湖北省水土保持監(jiān)測站點(diǎn)徑流小區(qū)布設(shè)及觀測成果應(yīng)用

高 超，趙愛軍，楊 偉，何陽波，林麗蓉，丁樹文

(1.湖北省水土保持監(jiān)測中心，湖北 武漢 430071； 2.湖北省水利水電科學(xué)研究院，湖北 武漢 430064；3.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430070)

水土保持監(jiān)測是防治水土流失和改善生態(tài)環(huán)境的重要基礎(chǔ)性工作。當(dāng)前國家生態(tài)文明建設(shè)對(duì)水土保持監(jiān)測工作提出了新的更高的要求，水土保持監(jiān)測工作所面臨的形勢和任務(wù)也因此發(fā)生了較大轉(zhuǎn)變。雖然湖北省水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)在全省水土保持工作中發(fā)揮了重要作用，但由于早期建設(shè)的監(jiān)測體系存在監(jiān)測點(diǎn)分布不均衡、徑流小區(qū)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、設(shè)備老化等問題，因此無法滿足新形勢下的水土保持監(jiān)測工作需求[1]。水土保持監(jiān)測點(diǎn)和徑流小區(qū)的合理布設(shè)，以及觀測成果的科學(xué)應(yīng)用是水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的重要內(nèi)容。

縱觀國內(nèi)外，徑流小區(qū)在水土流失監(jiān)測過程中發(fā)揮了非常重要的作用。1917年，美國MILLER教授首次將徑流小區(qū)設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)化[2]。之后的100多年里，國外研究人員沿用MILLER教授的標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)觀測法，開展土壤侵蝕定量研究和通用土壤流失方程的建立、修訂等工作[3]。我國運(yùn)用徑流小區(qū)法進(jìn)行水土流失定量觀測研究始于1922年，之后構(gòu)建了很多區(qū)域尺度的土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型，如紅壤區(qū)、黑土區(qū)、黃土高原區(qū)等，還開展了土壤侵蝕因子率定工作，以及構(gòu)建了用于全國水土流失專項(xiàng)普查的中國土壤流失方程等[4]。湖北省水土保持監(jiān)測工作始于20世紀(jì)50年代，經(jīng)過60多年的發(fā)展，特別是通過湖北省水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)與信息系統(tǒng)建設(shè)一期、二期工程的實(shí)施，全省已經(jīng)初步建成了覆蓋各市州的水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系。但由于早期各監(jiān)測點(diǎn)徑流小區(qū)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不一致、設(shè)置目的不明確、管理維護(hù)水平不高，因此不同監(jiān)測點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)難以對(duì)比分析。湖北省從2018年開始對(duì)水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行升級(jí)改造，對(duì)各監(jiān)測點(diǎn)的徑流小區(qū)進(jìn)行了統(tǒng)一布局，逐步實(shí)現(xiàn)了徑流小區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)化[5]。本研究以湖北省為案例，介紹省級(jí)水土保持監(jiān)測站點(diǎn)和徑流小區(qū)的優(yōu)化布設(shè)及觀測成果的應(yīng)用方案，希望能給其他省份的水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)升級(jí)改造工作提供參考。

1 監(jiān)測站點(diǎn)布局

1.1 原有監(jiān)測點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)體系

湖北省是全國水土流失較為嚴(yán)重的省份之一，全省水土流失面積3.16萬km2，占國土面積的17.02%(數(shù)據(jù)來自《2020年湖北省水土保持公報(bào)》)。省內(nèi)水土流失狀況復(fù)雜，各地區(qū)氣候、地形、地質(zhì)、土壤、植被等侵蝕因子差異較大，構(gòu)建健全、科學(xué)的水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系對(duì)湖北省水土流失監(jiān)測、水土保持措施效益評(píng)估和生態(tài)安全保障具有重要意義。

