楊 偉，高 超，李 璐，郭文慧，余 冰

(1.湖北省水利水電科學(xué)研究院，湖北 武漢 430070； 2.湖北省水土保持工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430070；3.湖北省水土保持監(jiān)測中心，湖北 武漢 430071)

湖北省水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)與信息系統(tǒng)于2005年開始建設(shè)，到2010年初步建成了由1個監(jiān)測中心、10個監(jiān)測分站及77個監(jiān)測點組成，并通過ADSL網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的覆蓋全省的水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系。當(dāng)前國家生態(tài)文明戰(zhàn)略的實施對水土保持監(jiān)測工作提出了新的更高要求，水土保持工作所面臨的形勢和任務(wù)也發(fā)生了較大變化，現(xiàn)有的水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系越來越難以滿足新形勢下水土保持監(jiān)測工作的需要。同時，湖北省現(xiàn)有的水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和信息系統(tǒng)存在設(shè)施設(shè)備老化、數(shù)據(jù)時效性差、觀測精準(zhǔn)度不夠等不足。因此，急需對現(xiàn)有的水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系進(jìn)行優(yōu)化布局及升級改造。

2016年10月，湖北省水利廳審議通過《湖北省水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系優(yōu)化布局建設(shè)與運(yùn)行管理工作方案》，正式啟動優(yōu)化布局與升級改造工作。2017年9月，《湖北省水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系優(yōu)化布局與升級改造項目可行性研究報告》獲得湖北省發(fā)改委批復(fù)。2018年4月，國家發(fā)展改革委將湖北省水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化布局與升級改造納入長江經(jīng)濟(jì)帶綠色發(fā)展專項2018年中央預(yù)算內(nèi)投資計劃。2018年8月，《湖北省水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系優(yōu)化布局及升級改造項目初步設(shè)計》獲得湖北省發(fā)改委批復(fù)。2018年10月，項目正式招標(biāo)建設(shè)，計劃2021年完成全部升級改造工作，湖北成為全國首個大規(guī)模開展水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)升級改造的省份。

筆者對湖北省水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系優(yōu)化布局與升級改造項目的基本思路，特別是監(jiān)測點優(yōu)化布局的基本思路進(jìn)行介紹，以期為其他省份水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化升級提供借鑒。

1 監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀

湖北省現(xiàn)有水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)包括：省水土保持監(jiān)測中心，武漢、恩施、宜昌、孝感、荊門、襄樊、黃岡、鄂州、咸寧、十堰10個市(州)級監(jiān)測分站，荊州、隨州、黃石、神農(nóng)架4個綜合監(jiān)測點(主要承擔(dān)區(qū)域管理職能)，夷陵、紅安2個示范監(jiān)測點，秭歸、長陽等38個重點監(jiān)測點和鄖縣、竹山等33個普通監(jiān)測點。監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)自2010年全面建成運(yùn)行以來，逐漸暴露出了一些問題：

(1)站點布局有待優(yōu)化。現(xiàn)有湖北省水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測點主要依據(jù)原有“三區(qū)”劃分進(jìn)行布局。2012年和2013年水利部先后印發(fā)了《全國水土保持區(qū)劃(試行)》和《全國水土保持規(guī)劃國家級水土流失重點預(yù)防區(qū)和重點治理區(qū)復(fù)核劃分成果》。隨著水土保持區(qū)劃的公布和重點防治區(qū)的調(diào)整，原有的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系布局已經(jīng)無法適應(yīng)新的水土保持工作布局要求，特別是難以滿足重點防治區(qū)動態(tài)監(jiān)測工作開展的需要。

(2)監(jiān)測設(shè)施有待完善。湖北省水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有77個監(jiān)測站點，大多是沿用一些水土保持部門或水土保持科研院所根據(jù)具體研究內(nèi)容而設(shè)置的試驗點，還有部分是利用現(xiàn)有的水文監(jiān)測點、滑坡泥石流監(jiān)測點及墑情監(jiān)測點。這些站點建設(shè)規(guī)模不一致，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，雖然在湖北省水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)與信息系統(tǒng)建設(shè)過程中進(jìn)行了一定的標(biāo)準(zhǔn)化改造，但各站點在站點布局、監(jiān)測設(shè)施數(shù)量與規(guī)格、措施配置、測試分析流程等方面仍然存在一定差異，導(dǎo)致不同監(jiān)測站點的監(jiān)測結(jié)果缺乏可比性，難以綜合利用。

