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        基于水文自動(dòng)化監(jiān)測(cè)站網(wǎng)開展水土流失監(jiān)測(cè)的探討

        2021-10-10 09:39:08邢先雙董明明郭靜杜子龍孟琳
        區(qū)域治理 2021年36期
        關(guān)鍵詞:雨量監(jiān)測(cè)站水文

        邢先雙,董明明,郭靜,杜子龍,孟琳

        1.山東省水文中心;2.濰坊市水文中心;3.水發(fā)技術(shù)集團(tuán)有限公司

        水土保持和水土流失監(jiān)測(cè)在構(gòu)建“四位一體”戰(zhàn)略中占據(jù)重要位置,在城市化進(jìn)程不斷加快的時(shí)代背景下,如何完善區(qū)域水土保持、如何提升水資源利用率、如何動(dòng)態(tài)化監(jiān)測(cè)水土流失情況,已經(jīng)成為各級(jí)單位和部門必須重視并解決的問(wèn)題。從這一層面來(lái)講,水文自動(dòng)化監(jiān)測(cè)站網(wǎng)的建立與使用,就顯得尤為重要,革新管理方式,保護(hù)城市地表徑流,有助于各級(jí)部門全方位貫徹落實(shí)“兩山論”,最終提升生態(tài)環(huán)境的治理效益。

        一、水土流失監(jiān)測(cè)的重要性

        (一)為水土保持工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

        從技術(shù)層面來(lái)講,我國(guó)幅員遼闊,要想宏觀性監(jiān)測(cè)各地區(qū)水土情況,是具有一定難度的,再加上部分季風(fēng)性氣候區(qū)夏季雨水較為集中,部分山地丘陵地帶自然災(zāi)害種類較多,對(duì)水土資源的破壞性更大,技術(shù)人員和相關(guān)監(jiān)測(cè)部門要想掌握水土流失的發(fā)展規(guī)律,僅僅依靠人工經(jīng)驗(yàn)和靜態(tài)化的信息系統(tǒng),遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到管理需求。而利用水土流失監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及監(jiān)測(cè)站網(wǎng)的創(chuàng)建,可以為水土流失監(jiān)測(cè)提供多地、多段、多區(qū)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),做好必要的相關(guān)數(shù)據(jù)采集工作,引導(dǎo)利用人工調(diào)查+調(diào)查監(jiān)測(cè)的方式,分析水土流失情況,從而確定工作要點(diǎn),更好地滿足監(jiān)測(cè)要求。堅(jiān)定監(jiān)測(cè)開展力度,為后續(xù)整理、管理提供思路,促進(jìn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集的標(biāo)準(zhǔn)化,根據(jù)坡地徑流、植被覆蓋率等監(jiān)測(cè)項(xiàng)目,充分發(fā)揮氣象站、監(jiān)測(cè)站、采樣系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)網(wǎng)的作用,方便技術(shù)人員根據(jù)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

        (二)動(dòng)態(tài)化掌握水土流失情況

        影響區(qū)域性水土流失情況的類型有很多種,工業(yè)施工、人為行動(dòng)、氣候變換等都會(huì)加劇水土流失的速度[1]。尤其是自然環(huán)境,具有不可抗力性和不穩(wěn)定性,必須做好動(dòng)態(tài)性監(jiān)測(cè),才能為后續(xù)水土保持工作提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù),采取科學(xué)合理的措施,降低水土流失的破壞性,提供動(dòng)態(tài)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),全程監(jiān)測(cè)流失情況,在定點(diǎn)調(diào)查、地形圖現(xiàn)場(chǎng)調(diào)繪、數(shù)據(jù)匯總、土壤侵蝕強(qiáng)度、小流域侵蝕總量、泥沙流失量、雨量監(jiān)測(cè)等系統(tǒng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的作用下,為后續(xù)水土保持和治理提供科學(xué)決策的依據(jù)。確保相關(guān)部門的技術(shù)人員和管理人員研究水土保持規(guī)劃方案,全面掌握監(jiān)測(cè)對(duì)象的發(fā)展/變化規(guī)律,設(shè)計(jì)基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)技術(shù)線路,測(cè)算有效土層厚度,控制城市非點(diǎn)源污染的水環(huán)境,從而提升城市水環(huán)境綜合治理效果。