湖北省原有水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)在2010年全面建成，包括1個(gè)省水土保持監(jiān)測中心、10個(gè)市(州)級(jí)監(jiān)測分站和77個(gè)監(jiān)測點(diǎn)(包括4個(gè)綜合、38個(gè)重點(diǎn)、2個(gè)示范、33個(gè)普通監(jiān)測點(diǎn))。面對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)的新需求，湖北省原有的水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系逐漸暴露出一些問題：舊的監(jiān)測站點(diǎn)布局難以滿足重點(diǎn)防治區(qū)動(dòng)態(tài)監(jiān)測的工作需求，必須根據(jù)《全國水土保持規(guī)劃國家級(jí)水土流失重點(diǎn)預(yù)防區(qū)和重點(diǎn)治理區(qū)復(fù)核劃分成果》要求做出相應(yīng)調(diào)整；監(jiān)測點(diǎn)布局不夠合理，分類和數(shù)量偏多，需要進(jìn)一步精簡；大部分監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測設(shè)施老舊，影響數(shù)據(jù)的精確性，需要更換；徑流小區(qū)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，設(shè)置目的不明確，措施布置和日常管理流程等缺乏系統(tǒng)性，影響觀測數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性，導(dǎo)致不同監(jiān)測站點(diǎn)、不同徑流小區(qū)之間的數(shù)據(jù)難以進(jìn)行科學(xué)分析和比較研究。

1.2 優(yōu)化后的監(jiān)測站點(diǎn)空間布局

湖北省監(jiān)測站點(diǎn)優(yōu)化布局遵循“以大江大河流域?yàn)閱卧M(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃；水土保持區(qū)劃全覆蓋；代表性強(qiáng)、重點(diǎn)突出、層次分明；多尺度相結(jié)合；充分利用已有水土保持站點(diǎn)和水文站點(diǎn)；經(jīng)濟(jì)實(shí)用、密度適中、便利安全”的原則。優(yōu)化后的湖北省水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系包括兩部分：一是省級(jí)水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，由省水土保持監(jiān)測中心、市(州)級(jí)監(jiān)測分站及監(jiān)測點(diǎn)三級(jí)組成(表1)；二是縣(區(qū)、市)級(jí)水土保持監(jiān)測點(diǎn)，由縣(區(qū)、市)級(jí)監(jiān)測機(jī)構(gòu)按照行政區(qū)劃自行設(shè)置，自主建設(shè)普通監(jiān)測點(diǎn)。優(yōu)化后的省級(jí)水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)由1個(gè)省水土保持監(jiān)測中心、14個(gè)市(州)級(jí)監(jiān)測分站和42個(gè)監(jiān)測點(diǎn)組成。對(duì)比優(yōu)化前后，1個(gè)省水土保持監(jiān)測中心保持不變，市(州)級(jí)監(jiān)測分站由原來的10個(gè)增加到14個(gè)，增加的4個(gè)是將優(yōu)化前的4個(gè)綜合監(jiān)測點(diǎn)調(diào)整過來；監(jiān)測點(diǎn)類型只保留綜合監(jiān)測點(diǎn)和重點(diǎn)監(jiān)測點(diǎn)兩種，監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量由原來的77個(gè)縮減到42個(gè)[6個(gè)綜合監(jiān)測點(diǎn)、36個(gè)重點(diǎn)監(jiān)測點(diǎn)(含利用7個(gè)水文站)]，減少的監(jiān)測點(diǎn)主要為沒有試驗(yàn)觀測任務(wù)的普通監(jiān)測點(diǎn)、滑坡泥石流預(yù)警點(diǎn)、土壤墑情點(diǎn)。優(yōu)化后的省級(jí)水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了全省8個(gè)水土保持三級(jí)區(qū)全覆蓋(表2、圖1)，彌補(bǔ)了原有監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)在南陽盆地及大洪山丘陵保土農(nóng)田防護(hù)區(qū)、洞庭湖丘陵平原農(nóng)田防護(hù)水質(zhì)維護(hù)區(qū)這兩個(gè)三級(jí)區(qū)劃域內(nèi)水土保持監(jiān)測點(diǎn)的空白，使監(jiān)測點(diǎn)分布更加科學(xué)合理。

圖1 湖北省水土保持監(jiān)測點(diǎn)優(yōu)化后的布局示意

表1 湖北省水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化前后對(duì)比

表2 湖北省不同水土保持區(qū)劃區(qū)域監(jiān)測點(diǎn)優(yōu)化前后數(shù)量對(duì)比

2 徑流小區(qū)布設(shè)

2.1 目標(biāo)和任務(wù)

