湖北省水土保持監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的空間優(yōu)化布局

楊 偉, 王 劍, 李 璐, 周 穎

(1.湖北省水利水電科學(xué)研究院, 湖北 武漢 430070; 2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué),

湖北 武漢 430070; 3.湖北省水土保持工程技術(shù)研究中心, 湖北 武漢 430070)

湖北省水土保持監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的空間優(yōu)化布局

楊 偉1,3, 王 劍2, 李 璐1,3, 周 穎2

(1.湖北省水利水電科學(xué)研究院, 湖北 武漢 430070; 2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué),

湖北 武漢 430070; 3.湖北省水土保持工程技術(shù)研究中心, 湖北 武漢 430070)

摘要：[目的] 對(duì)湖北省水土保持監(jiān)測(cè)站點(diǎn)空間優(yōu)化布局進(jìn)行探究，為該區(qū)水土保持監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的完善、水土保持科學(xué)管理與決策提供支撐。 [方法] 收集湖北省土壤侵蝕相關(guān)資料，利用GIS空間分析功能開(kāi)展湖北省土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)評(píng)價(jià)，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用尺度理論對(duì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)進(jìn)行空間優(yōu)化布局，并對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行分析驗(yàn)證。 [結(jié)果] 經(jīng)過(guò)優(yōu)化研究，湖北省共需布設(shè)86個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中一級(jí)尺度12個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，二級(jí)尺度26個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，三級(jí)尺度布設(shè)48個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。經(jīng)泰森多邊形驗(yàn)證，優(yōu)化后的站點(diǎn)布設(shè)合理，控制突出，層次分明。 [結(jié)論] 湖北省丹江口水庫(kù)周邊山地丘陵水質(zhì)維護(hù)保土區(qū)、南陽(yáng)盆地及大洪山丘陵保土農(nóng)田防護(hù)區(qū)和鄂渝山地水源涵養(yǎng)保土區(qū)水土流失嚴(yán)重，需要在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加水土保持監(jiān)測(cè)站點(diǎn)密度；江漢平原及周邊丘陵農(nóng)田防護(hù)人居環(huán)境維護(hù)區(qū)等地區(qū)水土流失輕微，可適當(dāng)減少水土流失監(jiān)測(cè)站點(diǎn)數(shù)量。

關(guān)鍵詞：水土保持監(jiān)測(cè)站點(diǎn); 優(yōu)化布局; 泰森多邊形； 湖北省

水土保持監(jiān)測(cè)站點(diǎn)是水土保持監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)，監(jiān)測(cè)站點(diǎn)布局的科學(xué)性、合理性對(duì)監(jiān)測(cè)成果的應(yīng)用價(jià)值、權(quán)威性具有重要決定作用[1-2]。汪水前等[3]通過(guò)分析福建省的自然概況、土壤侵蝕類型區(qū)、水土流失重點(diǎn)防治區(qū)分布特點(diǎn)及水土保持試驗(yàn)站現(xiàn)狀，研究了福建省各級(jí)水土保持監(jiān)測(cè)站點(diǎn)布設(shè)原則和監(jiān)測(cè)內(nèi)容。周曉樂(lè)等[4]研究了遼寧省水土保持監(jiān)測(cè)站點(diǎn)規(guī)劃和布局情況。盧剛[5]探討了新疆水土保持監(jiān)測(cè)站點(diǎn)布設(shè)的原則和布設(shè)結(jié)果。但是，在各地區(qū)水土保持監(jiān)測(cè)站點(diǎn)規(guī)劃和布局中，存在監(jiān)測(cè)站點(diǎn)布局覆蓋程度不全、重復(fù)布設(shè)、監(jiān)測(cè)尺度把握不夠等問(wèn)題[1]，造成監(jiān)測(cè)成果不能全面反映各區(qū)域水土流失狀況，使監(jiān)測(cè)結(jié)果的應(yīng)用受到限制。因此，對(duì)現(xiàn)有水土保持監(jiān)測(cè)站點(diǎn)布局進(jìn)行優(yōu)化研究，對(duì)科學(xué)進(jìn)行水土保持監(jiān)測(cè)，合理分析區(qū)域水土流失狀況具有重要意義。

