江蘇省水土保持監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)

劉戀 談曉珊 周亞平 劉凱

［關(guān)鍵詞］水土保持；信息化；監(jiān)測系統(tǒng)；江蘇省

［摘要］為適應(yīng)新形勢下水土保持改革發(fā)展的需要，結(jié)合江蘇省水土流失現(xiàn)實(shí)情況和水土保持信息化建設(shè)的基本業(yè)務(wù)管理需求，建立了江蘇省水土保持監(jiān)測系統(tǒng)。介紹了該系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)、結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)內(nèi)容，并指出其實(shí)現(xiàn)了對(duì)坡面徑流場、控制站、氣象站、綜合實(shí)驗(yàn)站水土保持監(jiān)測信息的采集、傳輸、入庫等。經(jīng)過3a的運(yùn)行，該系統(tǒng)為江蘇省水利信息采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)群诵臉I(yè)務(wù)提供了有力支撐，在改造傳統(tǒng)水土保持監(jiān)測手段、提高管理服務(wù)能力等方面發(fā)揮了重要作用。

［中圖分類號(hào)］S157［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A［文章編號(hào)］1000－0941（2023）03－0039－03

隨著水利事業(yè)的不斷發(fā)展和水利信息化工作的不斷推進(jìn)，江蘇省各級(jí)水行政主管部門不斷加大投資，完善水利信息采集、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存管理等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，初步形成了對(duì)業(yè)務(wù)應(yīng)用的支撐體系，提高了防汛抗旱、水資源管理和水行政管理水平。但是，目前在水土保持信息化建設(shè)方面仍比較滯后，沒有建成集信息采集、傳輸、處理為一體的信息系統(tǒng)，不利于水土保持工作水平的提升。為了加強(qiáng)生態(tài)文明建設(shè)，開展水土保持監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)非常必要。

江蘇省水土保持監(jiān)測系統(tǒng)（以下簡稱“監(jiān)測系統(tǒng)”）是江蘇省水利信息化的重要組成部分，是江蘇省開發(fā)的第一個(gè)服務(wù)于水土保持工作的信息系統(tǒng)，是推進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)的重要舉措，是水行政主管部門依法承擔(dān)水土保持監(jiān)督管理職責(zé)的重要手段，是發(fā)揮水土保持監(jiān)測在政府決策、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和社會(huì)公眾服務(wù)中作用的重要體現(xiàn)，而各地水土保持監(jiān)測站點(diǎn)是全省水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和信息系統(tǒng)建設(shè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集工作的基礎(chǔ)［1］。監(jiān)測系統(tǒng)于2018年開始建設(shè)，2019年逐步投入使用，經(jīng)過3a多的使用，全面提升了水土保持決策、管理和服務(wù)水平。

1建設(shè)目標(biāo)

目標(biāo)是通過監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)，初步建成一個(gè)以地面觀測為基礎(chǔ)，集水土保持信息采集、傳輸、處理為一體的水土保持監(jiān)測系統(tǒng)，基本實(shí)現(xiàn)水土保持監(jiān)測等核心業(yè)務(wù)的信息化，為人工觀測數(shù)據(jù)提供校核，為各級(jí)政府水土保持決策提供科學(xué)高效的技術(shù)支撐［2］。

2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)范圍涵蓋江蘇省丘陵山區(qū)和平原沙土區(qū)的重點(diǎn)治理區(qū)，涉及全省13個(gè)地級(jí)市。依據(jù)《水土保持監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》（SL277—2002）、《水土保持監(jiān)測設(shè)施通用技術(shù)條件》（SL342—2006）、《江蘇省水文自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約》（DB32/T2197—2012）等技術(shù)規(guī)范，共建設(shè)124個(gè)水土保持信息采集站點(diǎn)，其中新建12處坡面徑流場、1個(gè)小流域控制站、87個(gè)氣象站、l個(gè)水土保持綜合試驗(yàn)站，改建3個(gè)坡面徑流場和20個(gè)控制站，完成各新建和改建水土保持監(jiān)測站點(diǎn)的硬件設(shè)備集成、各水土保持監(jiān)測分站監(jiān)測信息采集平臺(tái)建設(shè)和根據(jù)本項(xiàng)目數(shù)據(jù)采集要求對(duì)江蘇省水利數(shù)據(jù)中心信息采集平臺(tái)的改造，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)入庫。