根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康目蓪搅餍^(qū)分為裸地對(duì)照小區(qū)、坡度小區(qū)、坡長小區(qū)、水土保持措施小區(qū)等，主要用于定量監(jiān)測水土流失量，研究水土保持效益，探索水土流失規(guī)律。標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)規(guī)格一般為水平投影坡長20 m、寬5 m。湖北省原有水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)過程中，監(jiān)測站點(diǎn)徑流小區(qū)都是由地方自籌資金建設(shè)，省級(jí)為其配置監(jiān)測設(shè)備。大多數(shù)監(jiān)測站點(diǎn)建設(shè)的徑流小區(qū)為非標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)，導(dǎo)致不同監(jiān)測點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)不具對(duì)比性，難以統(tǒng)一利用。因此，升級(jí)改造要對(duì)各監(jiān)測站點(diǎn)的徑流小區(qū)進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計(jì)并建設(shè)，從而實(shí)現(xiàn)徑流小區(qū)的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化，便于監(jiān)測成果的應(yīng)用。

2.2 原則和思路

徑流小區(qū)的優(yōu)化布局必須從小區(qū)的布設(shè)目的或功能應(yīng)用出發(fā)，即明確小區(qū)是用于水土流失觀測，還是用于水土保持效益觀測，或是作為對(duì)照比較。此外，徑流小區(qū)的坡度、土壤類型、土地利用、植物措施等必須具有代表性和典型性，要能夠反映代表區(qū)域內(nèi)主要水土流失地塊狀況。監(jiān)測點(diǎn)徑流小區(qū)布設(shè)的目的和功能、代表性和典型性、選址及大小(坡長、投影面積)、坡度、措施布置等，是根據(jù)由全省水土保持遙感調(diào)查成果統(tǒng)計(jì)分析得出的代表區(qū)域水土流失地塊分布特征和數(shù)量、侵蝕土壤類型、土地利用類型、坡度和植物類型等因素進(jìn)行統(tǒng)一論證和確定的。

2.3 優(yōu)化布局方案

湖北省水土保持監(jiān)測站點(diǎn)徑流小區(qū)布設(shè)中小區(qū)地類及坡度的設(shè)置參考《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(SL 190—2007)中的水力侵蝕分級(jí)指標(biāo)中的地類及坡度劃分，優(yōu)化后的徑流小區(qū)分為3類[6]：①水土流失觀測小區(qū)，根據(jù)全省水土保持遙感調(diào)查成果，統(tǒng)計(jì)分析8個(gè)水土保持三級(jí)區(qū)水土流失地塊的分布特征和數(shù)量、侵蝕土壤類型、土地利用類型、坡度和植物類型等。②水土保持效益觀測小區(qū)，根據(jù)全省水土保持遙感調(diào)查成果，結(jié)合各地水土保持措施特點(diǎn)布置?？紤]到經(jīng)濟(jì)成本，重點(diǎn)監(jiān)測點(diǎn)的徑流小區(qū)措施類型與所在水土保持區(qū)的綜合監(jiān)測點(diǎn)相同，只設(shè)計(jì)一種典型坡度。③對(duì)照小區(qū)，根據(jù)水土流失觀測小區(qū)和水土保持效益觀測小區(qū)的坡度來布置對(duì)應(yīng)坡度的對(duì)照小區(qū)。

每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的土壤類型為所代表三級(jí)區(qū)的主要侵蝕土壤類型。根據(jù)布設(shè)目的、功能、代表性、典型性綜合確定每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的徑流小區(qū)數(shù)量。優(yōu)化后的徑流小區(qū)規(guī)格統(tǒng)一為水平投影坡長20 m、寬5 m，綜合監(jiān)測點(diǎn)小區(qū)坡度包括5°、8°、15°、25°、35°、>35°，重點(diǎn)監(jiān)測點(diǎn)小區(qū)坡度統(tǒng)一設(shè)置為15°，措施類型涵蓋裸地對(duì)照(無措施)、植物措施、工程措施等。8個(gè)水土保持三級(jí)區(qū)中，綜合、重點(diǎn)(水保)及重點(diǎn)(水文)監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)量分別為6、29、7個(gè)，其徑流小區(qū)數(shù)量總計(jì)依次為161、261個(gè)和0，其中水文站主要開展降雨和河流徑流泥沙觀測，見表3。優(yōu)化后的監(jiān)測點(diǎn)將配備自動(dòng)化觀測設(shè)備，能夠自動(dòng)觀測徑流、泥沙、氣象、土壤水分等，同時(shí)保留了人工監(jiān)測手段，既可以作為自動(dòng)化設(shè)備故障時(shí)的備用監(jiān)測手段，又使得人工和自動(dòng)化兩部分?jǐn)?shù)據(jù)可以相互印證。其中，自動(dòng)化監(jiān)測設(shè)備全部與省水土保持監(jiān)測預(yù)報(bào)平臺(tái)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、傳輸、存儲(chǔ)、分析、顯示。