尺度是自然過(guò)程或觀測(cè)研究在空間、時(shí)間或時(shí)空上的特征度量，尺度理論目前被廣泛運(yùn)用于地學(xué)相關(guān)科學(xué)中[6-9]，水土保持監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的布局，會(huì)影響不同區(qū)域尺度的地學(xué)相關(guān)指標(biāo)，如土壤、氣象、水文等因子[10]，因此，在水土保持監(jiān)測(cè)站點(diǎn)布設(shè)過(guò)程中應(yīng)考慮尺度問(wèn)題。本文以湖北省為例，在現(xiàn)有水土保持監(jiān)測(cè)站點(diǎn)基礎(chǔ)上，結(jié)合GIS空間分析功能，運(yùn)用尺度理論對(duì)水土保持監(jiān)測(cè)站點(diǎn)進(jìn)行空間優(yōu)化布局，研究結(jié)果可為湖北省水土保持監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的完善，水土保持科學(xué)管理與決策提供重要支撐。

1研究區(qū)概況

湖北省位于我國(guó)中部，北緯29°05′—33°20′，東經(jīng)108°21′—116°07′之間，國(guó)土總面積1.86×105km2，是三峽工程和南水北調(diào)中線水源地(丹江口水庫(kù))所在地，生態(tài)地位極為重要。根據(jù)第一次全國(guó)水利普查結(jié)果，全省湖北省共有水土流失面積3.69×104km2，占全省總面積的19.85%，是全國(guó)水土流失嚴(yán)重的省份之一。

根據(jù)《全國(guó)水土保持區(qū)劃(試行)》，湖北涉及南方紅壤區(qū)和西南紫色土區(qū)兩個(gè)一級(jí)區(qū)，大別山—桐柏山山地丘陵區(qū)、長(zhǎng)江中游丘陵平原區(qū)、江南山地丘陵區(qū)、秦巴山山地區(qū)、武陵山山地丘陵區(qū)五個(gè)二級(jí)分區(qū)，桐柏大別山山地丘陵水源涵養(yǎng)保土區(qū)、南陽(yáng)盆地及大洪山丘陵保土農(nóng)田防護(hù)區(qū)、江漢平原及周邊丘陵農(nóng)田防護(hù)人居環(huán)境維護(hù)區(qū)、洞庭湖丘陵平原農(nóng)田防護(hù)水質(zhì)維護(hù)區(qū)、幕阜山九嶺山山地丘陵保土生態(tài)維護(hù)區(qū)、丹江口水庫(kù)周邊山地丘陵水質(zhì)維護(hù)保土區(qū)、大巴山山地保土生態(tài)維護(hù)區(qū)和鄂渝山地水源涵養(yǎng)保土區(qū)8個(gè)三級(jí)區(qū)。

2研究方法

2.1　優(yōu)化布局原則

監(jiān)測(cè)點(diǎn)布局要有利于更好地體現(xiàn)監(jiān)測(cè)成果與對(duì)應(yīng)尺度的適宜性，結(jié)合尺度理論的基本要求，提出湖北省三個(gè)尺度上的水土保持監(jiān)測(cè)站點(diǎn)優(yōu)化布局原則[10]：

一級(jí)尺度：從面上對(duì)水土流失狀況的監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)分區(qū)要緊密結(jié)合水土保持綜合防治分區(qū)，并按土壤侵蝕類型分布狀況進(jìn)行布設(shè)進(jìn)行一級(jí)尺度監(jiān)測(cè)點(diǎn)布局，做到從面上對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域的控制。

二級(jí)尺度：從各水土流失類型面上對(duì)水土流失狀況的監(jiān)測(cè)。要根據(jù)各分區(qū)的水土流失特點(diǎn)、危害程度，充分考慮各種侵蝕因子的影響，確定監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的疏密程度。二級(jí)尺度的水土保持監(jiān)測(cè)多邊形具體點(diǎn)位確定時(shí)，各個(gè)三角形的具體位置的確定要照顧地形、地貌、植被、土壤類型等方面的要求。