3系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1信息采集

信息采集系統(tǒng)由坡面徑流場、小流域控制站、氣象站、水土保持綜合試驗(yàn)站4類站點(diǎn)組成。

3.1.1坡面徑流場

坡面徑流場信息采集系統(tǒng)主要用于監(jiān)測水蝕區(qū)單項(xiàng)水土流失影響因子或單項(xiàng)坡地水土保持措施效益，主要監(jiān)測內(nèi)容見表1，還可根據(jù)需要監(jiān)測土壤養(yǎng)分流失量、土壤理化性質(zhì)等項(xiàng)目。

坡面徑流場降雨量監(jiān)測采用全自動(dòng)氣象站。全自動(dòng)氣象站與數(shù)據(jù)采集器連接，設(shè)置相關(guān)參數(shù)并初始化，設(shè)置數(shù)據(jù)采集器記錄雨量時(shí)間間隔為1min，通過率定與通信測試，確保設(shè)備正常運(yùn)行。每次降雨后數(shù)據(jù)采集器會(huì)自動(dòng)記錄降雨量數(shù)據(jù)，所采集的數(shù)據(jù)通過GPRS或者GSM無線傳輸至數(shù)據(jù)庫。

徑流泥沙監(jiān)測采用自動(dòng)監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測和人工輔助的方式。徑流泥沙監(jiān)測采用的是徑流小區(qū)徑流泥沙自動(dòng)采集系統(tǒng)，主要由翻斗式徑流自記儀、輪式自動(dòng)泥沙采樣器和集流桶組成。在次降雨過程中觀測小區(qū)產(chǎn)流后，采集系統(tǒng)通過輪式自動(dòng)泥沙采樣器將小區(qū)內(nèi)徑流量的1%收集到集流桶，再按取樣比例還原計(jì)算，以避免過大的量水設(shè)備；經(jīng)過輪式自動(dòng)泥沙采樣器的其余徑流量經(jīng)75mm導(dǎo)管與翻斗式徑流自記儀連接，翻斗式徑流自記儀會(huì)自動(dòng)記錄小區(qū)徑流過程與徑流量，將采集的數(shù)據(jù)無線傳輸至數(shù)據(jù)庫，每30min發(fā)送1次；在徑流小區(qū)出口安裝泥沙自動(dòng)采集器，率定與測試正常后，用泥沙自動(dòng)采樣器采集泥沙，由工作人員將渾水樣帶回實(shí)驗(yàn)室，采用沉淀烘干法或過濾烘干法測定含沙量，并將測定結(jié)果填錄至數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

植被覆蓋度觀測采用便攜式植被覆蓋度攝影測量儀。每隔15d（每月1日、15日）采用照相法觀測每個(gè)徑流小區(qū)的喬木郁閉度、植被覆蓋度、植被平均高度等，徑流小區(qū)產(chǎn)流后加測1次。采用照相機(jī)垂直向地面（植被覆蓋度）或天空（喬木郁閉度）方向拍照，將相片導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，通過圖像處理軟件獲得植被覆蓋度和喬木郁閉度，并將測定結(jié)果填錄至數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

土壤含水量觀測采用在線監(jiān)測方法。在每個(gè)徑流小區(qū)土壤深度10、20、40cm處分別安裝1個(gè)土壤水分傳感器，將傳感器與數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行連接，設(shè)置采集器記錄土壤含水量時(shí)間間隔為30min，經(jīng)率定與通信測試運(yùn)行正常后，數(shù)據(jù)采集器會(huì)自動(dòng)記錄土壤含水量數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)無線傳輸至數(shù)據(jù)庫。

作物產(chǎn)量采用人工觀測法。根據(jù)徑流小區(qū)作物成熟狀況確定測產(chǎn)日期。測定作物產(chǎn)量時(shí)，在每個(gè)小區(qū)的上部、中部和下部各選擇3個(gè)測點(diǎn)，行播作物取2～3行，每行取2～3m，樣方面積一般為1～4m2。取樣后在實(shí)驗(yàn)室測定樣本鮮質(zhì)量、干質(zhì)量及籽粒干質(zhì)量等，計(jì)算小區(qū)產(chǎn)量，將測定結(jié)果填錄至數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

3.1.2控制站

控制站主要功能是通過對(duì)不同流域特征、氣象水文條件、土地利用狀況下的小流域水土流失進(jìn)行長期監(jiān)測，分析水土流失量、面積、強(qiáng)度和危害，以及采取的水土保持措施數(shù)量、質(zhì)量及效益等。

