楊 偉, 王 劍, 李 璐, 周 穎

(1.湖北省水利水電科學(xué)研究院, 湖北 武漢 430070; 2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué),

湖北 武漢 430070; 3.湖北省水土保持工程技術(shù)研究中心, 湖北 武漢 430070)

湖北省水土保持監(jiān)測站點(diǎn)的空間優(yōu)化布局

楊 偉1,3, 王 劍2, 李 璐1,3, 周 穎2

(1.湖北省水利水電科學(xué)研究院, 湖北 武漢 430070; 2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué),

湖北 武漢 430070; 3.湖北省水土保持工程技術(shù)研究中心, 湖北 武漢 430070)

摘要：[目的] 對湖北省水土保持監(jiān)測站點(diǎn)空間優(yōu)化布局進(jìn)行探究，為該區(qū)水土保持監(jiān)測系統(tǒng)的完善、水土保持科學(xué)管理與決策提供支撐。 [方法] 收集湖北省土壤侵蝕相關(guān)資料，利用GIS空間分析功能開展湖北省土壤侵蝕強(qiáng)度分級評價，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用尺度理論對監(jiān)測站點(diǎn)進(jìn)行空間優(yōu)化布局，并對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行分析驗(yàn)證。 [結(jié)果] 經(jīng)過優(yōu)化研究，湖北省共需布設(shè)86個監(jiān)測點(diǎn)，其中一級尺度12個監(jiān)測點(diǎn)，二級尺度26個監(jiān)測點(diǎn)，三級尺度布設(shè)48個監(jiān)測點(diǎn)。經(jīng)泰森多邊形驗(yàn)證，優(yōu)化后的站點(diǎn)布設(shè)合理，控制突出，層次分明。 [結(jié)論] 湖北省丹江口水庫周邊山地丘陵水質(zhì)維護(hù)保土區(qū)、南陽盆地及大洪山丘陵保土農(nóng)田防護(hù)區(qū)和鄂渝山地水源涵養(yǎng)保土區(qū)水土流失嚴(yán)重，需要在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加水土保持監(jiān)測站點(diǎn)密度；江漢平原及周邊丘陵農(nóng)田防護(hù)人居環(huán)境維護(hù)區(qū)等地區(qū)水土流失輕微，可適當(dāng)減少水土流失監(jiān)測站點(diǎn)數(shù)量。

關(guān)鍵詞：水土保持監(jiān)測站點(diǎn); 優(yōu)化布局; 泰森多邊形； 湖北省

水土保持監(jiān)測站點(diǎn)是水土保持監(jiān)測的基礎(chǔ)，監(jiān)測站點(diǎn)布局的科學(xué)性、合理性對監(jiān)測成果的應(yīng)用價值、權(quán)威性具有重要決定作用[1-2]。汪水前等[3]通過分析福建省的自然概況、土壤侵蝕類型區(qū)、水土流失重點(diǎn)防治區(qū)分布特點(diǎn)及水土保持試驗(yàn)站現(xiàn)狀，研究了福建省各級水土保持監(jiān)測站點(diǎn)布設(shè)原則和監(jiān)測內(nèi)容。周曉樂等[4]研究了遼寧省水土保持監(jiān)測站點(diǎn)規(guī)劃和布局情況。盧剛[5]探討了新疆水土保持監(jiān)測站點(diǎn)布設(shè)的原則和布設(shè)結(jié)果。但是，在各地區(qū)水土保持監(jiān)測站點(diǎn)規(guī)劃和布局中，存在監(jiān)測站點(diǎn)布局覆蓋程度不全、重復(fù)布設(shè)、監(jiān)測尺度把握不夠等問題[1]，造成監(jiān)測成果不能全面反映各區(qū)域水土流失狀況，使監(jiān)測結(jié)果的應(yīng)用受到限制。因此，對現(xiàn)有水土保持監(jiān)測站點(diǎn)布局進(jìn)行優(yōu)化研究，對科學(xué)進(jìn)行水土保持監(jiān)測，合理分析區(qū)域水土流失狀況具有重要意義。