三級(jí)尺度：從各類水土流失類型局部水土流失狀況的監(jiān)測(cè)。三級(jí)尺度是二級(jí)尺度的輻射，具體位置的確定需要考慮監(jiān)測(cè)的典型性和有效性，對(duì)局部有較好的代表性。因此在二級(jí)尺度分區(qū)的基礎(chǔ)上，依據(jù)湖北省行政區(qū)劃，在二級(jí)尺度布設(shè)的監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的基礎(chǔ)上繼續(xù)優(yōu)化，盡量利用現(xiàn)有站點(diǎn)避免重復(fù)建設(shè)。

2.2　優(yōu)化布局方法

根據(jù)水土保持監(jiān)測(cè)站點(diǎn)優(yōu)化布局原則，在掌握湖北省地形地貌、土地利用、植被、氣候、土壤、水土流失狀況等基本情況的基礎(chǔ)上,分析湖北省行政區(qū)劃及現(xiàn)有水土保持監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的布局,基于分區(qū)和尺度的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行布局優(yōu)化。

一級(jí)尺度布局方法：湖北省土壤侵蝕類型以水力侵蝕為主，與徑流和地形地貌關(guān)系最為直接，通過(guò)分析湖北省水系分布及地形特征，在南方紅壤區(qū)和西南紫色土區(qū)兩個(gè)一級(jí)區(qū)建立水土保持監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，以確保從宏觀上獲取整個(gè)湖北省的水土流失監(jiān)測(cè)基本資料。

二級(jí)尺度布局方法：在一級(jí)尺度上將南方紅壤區(qū)和西南紫色土區(qū)進(jìn)行細(xì)分。對(duì)湖北省土壤侵蝕進(jìn)行分級(jí)，根據(jù)各分區(qū)區(qū)域的水土流失特點(diǎn)、危害程度，充分考慮各種侵蝕因子的影響，確定監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的疏密程度。

三級(jí)尺度布局方法：在二級(jí)尺度分區(qū)的基礎(chǔ)上，依據(jù)湖北省行政區(qū)劃在二級(jí)尺度布設(shè)的監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的基礎(chǔ)上繼續(xù)優(yōu)化，盡量利用現(xiàn)有站點(diǎn)避免重復(fù)建設(shè)。

2.3　數(shù)據(jù)收集與處理

收集湖北省水系分布、行政區(qū)劃資料和地形、植被、土地利用、降雨、土壤等侵蝕因子資料，并完成地形坡度因子(S)、植被覆蓋度因子(L)、土地利用因子(V)、降雨侵蝕力因子(R)的提取，所使用的數(shù)據(jù)為2006年采集。參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)(SL190—2007)，結(jié)合湖北省實(shí)際情況，將地形坡度、植被覆蓋、土地利用、降雨侵蝕力和土壤質(zhì)地幾種侵蝕因子劃分成若干等級(jí)，并按照計(jì)算機(jī)符號(hào)集的串行碼位編碼進(jìn)行統(tǒng)一編碼(表1)，從而對(duì)每一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)因子要素進(jìn)行分等定級(jí)。然后利用ArcGIS中按公式(1) 對(duì)5個(gè)圖層進(jìn)行基于柵格圖層的空間疊置分析，生成湖北省土壤侵蝕等級(jí)圖[11]。

ID=S×105+L×104+V×103+R×102+D

(1)

其中ID為新圖層的圖斑屬性值，可對(duì)每個(gè)小圖斑進(jìn)行土壤侵蝕強(qiáng)度評(píng)價(jià)。

表1　土壤侵蝕指標(biāo)編碼

將湖北省現(xiàn)有水土保持監(jiān)測(cè)站點(diǎn)生成泰森多邊形[12-13]，確定每個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)多邊形的面積，并根據(jù)水土流失等級(jí)，調(diào)整不同監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的疏密。在侵蝕強(qiáng)度和潛在侵蝕強(qiáng)度最高的區(qū)域，優(yōu)先考慮加密監(jiān)測(cè)站點(diǎn)布設(shè)；侵蝕強(qiáng)度和潛在侵蝕強(qiáng)度次強(qiáng)的區(qū)域，同樣應(yīng)該考慮布設(shè)相對(duì)較多的監(jiān)測(cè)點(diǎn)；侵蝕強(qiáng)度、潛在侵蝕強(qiáng)度相對(duì)較弱的區(qū)域，可以考慮適當(dāng)減少監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的布設(shè)；侵蝕強(qiáng)度、潛在侵蝕強(qiáng)度最弱的區(qū)域，一般可以考慮在已有監(jiān)測(cè)站點(diǎn)和控制點(diǎn)范圍內(nèi)適當(dāng)增加少數(shù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。同時(shí)，需要兼顧行政區(qū)劃的因素，例如每個(gè)縣市的監(jiān)測(cè)點(diǎn)不宜過(guò)多，通常一級(jí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)每市一個(gè)。

