區域水土保持監測點布局優化時空模型研究

李智廣，馬力剛，王 平

(1.水利部 水土保持監測中心，北京 100055； 2.湖北省水土保持監測中心，湖北 武漢 430071；3.黑龍江省水土保持監測站，黑龍江 哈爾濱 150080)

監測點水土流失觀測是水土保持監測工作的基礎，是水土流失及其防治效益定量數據的直接來源，是標定其他手段所得數據的“標準物”。布局合理、代表性強、功能完善的區域水土保持監測點體系，能夠精確測定造成水土流失的自然因素和人為活動，準確評價水土流失及其防治狀況，為水土保持治理工程布局、措施設計與配置提供技術支撐。據統計，我國現有水土保持監測點818個，但在布局、運維和整體功能發揮等方面仍存在不足：一是監測點分布不盡合理、不均衡[1]，如全國水土保持區劃的41個三級分區中，有12個尚無監測點；云南省監測點分布不均，楚雄州的監測點數量占全省監測點總數的25%。二是監測點綜合功能性、對象代表性不強[2-3]，如坡面徑流觀測場偏多(共316個)，小流域綜合觀測站偏少(僅95個)，風蝕和凍融侵蝕監測點更少(分別為35個和4個)；坡面徑流場按照控制性試驗的要求建設，自然屬性和原型屬性不強。三是運維保障不力，設施設備多有損毀，升級改造不及時[4]。近10年來，絕大部分省份未開展設施設備補充與升級改造，導致監測點缺少常規儀器設備，特別是現代化的自動化設備，日常觀測受到影響。對于水土保持監測點布局優化建設，可參考水文站網[5]、生態環境觀測研究臺站[6]、環境保護野外觀測研究站[7]、環境監測站[8]、中國生態系統研究網絡[9]等相關監測站點的規劃、功能評價和優化調整等，其中水文站網由“容許最稀站網”向“最優站網”發展，中國生態系統研究網絡強調站點的區域代表性和類型代表性，站點聯網觀測和綜合觀測日益得到重視，尤其值得借鑒。本研究基于生態環境相關野外臺站建設和運維管理的成就、經驗及發展趨勢，進一步厘清區域水土保持監測點建設目標與原則，構建監測點布局優化建設的指標體系，建立全面科學、可操作的時空模型，以期為全國水土保持監測網絡監測點的布局優化和升級改造提供參考。

1 區域水土保持監測點建設目標與原則

1.1 建設目標

區域水土保持監測點布局涉及監測點的類型、分布、數量及必需設施設備的建安程度與水平。其中，監測點的類型與監測對象的種類及其要素的數量直接對應，監測點的分布與區域內自然地理條件的異質程度密切關聯，監測點的數量與技術、人力、經濟等的可行性相關。由于影響水土流失的人為活動不斷地加速變化，原有監測體系的數量、位置、結構被迫發生變化，其整體功能也會發生衰變，因此監測點建設是一個需要不斷調整、優化、完善的過程。監測點的建設過程(或者某一時間點的狀態)可用函數式表示，即

S=f(fund,tech,time)

(1)

式中：S為區域水土保持監測點建設狀況，由當時(time)投入的資金(fund)、建設的技術條件(tech)決定。

隨著時間的推移，經濟和技術條件發生了變化，建設和運維情況也發生了變化，因此監測點的狀態必然會發生變化。在某一時刻(時期)，資金、技術與經濟社會的需求匹配良好，監測點體系建設就會達到最優狀態，這個函數就出現了“極值”。這個“值”就是區域水土保持監測點建設的目標。因此，區域水土保持監測點建設的目標，可以描述為：建成結構合理、密度適當、位置科學、整體功能強大的監測點體系，達到“疏而不漏”地全面監測水土流失及其防治要素，“可靠穩定”地準確把握水土流失時空變化規律，“日益增長”地滿足生態環境建設和經濟社會發展的需要。

1.2 建設原則

水土保持監測點建設的基本原則就是在投資規模一定的條件下，達到最優功能的建設目標，即建成具有良好的空間分布、類型搭配的監測點體系。從優化和完善我國水土保持監測網絡監測點的角度出發，從監測點的規劃、設計、時序安排等角度講，建設原則包括如下幾個方面：