尺度是自然過程或觀測研究在空間、時間或時空上的特征度量，尺度理論目前被廣泛運(yùn)用于地學(xué)相關(guān)科學(xué)中[6-9]，水土保持監(jiān)測站點(diǎn)的布局，會影響不同區(qū)域尺度的地學(xué)相關(guān)指標(biāo)，如土壤、氣象、水文等因子[10]，因此，在水土保持監(jiān)測站點(diǎn)布設(shè)過程中應(yīng)考慮尺度問題。本文以湖北省為例，在現(xiàn)有水土保持監(jiān)測站點(diǎn)基礎(chǔ)上，結(jié)合GIS空間分析功能，運(yùn)用尺度理論對水土保持監(jiān)測站點(diǎn)進(jìn)行空間優(yōu)化布局，研究結(jié)果可為湖北省水土保持監(jiān)測系統(tǒng)的完善，水土保持科學(xué)管理與決策提供重要支撐。

1研究區(qū)概況

湖北省位于我國中部，北緯29°05′—33°20′，東經(jīng)108°21′—116°07′之間，國土總面積1.86×105km2，是三峽工程和南水北調(diào)中線水源地(丹江口水庫)所在地，生態(tài)地位極為重要。根據(jù)第一次全國水利普查結(jié)果，全省湖北省共有水土流失面積3.69×104km2，占全省總面積的19.85%，是全國水土流失嚴(yán)重的省份之一。

根據(jù)《全國水土保持區(qū)劃(試行)》，湖北涉及南方紅壤區(qū)和西南紫色土區(qū)兩個一級區(qū)，大別山—桐柏山山地丘陵區(qū)、長江中游丘陵平原區(qū)、江南山地丘陵區(qū)、秦巴山山地區(qū)、武陵山山地丘陵區(qū)五個二級分區(qū)，桐柏大別山山地丘陵水源涵養(yǎng)保土區(qū)、南陽盆地及大洪山丘陵保土農(nóng)田防護(hù)區(qū)、江漢平原及周邊丘陵農(nóng)田防護(hù)人居環(huán)境維護(hù)區(qū)、洞庭湖丘陵平原農(nóng)田防護(hù)水質(zhì)維護(hù)區(qū)、幕阜山九嶺山山地丘陵保土生態(tài)維護(hù)區(qū)、丹江口水庫周邊山地丘陵水質(zhì)維護(hù)保土區(qū)、大巴山山地保土生態(tài)維護(hù)區(qū)和鄂渝山地水源涵養(yǎng)保土區(qū)8個三級區(qū)。

2研究方法

2.1　優(yōu)化布局原則

監(jiān)測點(diǎn)布局要有利于更好地體現(xiàn)監(jiān)測成果與對應(yīng)尺度的適宜性，結(jié)合尺度理論的基本要求，提出湖北省三個尺度上的水土保持監(jiān)測站點(diǎn)優(yōu)化布局原則[10]：

一級尺度：從面上對水土流失狀況的監(jiān)測。監(jiān)測分區(qū)要緊密結(jié)合水土保持綜合防治分區(qū)，并按土壤侵蝕類型分布狀況進(jìn)行布設(shè)進(jìn)行一級尺度監(jiān)測點(diǎn)布局，做到從面上對監(jiān)測區(qū)域的控制。

二級尺度：從各水土流失類型面上對水土流失狀況的監(jiān)測。要根據(jù)各分區(qū)的水土流失特點(diǎn)、危害程度，充分考慮各種侵蝕因子的影響，確定監(jiān)測站點(diǎn)的疏密程度。二級尺度的水土保持監(jiān)測多邊形具體點(diǎn)位確定時，各個三角形的具體位置的確定要照顧地形、地貌、植被、土壤類型等方面的要求。

三級尺度：從各類水土流失類型局部水土流失狀況的監(jiān)測。三級尺度是二級尺度的輻射，具體位置的確定需要考慮監(jiān)測的典型性和有效性，對局部有較好的代表性。因此在二級尺度分區(qū)的基礎(chǔ)上，依據(jù)湖北省行政區(qū)劃，在二級尺度布設(shè)的監(jiān)測站點(diǎn)的基礎(chǔ)上繼續(xù)優(yōu)化，盡量利用現(xiàn)有站點(diǎn)避免重復(fù)建設(shè)。

