湖北省水土保持监测网络体系优化布局与升级改造

杨 伟，高 超，李 璐，郭文慧，余 冰

(1.湖北省水利水电科学研究院，湖北 武汉 430070； 2.湖北省水土保持工程技术研究中心，湖北 武汉 430070；3.湖北省水土保持监测中心，湖北 武汉 430071)

湖北省水土保持监测网络与信息系统于2005年开始建设，到2010年初步建成了由1个监测中心、10个监测分站及77个监测点组成，并通过ADSL网络互联的覆盖全省的水土保持监测网络体系。当前国家生态文明战略的实施对水土保持监测工作提出了新的更高要求，水土保持工作所面临的形势和任务也发生了较大变化，现有的水土保持监测网络体系越来越难以满足新形势下水土保持监测工作的需要。同时，湖北省现有的水土保持监测网络和信息系统存在设施设备老化、数据时效性差、观测精准度不够等不足。因此，急需对现有的水土保持监测网络体系进行优化布局及升级改造。

2016年10月，湖北省水利厅审议通过《湖北省水土保持监测网络体系优化布局建设与运行管理工作方案》，正式启动优化布局与升级改造工作。2017年9月，《湖北省水土保持监测网络体系优化布局与升级改造项目可行性研究报告》获得湖北省发改委批复。2018年4月，国家发展改革委将湖北省水土保持监测网络优化布局与升级改造纳入长江经济带绿色发展专项2018年中央预算内投资计划。2018年8月，《湖北省水土保持监测网络体系优化布局及升级改造项目初步设计》获得湖北省发改委批复。2018年10月，项目正式招标建设，计划2021年完成全部升级改造工作，湖北成为全国首个大规模开展水土保持监测网络升级改造的省份。

笔者对湖北省水土保持监测网络体系优化布局与升级改造项目的基本思路，特别是监测点优化布局的基本思路进行介绍，以期为其他省份水土保持监测网络优化升级提供借鉴。

1 监测网络现状

湖北省现有水土保持监测网络包括：省水土保持监测中心，武汉、恩施、宜昌、孝感、荆门、襄樊、黄冈、鄂州、咸宁、十堰10个市(州)级监测分站，荆州、随州、黄石、神农架4个综合监测点(主要承担区域管理职能)，夷陵、红安2个示范监测点，秭归、长阳等38个重点监测点和郧县、竹山等33个普通监测点。监测网络自2010年全面建成运行以来，逐渐暴露出了一些问题：

(1)站点布局有待优化。现有湖北省水土保持监测网络监测点主要依据原有“三区”划分进行布局。2012年和2013年水利部先后印发了《全国水土保持区划(试行)》和《全国水土保持规划国家级水土流失重点预防区和重点治理区复核划分成果》。随着水土保持区划的公布和重点防治区的调整，原有的监测网络体系布局已经无法适应新的水土保持工作布局要求，特别是难以满足重点防治区动态监测工作开展的需要。

(2)监测设施有待完善。湖北省水土保持监测网络现有77个监测站点，大多是沿用一些水土保持部门或水土保持科研院所根据具体研究内容而设置的试验点，还有部分是利用现有的水文监测点、滑坡泥石流监测点及墒情监测点。这些站点建设规模不一致，建设标准不统一，虽然在湖北省水土保持监测网络与信息系统建设过程中进行了一定的标准化改造，但各站点在站点布局、监测设施数量与规格、措施配置、测试分析流程等方面仍然存在一定差异，导致不同监测站点的监测结果缺乏可比性，难以综合利用。

(3)监测设备有待更新。湖北省水土保持监测网络一期和二期工程为各级监测机构、监测点配置了必要的基本监测设备，但受投入限制，所配置的设备自动化、信息化水平不高，仅有2个自动化监测点初步实现了土壤水分和控制站的自动化监测，现有的38个重点监测点仍然依靠人力搅拌集流池、采样、烘干、称量来监测小区泥沙含量，不仅步骤烦琐、工作量大，而且准确度难以保证。由于工程建设较早，目前气象站、集流桶、泥沙采样器、烘箱等硬件设备已经超过使用年限，径流小区、控制站等基础设施也已经开始老化渗漏，因此继续使用将会影响监测数据的准确性。