(3)監(jiān)測設(shè)備有待更新。湖北省水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)一期和二期工程為各級監(jiān)測機(jī)構(gòu)、監(jiān)測點配置了必要的基本監(jiān)測設(shè)備，但受投入限制，所配置的設(shè)備自動化、信息化水平不高，僅有2個自動化監(jiān)測點初步實現(xiàn)了土壤水分和控制站的自動化監(jiān)測，現(xiàn)有的38個重點監(jiān)測點仍然依靠人力攪拌集流池、采樣、烘干、稱量來監(jiān)測小區(qū)泥沙含量，不僅步驟煩瑣、工作量大，而且準(zhǔn)確度難以保證。由于工程建設(shè)較早，目前氣象站、集流桶、泥沙采樣器、烘箱等硬件設(shè)備已經(jīng)超過使用年限，徑流小區(qū)、控制站等基礎(chǔ)設(shè)施也已經(jīng)開始老化滲漏，因此繼續(xù)使用將會影響監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

(4)信息化水平有待提高。隨著信息化技術(shù)的快速發(fā)展，早期開發(fā)的水土保持監(jiān)測應(yīng)用系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足目前最新操作系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境要求，早期建設(shè)的數(shù)據(jù)庫也與目前湖北省楚天云平臺建設(shè)和湖北省水利信息化資源整合共享的要求不相適應(yīng)。

2 建設(shè)目標(biāo)

根據(jù)經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的要求，在梳理現(xiàn)有水土保持監(jiān)測站點的基礎(chǔ)上，充分利用湖北省水文站點，根據(jù)新的水土保持區(qū)劃和重點防治區(qū)劃分，優(yōu)化湖北省水土保持監(jiān)測站點空間布局，進(jìn)一步提高監(jiān)測點的代表性和典型性。開展監(jiān)測站點的現(xiàn)代化改造升級，推進(jìn)站點的標(biāo)準(zhǔn)化、自動化、信息化升級，進(jìn)一步提高監(jiān)測站點的監(jiān)測技術(shù)水平。按照湖北省水利信息化的要求升級完善水土保持?jǐn)?shù)據(jù)庫和信息管理系統(tǒng)，進(jìn)一步完善水土保持?jǐn)?shù)據(jù)采集、處理、傳輸與發(fā)布體系。加強(qiáng)監(jiān)測站點的業(yè)務(wù)能力建設(shè)，全面提高湖北省水土保持監(jiān)測能力，為湖北省水土保持生態(tài)文明建設(shè)提供基礎(chǔ)支撐。

3 網(wǎng)絡(luò)體系優(yōu)化布局

3.1 全省網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

優(yōu)化后的湖北省水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系包括省級水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和市、縣級水土保持監(jiān)測站點，采用分級負(fù)責(zé)的管理體系。

省級水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)包括省水土保持監(jiān)測中心、監(jiān)測分站和省級監(jiān)測點，由省級人民政府負(fù)責(zé)建設(shè)與管理。省級監(jiān)測點分為綜合監(jiān)測點和重點監(jiān)測點。綜合監(jiān)測點是每個水土保持分區(qū)的核心監(jiān)測點，建設(shè)規(guī)模大，包含徑流場和小流域控制站，徑流場包含不同坡度徑流小區(qū)；重點監(jiān)測點規(guī)模相對較小，主要對綜合監(jiān)測點進(jìn)行加密，徑流場僅設(shè)置單一坡度徑流小區(qū)。

市、縣級水土保持監(jiān)測站點包括市、縣級水土保持監(jiān)測站和縣級普通監(jiān)測點。市、縣級水土保持監(jiān)測站點按照行政區(qū)劃進(jìn)行設(shè)置，分別由市、縣級人民政府負(fù)責(zé)建設(shè)與管理。

省級監(jiān)測分站掛靠市級監(jiān)測機(jī)構(gòu)，省級監(jiān)測點由省、縣共建共用，數(shù)據(jù)共享，委托監(jiān)測分站管理，依托縣級監(jiān)測站運(yùn)行。

本次優(yōu)化布局及升級改造僅針對省級水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。

3.2 省級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

(1)監(jiān)測中心。湖北省水土保持監(jiān)測中心是湖北省水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的核心，不進(jìn)行調(diào)整。