2.2　優(yōu)化布局方法

根據(jù)水土保持監(jiān)測站點(diǎn)優(yōu)化布局原則，在掌握湖北省地形地貌、土地利用、植被、氣候、土壤、水土流失狀況等基本情況的基礎(chǔ)上,分析湖北省行政區(qū)劃及現(xiàn)有水土保持監(jiān)測站點(diǎn)的布局,基于分區(qū)和尺度的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行布局優(yōu)化。

一級尺度布局方法：湖北省土壤侵蝕類型以水力侵蝕為主，與徑流和地形地貌關(guān)系最為直接，通過分析湖北省水系分布及地形特征，在南方紅壤區(qū)和西南紫色土區(qū)兩個一級區(qū)建立水土保持監(jiān)測站點(diǎn)，以確保從宏觀上獲取整個湖北省的水土流失監(jiān)測基本資料。

二級尺度布局方法：在一級尺度上將南方紅壤區(qū)和西南紫色土區(qū)進(jìn)行細(xì)分。對湖北省土壤侵蝕進(jìn)行分級，根據(jù)各分區(qū)區(qū)域的水土流失特點(diǎn)、危害程度，充分考慮各種侵蝕因子的影響，確定監(jiān)測站點(diǎn)的疏密程度。

三級尺度布局方法：在二級尺度分區(qū)的基礎(chǔ)上，依據(jù)湖北省行政區(qū)劃在二級尺度布設(shè)的監(jiān)測站點(diǎn)的基礎(chǔ)上繼續(xù)優(yōu)化，盡量利用現(xiàn)有站點(diǎn)避免重復(fù)建設(shè)。

2.3　數(shù)據(jù)收集與處理

收集湖北省水系分布、行政區(qū)劃資料和地形、植被、土地利用、降雨、土壤等侵蝕因子資料，并完成地形坡度因子(S)、植被覆蓋度因子(L)、土地利用因子(V)、降雨侵蝕力因子(R)的提取，所使用的數(shù)據(jù)為2006年采集。參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)(SL190—2007)，結(jié)合湖北省實(shí)際情況，將地形坡度、植被覆蓋、土地利用、降雨侵蝕力和土壤質(zhì)地幾種侵蝕因子劃分成若干等級，并按照計算機(jī)符號集的串行碼位編碼進(jìn)行統(tǒng)一編碼(表1)，從而對每一個評價指標(biāo)因子要素進(jìn)行分等定級。然后利用ArcGIS中按公式(1) 對5個圖層進(jìn)行基于柵格圖層的空間疊置分析，生成湖北省土壤侵蝕等級圖[11]。

ID=S×105+L×104+V×103+R×102+D

(1)

其中ID為新圖層的圖斑屬性值，可對每個小圖斑進(jìn)行土壤侵蝕強(qiáng)度評價。

表1　土壤侵蝕指標(biāo)編碼

將湖北省現(xiàn)有水土保持監(jiān)測站點(diǎn)生成泰森多邊形[12-13]，確定每個監(jiān)測站點(diǎn)多邊形的面積，并根據(jù)水土流失等級，調(diào)整不同監(jiān)測站點(diǎn)的疏密。在侵蝕強(qiáng)度和潛在侵蝕強(qiáng)度最高的區(qū)域，優(yōu)先考慮加密監(jiān)測站點(diǎn)布設(shè)；侵蝕強(qiáng)度和潛在侵蝕強(qiáng)度次強(qiáng)的區(qū)域，同樣應(yīng)該考慮布設(shè)相對較多的監(jiān)測點(diǎn)；侵蝕強(qiáng)度、潛在侵蝕強(qiáng)度相對較弱的區(qū)域，可以考慮適當(dāng)減少監(jiān)測站點(diǎn)的布設(shè)；侵蝕強(qiáng)度、潛在侵蝕強(qiáng)度最弱的區(qū)域，一般可以考慮在已有監(jiān)測站點(diǎn)和控制點(diǎn)范圍內(nèi)適當(dāng)增加少數(shù)監(jiān)測點(diǎn)。同時，需要兼顧行政區(qū)劃的因素，例如每個縣市的監(jiān)測點(diǎn)不宜過多，通常一級監(jiān)測點(diǎn)每市一個。