        二、水土流失監(jiān)測(cè)存在的不足

        當(dāng)前,在水土治理工作中,相關(guān)部門在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中還存在亟需提升的地方,主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)[2]。(1)監(jiān)測(cè)點(diǎn)功能單一,數(shù)量少,部分監(jiān)測(cè)站點(diǎn)選址不合理,因此監(jiān)測(cè)成果在一定程度上難以滿足管理部門的需求,觀測(cè)因子少;(2)即使多地相繼成立了監(jiān)測(cè)分站,但是監(jiān)測(cè)點(diǎn)間的交流聯(lián)系并不緊密,數(shù)據(jù)之間尚未完成互通互鑒、交流互享;(3)部分偏遠(yuǎn)地區(qū)、縣鄉(xiāng)地區(qū)監(jiān)測(cè)方式落后,對(duì)于一些小流域水土流失監(jiān)測(cè)過(guò)程中,數(shù)據(jù)精度得不到保障,難以實(shí)現(xiàn)全過(guò)程、動(dòng)態(tài)化監(jiān)測(cè),自動(dòng)化水平低,財(cái)政資金支持不夠,監(jiān)測(cè)成果格式不統(tǒng)一,信息共享平臺(tái)尚未建成;(4)監(jiān)測(cè)技術(shù)人員稀缺,部分地區(qū)人才老齡化嚴(yán)重,水土保持監(jiān)測(cè)工作不能滿足現(xiàn)實(shí)需要,數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)有待健全,監(jiān)測(cè)技術(shù)有待提高,需要充分應(yīng)用新型監(jiān)測(cè)手段。

        三、基于水文自動(dòng)化監(jiān)測(cè)站網(wǎng)開展水土流失監(jiān)測(cè)

        (一)自動(dòng)雨量

        自動(dòng)雨量的監(jiān)測(cè)在水土流失和保持工作中,起著重要的作用,水文自動(dòng)化監(jiān)測(cè)站網(wǎng)中的雷達(dá)測(cè)雨系統(tǒng),可以通過(guò)雷達(dá)組網(wǎng),確定雨量監(jiān)測(cè)范圍,實(shí)現(xiàn)雷達(dá)監(jiān)測(cè)雙備份,在上游組建高分辨率雨量雷達(dá)系統(tǒng)。其組成部分主要有:(1)應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng);(2)雨滴譜監(jiān)測(cè)站;(3)數(shù)據(jù)處理單元;(4)數(shù)據(jù)接收交換和監(jiān)控管理平臺(tái)。雨量雷達(dá)結(jié)構(gòu)形式更為靈活,自動(dòng)獲取格點(diǎn)雨量數(shù)據(jù)(600m×600m),將格點(diǎn)雨量?jī)?chǔ)存到數(shù)據(jù)庫(kù)中,之后進(jìn)行分區(qū)雨量的計(jì)算,在監(jiān)測(cè)區(qū)域(分區(qū))實(shí)時(shí)面雨量數(shù)據(jù)分時(shí)間、分區(qū)段進(jìn)行儲(chǔ)存,為技術(shù)人員和相關(guān)部門提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息,供洪水預(yù)警預(yù)報(bào)使用。確定水源模型的產(chǎn)流/匯流參數(shù),根據(jù)自動(dòng)化雨量監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)更新流域面積、滯后時(shí)段數(shù)、地下徑流消退系數(shù)、蓄水容量曲線、流域蓄水容量、壤中流消退系數(shù)等,實(shí)測(cè)洪峰出現(xiàn)時(shí)間,得出峰現(xiàn)時(shí)間誤差。從水土流失的源頭開始,做好雨量的自動(dòng)監(jiān)測(cè),形成科學(xué)有效的數(shù)據(jù),做好相應(yīng)預(yù)警工作[3]。雷達(dá)測(cè)雨系統(tǒng)的使用可以及時(shí)對(duì)降雨量進(jìn)行分區(qū),推測(cè)、降雨演進(jìn),確保水土保持工作的空間連續(xù)性,提升監(jiān)測(cè)密度,初步率定參數(shù),將雨量系統(tǒng)與洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)結(jié)合,測(cè)算多場(chǎng)洪水期間監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),充分發(fā)揮水文自動(dòng)化監(jiān)測(cè)站網(wǎng)的信息化作用,為洪水預(yù)警預(yù)報(bào)積累經(jīng)驗(yàn),及時(shí)規(guī)劃好水土保護(hù)預(yù)案。