為了驗(yàn)證布設(shè)方法的合理性，將優(yōu)化后的站點(diǎn)布局生成泰森多邊形，與侵蝕強(qiáng)度的結(jié)果對(duì)比，判斷是否侵蝕越嚴(yán)重的地方泰森多邊形越小越密，從而進(jìn)一步調(diào)整站點(diǎn)數(shù)量和布局，直到最終由已有監(jiān)測(cè)站點(diǎn)及重新布設(shè)站點(diǎn)共同生成的泰森多邊形符合侵蝕越嚴(yán)重監(jiān)測(cè)站點(diǎn)越密原則。

3結(jié)果與分析

3.1　現(xiàn)有監(jiān)測(cè)站點(diǎn)布局分析

湖北省水土保持監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)從2003年開(kāi)始建設(shè)，按三級(jí)設(shè)置機(jī)構(gòu)、配備人員，即省監(jiān)測(cè)中心、監(jiān)測(cè)分站、監(jiān)測(cè)站三級(jí)，由1個(gè)總站(中心)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中心、10個(gè)分站的10個(gè)數(shù)據(jù)分中心以及77個(gè)監(jiān)測(cè)站組成[16]。該網(wǎng)絡(luò)一次規(guī)劃，分二期實(shí)施，一期工程已完成了省監(jiān)測(cè)中心和武漢、恩施、宜昌、黃岡、襄樊、荊門(mén)、十堰、孝感、咸寧、鄂州10個(gè)監(jiān)測(cè)分站的建設(shè)投入使用，目前二期工程，全省4個(gè)綜合監(jiān)測(cè)點(diǎn)、2個(gè)示范監(jiān)測(cè)點(diǎn)、38個(gè)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)及33個(gè)普通監(jiān)測(cè)點(diǎn)共77個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)也已基本建成(圖1)。

圖1　湖北省水土保持監(jiān)測(cè)站點(diǎn)布局

注：1區(qū)為丹江口水庫(kù)周邊山地丘陵水質(zhì)維護(hù)保土區(qū)； 2區(qū)為洞庭湖丘陵平原農(nóng)田防護(hù)水質(zhì)維護(hù)區(qū)； 3區(qū)為幕阜山九嶺山山地丘陵保土生態(tài)維護(hù)區(qū)； 4區(qū)為南陽(yáng)盆地及大洪山丘陵保土農(nóng)田防護(hù)區(qū)； 5區(qū)為桐柏大別山山地丘陵水源涵養(yǎng)保土區(qū)； 6區(qū)為大巴山山地保土生態(tài)維護(hù)區(qū)； 7區(qū)為江漢平原及周邊丘陵農(nóng)田防護(hù)人居環(huán)境維護(hù)區(qū)； 8區(qū)為鄂渝山地水源涵養(yǎng)保土區(qū)。下同。