(1)統一規劃，突出重點。基于區域水土保持區劃，在主要的分區均應布設對應類型的監測點，以保證監測點的區域代表性。對于水土流失重點預防區、重點治理區及其他重點區域，適當加密監測點；對于沒有歷史資料或重點關注的分區，適當提前布設監測點。

(2)對位設點，突顯原型。應以能夠進行多要素、多對象觀測的綜合性監測點為主，如水蝕區的小流域綜合觀測站、風蝕區的風蝕觀測場、凍融侵蝕區的凍融侵蝕觀測場[10]。增加自然坡面徑流場，減少控制性試驗坡面徑流場，增設有代表性的林草地監測標準地，提高監測點的類型代表性和自然原型模擬性[2,4,11]，保證水土流失預測預報的精度和效率。

(3)達標建設，實現功能。建設和升級改造時，堅持寧缺毋濫、毋殘，務必做到監測設施設備與儀器的標準化、樣品采集與分析的自動化、數據傳輸與處理的智能化，保證每個監測點具備必需的要素觀測、水土流失因子率定、遙感遙測校核驗證、代表范圍水土流失調查等功能。

(4)加強協作，資源共享。加強與周邊地區、相關部門的協作共建，充分利用現有的水文小河站、相關部門野外臺站等，盡量增加可利用監測點數量，合作開展水土流失觀測，保證規律分析和動態評價的置信水平。

2 區域監測點布局優化建設模型

區域水土保持監測點布局優化建設模型是區域監測點體系建設狀態的各個影響因素之間的運算法則，反映各個影響因素之間及其與區域監測點建設狀態的關系。好的模型，可以把監測點體系建設的過程模式化，把各個因素與建設狀態的因果關系模式化，把影響因素與建設狀態之間的關系用邏輯的、數學的算法序列表達出來，也可以用來進行區域監測點布局優化建設的過程模擬和狀態模擬，即進行監測點布局的時空優化。

2.1 影響監測點布局的因素

區域水土保持監測點布局，包括監測點的數量、種類和位置，主要受區域范圍內的自然地理條件的異質性、經濟社會發展對監測點功能的需求、物質與人力資源的多寡等影響。

(1)區域自然地理條件的異質性。這是區域監測點布局的決定性因素，決定了監測點的位置、種類及其疏密程度。自然地理條件異質性越高，必須設置監測點的位置和種類就越多，監測點的數量就越多，密度也就越大。

(2)經濟社會發展的需求。這是區域監測點布局的拉動性因素。如同樣本容量大小與推斷估計準確性的關系一樣，水土流失動態監測預報準確性要求的精度標準越高，必須設置的監測點數量就越多。隨著人們對美好生態環境需求的日益增長，推算估計準確性要求的精度標準將不斷提高，如時間維度的間隔不斷加密、空間維度的位置不斷精準等。

(3)物質與人力資源的支撐能力。這是區域監測點建設的可行性因素。如果物質、人力不足，就無法建設能夠充分反映自然地理條件異質性和經濟社會發展需要的監測點。物質與人力資源主要包括監測設施設備、監測人才及其結構、觀測數據積累及其分析處理能力等。

經過普遍調查和重點對象研究，提出影響區域監測點布局的主要指標見表1。

表1 影響區域水土保持監測點布局的主要指標

注：①為突顯不同指標對監測點布局優化建設作用程度的差異，設定的指標分值有大有小；②為區別指標的第二與第三級對監測點布局優化建設的影響，將這兩級分值的差距設定得較大；③當某指標分值為0時，表示該監測點不得建設，即“一票否決”。

