關于黃土高原地區淤地壩水土保持監測的幾點思考

董亞維，李晶晶，任婧宇，馬衛星

(黃河上中游管理局，陜西 西安 710021)

黃土高原地區是我國水土流失最嚴重、生態環境最惡劣的地區之一，是黃河泥沙的主要來源區。新中國成立以來，黨和國家高度重視黃土高原地區的水土保持，開展了大規模的水土流失治理和科學研究工作，并取得了舉世矚目的成就。長期的實踐證明，淤地壩是黃土高原地區行之有效的水土保持工程措施，在攔泥淤地、調蓄徑流、涵養水源、改善生態、發展生產等方面發揮著重要作用。

面對黃河流域生態保護和高質量發展的新形勢新任務，“有條件的地方要大力建設旱作梯田、淤地壩”的要求將在“十四五”時期實施鄉村振興、美麗鄉村建設等工作中貫徹落實，也必將在黃土高原適合的溝溝壑壑中建設大量的淤地壩。另據統計，黃土高原地區現已建成淤地壩5.9萬座，其中大中型淤地壩1.8萬座[1]。無論是已建成淤地壩，還是新建淤地壩，都對黃土高原地區淤地壩的建設管理和安全運用提出了更新更高要求。對淤地壩開展水土保持監測，對重要淤地壩開展動態監控和風險預警，科學客觀評價黃土高原地區淤地壩建設成效勢在必行。筆者曾參加黃土高原小流域壩系示范工程監測，現結合新形勢新任務新要求，略談幾點對黃土高原地區淤地壩水土保持監測的認識。

1 監測必要性

1.1 是貫徹落實黃河流域生態保護和高質量發展重大國家戰略的切實需要

2019年9月18日，習近平總書記在黃河流域生態保護和高質量發展座談會上的講話中提出“有條件的地方要大力建設旱作梯田、淤地壩等”“要保障黃河長久安瀾，必須緊緊抓住水沙關系調節這個‘牛鼻子’”。《黃河流域生態保護和高質量發展規劃綱要》(以下簡稱“《綱要》”)提出，要“積極推進淤地壩建設，在晉陜蒙丘陵溝壑區積極推動建設粗泥沙攔沙減沙設施”“要建立跨區域淤地壩信息監測機制，實現對重要淤地壩的動態監控和安全風險預警”。由此可見，推動黃河流域生態保護和高質量發展是淤地壩建設面臨的新形勢新要求，開展淤地壩水土保持監測是貫徹落實新要求的切實需要、重要舉措。

1.2 是淤地壩建設管理和安全運用管理的有力支撐

高質量發展要求淤地壩高質量建設和運行。通過綜合應用大數據、互聯網+、自動化監測、遙感遙測、5G等新技術開展淤地壩監測，可及時了解淤地壩的建設動態、攔沙、淤積、蓄水、用水等情況，可為提升工程風險防控預警能力、保障淤地壩安全運行、淤地壩“現代化”“精細化”運用管理提供關鍵基礎數據和技術支撐。

1.3 是客觀評價淤地壩建設成效的必然需求

通過及時、連續、客觀的監測數據，定量評價淤地壩在溝道調水、減沙、增產以及鄉村振興、美麗鄉村建設中的功能與成效，可為反映區域水沙關系、區域綜合治理等提供關鍵基礎數據，讓淤地壩持續發揮以壩代路、蓄水養殖、攔泥淤地、滯洪減災、保水保土等方面的作用，成為造福黃土高原地區人民的“幸福壩”。

2 監測目標與任務

監測目標為：開展跨區域淤地壩監測機制研究，構建黃土高原地區淤地壩監測體系，確保每座淤地壩“有名有實”；開展淤地壩風險預警監測，提升重要淤地壩動態監控和安全風險預警能力；開發淤地壩預警監測信息平臺，實現對下游有人居或重要設施的大中型淤地壩的遠程實時監控全覆蓋；通過水沙與區域生態環境監測，科學分析攔沙減淤、蓄水保土等效益，并對淤地壩建設成效進行評價。

監測任務因淤地壩建設的不同階段而有所不同：①在淤地壩建設前，以小流域為單元，進行建壩前的小流域生態環境狀況調查，包括小流域土壤侵蝕、產沙情況、植被覆蓋、土地利用結構等。②在淤地壩建設過程中，開展淤地壩建設動態監測，及時掌握建設進度；開發黃土高原地區淤地壩安全預警模型；根據運行期監測內容，構建淤地壩建設成效評價體系，科學布設監測設施，安裝調試監測設備，為淤地壩建成后開展運行期監測奠定基礎。③淤地壩建成后即進入運行期，充分利用信息化技術，開展攔沙淤積、蓄水用水、風險預警等監測，實現監測數據的自動采集、傳輸與處理，定期開展淤地壩建設成效評價。