湖北省水土保持監(jiān)測(cè)點(diǎn)覆蓋了湖北省八大水土保持區(qū)劃和省內(nèi)的主要江河流域，全省高山、丘陵、淺丘和崗地4種地貌都布設(shè)了典型的水土保持監(jiān)測(cè)點(diǎn)。從監(jiān)測(cè)點(diǎn)在全省八大水土保持區(qū)劃的分布看，丹江口水庫(kù)周邊山地丘陵水質(zhì)維護(hù)保土區(qū)有監(jiān)測(cè)點(diǎn)7個(gè)，平均1 671 km2有1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)；大巴山山地保土生態(tài)維護(hù)區(qū)保土生態(tài)維護(hù)區(qū)有監(jiān)測(cè)點(diǎn)24個(gè)，平均1 867 km2有1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，南陽(yáng)盆地及大洪山丘陵保土農(nóng)田防護(hù)區(qū)有監(jiān)測(cè)點(diǎn)1個(gè)，平均18 000 km2有1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)；桐柏大別山山地丘陵水源涵養(yǎng)保土區(qū)有監(jiān)測(cè)點(diǎn)17個(gè)，平均1 876 km2有1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。幕阜山九嶺山山地丘陵保土生態(tài)維護(hù)區(qū)有監(jiān)測(cè)點(diǎn)8個(gè)，江漢平原及周邊丘陵農(nóng)田防護(hù)人居環(huán)境維護(hù)區(qū)有監(jiān)測(cè)點(diǎn)12個(gè)，洞庭湖丘陵平原農(nóng)田防護(hù)水質(zhì)維護(hù)區(qū)有監(jiān)測(cè)點(diǎn)2個(gè)，鄂渝山地水源涵養(yǎng)保土區(qū)有6個(gè)，平均1 763～4 500 km2有1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。大巴山山地保土生態(tài)維護(hù)區(qū)保土生態(tài)維護(hù)區(qū)、桐柏大別山山地丘陵水源涵養(yǎng)保土區(qū)、江漢平原及周邊丘陵農(nóng)田防護(hù)人居環(huán)境維護(hù)區(qū)、幕阜山九嶺山山地丘陵保土生態(tài)維護(hù)區(qū)是湖北省水土保持監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布較密。

表2　湖北省水土保持現(xiàn)有監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分布

從監(jiān)測(cè)點(diǎn)在湖北省主要江河流域的分布情況看，長(zhǎng)江干流有46個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，漢江流域有27個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

73個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)代表了黃棕壤、紅壤、黃坡、潮土、黃褐土、石灰土及紫色土等7種土壤，7種土壤的分布面積占全省總耕地面積的48.65%。由于占全省總耕地面積50.35%的水稻土，主要分布于江漢平原，暫未設(shè)立水稻土典型監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

3.2　監(jiān)測(cè)站點(diǎn)優(yōu)化布局結(jié)果

以湖北省水土保持監(jiān)測(cè)現(xiàn)有站點(diǎn)布局為基礎(chǔ)，根據(jù)湖北省土壤侵蝕特點(diǎn)和水土保持監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，對(duì)湖北省水土保持監(jiān)測(cè)站點(diǎn)空進(jìn)布局進(jìn)行人工優(yōu)化、調(diào)整之后，全省共布設(shè)86個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中一級(jí)尺度12個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，二級(jí)尺度26個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，三級(jí)尺度布設(shè)48個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

(1) 一級(jí)尺度水土保持監(jiān)測(cè)站點(diǎn)布局。為做到從面上對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域的控制，在湖北南方紅壤區(qū)和西南紫色土區(qū)內(nèi)，根據(jù)湖北省行政區(qū)劃，選擇在各區(qū)域市級(jí)地域建立1～2個(gè)水土保持監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，確保在宏觀面上實(shí)現(xiàn)水土保持監(jiān)測(cè)?？蓞⒖己笔∫欢诠こ态F(xiàn)已建成的水土保持監(jiān)測(cè)站點(diǎn)[14]，不必重復(fù)建設(shè)。因此，湖北省共布設(shè)一級(jí)尺度監(jiān)測(cè)站點(diǎn)12個(gè)，分別位于丹江口市，神農(nóng)架林區(qū)，宜昌市，恩施市，利川市，荊門(mén)市，棗陽(yáng)市，隨州市，宜城市，鐘祥市，廣水市，麻城市。

(2) 二級(jí)尺度水土保持監(jiān)測(cè)站點(diǎn)布局。根據(jù)生成的湖北省土壤侵蝕分級(jí)圖(圖2)，按照水土流失程度，優(yōu)化二級(jí)尺度水土保持監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的密度。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，湖北省一共布設(shè)26個(gè)二級(jí)尺度監(jiān)測(cè)點(diǎn)。土壤侵蝕較為嚴(yán)重的區(qū)域，如秦巴山區(qū)，可布設(shè)較多二級(jí)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)。另外，為避免重復(fù)建設(shè)，可在分區(qū)尺度的基礎(chǔ)上，充分利用湖北省現(xiàn)有的水土保持監(jiān)測(cè)點(diǎn)、水文站、滑坡泥石流預(yù)警站、墑情站等已有的歷史監(jiān)測(cè)資料，更好地為水土保持監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