(4)信息化水平有待提高。随着信息化技术的快速发展，早期开发的水土保持监测应用系统已经不能满足目前最新操作系统的运行环境要求，早期建设的数据库也与目前湖北省楚天云平台建设和湖北省水利信息化资源整合共享的要求不相适应。

2 建设目标

根据经济社会可持续发展的要求，在梳理现有水土保持监测站点的基础上，充分利用湖北省水文站点，根据新的水土保持区划和重点防治区划分，优化湖北省水土保持监测站点空间布局，进一步提高监测点的代表性和典型性。开展监测站点的现代化改造升级，推进站点的标准化、自动化、信息化升级，进一步提高监测站点的监测技术水平。按照湖北省水利信息化的要求升级完善水土保持数据库和信息管理系统，进一步完善水土保持数据采集、处理、传输与发布体系。加强监测站点的业务能力建设，全面提高湖北省水土保持监测能力，为湖北省水土保持生态文明建设提供基础支撑。

3 网络体系优化布局

3.1 全省网络结构优化

优化后的湖北省水土保持监测网络体系包括省级水土保持监测网络和市、县级水土保持监测站点，采用分级负责的管理体系。

省级水土保持监测网络包括省水土保持监测中心、监测分站和省级监测点，由省级人民政府负责建设与管理。省级监测点分为综合监测点和重点监测点。综合监测点是每个水土保持分区的核心监测点，建设规模大，包含径流场和小流域控制站，径流场包含不同坡度径流小区；重点监测点规模相对较小，主要对综合监测点进行加密，径流场仅设置单一坡度径流小区。

市、县级水土保持监测站点包括市、县级水土保持监测站和县级普通监测点。市、县级水土保持监测站点按照行政区划进行设置，分别由市、县级人民政府负责建设与管理。

省级监测分站挂靠市级监测机构，省级监测点由省、县共建共用，数据共享，委托监测分站管理，依托县级监测站运行。

本次优化布局及升级改造仅针对省级水土保持监测网络。

3.2 省级网络结构优化

(1)监测中心。湖北省水土保持监测中心是湖北省水土保持监测网络的核心，不进行调整。

(2)监测分站。原有荆州、随州、黄石和神农架4个综合监测点调整为监测分站，全省监测分站由10个调整为14个，实现全省14个市(州)监测分站全覆盖。

(3)监测点。在现有监测点布局的基础上，结合湖北省经济水平，统筹进行省级监测点的布局优化。省级监测点分为综合监测点和重点监测点，各县(市、区)可自主建设普通监测点。①综合监测点。根据全国水土保持区划，湖北省共有8个水土保持三级区。三级区是国家水土保持区划的基本单元，必须实现8个三级区的全覆盖。结合每个分区内主要侵蚀土壤类型分布和现有监测点的人员、土地、土壤等条件，确定了6个三级分区的综合监测点，仍有2个水土保持三级区无现状水土保持监测点，需分别新建1个综合监测点。考虑到这2个分区面积较小，实际按照重点监测点规模进行建设。②重点监测点。三级区内地形、土壤、植被等存在较大差异，需要在代表性区域增加监测点。按照空间分布均匀、充分利用水文站点和已有水土保持站点、多尺度相结合、经济实用、密度适中、便利安全等原则，选择部分现有水土保持监测点和水文监测点增加监测密度，分别开展坡面径流场观测和流域观测。

4 站点升级改造

4.1 系统建设

包括信息系统建设和视频监控系统建设。

信息系统建设，一是梳理完善自然条件、社会经济、基础地理和遥感影像等水土保持基本数据库，以及监测评价、综合治理、预防监督、综合信息等业务数据库；二是对原有的几个独立水土保持监测信息系统进行整合与升级，形成湖北省水土保持监测信息化平台(包括水土保持监测与预报系统、水土保持重点监测信息系统、水土保持分析评价系统、水土保持对外发布系统及手机APP等)。