3 監測布局原則

3.1 需求牽引，問題導向，應用至上

黃土高原地區自然環境惡劣，生態脆弱，水土流失嚴重。同時，該區又是我國重要的能源化工基地，人為活動頻繁。如何快速獲取項目區植被狀況、耕地類型及保護、土壤侵蝕、產沙等動態變化情況，科學分析評價淤地壩建設成效，是水土保持監測工作面臨的挑戰。利用高分遙感、無人機航測、互聯網+、大數據分析等手段，高效獲取項目區下墊面情況，為黃土高原地區“山水林田湖草沙”綜合治理提供基礎數據，為區域生態保護和高質量發展做好關鍵技術支撐。

3.2 監測內容重點突出，監測技術可靠成熟，監測體系連續穩定

監測內容與指標的設置應綜合考慮淤地壩建設與運用管理、淤地壩建設成效評估、區域水土流失特點和生態保護，重點突出。因監測具有連續性、長期性，所采用的監測方法和布設的監測設施應基本固定、長期、連續、穩定。同時，因淤地壩建設規模大，監測范圍廣、任務重，需采取可靠、成熟的技術方法和先進實用的監測設施設備，以保證監測工作的順利開展和監測數據的客觀、準確、科學。有條件的地方，充分利用視頻監視、預測預警等設施設備，為淤地壩運用管理提供汛期雨情、水位等相關預警信息，提高運用管理部門信息化管理能力。

3.3 充分利用已有監測站點和監測成果，避免重復建設

自新中國成立以來，相關省區和黃委積累了黃土高原地區長序列的水文觀測資料。尤其自高分遙感、無人機航測等新技術在水土保持行業應用以來，隨著全國水土保持監測網絡一期、二期工程和黃土高原小流域壩系示范工程、孤山川等重點支流監測、全國水土流失動態監測等項目的實施，積累了豐富的降雨、徑流和泥沙觀測資料，形成了連續3年的黃土高原地區土壤侵蝕和植被覆蓋情況等能夠反映項目區生態環境現狀的監測成果。黃土高原地區淤地壩監測，應充分利用現有水土保持監測站點、監測成果和水文站點，開展淤地壩建設對區域生態環境影響的監測，盡量避免重復建設、重復投資。

4 監測主要內容與方法

4.1 典型小流域和重點支流水沙監測

黃土高原是入黃泥沙的主要來源區，尤其是黃河中游粗泥沙集中來源區是下游河道0.05 mm以上粗泥沙的主要來源區，應以該區域為重點監測區域開展降雨徑流泥沙監測。通過監測掌握該區淤地壩建成后可以攔截多少泥沙，攔截泥沙中粗沙含量情況，綜合反映淤地壩建設成效，包括攔沙情況、輸沙情況、淤地情況以及對居民生產生活的影響等。

(1)降雨觀測。結合氣象部門，相關省區以及黃委在黃土高原現有雨量站的基礎上，綜合考慮交通、通信、管護等因素，按支流分小流域加密布設自動雨量站，開展降雨觀測，為分析區域產沙、來沙情況及風險預警提供更客觀的網格化雨量信息。

(2)徑流泥沙觀測。在淤地壩建設區域內，綜合考慮所屬行政省區、所屬流域、所屬片區、小流域自然條件和監測現狀、壩址條件、交通、通信等因素，以支流為單元，在支流內選擇數條典型小流域，在小流域溝口建設小流域控制站，觀測輸沙量和徑流量等，為評價淤地壩減沙效果提供實測基礎數據。進行控制站布設時，盡量采用無人值守、遠程監視等信息化手段進行水位、流量、泥沙監測，提高數據采集效率。重點支流監測以收集黃土高原地區水文站的降雨、徑流、泥沙觀測資料為主，開展區域攔沙減淤效果分析。資料收集為每年汛后收集一次。

(3)攔沙淤積監測。因淤地壩分布廣、數量多，攔沙淤積監測可以支流為單元[4]，對支流內的所有重要攔沙壩和典型小流域內所有新建淤地壩的攔沙淤積情況逐壩按年度監測，再結合典型小流域壩系及中、小型淤地壩配置比例、壩控面積、典型小流域代表的片區、降雨等因素，分析計算典型小流域及支流淤地壩總體攔沙淤積情況。監測內容包括淤積量、淤積面積、泥沙顆粒級配等。建設期，根據淤地壩年度建設情況，完成年度已建成淤地壩的攔沙淤積本底調查，并適時開展已建成淤地壩的攔沙淤積監測。運行期，每年根據區域降雨情況完成一次淤積情況監測，為評價淤地壩建設成效提供基礎數據。根據年度實際降雨情況，對降雨集中區域的淤地壩適時加測。