圖2　湖北省土壤侵蝕等級(jí)圖

(3) 三級(jí)尺度水土保持監(jiān)測(cè)站點(diǎn)布局。三級(jí)尺度水土保持監(jiān)測(cè)站點(diǎn)布設(shè)不僅需要反映各縣市水土流失情況的典型特征，而且需要考慮三級(jí)尺度站點(diǎn)布設(shè)與一、二級(jí)尺度站點(diǎn)布設(shè)的補(bǔ)充關(guān)系，以確保湖北省水土保持監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的層次結(jié)構(gòu)。依據(jù)湖北省行政區(qū)劃，在二級(jí)尺度的監(jiān)測(cè)站點(diǎn)布局上繼續(xù)優(yōu)化。三峽庫(kù)區(qū)和丹江口庫(kù)區(qū)是湖北省水土保持監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)，三級(jí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布應(yīng)較密。長(zhǎng)江中游丘陵平原區(qū)及幕阜山區(qū)水土流失較輕，屬全省預(yù)防保護(hù)區(qū)，監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分布應(yīng)較少。

優(yōu)化后的湖北省監(jiān)測(cè)站點(diǎn)布局情況如圖3所示。

圖3　湖北省水土保持監(jiān)測(cè)站點(diǎn)優(yōu)化布局

3.3　優(yōu)化布局結(jié)果分析

從湖北省水土保持監(jiān)測(cè)站點(diǎn)優(yōu)化結(jié)果看，丹江口水庫(kù)周邊山地丘陵水質(zhì)維護(hù)保土區(qū)有監(jiān)測(cè)點(diǎn)11個(gè)，平均1 061 km2有1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)；大巴山山地保土生態(tài)維護(hù)區(qū)保土生態(tài)維護(hù)區(qū)有監(jiān)測(cè)點(diǎn)21個(gè)，平均2 134 km2有1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，南陽(yáng)盆地及大洪山丘陵保土農(nóng)田防護(hù)區(qū)有監(jiān)測(cè)點(diǎn)9個(gè)，平均2 004 km2有1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)；

桐柏大別山山地丘陵水源涵養(yǎng)保土區(qū)有監(jiān)測(cè)點(diǎn)17個(gè)，平均1 875 km2有1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。鄂渝山地水源涵養(yǎng)保土區(qū)有12個(gè)，幕阜山九嶺山山地丘陵保土生態(tài)維護(hù)區(qū)有監(jiān)測(cè)點(diǎn)6個(gè)，洞庭湖丘陵平原農(nóng)田防護(hù)水質(zhì)維護(hù)區(qū)有監(jiān)測(cè)點(diǎn)2個(gè)，江漢平原及周邊丘陵農(nóng)田防護(hù)人居環(huán)境維護(hù)區(qū)有監(jiān)測(cè)點(diǎn)8個(gè)，平均2 253～4 071 km2有1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

丹江口水庫(kù)周邊山地丘陵水質(zhì)維護(hù)保土區(qū)、南陽(yáng)盆地及大洪山丘陵保土農(nóng)田防護(hù)區(qū)、鄂渝山地水源涵養(yǎng)保土區(qū)的優(yōu)化后平均每個(gè)站點(diǎn)的控制面積減少，主要因?yàn)檫@些地區(qū)水土流失嚴(yán)重，侵蝕強(qiáng)度高，較小的控制面積有利于監(jiān)測(cè)站點(diǎn)獲取更為詳細(xì)、可靠的水土保持監(jiān)測(cè)指標(biāo)。而水土流失輕微、侵蝕強(qiáng)度低的地區(qū)，如江漢平原及周邊丘陵農(nóng)田防護(hù)人居環(huán)境維護(hù)區(qū)、幕阜山九嶺山山地丘陵保土生態(tài)維護(hù)區(qū)，優(yōu)化后平均每個(gè)站點(diǎn)的控制面積增加，既滿足侵蝕監(jiān)測(cè)指標(biāo)的獲取，同時(shí)可以減少監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的重復(fù)，避免不必要的浪費(fèi)。

