤水分、水位與流量監測基本實現自動化。

近年來黃河流域水土保持生態環境監測中心開展了70余個生產建設項目水土保持監測，其中鐵路、公路和輸油輸氣管道等線型項目50多個，大部分項目等級為大型及以上。項目分布在青海、甘肅、四川、寧夏、陜西、山西、河南、新疆等省區，涉及范圍廣，地貌類型復雜，水土保持監測的開展有效地促進了人為水土流失防治。

1.4數據庫及應用系統建設

基于黃河流域水土保持本底數據庫和三站原型觀測數據庫，黃河流域水土保持生態環境監測中心對基礎信息、自然資源、基礎地理、社會經濟、水土流失、技術標準等基礎數據和規劃設計、計劃管理、綜合治理、預防監督、淤地壩管理、監測等水土保持專業數據的有效管理，保證了觀測數據的安全性和易用性，為水土保持模型研究奠定了基礎。

以重點監測項目為依托，結合水土保持監測業務的新需求開發了“黃河水土流失數據管理系統”和“小流域和監測點等數據上報及資料整編系統”，實現了重點治理區水土流失監測成果、典型小流域和監測點觀測成果自動入庫和統一管理，提高了工作效率，保障了成果質量。通過不斷更新完善黃河流域水土保持數據庫，建成了黃河上中游地區數據資源目錄，促進了數據共享，為流域水土保持工作提供了數據支撐。

結合“黃河水沙調控技術研究與應用”課題，利用水文、氣象、林草植被、土地利用、水土保持措施等數據，基于下墊面因素對流域水沙變化影響的數學模型算法，開發了“基于成因分析的下墊面變化減沙響應測算系統”。該系統以支流、水文站控制范圍、小流域等不同空間尺度為單元分析計算淤地壩、梯田、林草等水土保持措施的減沙效益，結合氣象及水文資料，分析計算區域產沙模數。

2　存在問題

2.1信息采集自動化程度需要進一步提高

近年來，黃河流域監測機構配置了大量的自動化觀測設備，降雨、流量等指標已基本實現了自動化觀測，節省了大量人力物力。但缺少適用于高含沙水流的自動徑流泥沙觀測設備，限制了黃土高原地區徑流泥沙的自動化觀測。

隨著面向對象的智能化影像分析軟件eCognition的廣泛應用，黃河流域監測機構的高分辨率遙感信息自動化提取能力大幅提高，但仍存在人工反復試驗特征有效性及特征閾值設置合理性等問題，無法快速準確地構建分類規則和規則集，快速自動化提取仍存在一定問題。

2.2應用系統及信息資源共享不能滿足監測工作的發展要求

隨著水土保持監測工作的不斷深入，現有的應用系統已不能完全滿足監測工作的發展，缺少適用于具體監測工作、智能化程度高的專業應用系統。如缺少外業調查的移動采集系統，監測工作外業工作者經常還在用紙和筆進行現場記錄，工作效率不高。

信息資源的有限性和不均衡性使信息資源的有效利用必須最大限度地實現信息資源共享。雖然黃委在數據共享方面已經做了大量的工作，但是黃委與相關省(區、兵團)間及黃委內部不同單位間的監督、監測、綜合治理等數據信息的及時交換尚未實現，監測成果不能及時為上級、相關省(區、兵團)和社會公眾提供服務，影響了黃委監測機構工作職能的有效發揮。

2.3重點防治區監測覆蓋不全，監測站點分布需要優化

黃河流域涉及河龍區間多沙粗沙治理區等9個國家級重點防治區。2013年以來，黃河流域動態監測取得了較為顯著的成績，但仍然存在一些問題亟待解決。

限于項目規劃和經費，黃河流域動態監測范圍未能全面覆蓋重點防治區，監測成果不能完整、全面地反映重點區域水土流失狀況及其防治成效；不同土壤侵蝕類型區部分監測站點代表性差，與重點防治區水土流失動態監測成果不能實現對應分析。

3　設想與建議

3.1提高數據采集與信息處理能力

進一步完善黃委自有監測站點和黃河流域全國水土流失動態監測與公告項目省屬監測站點的升級改造，配置視頻監管等監控設備，全面推進地面觀測視頻監管系統的建設，實現監測站點的實時監控、管理和預警等功能；積極推進適合黃土高原的高含沙水流泥沙自動觀測設備的研發、試用、改進和推廣，實現黃土高原地區的徑流泥沙自動觀測。

開展基于面向對象的智能化影像分析軟件eCognition的分類規則和規則集快速構建技術研究，形成適用于黃河流域的分類規則和規則集庫，進一步提高高分辨率影像的自動化提取水平。配備三維激光掃描儀、無人機等設備，推進遙感數據的快速獲取應用和無人機、易康、平板電腦、激光測距儀等現場采集設備的一體化集成應用。

3.2大力推進應用系統建設

結合生產建設項目監測、病險淤地壩核實等近期工作，應用系統建設可從以下幾方面著手：

(1)開發和完善生產建設項目監測信息采集系統，提高其智能化水平并逐步實現從平板采集向服務器管理的功能擴展。

(2)結合黃土高原中型以上病險淤地壩復核工作，開發黃土高原病險淤地壩核查監測系統，為項目順利實施提供全過程的數據支持。

(3)開發原型觀測數據整編系統，實現黃委天水、西峰和綏德3個水土保持科學試驗站歷史觀測數據的自動化整編。

(4)對“基于成因分析的下墊面變化減沙響應測算系統”進行參數率定、模型校驗，完善數學模型算法并推廣到更大區域。

(5)開發監測評價系統，以“十二五”課題成果結合公告項目監測成果進行區域性嘗試，推廣應用范圍。

3.3全面監測、優化監測站點

利用《全國水土流失動態監測與公告項目五年規劃(2018—2022年)》編制的契機，積極爭取全面開展黃河流域國家級重點防治區的動態監測，以全面反映重點區域水土流失狀況；進一步優化不同侵蝕類型區的監測站點布局，增強其代表性并實現與重點防治區水土流失動態監測成果的對應分析。

3.4推動數據共享，提高數據有效性

制定流域數據共享管理辦法，完善數據管理制度和水土保持數據資源目錄，建設黃河流域水土保持數據管理平臺，逐步實現黃委與水利部、流域各省區之間及黃委內部的信息共享和服務，使數據真正成為有用的信息，進而為流域經濟社會發展提供專業服務。

4　結　語

隨著黃河流域水土保持監測體系和能力的發展，黃委和所涉各省(區)將配置更為先進的監測設備、處理軟件和信息采集系統，全面開展流域重點監測區動態監測工作，并進一步加強黃河流域水土保持監測能力，完善隊伍建設，提高合作交流及數據共享水平，有效提升黃河流域水土保持科學管理水平，以期為經濟社會發展、政府決策和社會公眾提供更為堅實的理論基礎和數據支撐。

(責任編輯徐素霞)

S157.2

C

1000-0941(2016)09-0083-03

殷寶庫(1979—)，男，山東金鄉縣人，高級工程師，碩士，主要從事水土保持監測工作。

2016-07-18