基于水文自動(dòng)化監(jiān)測(cè)站網(wǎng)開(kāi)展水土流失監(jiān)測(cè)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(fā)技術(shù)集團(tuán)有限公司

水土保持和水土流失監(jiān)測(cè)在構(gòu)建“四位一體”戰(zhàn)略中占據(jù)重要位置，在城市化進(jìn)程不斷加快的時(shí)代背景下，如何完善區(qū)域水土保持、如何提升水資源利用率、如何動(dòng)態(tài)化監(jiān)測(cè)水土流失情況，已經(jīng)成為各級(jí)單位和部門(mén)必須重視并解決的問(wèn)題。從這一層面來(lái)講，水文自動(dòng)化監(jiān)測(cè)站網(wǎng)的建立與使用，就顯得尤為重要，革新管理方式，保護(hù)城市地表徑流，有助于各級(jí)部門(mén)全方位貫徹落實(shí)“兩山論”，最終提升生態(tài)環(huán)境的治理效益。

一、水土流失監(jiān)測(cè)的重要性

（一）為水土保持工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

從技術(shù)層面來(lái)講，我國(guó)幅員遼闊，要想宏觀性監(jiān)測(cè)各地區(qū)水土情況，是具有一定難度的，再加上部分季風(fēng)性氣候區(qū)夏季雨水較為集中，部分山地丘陵地帶自然災(zāi)害種類(lèi)較多，對(duì)水土資源的破壞性更大，技術(shù)人員和相關(guān)監(jiān)測(cè)部門(mén)要想掌握水土流失的發(fā)展規(guī)律，僅僅依靠人工經(jīng)驗(yàn)和靜態(tài)化的信息系統(tǒng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到管理需求。而利用水土流失監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及監(jiān)測(cè)站網(wǎng)的創(chuàng)建，可以為水土流失監(jiān)測(cè)提供多地、多段、多區(qū)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，做好必要的相關(guān)數(shù)據(jù)采集工作，引導(dǎo)利用人工調(diào)查+調(diào)查監(jiān)測(cè)的方式，分析水土流失情況，從而確定工作要點(diǎn)，更好地滿(mǎn)足監(jiān)測(cè)要求。堅(jiān)定監(jiān)測(cè)開(kāi)展力度，為后續(xù)整理、管理提供思路，促進(jìn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集的標(biāo)準(zhǔn)化，根據(jù)坡地徑流、植被覆蓋率等監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，充分發(fā)揮氣象站、監(jiān)測(cè)站、采樣系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)網(wǎng)的作用，方便技術(shù)人員根據(jù)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

（二）動(dòng)態(tài)化掌握水土流失情況

影響區(qū)域性水土流失情況的類(lèi)型有很多種，工業(yè)施工、人為行動(dòng)、氣候變換等都會(huì)加劇水土流失的速度[1]。尤其是自然環(huán)境，具有不可抗力性和不穩(wěn)定性，必須做好動(dòng)態(tài)性監(jiān)測(cè)，才能為后續(xù)水土保持工作提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，采取科學(xué)合理的措施，降低水土流失的破壞性，提供動(dòng)態(tài)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，全程監(jiān)測(cè)流失情況，在定點(diǎn)調(diào)查、地形圖現(xiàn)場(chǎng)調(diào)繪、數(shù)據(jù)匯總、土壤侵蝕強(qiáng)度、小流域侵蝕總量、泥沙流失量、雨量監(jiān)測(cè)等系統(tǒng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的作用下，為后續(xù)水土保持和治理提供科學(xué)決策的依據(jù)。確保相關(guān)部門(mén)的技術(shù)人員和管理人員研究水土保持規(guī)劃方案，全面掌握監(jiān)測(cè)對(duì)象的發(fā)展/變化規(guī)律，設(shè)計(jì)基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)技術(shù)線(xiàn)路，測(cè)算有效土層厚度，控制城市非點(diǎn)源污染的水環(huán)境，從而提升城市水環(huán)境綜合治理效果。