2.2 監測點優化建設模型結構

2.2.1 模型結構設計

區域水土保持監測點布局優化建設的時空模型，是監測點在空間維度上的分布位置與在時間維度上的進度安排的綜合模型。其中，空間維度是優化監測點布局和結構的必要條件，其標準是約束性的、必須確保全面達成的指標，即如果有了空間維度的必要性，就應在支撐能力滿足時及時建設這些監測點；如果沒有空間維度的必要性，就不必新建監測點，或優化撤銷重復的監測點。時間維度是設計監測點建設的時間先后的指標，它是數量化的、區分功能實現難易的指標，即應優先安排建設和完善具備更好的時間維度各項指標的監測點，以保證能夠全面實現監測點的預期功能。因此，監測點布局優化建設模型兼顧空間維度、時間維度及其相互作用與關系。具體方程為

NS=f1(R，O)

(2)

NT=f2(L，M，E，F，D)

(3)

上二式中：NS為空間維度確定的監測點建設總數；f1為空間維度的函數關系；R為區域代表性；O為對象代表性；NT為時間維度可支撐建設和完善的監測點數量；f2為時間維度的函數關系；L為土地可使用性；M為建設經費強度；E為日常監測與管護能力；F為設施設備完備性；D為監測數據累積時長。

2.2.2 模型運算法則

上述方程組的運算，應按照先空間維度、后時間維度的次序進行，即只有在確定了監測點設置的必要性之后，才能設計監測點優化建設的時序。具體步驟如下：

(1)確定區域監測點的總體布局。按照區域水土保持區劃與每個分區的監測對象，確定監測點的總數與每個監測點的大致位置。一般地，監測點總數等于區域內各個分區監測對象整數倍數的合計，其中整數倍數是一個既能反映水土流失監測預報精度標準，又與分區面積相關的參數。計算公式為

(4)

式中：NS′為監測點建設的總數；m為區域水土保持區劃分區的總數；NOi為第j個分區的第i個監測對象的整數倍數；n為第j個分區監測對象的總數。

(2)優化區域監測點的建設時序。對于空間維度確定的監測點，分析計算每個監測點的時間維度指標的分值與總分值，提出優化建設的先后次序。為了一次性建成或完善監測點的功能，盡早發揮建設效益，總是優先對具有較好支撐能力的監測點實施建設和完善工作，而將條件較差的監測點置于后面。監測點時間維度的總分值計算公式為

(5)

3 案例分析

3.1 黑龍江省監測點優化建設方案

基于全面的調研，掌握了黑龍江省“既有監測點”的基本情況，分析提出了各水土保持分區“應布設監測點”的類型和數量，采用時空模型綜合評價得到各監測點的綜合評分與近期優化建設監測點的初步結果：在“應布設監測點”和“既有監測點”組成并集的28個監測點中，有水蝕監測點25個(占89.3%)、風蝕監測點2個(占7.1%)、凍融侵蝕監測點1個(占3.6%)，體現了以水蝕為主、兼顧風蝕和凍融侵蝕的監測點布設總體格局。全省各個方位都有監測點分布：北端有漠河北極村監測點，南端有賓縣孫家溝監測點，西端有齊齊哈爾臥牛吐監測點，東端有牡丹江麻花溝監測點。從水土保持區劃看，28個監測點分別布設于全省8個水土保持分區，其中：23個分布在國家水土流失重點防治區(重點治理區17個、重點預防區6個)，5個分布在非國家重點預防區；8個水文站分別位于全省較大的河流上，包括松花江、烏裕爾河、呼蘭河、湯旺河、牡丹江、螞蟻河、呼瑪河，控制總面積48.04萬km2，與其他監測點相呼應，可用于開展區域尺度監測數據的關聯分析。全省監測點的分布見表2和圖1。

經調研認為，可將綜合評分在65分以上的21個監測點作為近期優化建設的監測點。其中，坡面徑流場4個、小流域控制站4個、小流域綜合觀測站1個、水文站9個、風蝕觀測場2個、凍融侵蝕觀測場1個。鑒于分區面積小且對應的國家級分區主要分布在內蒙古自治區境內，西部低山丘陵土壤保持區沒有布設監測點，其他7個分區中均有監測點分布。監測點優化評價指標的得分及其綜合評分見表3。

