基于水文自動化監測站網開展水土流失監測的探討

邢先雙，董明明，郭靜，杜子龍，孟琳

1.山東省水文中心；2.濰坊市水文中心；3.水發技術集團有限公司

水土保持和水土流失監測在構建“四位一體”戰略中占據重要位置，在城市化進程不斷加快的時代背景下，如何完善區域水土保持、如何提升水資源利用率、如何動態化監測水土流失情況，已經成為各級單位和部門必須重視并解決的問題。從這一層面來講，水文自動化監測站網的建立與使用，就顯得尤為重要，革新管理方式，保護城市地表徑流，有助于各級部門全方位貫徹落實“兩山論”，最終提升生態環境的治理效益。

一、水土流失監測的重要性

（一）為水土保持工作提供基礎數據

從技術層面來講，我國幅員遼闊，要想宏觀性監測各地區水土情況，是具有一定難度的，再加上部分季風性氣候區夏季雨水較為集中，部分山地丘陵地帶自然災害種類較多，對水土資源的破壞性更大，技術人員和相關監測部門要想掌握水土流失的發展規律，僅僅依靠人工經驗和靜態化的信息系統，遠遠不能達到管理需求。而利用水土流失監測系統及監測站網的創建，可以為水土流失監測提供多地、多段、多區的基礎數據，做好必要的相關數據采集工作，引導利用人工調查+調查監測的方式，分析水土流失情況，從而確定工作要點，更好地滿足監測要求。堅定監測開展力度，為后續整理、管理提供思路，促進監測數據采集的標準化，根據坡地徑流、植被覆蓋率等監測項目，充分發揮氣象站、監測站、采樣系統、監測網的作用，方便技術人員根據預測模型進行數據分析。

（二）動態化掌握水土流失情況

影響區域性水土流失情況的類型有很多種，工業施工、人為行動、氣候變換等都會加劇水土流失的速度[1]。尤其是自然環境，具有不可抗力性和不穩定性，必須做好動態性監測，才能為后續水土保持工作提供準確數據，采取科學合理的措施，降低水土流失的破壞性，提供動態化監測數據，全程監測流失情況，在定點調查、地形圖現場調繪、數據匯總、土壤侵蝕強度、小流域侵蝕總量、泥沙流失量、雨量監測等系統監測指標的作用下，為后續水土保持和治理提供科學決策的依據。確保相關部門的技術人員和管理人員研究水土保持規劃方案，全面掌握監測對象的發展/變化規律，設計基礎監測技術線路，測算有效土層厚度，控制城市非點源污染的水環境，從而提升城市水環境綜合治理效果。

二、水土流失監測存在的不足

當前，在水土治理工作中，相關部門在生態環境監測中還存在亟需提升的地方，主要體現在以下幾點[2]。（1）監測點功能單一，數量少，部分監測站點選址不合理，因此監測成果在一定程度上難以滿足管理部門的需求，觀測因子少；（2）即使多地相繼成立了監測分站，但是監測點間的交流聯系并不緊密，數據之間尚未完成互通互鑒、交流互享；（3）部分偏遠地區、縣鄉地區監測方式落后，對于一些小流域水土流失監測過程中，數據精度得不到保障，難以實現全過程、動態化監測，自動化水平低，財政資金支持不夠，監測成果格式不統一，信息共享平臺尚未建成；（4）監測技術人員稀缺，部分地區人才老齡化嚴重，水土保持監測工作不能滿足現實需要，數據采集標準有待健全，監測技術有待提高，需要充分應用新型監測手段。