        (二)徑流、泥沙自動(dòng)化監(jiān)測(cè)

        在進(jìn)行水土流失觀測(cè)中,徑流、泥沙自動(dòng)化監(jiān)測(cè)是水文自動(dòng)化監(jiān)測(cè)站網(wǎng)必不可少的一項(xiàng)核心技術(shù)之一,其設(shè)計(jì)原理是:(1)測(cè)定盛水桶容積,測(cè)定清水密度、土壤容重等參數(shù),利用超聲波傳感器將渾水重量等數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存和采集;(2)實(shí)施測(cè)量行徑流量,上傳至集成系統(tǒng),動(dòng)態(tài)化測(cè)量含沙量,其核心參數(shù)主要有清水密度、地區(qū)坡度、徑流平均空氣含量、土壤容重,將此類核心數(shù)值輸入到自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,進(jìn)行觀察和比對(duì)。當(dāng)前我國(guó)對(duì)徑流、泥沙自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的研究已經(jīng)取得了階段性進(jìn)展,在水文自動(dòng)化監(jiān)測(cè)站網(wǎng)中已經(jīng)可以利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、空間插值方法等測(cè)算年平均徑流量,對(duì)下游小尺度流域徑流、泥沙進(jìn)行監(jiān)測(cè)。本文主要研究空間插值方法與“3S”網(wǎng)絡(luò)分析相結(jié)合的辦法,為水文分析和自動(dòng)化監(jiān)測(cè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),通過(guò)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建,得出核心信息,構(gòu)建河流網(wǎng)絡(luò)插值法流程圖,并對(duì)水量水質(zhì)進(jìn)行同步監(jiān)測(cè)。在降雨結(jié)束后,峰頂、峰腰、落平利用流速儀法和浮標(biāo)法,進(jìn)行三次監(jiān)測(cè),計(jì)算流域的最大流速和平均流速,測(cè)算斷面面積和泥沙含量,匯總成徑流量成果表和斷面徑流深成果表,分析徑流深合理性。其中值得注意的是,必須擴(kuò)大所述流域的觀察站點(diǎn)數(shù)量,并確定好所在區(qū)域,監(jiān)測(cè)站點(diǎn)應(yīng)該附集荒坡地、耕地、工業(yè)用地等,利用“3S”技術(shù)進(jìn)行宏觀監(jiān)測(cè),重視坡地徑流觀測(cè)項(xiàng)目,提升數(shù)據(jù)分析完整性。

        (三)流域土壤侵蝕自動(dòng)化監(jiān)測(cè)

        流域土壤侵蝕情況從本質(zhì)上講,與土地利用、植被覆蓋率、地形條件和降水分布等有著密切的關(guān)系[4]。在水文自動(dòng)化監(jiān)測(cè)站網(wǎng)的布設(shè)中,通過(guò)GIS分析法,結(jié)合DOM技術(shù)、紅外影像技術(shù)、DEM技術(shù)的應(yīng)用,可以直接提取土壤侵蝕影響因子,對(duì)侵蝕強(qiáng)度進(jìn)行判斷,判定監(jiān)測(cè)指標(biāo),主要通過(guò)對(duì)水蝕區(qū)坡蝕強(qiáng)度、水蝕區(qū)溝蝕強(qiáng)度、水蝕區(qū)風(fēng)蝕強(qiáng)度、植被覆蓋地表形態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè),具體指標(biāo)如表1。