表3 水土保持三級(jí)區(qū)監(jiān)測點(diǎn)及徑流小區(qū)布局

3 觀測成果應(yīng)用

3.1 應(yīng)用體系框架

優(yōu)化后的監(jiān)測站點(diǎn)，經(jīng)過長期定位觀測，積累了豐富的水土流失監(jiān)測數(shù)據(jù)。監(jiān)測數(shù)據(jù)主要包括徑流、泥

沙、土壤、植被、降雨等，需要進(jìn)行及時(shí)分析、深入挖掘和廣泛應(yīng)用才能成為水土保持和生態(tài)文明建設(shè)的數(shù)據(jù)支撐。監(jiān)測應(yīng)用方面主要體現(xiàn)在(圖2)：完成數(shù)據(jù)匯編和支撐水土保持公報(bào)，反映水土流失年度動(dòng)態(tài)變化；探索水土保持科學(xué)問題，尤其是土壤侵蝕基礎(chǔ)數(shù)據(jù)研究(如土壤侵蝕模型本地化應(yīng)用)，以提高區(qū)域水土流失量估算精度；開展水土保持效益評(píng)價(jià)，為水土保持措施選擇、水土流失治理及相關(guān)決策制定提供依據(jù)；在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)成果共享和助力湖北省生態(tài)文明建設(shè)。

圖2 徑流小區(qū)觀測布局及成果應(yīng)用框架

3.2 數(shù)據(jù)匯編和水土保持公報(bào)

水土保持監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)匯編報(bào)告和水土保持公報(bào)是反映水土流失變化的重要數(shù)據(jù)資料。湖北省按照水利部水土保持監(jiān)測中心編制的《徑流小區(qū)和小流域水土保持監(jiān)測手冊(cè)》，結(jié)合年度全省水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測項(xiàng)目制定了《湖北省水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測項(xiàng)目徑流小區(qū)監(jiān)測任務(wù)書》，每年對(duì)全省水土保持監(jiān)測點(diǎn)的徑流小區(qū)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析和匯總，以規(guī)范、易懂和便于應(yīng)用的一系列表格形式匯編成冊(cè)。整編內(nèi)容包括徑流、泥沙及水土流失影響因素(降水、地形、植被、土地利用等)等資料。資料都以表格形式進(jìn)行整編，包括資料說明整編表格(自然概況、基本圖件、基本信息)和監(jiān)測數(shù)據(jù)整編表格兩類。監(jiān)測點(diǎn)整編資料中的徑流小區(qū)年度觀測成果數(shù)據(jù)，可直接用于省級(jí)和市縣水土保持公報(bào)。

3.3 土壤侵蝕模型本地化應(yīng)用

我國水力侵蝕地區(qū)采用中國土壤流失方程(CSLE)計(jì)算土壤侵蝕模數(shù)，亦稱“七因子法”。其中，R(降雨侵蝕力因子)、K(土壤可蝕性因子)、E(工程措施因子)、T(耕作措施因子)4個(gè)因子較難獲得，是因?yàn)槠浞謩e與降雨、土壤、水土保持工程措施、耕作措施密切相關(guān)，具有顯著的區(qū)域特征且需要較長時(shí)間序列數(shù)據(jù)。土壤侵蝕模型只有實(shí)現(xiàn)本地化應(yīng)用以后，計(jì)算出的土壤侵蝕模數(shù)才具有代表性。但是，目前湖北省年度水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測中R、K、E、T四因子的代表性和精度不高?；诤笔?個(gè)水土保持三級(jí)區(qū)的不同自然條件，長期跟蹤和分析各區(qū)的水土流失狀況和水土流失影響因素，開展水土流失因子率定研究，可最終確定湖北本地化的土壤侵蝕模型參數(shù)，為后續(xù)建立適用于湖北地區(qū)的土壤侵蝕模型奠定基礎(chǔ)。