视频监控系统建设主要是在监测点布设视频监控设备，便于监测点、监测分站和监测中心管理，同时径流小区、控制站的视频资料也是重要的水土流失监测数据。

4.2 设施优化改造

目前湖北省水土保持监测网络各个监测点径流小区建设标准不统一，各小区设置的目的不明确，坡度、坡长、措施布置和日常管理流程等缺乏系统性，没有统一化、标准化，不同监测点数据难以比较研究，也难以统一分析利用。本次升级改造对各监测点径流小区的设计进行统一布局。

各监测点径流小区包括三类：①水土流失观测小区。根据全省水土保持遥感普查成果，统计分析8个水土保持三级区水土流失地块分布特征。根据各分区主要水土流失地块类型的土地利用情况、坡度等，确定综合监测点水土流失小区的土地利用、植物类型、坡度及数量。②水土保持效益观测小区。根据全省水土保持遥感普查成果，结合各地水土保持措施特点，确定水土保持效益观测小区的水土保持措施类型、坡度及数量。③对照小区。根据水土流失观测小区和水土保持效益观测小区坡度，确定对照小区坡度。

考虑经济成本，重点监测点小区措施类型与所在分区综合监测点相同，但是只设计一种典型坡度。

按照以上方案对各监测点设施进行升级改造，实现监测点的标准化。

4.3 设备更新升级

监测中心和监测分站配置三维激光扫描仪、无人机、植被盖度监测系统等移动监测设备，便于开展现场监测、监测复核等工作。监测点配备全自动的小区和控制站径流泥沙监测设备、气象站、土壤水分监测系统等，并全部与信息系统对接，实现监测数据的自动采集、传输、存储和分析。

5 优化布局与升级改造结果

优化调整后的省级水土保持监测网络共包括42个监测点，其中综合监测点6个、重点监测点36个(见图1)。重点监测点中利用原有水土保持监测点27个，利用水文监测点9个。未纳入省级监测网络的现有水土保持监测点作为普通监测点纳入县级监测站网，由所在县(市)管理。

图1 优化后的省级水土保持监测点分布

优化后的省级水土保持监测网络实现了对全省8个水土保持三级区的全覆盖，弥补了原有监测网络在南阳盆地及大洪山丘陵保土农田防护区和洞庭湖丘陵平原农田防护水质维护区水土保持观测设施的空白，监测站点分布更加合理。

同时，通过信息系统建设、设施优化改造、设备更新升级等，实现了监测站点的标准化、自动化、信息化。项目完成后将极大地提高湖北省水土保持监测网络的监测技术水平和能力。

6 径流小区监测数据的应用探讨

全国水土保持监测网络建设以来，积累了大量的监测数据。目前监测数据主要用于土壤流失方程参数的修订及遥感监测结果的验证。如何对监测数据进行挖掘和应用，充分发挥监测数据的作用，也是湖北省水土保持监测网络体系优化布局与升级改造过程中一直思考的问题。

(1)水土流失量估算。按照相关技术规范要求，采用遥感监测和地面调查相结合的方法获得各个水土保持区的水土流失地块类型、坡度、面积和空间分布状况。结合不同水土流失地块对应径流小区的观测结果，估算水土流失地块的土壤侵蚀量。

(2)水土保持效益估算。根据各水土保持区的水土保持措施类型和坡度分布布设水土保持措施小区，监测减水减沙效果。结合遥感监测、调查监测和地方上报的水土保持措施数量，估算各区水土保持效益。

(3)水土流失实时监测。通过径流小区观测，开展水土流失因子率定研究，完善中国土壤侵蚀模型(CSLE)。基于中国土壤侵蚀模型开发水土流失监测信息系统，输入地形、土壤、植被、措施等因子数据和相关参数。在短期内地形、土壤、植被、措施等因素变化不大的情况下，可根据水文、气象部门众多雨量监测点的降雨监测数据，直接计算各级区域(省、市、县或者流域)某个时段的土壤流失量，实现土壤流失的实时动态定量监测。未来甚至可以根据气象部门气象预报数据，对水土流失进行简单预报和预警。