為了驗(yàn)證布設(shè)方法的合理性，將優(yōu)化后的站點(diǎn)布局生成泰森多邊形，與侵蝕強(qiáng)度的結(jié)果對比，判斷是否侵蝕越嚴(yán)重的地方泰森多邊形越小越密，從而進(jìn)一步調(diào)整站點(diǎn)數(shù)量和布局，直到最終由已有監(jiān)測站點(diǎn)及重新布設(shè)站點(diǎn)共同生成的泰森多邊形符合侵蝕越嚴(yán)重監(jiān)測站點(diǎn)越密原則。

3結(jié)果與分析

3.1　現(xiàn)有監(jiān)測站點(diǎn)布局分析

湖北省水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)從2003年開始建設(shè)，按三級設(shè)置機(jī)構(gòu)、配備人員，即省監(jiān)測中心、監(jiān)測分站、監(jiān)測站三級，由1個總站(中心)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中心、10個分站的10個數(shù)據(jù)分中心以及77個監(jiān)測站組成[16]。該網(wǎng)絡(luò)一次規(guī)劃，分二期實(shí)施，一期工程已完成了省監(jiān)測中心和武漢、恩施、宜昌、黃岡、襄樊、荊門、十堰、孝感、咸寧、鄂州10個監(jiān)測分站的建設(shè)投入使用，目前二期工程，全省4個綜合監(jiān)測點(diǎn)、2個示范監(jiān)測點(diǎn)、38個重點(diǎn)監(jiān)測點(diǎn)及33個普通監(jiān)測點(diǎn)共77個監(jiān)測站點(diǎn)也已基本建成(圖1)。

圖1　湖北省水土保持監(jiān)測站點(diǎn)布局

注：1區(qū)為丹江口水庫周邊山地丘陵水質(zhì)維護(hù)保土區(qū)； 2區(qū)為洞庭湖丘陵平原農(nóng)田防護(hù)水質(zhì)維護(hù)區(qū)； 3區(qū)為幕阜山九嶺山山地丘陵保土生態(tài)維護(hù)區(qū)； 4區(qū)為南陽盆地及大洪山丘陵保土農(nóng)田防護(hù)區(qū)； 5區(qū)為桐柏大別山山地丘陵水源涵養(yǎng)保土區(qū)； 6區(qū)為大巴山山地保土生態(tài)維護(hù)區(qū)； 7區(qū)為江漢平原及周邊丘陵農(nóng)田防護(hù)人居環(huán)境維護(hù)區(qū)； 8區(qū)為鄂渝山地水源涵養(yǎng)保土區(qū)。下同。

湖北省水土保持監(jiān)測點(diǎn)覆蓋了湖北省八大水土保持區(qū)劃和省內(nèi)的主要江河流域，全省高山、丘陵、淺丘和崗地4種地貌都布設(shè)了典型的水土保持監(jiān)測點(diǎn)。從監(jiān)測點(diǎn)在全省八大水土保持區(qū)劃的分布看，丹江口水庫周邊山地丘陵水質(zhì)維護(hù)保土區(qū)有監(jiān)測點(diǎn)7個，平均1 671 km2有1個監(jiān)測點(diǎn)；大巴山山地保土生態(tài)維護(hù)區(qū)保土生態(tài)維護(hù)區(qū)有監(jiān)測點(diǎn)24個，平均1 867 km2有1個監(jiān)測點(diǎn)，南陽盆地及大洪山丘陵保土農(nóng)田防護(hù)區(qū)有監(jiān)測點(diǎn)1個，平均18 000 km2有1個監(jiān)測點(diǎn)；桐柏大別山山地丘陵水源涵養(yǎng)保土區(qū)有監(jiān)測點(diǎn)17個，平均1 876 km2有1個監(jiān)測點(diǎn)。幕阜山九嶺山山地丘陵保土生態(tài)維護(hù)區(qū)有監(jiān)測點(diǎn)8個，江漢平原及周邊丘陵農(nóng)田防護(hù)人居環(huán)境維護(hù)區(qū)有監(jiān)測點(diǎn)12個，洞庭湖丘陵平原農(nóng)田防護(hù)水質(zhì)維護(hù)區(qū)有監(jiān)測點(diǎn)2個，鄂渝山地水源涵養(yǎng)保土區(qū)有6個，平均1 763～4 500 km2有1個監(jiān)測點(diǎn)。大巴山山地保土生態(tài)維護(hù)區(qū)保土生態(tài)維護(hù)區(qū)、桐柏大別山山地丘陵水源涵養(yǎng)保土區(qū)、江漢平原及周邊丘陵農(nóng)田防護(hù)人居環(huán)境維護(hù)區(qū)、幕阜山九嶺山山地丘陵保土生態(tài)維護(hù)區(qū)是湖北省水土保持監(jiān)測的重點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)分布較密。