(2)監(jiān)測分站。原有荊州、隨州、黃石和神農(nóng)架4個綜合監(jiān)測點調(diào)整為監(jiān)測分站，全省監(jiān)測分站由10個調(diào)整為14個，實現(xiàn)全省14個市(州)監(jiān)測分站全覆蓋。

(3)監(jiān)測點。在現(xiàn)有監(jiān)測點布局的基礎(chǔ)上，結(jié)合湖北省經(jīng)濟(jì)水平，統(tǒng)籌進(jìn)行省級監(jiān)測點的布局優(yōu)化。省級監(jiān)測點分為綜合監(jiān)測點和重點監(jiān)測點，各縣(市、區(qū))可自主建設(shè)普通監(jiān)測點。①綜合監(jiān)測點。根據(jù)全國水土保持區(qū)劃，湖北省共有8個水土保持三級區(qū)。三級區(qū)是國家水土保持區(qū)劃的基本單元，必須實現(xiàn)8個三級區(qū)的全覆蓋。結(jié)合每個分區(qū)內(nèi)主要侵蝕土壤類型分布和現(xiàn)有監(jiān)測點的人員、土地、土壤等條件，確定了6個三級分區(qū)的綜合監(jiān)測點，仍有2個水土保持三級區(qū)無現(xiàn)狀水土保持監(jiān)測點，需分別新建1個綜合監(jiān)測點。考慮到這2個分區(qū)面積較小，實際按照重點監(jiān)測點規(guī)模進(jìn)行建設(shè)。②重點監(jiān)測點。三級區(qū)內(nèi)地形、土壤、植被等存在較大差異，需要在代表性區(qū)域增加監(jiān)測點。按照空間分布均勻、充分利用水文站點和已有水土保持站點、多尺度相結(jié)合、經(jīng)濟(jì)實用、密度適中、便利安全等原則，選擇部分現(xiàn)有水土保持監(jiān)測點和水文監(jiān)測點增加監(jiān)測密度，分別開展坡面徑流場觀測和流域觀測。

4 站點升級改造

4.1 系統(tǒng)建設(shè)

包括信息系統(tǒng)建設(shè)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)。

信息系統(tǒng)建設(shè)，一是梳理完善自然條件、社會經(jīng)濟(jì)、基礎(chǔ)地理和遙感影像等水土保持基本數(shù)據(jù)庫，以及監(jiān)測評價、綜合治理、預(yù)防監(jiān)督、綜合信息等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫；二是對原有的幾個獨(dú)立水土保持監(jiān)測信息系統(tǒng)進(jìn)行整合與升級，形成湖北省水土保持監(jiān)測信息化平臺(包括水土保持監(jiān)測與預(yù)報系統(tǒng)、水土保持重點監(jiān)測信息系統(tǒng)、水土保持分析評價系統(tǒng)、水土保持對外發(fā)布系統(tǒng)及手機(jī)APP等)。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)主要是在監(jiān)測點布設(shè)視頻監(jiān)控設(shè)備，便于監(jiān)測點、監(jiān)測分站和監(jiān)測中心管理，同時徑流小區(qū)、控制站的視頻資料也是重要的水土流失監(jiān)測數(shù)據(jù)。

4.2 設(shè)施優(yōu)化改造

目前湖北省水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)各個監(jiān)測點徑流小區(qū)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，各小區(qū)設(shè)置的目的不明確，坡度、坡長、措施布置和日常管理流程等缺乏系統(tǒng)性，沒有統(tǒng)一化、標(biāo)準(zhǔn)化，不同監(jiān)測點數(shù)據(jù)難以比較研究，也難以統(tǒng)一分析利用。本次升級改造對各監(jiān)測點徑流小區(qū)的設(shè)計進(jìn)行統(tǒng)一布局。

各監(jiān)測點徑流小區(qū)包括三類：①水土流失觀測小區(qū)。根據(jù)全省水土保持遙感普查成果，統(tǒng)計分析8個水土保持三級區(qū)水土流失地塊分布特征。根據(jù)各分區(qū)主要水土流失地塊類型的土地利用情況、坡度等，確定綜合監(jiān)測點水土流失小區(qū)的土地利用、植物類型、坡度及數(shù)量。②水土保持效益觀測小區(qū)。根據(jù)全省水土保持遙感普查成果，結(jié)合各地水土保持措施特點，確定水土保持效益觀測小區(qū)的水土保持措施類型、坡度及數(shù)量。③對照小區(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)坡度，確定對照小區(qū)坡度。