        表1 土壤侵蝕影響因子判定指標(biāo)

        基于流域數(shù)字航攝影像,根據(jù)地形地貌特征,首先,將已經(jīng)采集到的流域沿線數(shù)據(jù)匯總到三維立體圖形中,基于DEM技術(shù)構(gòu)成溝壑烈度計(jì)算單元,其次,技術(shù)人員和信息采集人員根據(jù)實(shí)際情況對(duì)上中下游重點(diǎn)支流和主要泥沙來(lái)源進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)控,從而判定流域土壤侵蝕狀況。最后,根據(jù)核心數(shù)值判斷當(dāng)?shù)厮亮魇Ъ?jí)度,從空間分布上總結(jié)出土壤質(zhì)地松軟抗蝕能力,在遇汛期強(qiáng)降雨來(lái)臨之前,將預(yù)防監(jiān)督與治理兩手抓,及時(shí)做好防控措施,發(fā)揮水質(zhì)監(jiān)測(cè)站、水文自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的作用。

        四、其他要點(diǎn)

        (一)依托水文站網(wǎng)布局

        從水文自動(dòng)化監(jiān)測(cè)站網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)層面,筆者已經(jīng)從技術(shù)視角給出水土流失監(jiān)測(cè)的工作方法,但是僅僅依靠技術(shù)建設(shè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足水土保持的需求,還應(yīng)該緊緊依靠水文站網(wǎng)布局,構(gòu)建趨于成熟的站網(wǎng)體系。布設(shè)水文基本站,將蒸發(fā)站、水文站、雨量站、土壤侵蝕自動(dòng)化監(jiān)測(cè)站、水位站等多種水土保持基站廣泛分布于各地市縣,功能必須涵蓋土壤墑情監(jiān)測(cè)、小水庫(kù)預(yù)警、流域預(yù)警、水質(zhì)監(jiān)測(cè)、防汛信息監(jiān)測(cè)等,在水文站建設(shè)方面,筆者建議,水文站點(diǎn)選擇必須預(yù)留一定的發(fā)展空地(周邊),相關(guān)手續(xù)齊全,交通較為便捷,在水土流失多發(fā)區(qū)和嚴(yán)重區(qū)可以增加水文站監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)數(shù)量,提升基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

        (二)加強(qiáng)設(shè)備優(yōu)化

        水文自動(dòng)化監(jiān)測(cè)站中,觀測(cè)站房的投資與建設(shè)需要強(qiáng)有力的設(shè)備支撐和資金支撐[5]。筆者以40平方米建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為例,在我國(guó)東南沿海地區(qū)的裝修費(fèi)+征地費(fèi)+稅額共需20萬(wàn)元左右,此外信息實(shí)時(shí)查詢和遠(yuǎn)程運(yùn)輸所需要的總投資大概在6萬(wàn)元左右,另外站房的專業(yè)性設(shè)備購(gòu)買、維護(hù)費(fèi)用(多功能氣象站、自動(dòng)采樣器、自動(dòng)水位計(jì)、泥沙測(cè)定耗材、技術(shù)人員工資、運(yùn)行與維護(hù)費(fèi)用)在80萬(wàn)元左右(去掉地方財(cái)政補(bǔ)貼),由此可見,水文自動(dòng)化監(jiān)測(cè)站所涉及到的設(shè)備費(fèi)用基本是建設(shè)費(fèi)用的2倍,如果在日常工作和使用過(guò)程中,出現(xiàn)設(shè)備更新和擴(kuò)建服務(wù),總花費(fèi)將達(dá)到建設(shè)費(fèi)用的2.75倍左右。因此相關(guān)水文監(jiān)測(cè)部門應(yīng)該高效利用財(cái)政資金,促進(jìn)信息共享平臺(tái)的建立,在設(shè)備應(yīng)用的基礎(chǔ)上,充分發(fā)揮監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的功能,克服水土保持監(jiān)測(cè)的局限性,選擇合理區(qū)域,提高運(yùn)行效率,推進(jìn)水文現(xiàn)代化發(fā)展,利用監(jiān)測(cè)設(shè)備,與技術(shù)人員相互配合,規(guī)劃出監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