(4)蓄水用水調查。黃土高原地區降雨時空分布不均，水資源缺乏制約著當地農村經濟社會發展，調查發現，當地村民對水資源的需求非常迫切。在確保淤地壩安全運行的前提下，適度蓄水可有效緩解當地水資源短缺的問題。選擇村鎮周邊1 km內的中型淤地壩為蓄水用水調查對象，重點調查周邊農戶對淤地壩的用水需求、用水去向、用水效果等，為客觀評價淤地壩建設對鄉村振興、美麗鄉村的貢獻提供基礎數據。

4.2 淤地壩風險預警監測

將淤地壩中具有控制作用的中型淤地壩作為重要淤地壩，進行重點監管，開展風險預警監測，包括洪水風險預警監測和降水水位預警監測，為淤地壩汛期安全度汛、安全運用提供及時預測洪水信息和實時的降雨、水位信息，提高淤地壩監管效率，實現預警信息及時、準確的上傳下達[6]。

(1)洪水風險預警監測。基于24 h降雨氣象云圖、預報數據和加密的雨量站觀測的實時降雨量、雨強、水位等數據，綜合考慮淤地壩控制流域的地形、地質、植被等下墊面特征和人員居住分布等社會經濟情況，以及淤地壩分布、組成、淤積庫容、滯洪庫容、總庫容等壩體工程特性和壩系影響，形成暴雨洪水風險預警區域和預警級別，由淤地壩主管部門將相關信息以手機短信、微信的方式推送給相關省區主管部門及淤地壩“三個責任人”。

(2)降水水位預警監測。選擇居民點及村鎮周邊1 km內具有節點控制作用的重要中型淤地壩，布設水位預警監測設施，綜合考慮降雨、集水面積、放水建筑物設計放水流量等開展水位預警監測。基于加密的雨量站、水位計、視頻監視等設施設備觀測的實時降雨量、雨強、水位等數據，綜合考慮淤地壩控制流域的地形、地質、植被等下墊面特征和人員居住分布等情況，形成暴雨洪水風險預警區域和預警級別，由淤地壩主管部門將相關信息以手機短信、微信的方式推送給相關省區主管部門及工程防汛“三個責任人”，切實提升淤地壩預警的時效性與準確性。

4.3 淤地壩對區域生態環境影響監測

開展生物多樣性、植被覆蓋情況、生境質量、溝道侵蝕環境及區域水土流失情況監測，綜合反映淤地壩建設對區域生態環境的影響，以及對區域水土保持率的影響，為黃土高原地區水土流失治理和生態保護提供決策依據。監測內容主要包括生物多樣性、植被覆蓋情況、生境質量、溝道侵蝕環境、水土流失等5個方面。

(1)生物多樣性監測。主要采用樣地調查的方法對淤地壩建設前后區域內的植物群落狀況進行監測，包括植物群落基本特征、植物群落物種多樣性和植物群落結構等。通過監測淤地壩建設前后區域內的植物群落狀況，分析淤地壩建設對區域植物群落基本特征、植物群落物種多樣性和植物群落結構的影響情況。

(2)植被覆蓋情況監測。采用遙感監測和野外調查結合的方法對淤地壩建設前后整個區域內的植被覆蓋度、植被覆蓋率進行監測。通過監測淤地壩建設前后的區域植被覆蓋狀況，分析淤地壩建設對區域植被覆蓋的影響。

(3)生境質量監測。采用遙感監測和野外調查相結合的方法對淤地壩建設前后區域內的土地利用變化情況進行監測，主要包括林地面積、草地面積、水域濕地面積、耕地面積、建設用地面積和未利用地面積等。通過監測淤地壩建設前后的區域土地利用變化情況，分析淤地壩建設對區域生境質量的影響，以及由淤地壩建設形成的壩地良田改善生產生活條件、促進當地工農業和經濟發展情況。

(4)溝道侵蝕環境監測。采用無人機攝影測量和遙感監測等技術手段，快速提取淤地壩建設前后溝道侵蝕基準面(點)、地形坡度、坡長、溝沿線等因子，對比分析淤地壩對溝道侵蝕環境和產沙條件的影響。

(5)區域水土流失監測。采用遙感監測和野外調查相結合的方法，基于項目區遙感影像、地形、降雨、土壤等基礎數據，通過水土流失模型計算獲取淤地壩建設前后區域內侵蝕類型、侵蝕面積、侵蝕強度等變化情況，分析淤地壩對區域水土流失狀況的影響，分析計算項目區水土保持率。