表2　湖北省水土保持現(xiàn)有監(jiān)測站點(diǎn)分布

從監(jiān)測點(diǎn)在湖北省主要江河流域的分布情況看，長江干流有46個監(jiān)測點(diǎn)，漢江流域有27個監(jiān)測點(diǎn)。

73個監(jiān)測點(diǎn)代表了黃棕壤、紅壤、黃坡、潮土、黃褐土、石灰土及紫色土等7種土壤，7種土壤的分布面積占全省總耕地面積的48.65%。由于占全省總耕地面積50.35%的水稻土，主要分布于江漢平原，暫未設(shè)立水稻土典型監(jiān)測點(diǎn)。

3.2　監(jiān)測站點(diǎn)優(yōu)化布局結(jié)果

以湖北省水土保持監(jiān)測現(xiàn)有站點(diǎn)布局為基礎(chǔ)，根據(jù)湖北省土壤侵蝕特點(diǎn)和水土保持監(jiān)測的特點(diǎn)，對湖北省水土保持監(jiān)測站點(diǎn)空進(jìn)布局進(jìn)行人工優(yōu)化、調(diào)整之后，全省共布設(shè)86個監(jiān)測點(diǎn)，其中一級尺度12個監(jiān)測點(diǎn)，二級尺度26個監(jiān)測點(diǎn)，三級尺度布設(shè)48個監(jiān)測點(diǎn)。

(1) 一級尺度水土保持監(jiān)測站點(diǎn)布局。為做到從面上對監(jiān)測區(qū)域的控制，在湖北南方紅壤區(qū)和西南紫色土區(qū)內(nèi)，根據(jù)湖北省行政區(qū)劃，選擇在各區(qū)域市級地域建立1～2個水土保持監(jiān)測站點(diǎn)，確保在宏觀面上實(shí)現(xiàn)水土保持監(jiān)測。可參考湖北省一二期工程現(xiàn)已建成的水土保持監(jiān)測站點(diǎn)[14]，不必重復(fù)建設(shè)。因此，湖北省共布設(shè)一級尺度監(jiān)測站點(diǎn)12個，分別位于丹江口市，神農(nóng)架林區(qū)，宜昌市，恩施市，利川市，荊門市，棗陽市，隨州市，宜城市，鐘祥市，廣水市，麻城市。

(2) 二級尺度水土保持監(jiān)測站點(diǎn)布局。根據(jù)生成的湖北省土壤侵蝕分級圖(圖2)，按照水土流失程度，優(yōu)化二級尺度水土保持監(jiān)測站點(diǎn)的密度。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，湖北省一共布設(shè)26個二級尺度監(jiān)測點(diǎn)。土壤侵蝕較為嚴(yán)重的區(qū)域，如秦巴山區(qū)，可布設(shè)較多二級監(jiān)測站點(diǎn)。另外，為避免重復(fù)建設(shè)，可在分區(qū)尺度的基礎(chǔ)上，充分利用湖北省現(xiàn)有的水土保持監(jiān)測點(diǎn)、水文站、滑坡泥石流預(yù)警站、墑情站等已有的歷史監(jiān)測資料，更好地為水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