二、水土流失監(jiān)測(cè)存在的不足

當(dāng)前，在水土治理工作中，相關(guān)部門(mén)在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中還存在亟需提升的地方，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)[2]。（1）監(jiān)測(cè)點(diǎn)功能單一，數(shù)量少，部分監(jiān)測(cè)站點(diǎn)選址不合理，因此監(jiān)測(cè)成果在一定程度上難以滿(mǎn)足管理部門(mén)的需求，觀測(cè)因子少；（2）即使多地相繼成立了監(jiān)測(cè)分站，但是監(jiān)測(cè)點(diǎn)間的交流聯(lián)系并不緊密，數(shù)據(jù)之間尚未完成互通互鑒、交流互享；（3）部分偏遠(yuǎn)地區(qū)、縣鄉(xiāng)地區(qū)監(jiān)測(cè)方式落后，對(duì)于一些小流域水土流失監(jiān)測(cè)過(guò)程中，數(shù)據(jù)精度得不到保障，難以實(shí)現(xiàn)全過(guò)程、動(dòng)態(tài)化監(jiān)測(cè)，自動(dòng)化水平低，財(cái)政資金支持不夠，監(jiān)測(cè)成果格式不統(tǒng)一，信息共享平臺(tái)尚未建成；（4）監(jiān)測(cè)技術(shù)人員稀缺，部分地區(qū)人才老齡化嚴(yán)重，水土保持監(jiān)測(cè)工作不能滿(mǎn)足現(xiàn)實(shí)需要，數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)有待健全，監(jiān)測(cè)技術(shù)有待提高，需要充分應(yīng)用新型監(jiān)測(cè)手段。

三、基于水文自動(dòng)化監(jiān)測(cè)站網(wǎng)開(kāi)展水土流失監(jiān)測(cè)

（一）自動(dòng)雨量

自動(dòng)雨量的監(jiān)測(cè)在水土流失和保持工作中，起著重要的作用，水文自動(dòng)化監(jiān)測(cè)站網(wǎng)中的雷達(dá)測(cè)雨系統(tǒng)，可以通過(guò)雷達(dá)組網(wǎng)，確定雨量監(jiān)測(cè)范圍，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)監(jiān)測(cè)雙備份，在上游組建高分辨率雨量雷達(dá)系統(tǒng)。其組成部分主要有：（1）應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)；（2）雨滴譜監(jiān)測(cè)站；（3）數(shù)據(jù)處理單元；（4）數(shù)據(jù)接收交換和監(jiān)控管理平臺(tái)。雨量雷達(dá)結(jié)構(gòu)形式更為靈活，自動(dòng)獲取格點(diǎn)雨量數(shù)據(jù)（600m×600m），將格點(diǎn)雨量?jī)?chǔ)存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，之后進(jìn)行分區(qū)雨量的計(jì)算，在監(jiān)測(cè)區(qū)域（分區(qū)）實(shí)時(shí)面雨量數(shù)據(jù)分時(shí)間、分區(qū)段進(jìn)行儲(chǔ)存，為技術(shù)人員和相關(guān)部門(mén)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息，供洪水預(yù)警預(yù)報(bào)使用。確定水源模型的產(chǎn)流/匯流參數(shù)，根據(jù)自動(dòng)化雨量監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)更新流域面積、滯后時(shí)段數(shù)、地下徑流消退系數(shù)、蓄水容量曲線(xiàn)、流域蓄水容量、壤中流消退系數(shù)等，實(shí)測(cè)洪峰出現(xiàn)時(shí)間，得出峰現(xiàn)時(shí)間誤差。從水土流失的源頭開(kāi)始，做好雨量的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，形成科學(xué)有效的數(shù)據(jù)，做好相應(yīng)預(yù)警工作[3]。雷達(dá)測(cè)雨系統(tǒng)的使用可以及時(shí)對(duì)降雨量進(jìn)行分區(qū)，推測(cè)、降雨演進(jìn)，確保水土保持工作的空間連續(xù)性，提升監(jiān)測(cè)密度，初步率定參數(shù)，將雨量系統(tǒng)與洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)結(jié)合，測(cè)算多場(chǎng)洪水期間監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，充分發(fā)揮水文自動(dòng)化監(jiān)測(cè)站網(wǎng)的信息化作用，為洪水預(yù)警預(yù)報(bào)積累經(jīng)驗(yàn)，及時(shí)規(guī)劃好水土保護(hù)預(yù)案。

（二）徑流、泥沙自動(dòng)化監(jiān)測(cè)