4.4 信息平臺建設

充分利用信息化技術，由流域機構牽頭搭建黃土高原地區淤地壩信息監測平臺，建立七省區淤地壩數據大平臺，實現淤地壩設計、批復、建設、登記、運行、評價、銷號全過程全覆蓋的現代化、精細化管理，提升淤地壩監管效率，高效快捷地服務于行業主管部門及淤地壩建設管理部門等。主要任務包括淤地壩建設動態監測、構建淤地壩評價指標體系、開發監測信息平臺。

(1)淤地壩建設動態監測。動態監測將根據淤地壩建設計劃，分年度對新建淤地壩開展監測，監測內容主要包括淤地壩的基本情況、設計批復情況、計劃下達情況、建設進度、竣工驗收情況等[2-3]，便于建設單位、相關主管部門及時、全面掌握工程建設情況，調度建設資源，確保按期完成建設任務。相關內容主要由施工單位通過淤地壩信息管理平臺每月填報一次，監測單位根據填報情況，每季度采用遙感與實地調查相結合的方法，隨機抽取一定比例的淤地壩進行現場調查與復核。

(2)構建淤地壩評價指標體系。按照“科學性、可行性、系統性、獨立性、可比性”等原則，以監測成果為基礎，選取工程攔沙、蓄水用水、經濟增長、提高植被覆蓋、減輕水土流失、改善土壤理化性質、提高土地和勞動生產率、改善土地利用結構等指標，構建淤地壩評價指標體系，綜合評價淤地壩建設成效。根據淤地壩建設進度安排和淤地壩運行狀況，每年完成年度監測任務，并于次年1月完成監測報告。

基于監測成果，根據《水土保持綜合治理效益計算方法》(GB/T 15774—2008)“作為計算對象的溝道、河道下游控制性徑流站和水文站的泥沙觀測資料，此項資料應有5年以上的觀測系列”，同時考慮到淤地壩最短淤積年限，在工程建成后運行期每5年進行1次淤地壩建設成效全面評價。

(3)開發監測信息平臺。充分運用衛星遙感、互聯網、大數據等先進技術，建設基于B/S構架的黃土高原地區淤地壩監測信息平臺，為項目管理、領導決策提供數據支持與管理平臺，并為社會公眾提供及時、準確、全面的信息服務。建設內容主要包括數據采集及傳輸網絡建設、數據中心和數據庫建設、監測信息管理平臺開發和網絡安全保障體系建設等。

建立數據采集及傳輸網絡。通過布設自動化水土保持監測數據采集設備、現場監視設備，實現水土保持觀測數據、監測點運行狀態信息的自動采集，淤地壩建設動態主要通過現場巡測進行人工填報。數據傳輸主要在現有傳輸網絡的基礎上，利用無線傳輸和租用運營商的公網鏈路相結合的方式，完善該區域安全高效的數據傳輸網絡。

建設數據中心及數據庫。為實現淤地壩監測期內數據的科學管理，保證數據安全和應用系統正常運行，以便發生災難性事件時能夠迅速恢復應用系統，在流域機構建立一個數據中心，并建立異地數據災備中心。構建淤地壩數據庫，將分散信息資源進行安全、科學管理，滿足不同節點的數據訪問需求，為淤地壩水土保持數據分級管理、逐級上報、信息資源高效共享與交換提供快捷服務。

實施監測管理平臺開發。對黃土高原地區地形地貌、水土流失狀況、土地利用現狀、淤地壩分布、工程建設動態、監測站點分布以及水情數據、水位、泥沙淤積等數據進行管理和共享，用戶可及時、準確、全面掌握淤地壩建設和運行情況，并提供淤地壩雨情、水情信息查詢和分析等服務。

建設網絡安全保障體系。依《網絡安全等級保護基本要求》(GB/T 22239—2019)要求，淤地壩監測管理平臺按照第二級保護要求，通過構建和實施信息技術安全管理體系、安全技術體系和安全運維體系，建立一整套滿足工程管理需求的信息系統等級化安全保障體系。

5 結 語

黃土高原地區淤地壩量大面廣、布局分散，以高分衛星遙感、無人機、遠程視頻監控、自動觀測、互聯網等技術為支撐，以溝道中具有上攔下保作用、防汛壓力大、下游有居民點及重要設施的淤地壩為重點監測監管對象，由流域機構牽頭建立統一、穩定的監測體系和監控系統，對于及時準確獲取和反饋淤地壩建設和管理動態信息，強化技術指導和防汛應急搶險，以及科學客觀評價淤地壩建設成效具有重要的作用[5]。水保部門應搶抓黃河流域生態保護和高質量發展的重要機遇，開拓創新，攻堅克難，積極探索黃土高原地區淤地壩水土保持監測監管新思路、新方法、新技術。