圖2　湖北省土壤侵蝕等級圖

(3) 三級尺度水土保持監(jiān)測站點(diǎn)布局。三級尺度水土保持監(jiān)測站點(diǎn)布設(shè)不僅需要反映各縣市水土流失情況的典型特征，而且需要考慮三級尺度站點(diǎn)布設(shè)與一、二級尺度站點(diǎn)布設(shè)的補(bǔ)充關(guān)系，以確保湖北省水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的層次結(jié)構(gòu)。依據(jù)湖北省行政區(qū)劃，在二級尺度的監(jiān)測站點(diǎn)布局上繼續(xù)優(yōu)化。三峽庫區(qū)和丹江口庫區(qū)是湖北省水土保持監(jiān)測的重點(diǎn)，三級監(jiān)測點(diǎn)分布應(yīng)較密。長江中游丘陵平原區(qū)及幕阜山區(qū)水土流失較輕，屬全省預(yù)防保護(hù)區(qū)，監(jiān)測站點(diǎn)分布應(yīng)較少。

優(yōu)化后的湖北省監(jiān)測站點(diǎn)布局情況如圖3所示。

圖3　湖北省水土保持監(jiān)測站點(diǎn)優(yōu)化布局

3.3　優(yōu)化布局結(jié)果分析

從湖北省水土保持監(jiān)測站點(diǎn)優(yōu)化結(jié)果看，丹江口水庫周邊山地丘陵水質(zhì)維護(hù)保土區(qū)有監(jiān)測點(diǎn)11個，平均1 061 km2有1個監(jiān)測點(diǎn)；大巴山山地保土生態(tài)維護(hù)區(qū)保土生態(tài)維護(hù)區(qū)有監(jiān)測點(diǎn)21個，平均2 134 km2有1個監(jiān)測點(diǎn)，南陽盆地及大洪山丘陵保土農(nóng)田防護(hù)區(qū)有監(jiān)測點(diǎn)9個，平均2 004 km2有1個監(jiān)測點(diǎn)；

桐柏大別山山地丘陵水源涵養(yǎng)保土區(qū)有監(jiān)測點(diǎn)17個，平均1 875 km2有1個監(jiān)測點(diǎn)。鄂渝山地水源涵養(yǎng)保土區(qū)有12個，幕阜山九嶺山山地丘陵保土生態(tài)維護(hù)區(qū)有監(jiān)測點(diǎn)6個，洞庭湖丘陵平原農(nóng)田防護(hù)水質(zhì)維護(hù)區(qū)有監(jiān)測點(diǎn)2個，江漢平原及周邊丘陵農(nóng)田防護(hù)人居環(huán)境維護(hù)區(qū)有監(jiān)測點(diǎn)8個，平均2 253～4 071 km2有1個監(jiān)測點(diǎn)。

丹江口水庫周邊山地丘陵水質(zhì)維護(hù)保土區(qū)、南陽盆地及大洪山丘陵保土農(nóng)田防護(hù)區(qū)、鄂渝山地水源涵養(yǎng)保土區(qū)的優(yōu)化后平均每個站點(diǎn)的控制面積減少，主要因?yàn)檫@些地區(qū)水土流失嚴(yán)重，侵蝕強(qiáng)度高，較小的控制面積有利于監(jiān)測站點(diǎn)獲取更為詳細(xì)、可靠的水土保持監(jiān)測指標(biāo)。而水土流失輕微、侵蝕強(qiáng)度低的地區(qū)，如江漢平原及周邊丘陵農(nóng)田防護(hù)人居環(huán)境維護(hù)區(qū)、幕阜山九嶺山山地丘陵保土生態(tài)維護(hù)區(qū)，優(yōu)化后平均每個站點(diǎn)的控制面積增加，既滿足侵蝕監(jiān)測指標(biāo)的獲取，同時可以減少監(jiān)測站點(diǎn)的重復(fù)，避免不必要的浪費(fèi)。