在進(jìn)行水土流失觀測(cè)中，徑流、泥沙自動(dòng)化監(jiān)測(cè)是水文自動(dòng)化監(jiān)測(cè)站網(wǎng)必不可少的一項(xiàng)核心技術(shù)之一，其設(shè)計(jì)原理是：（1）測(cè)定盛水桶容積，測(cè)定清水密度、土壤容重等參數(shù)，利用超聲波傳感器將渾水重量等數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存和采集；（2）實(shí)施測(cè)量行徑流量，上傳至集成系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)化測(cè)量含沙量，其核心參數(shù)主要有清水密度、地區(qū)坡度、徑流平均空氣含量、土壤容重，將此類(lèi)核心數(shù)值輸入到自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，進(jìn)行觀察和比對(duì)。當(dāng)前我國(guó)對(duì)徑流、泥沙自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的研究已經(jīng)取得了階段性進(jìn)展，在水文自動(dòng)化監(jiān)測(cè)站網(wǎng)中已經(jīng)可以利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、空間插值方法等測(cè)算年平均徑流量，對(duì)下游小尺度流域徑流、泥沙進(jìn)行監(jiān)測(cè)。本文主要研究空間插值方法與“3S”網(wǎng)絡(luò)分析相結(jié)合的辦法，為水文分析和自動(dòng)化監(jiān)測(cè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，得出核心信息，構(gòu)建河流網(wǎng)絡(luò)插值法流程圖，并對(duì)水量水質(zhì)進(jìn)行同步監(jiān)測(cè)。在降雨結(jié)束后，峰頂、峰腰、落平利用流速儀法和浮標(biāo)法，進(jìn)行三次監(jiān)測(cè)，計(jì)算流域的最大流速和平均流速，測(cè)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(kuò)大所述流域的觀察站點(diǎn)數(shù)量，并確定好所在區(qū)域，監(jiān)測(cè)站點(diǎn)應(yīng)該附集荒坡地、耕地、工業(yè)用地等，利用“3S”技術(shù)進(jìn)行宏觀監(jiān)測(cè)，重視坡地徑流觀測(cè)項(xiàng)目，提升數(shù)據(jù)分析完整性。

（三）流域土壤侵蝕自動(dòng)化監(jiān)測(cè)

流域土壤侵蝕情況從本質(zhì)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(guān)系[4]。在水文自動(dòng)化監(jiān)測(cè)站網(wǎng)的布設(shè)中，通過(guò)GIS分析法，結(jié)合DOM技術(shù)、紅外影像技術(shù)、DEM技術(shù)的應(yīng)用，可以直接提取土壤侵蝕影響因子，對(duì)侵蝕強(qiáng)度進(jìn)行判斷，判定監(jiān)測(cè)指標(biāo)，主要通過(guò)對(duì)水蝕區(qū)坡蝕強(qiáng)度、水蝕區(qū)溝蝕強(qiáng)度、水蝕區(qū)風(fēng)蝕強(qiáng)度、植被覆蓋地表形態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具體指標(biāo)如表1。

表1 土壤侵蝕影響因子判定指標(biāo)

基于流域數(shù)字航攝影像，根據(jù)地形地貌特征，首先，將已經(jīng)采集到的流域沿線(xiàn)數(shù)據(jù)匯總到三維立體圖形中，基于DEM技術(shù)構(gòu)成溝壑烈度計(jì)算單元，其次，技術(shù)人員和信息采集人員根據(jù)實(shí)際情況對(duì)上中下游重點(diǎn)支流和主要泥沙來(lái)源進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)控，從而判定流域土壤侵蝕狀況。最后，根據(jù)核心數(shù)值判斷當(dāng)?shù)厮亮魇Ъ?jí)度，從空間分布上總結(jié)出土壤質(zhì)地松軟抗蝕能力，在遇汛期強(qiáng)降雨來(lái)臨之前，將預(yù)防監(jiān)督與治理兩手抓，及時(shí)做好防控措施，發(fā)揮水質(zhì)監(jiān)測(cè)站、水文自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的作用。

四、其他要點(diǎn)

（一）依托水文站網(wǎng)布局

從水文自動(dòng)化監(jiān)測(cè)站網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)層面，筆者已經(jīng)從技術(shù)視角給出水土流失監(jiān)測(cè)的工作方法，但是僅僅依靠技術(shù)建設(shè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足水土保持的需求，還應(yīng)該緊緊依靠水文站網(wǎng)布局，構(gòu)建趨于成熟的站網(wǎng)體系。布設(shè)水文基本站，將蒸發(fā)站、水文站、雨量站、土壤侵蝕自動(dòng)化監(jiān)測(cè)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(jiān)測(cè)、小水庫(kù)預(yù)警、流域預(yù)警、水質(zhì)監(jiān)測(cè)、防汛信息監(jiān)測(cè)等，在水文站建設(shè)方面，筆者建議，水文站點(diǎn)選擇必須預(yù)留一定的發(fā)展空地（周邊），相關(guān)手續(xù)齊全，交通較為便捷，在水土流失多發(fā)區(qū)和嚴(yán)重區(qū)可以增加水文站監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)數(shù)量，提升基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