        (三)組建高質(zhì)量的人才隊(duì)伍

        在水文自動(dòng)化監(jiān)測(cè)站網(wǎng)開展中,僅僅依靠設(shè)備和技術(shù)的支持難以促成水土流失監(jiān)測(cè)體系的建設(shè),我國(guó)水文行業(yè)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期發(fā)展,在硬件設(shè)施方面已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高效發(fā)展,但是即使是自動(dòng)化監(jiān)測(cè),也不能離開“人”的基本活動(dòng),因此筆者建議,在今后水土流失監(jiān)測(cè)過(guò)程中,必須構(gòu)建一支高質(zhì)量人才隊(duì)伍,將硬件設(shè)施、管理體系、軟件應(yīng)用相結(jié)合,及時(shí)補(bǔ)充專業(yè)技術(shù)從業(yè)人員。使用多普勒聲學(xué)監(jiān)測(cè)設(shè)備,推廣遙測(cè)報(bào)汛系統(tǒng)的使用和信息化建設(shè)平臺(tái),滿足監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)隊(duì)伍人才缺口,與各級(jí)信息中心實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互通,完善遙測(cè)報(bào)汛系統(tǒng),水文勘察工隊(duì)伍必須熟練掌握并運(yùn)用常規(guī)監(jiān)測(cè)設(shè)備,進(jìn)行測(cè)沙、測(cè)流、測(cè)水位等,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和信息發(fā)布,在水土保持技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中,技術(shù)人員必須勝任應(yīng)急監(jiān)測(cè)車、水質(zhì)自動(dòng)采樣船等專業(yè)裝備。加強(qiáng)從業(yè)人員梯隊(duì)建設(shè),積極引進(jìn)系統(tǒng)開發(fā)人才、應(yīng)用人才、監(jiān)管人才。對(duì)水災(zāi)監(jiān)測(cè)站網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化,完善監(jiān)測(cè)層位,提升地下水布設(shè)密度,調(diào)整監(jiān)測(cè)方式,采用自動(dòng)監(jiān)測(cè)+人工復(fù)核方式,改善測(cè)驗(yàn)方式,為水土保持提供人才支撐,引進(jìn)監(jiān)測(cè)經(jīng)驗(yàn)豐富的項(xiàng)目管理人才,在特殊類型區(qū)域,提升站網(wǎng)建設(shè),充實(shí)人才隊(duì)伍,促進(jìn)水土保持監(jiān)測(cè)工作持續(xù),穩(wěn)定發(fā)展。

        五、結(jié)束語(yǔ)

        綜上所述,水土流失監(jiān)測(cè)可以提供多地、多段、多區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù),方便技術(shù)人員利用監(jiān)測(cè)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,全面掌握監(jiān)測(cè)對(duì)象的發(fā)展/變化規(guī)律,設(shè)計(jì)基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)技術(shù)線路。因此筆者建議,在今后工作中應(yīng)該構(gòu)建一支高質(zhì)量人才隊(duì)伍,依托水文站網(wǎng)布局,利用自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行徑流、泥沙、雨量、土壤侵蝕的自動(dòng)化監(jiān)測(cè),提升監(jiān)測(cè)點(diǎn)間的交流聯(lián)系緊密度,構(gòu)建內(nèi)部完善的責(zé)任制度,充分發(fā)揮監(jiān)測(cè)站網(wǎng)功能,優(yōu)化監(jiān)測(cè)方式。

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