考慮經(jīng)濟(jì)成本，重點監(jiān)測點小區(qū)措施類型與所在分區(qū)綜合監(jiān)測點相同，但是只設(shè)計一種典型坡度。

按照以上方案對各監(jiān)測點設(shè)施進(jìn)行升級改造，實現(xiàn)監(jiān)測點的標(biāo)準(zhǔn)化。

4.3 設(shè)備更新升級

監(jiān)測中心和監(jiān)測分站配置三維激光掃描儀、無人機(jī)、植被蓋度監(jiān)測系統(tǒng)等移動監(jiān)測設(shè)備，便于開展現(xiàn)場監(jiān)測、監(jiān)測復(fù)核等工作。監(jiān)測點配備全自動的小區(qū)和控制站徑流泥沙監(jiān)測設(shè)備、氣象站、土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)等，并全部與信息系統(tǒng)對接，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動采集、傳輸、存儲和分析。

5 優(yōu)化布局與升級改造結(jié)果

優(yōu)化調(diào)整后的省級水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)共包括42個監(jiān)測點，其中綜合監(jiān)測點6個、重點監(jiān)測點36個(見圖1)。重點監(jiān)測點中利用原有水土保持監(jiān)測點27個，利用水文監(jiān)測點9個。未納入省級監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)有水土保持監(jiān)測點作為普通監(jiān)測點納入縣級監(jiān)測站網(wǎng)，由所在縣(市)管理。

圖1 優(yōu)化后的省級水土保持監(jiān)測點分布

優(yōu)化后的省級水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了對全省8個水土保持三級區(qū)的全覆蓋，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)和洞庭湖丘陵平原農(nóng)田防護(hù)水質(zhì)維護(hù)區(qū)水土保持觀測設(shè)施的空白，監(jiān)測站點分布更加合理。

同時，通過信息系統(tǒng)建設(shè)、設(shè)施優(yōu)化改造、設(shè)備更新升級等，實現(xiàn)了監(jiān)測站點的標(biāo)準(zhǔn)化、自動化、信息化。項目完成后將極大地提高湖北省水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測技術(shù)水平和能力。

6 徑流小區(qū)監(jiān)測數(shù)據(jù)的應(yīng)用探討

全國水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)以來，積累了大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)。目前監(jiān)測數(shù)據(jù)主要用于土壤流失方程參數(shù)的修訂及遙感監(jiān)測結(jié)果的驗證。如何對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘和應(yīng)用，充分發(fā)揮監(jiān)測數(shù)據(jù)的作用，也是湖北省水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系優(yōu)化布局與升級改造過程中一直思考的問題。

(1)水土流失量估算。按照相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求，采用遙感監(jiān)測和地面調(diào)查相結(jié)合的方法獲得各個水土保持區(qū)的水土流失地塊類型、坡度、面積和空間分布狀況。結(jié)合不同水土流失地塊對應(yīng)徑流小區(qū)的觀測結(jié)果，估算水土流失地塊的土壤侵蝕量。

(2)水土保持效益估算。根據(jù)各水土保持區(qū)的水土保持措施類型和坡度分布布設(shè)水土保持措施小區(qū)，監(jiān)測減水減沙效果。結(jié)合遙感監(jiān)測、調(diào)查監(jiān)測和地方上報的水土保持措施數(shù)量，估算各區(qū)水土保持效益。

(3)水土流失實時監(jiān)測。通過徑流小區(qū)觀測，開展水土流失因子率定研究，完善中國土壤侵蝕模型(CSLE)。基于中國土壤侵蝕模型開發(fā)水土流失監(jiān)測信息系統(tǒng)，輸入地形、土壤、植被、措施等因子數(shù)據(jù)和相關(guān)參數(shù)。在短期內(nèi)地形、土壤、植被、措施等因素變化不大的情況下，可根據(jù)水文、氣象部門眾多雨量監(jiān)測點的降雨監(jiān)測數(shù)據(jù)，直接計算各級區(qū)域(省、市、縣或者流域)某個時段的土壤流失量，實現(xiàn)土壤流失的實時動態(tài)定量監(jiān)測。未來甚至可以根據(jù)氣象部門氣象預(yù)報數(shù)據(jù)，對水土流失進(jìn)行簡單預(yù)報和預(yù)警。