（二）加強(qiáng)設(shè)備優(yōu)化

水文自動(dòng)化監(jiān)測(cè)站中，觀測(cè)站房的投資與建設(shè)需要強(qiáng)有力的設(shè)備支撐和資金支撐[5]。筆者以40平方米建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為例，在我國(guó)東南沿海地區(qū)的裝修費(fèi)+征地費(fèi)+稅額共需20萬(wàn)元左右，此外信息實(shí)時(shí)查詢(xún)和遠(yuǎn)程運(yùn)輸所需要的總投資大概在6萬(wàn)元左右，另外站房的專(zhuān)業(yè)性設(shè)備購(gòu)買(mǎi)、維護(hù)費(fèi)用（多功能氣象站、自動(dòng)采樣器、自動(dòng)水位計(jì)、泥沙測(cè)定耗材、技術(shù)人員工資、運(yùn)行與維護(hù)費(fèi)用）在80萬(wàn)元左右（去掉地方財(cái)政補(bǔ)貼），由此可見(jiàn)，水文自動(dòng)化監(jiān)測(cè)站所涉及到的設(shè)備費(fèi)用基本是建設(shè)費(fèi)用的2倍，如果在日常工作和使用過(guò)程中，出現(xiàn)設(shè)備更新和擴(kuò)建服務(wù)，總花費(fèi)將達(dá)到建設(shè)費(fèi)用的2.75倍左右。因此相關(guān)水文監(jiān)測(cè)部門(mén)應(yīng)該高效利用財(cái)政資金，促進(jìn)信息共享平臺(tái)的建立，在設(shè)備應(yīng)用的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的功能，克服水土保持監(jiān)測(cè)的局限性，選擇合理區(qū)域，提高運(yùn)行效率，推進(jìn)水文現(xiàn)代化發(fā)展，利用監(jiān)測(cè)設(shè)備，與技術(shù)人員相互配合，規(guī)劃出監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

（三）組建高質(zhì)量的人才隊(duì)伍

在水文自動(dòng)化監(jiān)測(cè)站網(wǎng)開(kāi)展中，僅僅依靠設(shè)備和技術(shù)的支持難以促成水土流失監(jiān)測(cè)體系的建設(shè)，我國(guó)水文行業(yè)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期發(fā)展，在硬件設(shè)施方面已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高效發(fā)展，但是即使是自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，也不能離開(kāi)“人”的基本活動(dòng)，因此筆者建議，在今后水土流失監(jiān)測(cè)過(guò)程中，必須構(gòu)建一支高質(zhì)量人才隊(duì)伍，將硬件設(shè)施、管理體系、軟件應(yīng)用相結(jié)合，及時(shí)補(bǔ)充專(zhuān)業(yè)技術(shù)從業(yè)人員。使用多普勒聲學(xué)監(jiān)測(cè)設(shè)備，推廣遙測(cè)報(bào)汛系統(tǒng)的使用和信息化建設(shè)平臺(tái)，滿(mǎn)足監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)隊(duì)伍人才缺口，與各級(jí)信息中心實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互通，完善遙測(cè)報(bào)汛系統(tǒng)，水文勘察工隊(duì)伍必須熟練掌握并運(yùn)用常規(guī)監(jiān)測(cè)設(shè)備，進(jìn)行測(cè)沙、測(cè)流、測(cè)水位等，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和信息發(fā)布，在水土保持技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，技術(shù)人員必須勝任應(yīng)急監(jiān)測(cè)車(chē)、水質(zhì)自動(dòng)采樣船等專(zhuān)業(yè)裝備。加強(qiáng)從業(yè)人員梯隊(duì)建設(shè)，積極引進(jìn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人才、應(yīng)用人才、監(jiān)管人才。對(duì)水災(zāi)監(jiān)測(cè)站網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化，完善監(jiān)測(cè)層位，提升地下水布設(shè)密度，調(diào)整監(jiān)測(cè)方式，采用自動(dòng)監(jiān)測(cè)+人工復(fù)核方式，改善測(cè)驗(yàn)方式，為水土保持提供人才支撐，引進(jìn)監(jiān)測(cè)經(jīng)驗(yàn)豐富的項(xiàng)目管理人才，在特殊類(lèi)型區(qū)域，提升站網(wǎng)建設(shè)，充實(shí)人才隊(duì)伍，促進(jìn)水土保持監(jiān)測(cè)工作持續(xù)，穩(wěn)定發(fā)展。

五、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，水土流失監(jiān)測(cè)可以提供多地、多段、多區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，方便技術(shù)人員利用監(jiān)測(cè)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，全面掌握監(jiān)測(cè)對(duì)象的發(fā)展/變化規(guī)律，設(shè)計(jì)基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)技術(shù)線(xiàn)路。因此筆者建議，在今后工作中應(yīng)該構(gòu)建一支高質(zhì)量人才隊(duì)伍，依托水文站網(wǎng)布局，利用自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行徑流、泥沙、雨量、土壤侵蝕的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，提升監(jiān)測(cè)點(diǎn)間的交流聯(lián)系緊密度，構(gòu)建內(nèi)部完善的責(zé)任制度，充分發(fā)揮監(jiān)測(cè)站網(wǎng)功能，優(yōu)化監(jiān)測(cè)方式。