徑流和泥沙是控制站的主要監(jiān)測指標(biāo)。徑流監(jiān)測采用自動(dòng)監(jiān)測設(shè)備，泥沙監(jiān)測為泥沙自動(dòng)采樣和人工測量相結(jié)合。通過實(shí)地調(diào)查，小流域控制站的流量變化范圍較大，通?？菟诹髁枯^小，汛期流量較大，因此選用三角形薄壁堰和矩形薄壁堰相結(jié)合的復(fù)合式薄壁堰。采用泵抽式徑流泥沙自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)（由泵抽式徑流泥沙自動(dòng)監(jiān)測設(shè)備、遙測終端、太陽能供電系統(tǒng)等組成），可同時(shí)測定堰槽水位和流速，滿足50a一遇24h最大降雨產(chǎn)流全過程徑流監(jiān)測需求，降雨產(chǎn)流后實(shí)時(shí)記錄徑流量，每分鐘記錄1次堰槽水位，每小時(shí)采樣1次懸移質(zhì)泥沙，降雨結(jié)束后采樣1次推移質(zhì)泥沙。此外，降雨量、溫度、風(fēng)速等采用全自動(dòng)氣象站觀測，采集到的數(shù)據(jù)通過GPRS或者GSM無線傳輸至數(shù)據(jù)庫。

3.1.3氣象站

地面氣象觀測是獲取氣象資料的重要手段。江蘇省土壤侵蝕以水力侵蝕為主，而降雨是形成水力侵蝕的主要?jiǎng)恿σ蛩?，因此氣象站網(wǎng)是水土保持監(jiān)測站網(wǎng)布局的重要組成部分。通過建立與徑流小區(qū)配套的氣象站進(jìn)行長期地面氣象觀測，積累基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，能夠?yàn)榻?dāng)?shù)馗黝愋陀玫氐膮?shù)值數(shù)據(jù)庫、準(zhǔn)確把握水土流失狀況、制定合理的防治對(duì)策提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。氣象站的主要功能是長期定點(diǎn)觀測降雨量、降雨強(qiáng)度和降雨過程，分析降雨年內(nèi)、年際分配，探求降雨侵蝕力分布規(guī)律。在充分利用現(xiàn)有水文系統(tǒng)238個(gè)雨量站的基礎(chǔ)上，根據(jù)水土保持中小流域管理與治理特點(diǎn)，在水土流失較嚴(yán)重的治理區(qū)以小流域?yàn)閱挝恍略?7個(gè)全自動(dòng)桿式氣象站，監(jiān)測風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、土壤含水量、降雨量及其過程等。

3.1.4綜合試驗(yàn)站

監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)的水土保持綜合試驗(yàn)站是具備水土保持成果展示等綜合監(jiān)測任務(wù)的試驗(yàn)站，主要由坡面徑流場、控制站和設(shè)備保護(hù)站房等組成。主要監(jiān)測內(nèi)容包括降雨量、徑流量、泥沙量、植被覆蓋度、土壤含水量、作物產(chǎn)量等，也可根據(jù)需要開展土壤養(yǎng)分流失量、土壤理化性質(zhì)等項(xiàng)目監(jiān)測工作。

綜合試驗(yàn)站共建有10個(gè)坡面徑流小區(qū)。1～8號(hào)徑流小區(qū)水平投影坡長20m、寬5m、坡度10°，安裝有徑流小區(qū)徑流泥沙自動(dòng)采集系統(tǒng)（包括翻斗式徑流自記儀、輪式自動(dòng)泥沙采樣器等），能自動(dòng)監(jiān)測徑流泥沙。作為對(duì)比，9～10號(hào)徑流小區(qū)水平投影坡長22m、寬10m、坡度5°，其徑流泥沙監(jiān)測采用傳統(tǒng)的人工監(jiān)測法，其中泥沙監(jiān)測采用人工取樣和實(shí)驗(yàn)室烘干法，徑流監(jiān)測是通過人工讀取集水池里布設(shè)的電子水尺。各小區(qū)植被覆蓋度、土壤含水量、氣象因子監(jiān)測方法與坡面徑流場相同。