三、基于水文自動化監測站網開展水土流失監測

（一）自動雨量

自動雨量的監測在水土流失和保持工作中，起著重要的作用，水文自動化監測站網中的雷達測雨系統，可以通過雷達組網，確定雨量監測范圍，實現雷達監測雙備份，在上游組建高分辨率雨量雷達系統。其組成部分主要有：（1）應用服務系統；（2）雨滴譜監測站；（3）數據處理單元；（4）數據接收交換和監控管理平臺。雨量雷達結構形式更為靈活，自動獲取格點雨量數據（600m×600m），將格點雨量儲存到數據庫中，之后進行分區雨量的計算，在監測區域（分區）實時面雨量數據分時間、分區段進行儲存，為技術人員和相關部門提供基礎數據信息，供洪水預警預報使用。確定水源模型的產流/匯流參數，根據自動化雨量監測實時更新流域面積、滯后時段數、地下徑流消退系數、蓄水容量曲線、流域蓄水容量、壤中流消退系數等，實測洪峰出現時間，得出峰現時間誤差。從水土流失的源頭開始，做好雨量的自動監測，形成科學有效的數據，做好相應預警工作[3]。雷達測雨系統的使用可以及時對降雨量進行分區，推測、降雨演進，確保水土保持工作的空間連續性，提升監測密度，初步率定參數，將雨量系統與洪水預報系統結合，測算多場洪水期間監測數據，充分發揮水文自動化監測站網的信息化作用，為洪水預警預報積累經驗，及時規劃好水土保護預案。

（二）徑流、泥沙自動化監測

在進行水土流失觀測中，徑流、泥沙自動化監測是水文自動化監測站網必不可少的一項核心技術之一，其設計原理是：（1）測定盛水桶容積，測定清水密度、土壤容重等參數，利用超聲波傳感器將渾水重量等數據進行儲存和采集；（2）實施測量行徑流量，上傳至集成系統，動態化測量含沙量，其核心參數主要有清水密度、地區坡度、徑流平均空氣含量、土壤容重，將此類核心數值輸入到自動化監測系統中，進行觀察和比對。當前我國對徑流、泥沙自動化監測的研究已經取得了階段性進展，在水文自動化監測站網中已經可以利用神經網絡法、BP神經網絡方法、空間插值方法等測算年平均徑流量，對下游小尺度流域徑流、泥沙進行監測。本文主要研究空間插值方法與“3S”網絡分析相結合的辦法，為水文分析和自動化監測提供基礎數據，通過網絡構建，得出核心信息，構建河流網絡插值法流程圖，并對水量水質進行同步監測。在降雨結束后，峰頂、峰腰、落平利用流速儀法和浮標法，進行三次監測，計算流域的最大流速和平均流速，測算斷面面積和泥沙含量，匯總成徑流量成果表和斷面徑流深成果表，分析徑流深合理性。其中值得注意的是，必須擴大所述流域的觀察站點數量，并確定好所在區域，監測站點應該附集荒坡地、耕地、工業用地等，利用“3S”技術進行宏觀監測，重視坡地徑流觀測項目，提升數據分析完整性。

（三）流域土壤侵蝕自動化監測

流域土壤侵蝕情況從本質上講，與土地利用、植被覆蓋率、地形條件和降水分布等有著密切的關系[4]。在水文自動化監測站網的布設中，通過GIS分析法，結合DOM技術、紅外影像技術、DEM技術的應用，可以直接提取土壤侵蝕影響因子，對侵蝕強度進行判斷，判定監測指標，主要通過對水蝕區坡蝕強度、水蝕區溝蝕強度、水蝕區風蝕強度、植被覆蓋地表形態進行監測，具體指標如表1。

表1 土壤侵蝕影響因子判定指標

基于流域數字航攝影像，根據地形地貌特征，首先，將已經采集到的流域沿線數據匯總到三維立體圖形中，基于DEM技術構成溝壑烈度計算單元，其次，技術人員和信息采集人員根據實際情況對上中下游重點支流和主要泥沙來源進行自動化監控，從而判定流域土壤侵蝕狀況。最后，根據核心數值判斷當地水土流失級度，從空間分布上總結出土壤質地松軟抗蝕能力，在遇汛期強降雨來臨之前，將預防監督與治理兩手抓，及時做好防控措施，發揮水質監測站、水文自動化監測系統的作用。