表3　湖北省水土保持監(jiān)測(cè)站點(diǎn)優(yōu)化結(jié)果

3.4　布局結(jié)果驗(yàn)證

將優(yōu)化后的全省監(jiān)測(cè)站點(diǎn)布局生成泰森多邊形(圖4)，并與侵蝕分級(jí)后的結(jié)果多邊形進(jìn)行對(duì)比分析，檢驗(yàn)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的控制范圍及合理性。由圖4可以看出，侵蝕強(qiáng)度最高的分區(qū)泰森多邊形面積較小，單個(gè)多邊形控制范圍較小，如鄂西北秦巴山區(qū)、鄂西南武陵山區(qū)、鄂東北大別山區(qū)以及鄂東南幕阜山區(qū)，這些地區(qū)侵蝕強(qiáng)度高，侵蝕類型復(fù)雜，監(jiān)測(cè)站點(diǎn)控制的面積越小，有利于獲取更詳細(xì)的監(jiān)測(cè)資料。侵蝕強(qiáng)度相對(duì)較弱的地區(qū)，泰森多邊形控制范圍相對(duì)較大，如湖北省中部和南部江漢平原地區(qū)和洞庭湖丘陵平原區(qū)地勢(shì)平坦，土壤侵蝕等級(jí)較低，土壤侵蝕的風(fēng)險(xiǎn)較小，因此相應(yīng)布設(shè)的站點(diǎn)較少。在一些特殊區(qū)域需要加強(qiáng)觀測(cè)，如鄂西北和鄂西南分別是南水北調(diào)中線水源地丹江口水庫(kù)和三峽水庫(kù)所在地，生態(tài)地位極為重要，是湖北省水土保持監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)區(qū)域[15]，這些區(qū)域單個(gè)站點(diǎn)控制的面積更小?？傮w上看，站點(diǎn)的布設(shè)比較合理，控制突出，層次分明，有據(jù)可依，從宏觀上和微觀上基本能夠控制、反映湖北省全省的水土流失狀況。

圖4　水土流失監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)布設(shè)的泰森多邊形驗(yàn)證

4結(jié)論與討論

以湖北省水土保持監(jiān)測(cè)站點(diǎn)布局為例，結(jié)合GIS空間分析功能，運(yùn)用尺度理論對(duì)水土保持監(jiān)測(cè)站點(diǎn)進(jìn)行空間優(yōu)化布局。從監(jiān)測(cè)站點(diǎn)數(shù)量看，經(jīng)過(guò)優(yōu)化之后，湖北省共布設(shè)86個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中一級(jí)尺度12個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，二級(jí)尺度26個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，三級(jí)尺度布設(shè)48個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。每個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的控制面積平均減少平1 660 km2，較之前增加9個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)。從監(jiān)測(cè)區(qū)域看，在水土流失嚴(yán)重的丹江口水庫(kù)周邊山地丘陵水質(zhì)維護(hù)保土區(qū)、南陽(yáng)盆地及大洪山丘陵保土農(nóng)田防護(hù)區(qū)、鄂渝山地水源涵養(yǎng)保土區(qū)優(yōu)化后平均每個(gè)站點(diǎn)的控制面積減少；在侵蝕強(qiáng)度弱的地區(qū)如江漢平原及周邊丘陵農(nóng)田防護(hù)人居環(huán)境維護(hù)區(qū)、幕阜山九嶺山山地丘陵保土生態(tài)維護(hù)區(qū)，優(yōu)化后平均每個(gè)站點(diǎn)的控制面積增加，既滿足侵蝕監(jiān)測(cè)指標(biāo)的獲取，同時(shí)可以減少監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的重復(fù)避免了不必要的浪費(fèi)。經(jīng)過(guò)泰森多邊形檢驗(yàn)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的監(jiān)測(cè)站點(diǎn)布設(shè)合理，控制突出，層次分明，有據(jù)可依，基本能夠控制、反映湖北省全省的水土流失狀況，提高了監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)的針對(duì)性、科學(xué)性。