3.2信息傳輸

氣象、徑流、土壤含水量等自動(dòng)監(jiān)測信息按照水文系統(tǒng)現(xiàn)行的傳輸流程和方式進(jìn)行傳輸。監(jiān)測點(diǎn)信息采集設(shè)備通過RS232/485通信接口與RTU連接，監(jiān)測點(diǎn)、各監(jiān)測分站與監(jiān)測總站之間為雙向信道。按照江蘇省水情信息傳輸網(wǎng)絡(luò)建設(shè)要求，主信道為GPRS網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)測站點(diǎn)的監(jiān)測信息通過GPRSVPDN專線傳到監(jiān)測分站，監(jiān)測分站收到的監(jiān)測信息實(shí)時(shí)傳輸至監(jiān)測總站，監(jiān)測總站與分站之間通過水利專網(wǎng)進(jìn)行通信，備用信道為CDMA網(wǎng)絡(luò)，利用總站的CDMAVPDN專線集中所有測站信息，同時(shí)向各分站自動(dòng)分發(fā)。信息傳輸流程見圖1。

3.3信息入庫

江蘇省水文水資源勘測局、13個(gè)分局的水文自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)采集軟件是省（分）中心對(duì)遙測終端進(jìn)行統(tǒng)一控制、管理的軟件操作平臺(tái)，能夠?qū)崟r(shí)接收遙測終端的自報(bào)信息，并落地入庫。分中心采集軟件通過GPRS信道與遙測終端實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信，并監(jiān)視每個(gè)遙測終端的GPRS信道通暢。省中心采集軟件通過CDMA與遙測終端實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信，并監(jiān)視每個(gè)遙測終端的CDMA信道通暢。省中心根據(jù)測站自報(bào)情況，確認(rèn)使用備份信道（CDMAVPDN）的遙測終端，并即時(shí)接管該類終端的命令控制功能，直至其主信道再次起用，備份信道進(jìn)入休眠。

按照《江蘇省水文自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約》（DB32/T2197—2012）要求，遙測終端RTU將各監(jiān)測點(diǎn)采集到的信息接入現(xiàn)有的水文自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)采集平臺(tái)，同時(shí)增加了江蘇省水土保持監(jiān)測與管理信息系統(tǒng)工程所需的泥沙、氣象監(jiān)測要素，在原始庫中增加了相應(yīng)的表格。

4建設(shè)成果及系統(tǒng)功能

江蘇省區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)擾動(dòng)強(qiáng)烈，人為水土流失嚴(yán)重。監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)合江蘇省實(shí)際，選定具有代表性的124個(gè)水土保持信息采集站點(diǎn)，充分利用信息技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測站點(diǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸情況的記錄和告警、觀測數(shù)據(jù)的規(guī)范格式入庫，為各個(gè)監(jiān)測站點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)整編提供了支撐，真正發(fā)揮了信息化效益，減少了人為重復(fù)性工作量。經(jīng)過3a多的運(yùn)行，監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及時(shí)準(zhǔn)確，獲得的監(jiān)測、模擬數(shù)據(jù)為水土流失治理、面源污染控制及水文模擬等奠定了基礎(chǔ)，全面提高了江蘇省水土保持監(jiān)測工作的現(xiàn)代化水平和服務(wù)能力。

5結(jié)語

監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)初步實(shí)現(xiàn)了江蘇省水土保持核心業(yè)務(wù)信息化，但是江蘇省的水土保持信息化還處于初步建成階段，隨著水土保持工作的不斷深入，信息化建設(shè)還需不斷強(qiáng)化。未來，將根據(jù)監(jiān)管能力現(xiàn)代化建設(shè)新需求，進(jìn)一步擴(kuò)大硬件存儲(chǔ)容量，運(yùn)用邊緣計(jì)算、數(shù)字孿生等技術(shù)，構(gòu)建更科學(xué)、實(shí)用的水土保持智慧應(yīng)用系統(tǒng)［3］。

［參考文獻(xiàn)］

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［3］張嬙，郭紅麗，吳芳，等.江蘇省水土保持監(jiān)測與管理信息系統(tǒng)建設(shè)的實(shí)踐與探討［J］.中國水土保持，2022（3）：62-65.

［作者簡介］劉戀（1992—），女，山東蓬萊人，工程師，碩士，主要從事水土保持與荒漠化防治方向的研究工作。［收稿日期］2022-06-20

（責(zé)任編輯李楊楊）

［基金項(xiàng)目］南京水利科學(xué)研究院中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（Y921012）