表3　湖北省水土保持監(jiān)測站點(diǎn)優(yōu)化結(jié)果

3.4　布局結(jié)果驗(yàn)證

將優(yōu)化后的全省監(jiān)測站點(diǎn)布局生成泰森多邊形(圖4)，并與侵蝕分級后的結(jié)果多邊形進(jìn)行對比分析，檢驗(yàn)監(jiān)測站點(diǎn)的控制范圍及合理性。由圖4可以看出，侵蝕強(qiáng)度最高的分區(qū)泰森多邊形面積較小，單個多邊形控制范圍較小，如鄂西北秦巴山區(qū)、鄂西南武陵山區(qū)、鄂東北大別山區(qū)以及鄂東南幕阜山區(qū)，這些地區(qū)侵蝕強(qiáng)度高，侵蝕類型復(fù)雜，監(jiān)測站點(diǎn)控制的面積越小，有利于獲取更詳細(xì)的監(jiān)測資料。侵蝕強(qiáng)度相對較弱的地區(qū)，泰森多邊形控制范圍相對較大，如湖北省中部和南部江漢平原地區(qū)和洞庭湖丘陵平原區(qū)地勢平坦，土壤侵蝕等級較低，土壤侵蝕的風(fēng)險較小，因此相應(yīng)布設(shè)的站點(diǎn)較少。在一些特殊區(qū)域需要加強(qiáng)觀測，如鄂西北和鄂西南分別是南水北調(diào)中線水源地丹江口水庫和三峽水庫所在地，生態(tài)地位極為重要，是湖北省水土保持監(jiān)測的重點(diǎn)區(qū)域[15]，這些區(qū)域單個站點(diǎn)控制的面積更小?？傮w上看，站點(diǎn)的布設(shè)比較合理，控制突出，層次分明，有據(jù)可依，從宏觀上和微觀上基本能夠控制、反映湖北省全省的水土流失狀況。

圖4　水土流失監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)布設(shè)的泰森多邊形驗(yàn)證

4結(jié)論與討論

以湖北省水土保持監(jiān)測站點(diǎn)布局為例，結(jié)合GIS空間分析功能，運(yùn)用尺度理論對水土保持監(jiān)測站點(diǎn)進(jìn)行空間優(yōu)化布局。從監(jiān)測站點(diǎn)數(shù)量看，經(jīng)過優(yōu)化之后，湖北省共布設(shè)86個監(jiān)測點(diǎn)，其中一級尺度12個監(jiān)測點(diǎn)，二級尺度26個監(jiān)測點(diǎn)，三級尺度布設(shè)48個監(jiān)測點(diǎn)。每個監(jiān)測站點(diǎn)的控制面積平均減少平1 660 km2，較之前增加9個監(jiān)測站點(diǎn)。從監(jiān)測區(qū)域看，在水土流失嚴(yán)重的丹江口水庫周邊山地丘陵水質(zhì)維護(hù)保土區(qū)、南陽盆地及大洪山丘陵保土農(nóng)田防護(hù)區(qū)、鄂渝山地水源涵養(yǎng)保土區(qū)優(yōu)化后平均每個站點(diǎn)的控制面積減少；在侵蝕強(qiáng)度弱的地區(qū)如江漢平原及周邊丘陵農(nóng)田防護(hù)人居環(huán)境維護(hù)區(qū)、幕阜山九嶺山山地丘陵保土生態(tài)維護(hù)區(qū)，優(yōu)化后平均每個站點(diǎn)的控制面積增加，既滿足侵蝕監(jiān)測指標(biāo)的獲取，同時可以減少監(jiān)測站點(diǎn)的重復(fù)避免了不必要的浪費(fèi)。經(jīng)過泰森多邊形檢驗(yàn)，經(jīng)過優(yōu)化后的監(jiān)測站點(diǎn)布設(shè)合理，控制突出，層次分明，有據(jù)可依，基本能夠控制、反映湖北省全省的水土流失狀況，提高了監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)的針對性、科學(xué)性。

