基于水文自动化监测站网开展水土流失监测的探讨

邢先双，董明明，郭静，杜子龙，孟琳

1.山东省水文中心；2.潍坊市水文中心；3.水发技术集团有限公司

水土保持和水土流失监测在构建“四位一体”战略中占据重要位置，在城市化进程不断加快的时代背景下，如何完善区域水土保持、如何提升水资源利用率、如何动态化监测水土流失情况，已经成为各级单位和部门必须重视并解决的问题。从这一层面来讲，水文自动化监测站网的建立与使用，就显得尤为重要，革新管理方式，保护城市地表径流，有助于各级部门全方位贯彻落实“两山论”，最终提升生态环境的治理效益。

一、水土流失监测的重要性

（一）为水土保持工作提供基础数据

从技术层面来讲，我国幅员辽阔，要想宏观性监测各地区水土情况，是具有一定难度的，再加上部分季风性气候区夏季雨水较为集中，部分山地丘陵地带自然灾害种类较多，对水土资源的破坏性更大，技术人员和相关监测部门要想掌握水土流失的发展规律，仅仅依靠人工经验和静态化的信息系统，远远不能达到管理需求。而利用水土流失监测系统及监测站网的创建，可以为水土流失监测提供多地、多段、多区的基础数据，做好必要的相关数据采集工作，引导利用人工调查+调查监测的方式，分析水土流失情况，从而确定工作要点，更好地满足监测要求。坚定监测开展力度，为后续整理、管理提供思路，促进监测数据采集的标准化，根据坡地径流、植被覆盖率等监测项目，充分发挥气象站、监测站、采样系统、监测网的作用，方便技术人员根据预测模型进行数据分析。

（二）动态化掌握水土流失情况

影响区域性水土流失情况的类型有很多种，工业施工、人为行动、气候变换等都会加剧水土流失的速度[1]。尤其是自然环境，具有不可抗力性和不稳定性，必须做好动态性监测，才能为后续水土保持工作提供准确数据，采取科学合理的措施，降低水土流失的破坏性，提供动态化监测数据，全程监测流失情况，在定点调查、地形图现场调绘、数据汇总、土壤侵蚀强度、小流域侵蚀总量、泥沙流失量、雨量监测等系统监测指标的作用下，为后续水土保持和治理提供科学决策的依据。确保相关部门的技术人员和管理人员研究水土保持规划方案，全面掌握监测对象的发展/变化规律，设计基础监测技术线路，测算有效土层厚度，控制城市非点源污染的水环境，从而提升城市水环境综合治理效果。

二、水土流失监测存在的不足

当前，在水土治理工作中，相关部门在生态环境监测中还存在亟需提升的地方，主要体现在以下几点[2]。（1）监测点功能单一，数量少，部分监测站点选址不合理，因此监测成果在一定程度上难以满足管理部门的需求，观测因子少；（2）即使多地相继成立了监测分站，但是监测点间的交流联系并不紧密，数据之间尚未完成互通互鉴、交流互享；（3）部分偏远地区、县乡地区监测方式落后，对于一些小流域水土流失监测过程中，数据精度得不到保障，难以实现全过程、动态化监测，自动化水平低，财政资金支持不够，监测成果格式不统一，信息共享平台尚未建成；（4）监测技术人员稀缺，部分地区人才老龄化严重，水土保持监测工作不能满足现实需要，数据采集标准有待健全，监测技术有待提高，需要充分应用新型监测手段。

三、基于水文自动化监测站网开展水土流失监测

（一）自动雨量

自动雨量的监测在水土流失和保持工作中，起着重要的作用，水文自动化监测站网中的雷达测雨系统，可以通过雷达组网，确定雨量监测范围，实现雷达监测双备份，在上游组建高分辨率雨量雷达系统。其组成部分主要有：（1）应用服务系统；（2）雨滴谱监测站；（3）数据处理单元；（4）数据接收交换和监控管理平台。雨量雷达结构形式更为灵活，自动获取格点雨量数据（600m×600m），将格点雨量储存到数据库中，之后进行分区雨量的计算，在监测区域（分区）实时面雨量数据分时间、分区段进行储存，为技术人员和相关部门提供基础数据信息，供洪水预警预报使用。确定水源模型的产流/汇流参数，根据自动化雨量监测实时更新流域面积、滞后时段数、地下径流消退系数、蓄水容量曲线、流域蓄水容量、壤中流消退系数等，实测洪峰出现时间，得出峰现时间误差。从水土流失的源头开始，做好雨量的自动监测，形成科学有效的数据，做好相应预警工作[3]。雷达测雨系统的使用可以及时对降雨量进行分区，推测、降雨演进，确保水土保持工作的空间连续性，提升监测密度，初步率定参数，将雨量系统与洪水预报系统结合，测算多场洪水期间监测数据，充分发挥水文自动化监测站网的信息化作用，为洪水预警预报积累经验，及时规划好水土保护预案。