近幾年，湖北省持續(xù)開展模型參數(shù)率定研究，主要是積累數(shù)據(jù)，確定模型參數(shù)的率定方法。例如：利用全省近30年逐日降雨量數(shù)據(jù)分析湖北省水土保持三級(jí)區(qū)的R值時(shí)間動(dòng)態(tài)變化和不同水分年的R值空間分布特征，利用8個(gè)自動(dòng)化監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)時(shí)降雨量觀測數(shù)據(jù)，分析不同雨型的場次降雨侵蝕力R值特征；在8個(gè)自動(dòng)化監(jiān)測點(diǎn)的所有徑流小區(qū)采集土樣，測試土壤理化性質(zhì)，進(jìn)而用EPIC模型計(jì)算K值，此外還可用標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)的侵蝕量觀測值計(jì)算K值；利用自動(dòng)化監(jiān)測點(diǎn)的所有徑流小區(qū)的土壤侵蝕量觀測值計(jì)算不同雨型、不同措施的場次E、T值。這些模型因子的率定工作可為將來的區(qū)域水土流失實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)報(bào)提供重要的土壤侵蝕模型參數(shù)。R、K、E、T參數(shù)的率定工作需要多年長期開展，且需要完整、高質(zhì)量的觀測數(shù)據(jù)做支撐。

3.4 區(qū)域土壤侵蝕模數(shù)估算

根據(jù)徑流小區(qū)布設(shè)方案，典型水土流失地塊上的小區(qū)觀測成果可以用于不同水土保持區(qū)土壤侵蝕模數(shù)的估算。結(jié)合相關(guān)技術(shù)規(guī)范，通過遙感監(jiān)測和地面調(diào)查相結(jié)合的方法獲得各個(gè)水土保持區(qū)的土壤類型、土地利用類型、植被情況、坡度、面積和空間分布狀況。再結(jié)合相應(yīng)水土保持區(qū)對(duì)應(yīng)的徑流小區(qū)的數(shù)據(jù)，估算不同水土流失地塊的土壤侵蝕模數(shù)和各級(jí)區(qū)域(省、市、縣或者流域)某個(gè)時(shí)段的土壤流失量，實(shí)現(xiàn)土壤流失的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)結(jié)果通過圖形實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)更新顯示。目前，湖北已啟動(dòng)該項(xiàng)工作，開發(fā)了湖北省水土保持監(jiān)測預(yù)報(bào)平臺(tái)。此外，區(qū)域水土流失量估算數(shù)據(jù)也可以用于對(duì)水土流失區(qū)域遙感監(jiān)測結(jié)果的驗(yàn)證。

3.5 探索水土保持科學(xué)問題

目前，水土保持研究方面還存在一些難題，例如：土壤侵蝕基礎(chǔ)數(shù)值不清楚，從而導(dǎo)致土壤可蝕性值、容許土壤流失量等評(píng)價(jià)指標(biāo)無法精確量化，定量化關(guān)系(或響應(yīng))研究也還不夠；降水動(dòng)力分布、地面水流傳輸機(jī)理(土壤水分特性與土壤穩(wěn)定性、輸沙能力與近地表形態(tài))仍有不清楚的地方；植被建設(shè)與防護(hù)機(jī)制研究不足，如植物高度、葉片形態(tài)、冠幅、葉面積等對(duì)水土流失的影響等。徑流小區(qū)觀測數(shù)據(jù)是分析和解決水土保持科學(xué)問題的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可以結(jié)合上述相關(guān)問題進(jìn)行分析應(yīng)用。

3.6 水土保持效益評(píng)價(jià)

水土保持效益評(píng)價(jià)是水土保持監(jiān)測數(shù)據(jù)分析應(yīng)用的重要方面，也是水土流失治理和水土保持決策的數(shù)據(jù)參考。優(yōu)化后的監(jiān)測站點(diǎn)采用自動(dòng)化觀測設(shè)備，能夠采集連續(xù)、長時(shí)間序列的降雨、徑流、泥沙等數(shù)據(jù)，是開展不同坡度、不同土壤類型、不同土地利用、不同措施或復(fù)合措施作用下的減流減沙效益、控制坡地養(yǎng)分流失效應(yīng)及其他生態(tài)效益研究的重要場所。對(duì)不同類型水土流失地塊徑流小區(qū)的水土保持效益進(jìn)行全面和科學(xué)評(píng)價(jià)，可以建立不同尺度水土保持生態(tài)效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，為區(qū)域水土保持生態(tài)效益定量評(píng)價(jià)和生態(tài)建設(shè)提供數(shù)據(jù)參考和決策依據(jù)。