本研究通過尺度理論，從一級尺度到三級尺度逐級布設(shè)監(jiān)測站點(diǎn)，將監(jiān)測點(diǎn)同監(jiān)測區(qū)域緊密結(jié)合起來，使得監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)更加簡便。只要監(jiān)測站點(diǎn)控制的面積合理，能夠客觀反映監(jiān)測區(qū)域的水土流失情況即可，大大減低了監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)的難度，提高了監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)的針對性、科學(xué)性[10]。但是，從水土保持區(qū)劃出發(fā)進(jìn)行尺度分析有一定的主觀性，雖然水土保持區(qū)劃帶有尺度的概念，但是將區(qū)劃結(jié)果等同于尺度等級存在著不適宜。水土保持監(jiān)測站點(diǎn)的布設(shè)需要充分考慮。水土保持監(jiān)測站點(diǎn)的布局一方面要考慮區(qū)域代表性,包括自然環(huán)境條件和社會經(jīng)濟(jì)狀況；另一方面考慮不同觀測目的和觀測內(nèi)容情況下的設(shè)施配置[16]，根據(jù)不同的水土保持功能、生態(tài)功能有側(cè)重的進(jìn)行水土保持監(jiān)測。對于更為復(fù)雜的開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測，需要按照“項(xiàng)目區(qū)—監(jiān)測分區(qū)—監(jiān)測點(diǎn)”逐層細(xì)化的方法,有針對性的進(jìn)行布設(shè)監(jiān)測站點(diǎn)，將相對復(fù)雜的項(xiàng)目區(qū)的整體監(jiān)測拆分到相對簡單的監(jiān)測點(diǎn)的局部監(jiān)測[17]。水土保持監(jiān)測為我國生態(tài)環(huán)境建設(shè)規(guī)劃、生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供重要依據(jù)，隨著監(jiān)測法規(guī)制度和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)日益健全，全國水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)不斷完善[18]，合理的監(jiān)測站點(diǎn)布局將會極大促進(jìn)水土保持科學(xué)的發(fā)展。

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Spatial Localization Optimization of Soil and Water Conservation Monitoring Sites in Hubei Province

YANG Wei1,3, WANG Jian2, LI Lu1,3, ZHOU Ying2

(1.HubeiWaterResourcesResearchInstitute,Wuhan，Hubei430070,China; 2.HuazhongAgriculturalUniversity,Wuhan，Hubei430070,China; 3HubeiEngineeringandTechnologyResearchCenterofSoilandWaterConservation,Wuhan，Hubei430070,China)

Abstract：[Objective] Monitoring sites are the bases of soil and water conservation monitoring. Scientific and reasonable sites layout would directly impact on the accuracy of monitoring data as well as authority. Hence, the spatial localization optimization of monitoring sites was researched in order to provide some supports for effective operation of conservation system and reasonable decision of associated policy. [Methods] Through data collection of soil erosion, combined with GIS spatial analysis, soil erosion intensity classification in Hubei Province was accessed. The theory of scale space was used to optimize the location of soil and water conservation monitoring sites, after that the results were verified using the Thiessen polygon method. [Results] 86 monitoring sites were arranged in the whole province, including 12 monitoring sites at grade 1st scale, 26 monitoring sites at level 2nd scale, 48 monitoring sites at level 3rd. Thiessen polygon verification results showed that the optimized sites were reasonable. [Conclusion] The surrounding hills of Danjiangkou Reservoir, the farmland zone of Dahong Mountain and Nanyang basin, the water conservation districts of Hubei and Chongqing mountainous area were serious in soil erosion. More monitoring sties need to be settled in this area. The surrounding farmland area of Jianghan plain had less soil erosion, and where the amount of soil erosion monitoring sites can appropriately be reduced.

Keywords:monitoring stations; optimized distribution; Thiessen polygon； Hubei Province

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)06-0114-06

中圖分類號：S157.1

收稿日期：2014-09-21修回日期：2014-10-05

資助項(xiàng)目：湖北省水利前期工作項(xiàng)目“湖北省水土保持監(jiān)測站點(diǎn)空間優(yōu)化布局研究”，“湖北主要侵蝕區(qū)水土流失綜合調(diào)控原理與治理模式研究”

第一作者：楊偉(1983—),男(漢族),河南省靈寶市人,博士,工程師，主要從事水土保持方面的研究。E-mail:yw.hbwri@gmail.com。

水保監(jiān)測與應(yīng)用技術(shù)