（二）径流、泥沙自动化监测

在进行水土流失观测中，径流、泥沙自动化监测是水文自动化监测站网必不可少的一项核心技术之一，其设计原理是：（1）测定盛水桶容积，测定清水密度、土壤容重等参数，利用超声波传感器将浑水重量等数据进行储存和采集；（2）实施测量行径流量，上传至集成系统，动态化测量含沙量，其核心参数主要有清水密度、地区坡度、径流平均空气含量、土壤容重，将此类核心数值输入到自动化监测系统中，进行观察和比对。当前我国对径流、泥沙自动化监测的研究已经取得了阶段性进展，在水文自动化监测站网中已经可以利用神经网络法、BP神经网络方法、空间插值方法等测算年平均径流量，对下游小尺度流域径流、泥沙进行监测。本文主要研究空间插值方法与“3S”网络分析相结合的办法，为水文分析和自动化监测提供基础数据，通过网络构建，得出核心信息，构建河流网络插值法流程图，并对水量水质进行同步监测。在降雨结束后，峰顶、峰腰、落平利用流速仪法和浮标法，进行三次监测，计算流域的最大流速和平均流速，测算断面面积和泥沙含量，汇总成径流量成果表和断面径流深成果表，分析径流深合理性。其中值得注意的是，必须扩大所述流域的观察站点数量，并确定好所在区域，监测站点应该附集荒坡地、耕地、工业用地等，利用“3S”技术进行宏观监测，重视坡地径流观测项目，提升数据分析完整性。

（三）流域土壤侵蚀自动化监测

流域土壤侵蚀情况从本质上讲，与土地利用、植被覆盖率、地形条件和降水分布等有着密切的关系[4]。在水文自动化监测站网的布设中，通过GIS分析法，结合DOM技术、红外影像技术、DEM技术的应用，可以直接提取土壤侵蚀影响因子，对侵蚀强度进行判断，判定监测指标，主要通过对水蚀区坡蚀强度、水蚀区沟蚀强度、水蚀区风蚀强度、植被覆盖地表形态进行监测，具体指标如表1。

表1 土壤侵蚀影响因子判定指标

基于流域数字航摄影像，根据地形地貌特征，首先，将已经采集到的流域沿线数据汇总到三维立体图形中，基于DEM技术构成沟壑烈度计算单元，其次，技术人员和信息采集人员根据实际情况对上中下游重点支流和主要泥沙来源进行自动化监控，从而判定流域土壤侵蚀状况。最后，根据核心数值判断当地水土流失级度，从空间分布上总结出土壤质地松软抗蚀能力，在遇汛期强降雨来临之前，将预防监督与治理两手抓，及时做好防控措施，发挥水质监测站、水文自动化监测系统的作用。

四、其他要点

（一）依托水文站网布局

从水文自动化监测站网系统建设层面，笔者已经从技术视角给出水土流失监测的工作方法，但是仅仅依靠技术建设远远不能满足水土保持的需求，还应该紧紧依靠水文站网布局，构建趋于成熟的站网体系。布设水文基本站，将蒸发站、水文站、雨量站、土壤侵蚀自动化监测站、水位站等多种水土保持基站广泛分布于各地市县，功能必须涵盖土壤墒情监测、小水库预警、流域预警、水质监测、防汛信息监测等，在水文站建设方面，笔者建议，水文站点选择必须预留一定的发展空地（周边），相关手续齐全，交通较为便捷，在水土流失多发区和严重区可以增加水文站监测网点数量，提升基础数据的准确性。

（二）加强设备优化

水文自动化监测站中，观测站房的投资与建设需要强有力的设备支撑和资金支撑[5]。笔者以40平方米建设标准为例，在我国东南沿海地区的装修费+征地费+税额共需20万元左右，此外信息实时查询和远程运输所需要的总投资大概在6万元左右，另外站房的专业性设备购买、维护费用（多功能气象站、自动采样器、自动水位计、泥沙测定耗材、技术人员工资、运行与维护费用）在80万元左右（去掉地方财政补贴），由此可见，水文自动化监测站所涉及到的设备费用基本是建设费用的2倍，如果在日常工作和使用过程中，出现设备更新和扩建服务，总花费将达到建设费用的2.75倍左右。因此相关水文监测部门应该高效利用财政资金，促进信息共享平台的建立，在设备应用的基础上，充分发挥监测网络的功能，克服水土保持监测的局限性，选择合理区域，提高运行效率，推进水文现代化发展，利用监测设备，与技术人员相互配合，规划出监测网络。

（三）组建高质量的人才队伍

在水文自动化监测站网开展中，仅仅依靠设备和技术的支持难以促成水土流失监测体系的建设，我国水文行业经过长期发展，在硬件设施方面已经实现了高效发展，但是即使是自动化监测，也不能离开“人”的基本活动，因此笔者建议，在今后水土流失监测过程中，必须构建一支高质量人才队伍，将硬件设施、管理体系、软件应用相结合，及时补充专业技术从业人员。使用多普勒声学监测设备，推广遥测报汛系统的使用和信息化建设平台，满足监测网络队伍人才缺口，与各级信息中心实现网络互通，完善遥测报汛系统，水文勘察工队伍必须熟练掌握并运用常规监测设备，进行测沙、测流、测水位等，实现数据共享和信息发布，在水土保持技术应用过程中，技术人员必须胜任应急监测车、水质自动采样船等专业装备。加强从业人员梯队建设，积极引进系统开发人才、应用人才、监管人才。对水灾监测站网进行优化，完善监测层位，提升地下水布设密度，调整监测方式，采用自动监测+人工复核方式，改善测验方式，为水土保持提供人才支撑，引进监测经验丰富的项目管理人才，在特殊类型区域，提升站网建设，充实人才队伍，促进水土保持监测工作持续，稳定发展。

五、结束语

综上所述，水土流失监测可以提供多地、多段、多区基础数据，方便技术人员利用监测模型进行数据分析，全面掌握监测对象的发展/变化规律，设计基础监测技术线路。因此笔者建议，在今后工作中应该构建一支高质量人才队伍，依托水文站网布局，利用自动化设备进行径流、泥沙、雨量、土壤侵蚀的自动化监测，提升监测点间的交流联系紧密度，构建内部完善的责任制度，充分发挥监测站网功能，优化监测方式。