表2 黑龍江省水土保持監測點優化建設統計

注：“區內監測對象”欄為監測對象的數量和類型，“應布設監測點”欄為與“區內監測對象”對應的應布設的監測對象及其監測點數量，“既有監測點”欄為目前現有的監測對象及其監測點數量，“優化建設監測點”欄為經過綜合評價后確定的監測對象及其監測點數量。后三者全部采用“加法等式”的形式表達，以便清楚表示監測對象及其監測點數量，如“9=1+3+2+3”表示總共9個監測點，由1個小流域綜合觀測站、3個坡面徑流場、2個小流域控制站和3個水文站組成。

3.2 湖北省監測點優化建設方案

基于全面的調研，掌握了湖北省“既有監測點”的基本情況，分析提出了各水土保持分區“應布設監測點”的類型和數量，采用時空模型綜合評價得到各監測點的綜合評分與近期優化建設監測點的初步結果：在“應布設監測點”和“既有監測點”組成并集的45個監測點中，有小流域綜合觀測站11個、坡面徑流場24個、控制站3個、水文站7個，監測點的類型與數量結構基本科學、合理。全省監測點的分布見表4。另外，通過綜合評分可知，在應布設的29個監測點中，除2個條件不理想應暫緩建設外，其余27個的評分均在60分以上，可作為近期優化建設的監測點。這27個監測點布設于全省13個水土保持分區中的10個。其中，鄂東沿江丘陵平原農田防護區和江漢平原農田防護區為平原區，暫不設置監測點；大洪山丘陵保土區不具有土地和經費條件，無法建設監測點。

圖1 黑龍江省水土保持監測點分布優化圖

注：圖中監測點上面標注的代碼編碼規則為：第一位為監測點類型代碼，其中1代表坡面徑流場、2代表小流域控制站、3代表小流域綜合觀測站、5代表風蝕觀測場、6代表凍融侵蝕觀測場、7代表水文站；第二、三、四位分別表示有無“應布設監測點”“既有監測點”“優化建設監測點”，1代表“有”，0代表“無”。

4 結論與討論

本研究對區域水土保持監測點的空間分布、優化建設的時間安排及其影響因素的量化等進行了體系化研究，認為區域的自然地理條件異質性決定了監測點的空間布局與類型結構，經濟社會發展階段對水土流失監測預報準確性、可靠性需求標準的高低影響著監測點的密度，物質與人力資源的豐缺影響著監測點建設和升級改造的可行性與功能實現程度。水土保持監測點布局優化建設的時空模型及其主要影響因素、因子分值、運算法則等，適用于省級和全國水土保持監測點布局優化建設。關于如何應用監測點布局優化時空模型，討論如下：

(1)本研究將區域自然地理條件作為監測點空間布局與類型結構的決定性因素，將土地可使用性、建設經費強度、設施設備完備性、日常監測與管護能力、監測數據累積時長等作為確定監測點建設時間及其升級改造先后次序的可行性指標，并據此構建了模型及其運算法則，既科學體現了客觀條件和主觀因素對區域監測點布局優化建設的作用，又客觀反映了客觀條件和主觀因素的地位和相互之間的關系。

表3 黑龍江省水土保持監測點綜合評分

表4 湖北省水土保持監測點優化建設統計

注：表中“既有監測點”欄中的(1，水文站)和(2，水文站)，表示在對應分區中以往將水文站作為水土保持監測點，但從監測對象上分析，并不需要這種類型。

(2)本研究提出的監測點布局優化的主要影響因素模型指標及其分值對案例區域具有良好的適用性。在用于其他區域時，可進行量的增加，但不可進行質的變化，即：對于決定性指標、可行性指標等兩類指標，不可改變兩者的性質，也不可互換兩者的關系；對于同一類指標，可根據區域實際情況，尤其是區域各個因素的特征，調整指標的分值大小。

(3)本研究提出的監測點布局優化建設模型，不僅適用于全國和地方水土保持監測網絡的監測點布局優化和升級改造，而且對相關的資源、環境、生態系統野外監測站點布局的調整、完善也有一定的參考價值。

(在本文撰寫過程中，任志勇、李洪星、衣強等同行朋友提供了大量幫助，在此表示衷心感謝!)