四、其他要點

（一）依托水文站網布局

從水文自動化監測站網系統建設層面，筆者已經從技術視角給出水土流失監測的工作方法，但是僅僅依靠技術建設遠遠不能滿足水土保持的需求，還應該緊緊依靠水文站網布局，構建趨于成熟的站網體系。布設水文基本站，將蒸發站、水文站、雨量站、土壤侵蝕自動化監測站、水位站等多種水土保持基站廣泛分布于各地市縣，功能必須涵蓋土壤墑情監測、小水庫預警、流域預警、水質監測、防汛信息監測等，在水文站建設方面，筆者建議，水文站點選擇必須預留一定的發展空地（周邊），相關手續齊全，交通較為便捷，在水土流失多發區和嚴重區可以增加水文站監測網點數量，提升基礎數據的準確性。

（二）加強設備優化

水文自動化監測站中，觀測站房的投資與建設需要強有力的設備支撐和資金支撐[5]。筆者以40平方米建設標準為例，在我國東南沿海地區的裝修費+征地費+稅額共需20萬元左右，此外信息實時查詢和遠程運輸所需要的總投資大概在6萬元左右，另外站房的專業性設備購買、維護費用（多功能氣象站、自動采樣器、自動水位計、泥沙測定耗材、技術人員工資、運行與維護費用）在80萬元左右（去掉地方財政補貼），由此可見，水文自動化監測站所涉及到的設備費用基本是建設費用的2倍，如果在日常工作和使用過程中，出現設備更新和擴建服務，總花費將達到建設費用的2.75倍左右。因此相關水文監測部門應該高效利用財政資金，促進信息共享平臺的建立，在設備應用的基礎上，充分發揮監測網絡的功能，克服水土保持監測的局限性，選擇合理區域，提高運行效率，推進水文現代化發展，利用監測設備，與技術人員相互配合，規劃出監測網絡。

（三）組建高質量的人才隊伍

在水文自動化監測站網開展中，僅僅依靠設備和技術的支持難以促成水土流失監測體系的建設，我國水文行業經過長期發展，在硬件設施方面已經實現了高效發展，但是即使是自動化監測，也不能離開“人”的基本活動，因此筆者建議，在今后水土流失監測過程中，必須構建一支高質量人才隊伍，將硬件設施、管理體系、軟件應用相結合，及時補充專業技術從業人員。使用多普勒聲學監測設備，推廣遙測報汛系統的使用和信息化建設平臺，滿足監測網絡隊伍人才缺口，與各級信息中心實現網絡互通，完善遙測報汛系統，水文勘察工隊伍必須熟練掌握并運用常規監測設備，進行測沙、測流、測水位等，實現數據共享和信息發布，在水土保持技術應用過程中，技術人員必須勝任應急監測車、水質自動采樣船等專業裝備。加強從業人員梯隊建設，積極引進系統開發人才、應用人才、監管人才。對水災監測站網進行優化，完善監測層位，提升地下水布設密度，調整監測方式，采用自動監測+人工復核方式，改善測驗方式，為水土保持提供人才支撐，引進監測經驗豐富的項目管理人才，在特殊類型區域，提升站網建設，充實人才隊伍，促進水土保持監測工作持續，穩定發展。

五、結束語

綜上所述，水土流失監測可以提供多地、多段、多區基礎數據，方便技術人員利用監測模型進行數據分析，全面掌握監測對象的發展/變化規律，設計基礎監測技術線路。因此筆者建議，在今后工作中應該構建一支高質量人才隊伍，依托水文站網布局，利用自動化設備進行徑流、泥沙、雨量、土壤侵蝕的自動化監測，提升監測點間的交流聯系緊密度，構建內部完善的責任制度，充分發揮監測站網功能，優化監測方式。