本研究通過(guò)尺度理論，從一級(jí)尺度到三級(jí)尺度逐級(jí)布設(shè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，將監(jiān)測(cè)點(diǎn)同監(jiān)測(cè)區(qū)域緊密結(jié)合起來(lái)，使得監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)更加簡(jiǎn)便。只要監(jiān)測(cè)站點(diǎn)控制的面積合理，能夠客觀反映監(jiān)測(cè)區(qū)域的水土流失情況即可，大大減低了監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)的難度，提高了監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)的針對(duì)性、科學(xué)性[10]。但是，從水土保持區(qū)劃出發(fā)進(jìn)行尺度分析有一定的主觀性，雖然水土保持區(qū)劃帶有尺度的概念，但是將區(qū)劃結(jié)果等同于尺度等級(jí)存在著不適宜。水土保持監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的布設(shè)需要充分考慮。水土保持監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的布局一方面要考慮區(qū)域代表性,包括自然環(huán)境條件和社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況；另一方面考慮不同觀測(cè)目的和觀測(cè)內(nèi)容情況下的設(shè)施配置[16]，根據(jù)不同的水土保持功能、生態(tài)功能有側(cè)重的進(jìn)行水土保持監(jiān)測(cè)。對(duì)于更為復(fù)雜的開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)，需要按照“項(xiàng)目區(qū)—監(jiān)測(cè)分區(qū)—監(jiān)測(cè)點(diǎn)”逐層細(xì)化的方法,有針對(duì)性的進(jìn)行布設(shè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，將相對(duì)復(fù)雜的項(xiàng)目區(qū)的整體監(jiān)測(cè)拆分到相對(duì)簡(jiǎn)單的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的局部監(jiān)測(cè)[17]。水土保持監(jiān)測(cè)為我國(guó)生態(tài)環(huán)境建設(shè)規(guī)劃、生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供重要依據(jù)，隨著監(jiān)測(cè)法規(guī)制度和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)日益健全，全國(guó)水土保持監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)不斷完善[18]，合理的監(jiān)測(cè)站點(diǎn)布局將會(huì)極大促進(jìn)水土保持科學(xué)的發(fā)展。

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Spatial Localization Optimization of Soil and Water Conservation Monitoring Sites in Hubei Province

YANG Wei1,3, WANG Jian2, LI Lu1,3, ZHOU Ying2

(1.HubeiWaterResourcesResearchInstitute,Wuhan，Hubei430070,China; 2.HuazhongAgriculturalUniversity,Wuhan，Hubei430070,China; 3HubeiEngineeringandTechnologyResearchCenterofSoilandWaterConservation,Wuhan，Hubei430070,China)

Abstract：[Objective] Monitoring sites are the bases of soil and water conservation monitoring. Scientific and reasonable sites layout would directly impact on the accuracy of monitoring data as well as authority. Hence, the spatial localization optimization of monitoring sites was researched in order to provide some supports for effective operation of conservation system and reasonable decision of associated policy. [Methods] Through data collection of soil erosion, combined with GIS spatial analysis, soil erosion intensity classification in Hubei Province was accessed. The theory of scale space was used to optimize the location of soil and water conservation monitoring sites, after that the results were verified using the Thiessen polygon method. [Results] 86 monitoring sites were arranged in the whole province, including 12 monitoring sites at grade 1st scale, 26 monitoring sites at level 2nd scale, 48 monitoring sites at level 3rd. Thiessen polygon verification results showed that the optimized sites were reasonable. [Conclusion] The surrounding hills of Danjiangkou Reservoir, the farmland zone of Dahong Mountain and Nanyang basin, the water conservation districts of Hubei and Chongqing mountainous area were serious in soil erosion. More monitoring sties need to be settled in this area. The surrounding farmland area of Jianghan plain had less soil erosion, and where the amount of soil erosion monitoring sites can appropriately be reduced.

Keywords:monitoring stations; optimized distribution; Thiessen polygon； Hubei Province

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-288X(2015)06-0114-06

中圖分類號(hào)：S157.1

收稿日期：2014-09-21修回日期：2014-10-05

資助項(xiàng)目：湖北省水利前期工作項(xiàng)目“湖北省水土保持監(jiān)測(cè)站點(diǎn)空間優(yōu)化布局研究”，“湖北主要侵蝕區(qū)水土流失綜合調(diào)控原理與治理模式研究”

第一作者：楊偉(1983—),男(漢族),河南省靈寶市人,博士,工程師，主要從事水土保持方面的研究。E-mail:yw.hbwri@gmail.com。

水保監(jiān)測(cè)與應(yīng)用技術(shù)