李晶晶

（壽陽縣水利局，山西 晉中 045499）

南長嶺小流域地處晉中市壽陽縣，壽陽縣總面積2 114.4 km2，全縣總水土流失面積為1 404 km2。建國以來，壽陽人民在黨和政府的領(lǐng)導(dǎo)下，同惡劣的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行了艱苦卓絕的斗爭，使嚴(yán)重的水土流失得到了有效控制，生態(tài)環(huán)境得到了改善，但近年來干旱以及農(nóng)業(yè)的較快發(fā)展，使得水土保持治理形勢十分嚴(yán)峻，水保治理的任務(wù)任重道遠(yuǎn)。在南長嶺小流域開展水土保持監(jiān)測試驗，通過對流域內(nèi)降雨量、蒸發(fā)量、水位、流量、含沙量、水質(zhì)的監(jiān)測，可以有效掌握縣域及周邊地區(qū)的水土流失情況，便于探索科學(xué)的水土保持技術(shù)方法，促進(jìn)水土保持事業(yè)的發(fā)展。

1 項目區(qū)概況

南長嶺小流域位于晉中市壽陽縣西洛鎮(zhèn)，小流域范圍涉及南長嶺村。小流域出口控制站布設(shè)在流域出口位置，距離西洛鎮(zhèn)政府約7 km，距離晉中市區(qū)約25 km，交通便利，控制站斷面以上流域面積7.5 km2。小流域地勢整體東北高西南低，地面高程在880～1 050 m 之間。見圖1。

圖1 南長嶺小流域項目區(qū)圖

2 主要建設(shè)內(nèi)容及規(guī)模

根據(jù)晉中市水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，結(jié)合南長嶺小流域?qū)嶋H情況，主要建設(shè)內(nèi)容包括：小流域出口控制站3 個；坡面徑流小區(qū)8 個，自然坡面徑流場1 處；氣象觀測站1 處，雨量觀測站3 處；水土保持監(jiān)測實驗室及其配套附屬設(shè)施1 處；水土保持監(jiān)測與信息化設(shè)備1 套。

3 主要經(jīng)驗做法

3.1 典型小流域選擇

3.1.1 區(qū)域代表性

南長嶺小流域控制站所在流域內(nèi)地勢東北側(cè)高，西南側(cè)低，呈臺階式分布。小流域內(nèi)水土流失面積占比與壽陽縣典型坡耕地區(qū)域水土流失情況基本相同。從區(qū)域?qū)用嫔蟻砜矗×饔蜻x址具有典型的代表性。

3.1.2 侵蝕類型代表性

小流域區(qū)內(nèi)河道分布均勻，溝壑分布密度較大，地面組成以黃土為主，屬于典型的水力侵蝕區(qū)。從侵蝕類型來看，小流域的選取代表性較強(qiáng)。

3.1.3 土地利用代表性

南長嶺小流域以耕地和林地為主，區(qū)內(nèi)坡耕地面積較多，主要種植農(nóng)作物，屬于典型的以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主的小流域；小流域地面高程在880～1 050 m 之間，屬于山地地貌，植被分布受土壤地質(zhì)、海拔高度和生態(tài)環(huán)境等制約，大部分山嶺以櫟類、油松、樺樹、側(cè)柏、山楊、白皮松等為主；從地形地貌、植被種類等方面都具有代表性。

3.2 合理的工程布局

本項目建設(shè)采用“大區(qū)套小區(qū)，大流域套小流域”的布局原則進(jìn)行設(shè)計，實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)坡面徑流小區(qū)-自然坡面徑流場-小流域支流-小流域干流等多種空間尺度的對比和嵌套監(jiān)測。

3.2.1 控制站布設(shè)

共布設(shè)小流域控制站3 處，分別位于小流域支流出口處（支流1）、小流域支流匯入前干流出口處（支流2）、小流域支流匯合下游出口處。控制站以上流域面積分別為2.15 km2、5.35 km2、7.5 km2，控制站旁分別設(shè)觀測房1 座，并配套了人行過河道路和控制站至觀測房的觀測道路。控制站的布設(shè)避開了變化、分流、斜流、嚴(yán)重漫灘等妨礙測驗的地貌、地物，選擇在溝道順直、水流集中、便于測驗的溝道段。

3.2.2 坡面徑流小區(qū)布設(shè)

坡面徑流場主要用于觀測水蝕區(qū)單項水土流失影響因子或者單項坡耕地水土保持措施效益，以獲得特定的水土保持信息。本項目在小流域下游交通便利的地方建設(shè)8 處坡面徑流小區(qū)，坡面均為15°。坡面徑流場的布設(shè)做到了坡面橫向平整，坡度和土壤條件均一。

3.2.3 氣象觀測站布設(shè)

南長嶺小流域氣象觀測項目主要以降雨量為主，兼顧其他氣象因子。新建全自動氣象站1 處，布設(shè)于實驗室附近，由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、控制處理器、GPRS 或北斗星無線傳輸?shù)葮?gòu)成，觀測降雨、氣溫、氣壓、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向。另外，根據(jù)《水文站網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)導(dǎo)則》（SL34-2013）中的規(guī)定，小流域面積為7.5 km2，流域上游布設(shè)雨量觀測點3 處。

氣象觀測站布設(shè)能夠較好地反映區(qū)域內(nèi)較大范圍的氣象要素特點，觀測站四周空曠平坦，避開了陡坡、洼地或鐵路、公路、煙囪、高大建筑物的地方。圍欄符合要求，不宜反光，場內(nèi)小路及防雷設(shè)施均符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3.2.4 監(jiān)測實驗室及其附屬設(shè)施布設(shè)

監(jiān)測實驗室主要包括徑流泥沙分析實驗室、信息實驗室等，布設(shè)在小流域匯流斷面附近。徑流泥沙分析實驗室主要用于放置和測定徑流泥沙的采樣器、烘箱等。信息實驗室主要用于信息傳輸、接收、數(shù)據(jù)處理與存貯等。同時，配套建設(shè)監(jiān)測儀器設(shè)備儲藏室、監(jiān)測人員值班室以及小型污水處理等配套設(shè)施。

3.3 監(jiān)測設(shè)備的科學(xué)選型

通過調(diào)研目前國內(nèi)外最新水土保持監(jiān)測技術(shù)，對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行比選，綜合考慮水土保持監(jiān)測的實用性、先進(jìn)性、穩(wěn)定性等，為此水土保持監(jiān)測點信息采集主要依靠自動監(jiān)測設(shè)備和人工輔助采集，自動監(jiān)測傳輸?shù)挠^測項目主要包括降雨、徑流和土壤水分等數(shù)據(jù)信息，需要借助人工輔助采集數(shù)據(jù)的觀測指標(biāo)主要有泥沙、植被蓋度、作物產(chǎn)量等，通過人工輔助觀測數(shù)據(jù)，并錄入系統(tǒng)。

3.3.1 坡面徑流監(jiān)測設(shè)備

徑流小區(qū)是定量監(jiān)測水土流失量的一種測量設(shè)施，廣泛應(yīng)用于世界各地的水土保持監(jiān)測科研及生產(chǎn)。徑流小區(qū)土壤侵蝕與徑流量的傳統(tǒng)監(jiān)測方法，一般用分水箱和集流桶（池）收集徑流泥沙。通過人工測量池/桶水深計算產(chǎn)流量，通過人工采集渾水樣測定含沙量（單位體積的干沙重量，g/l），最后通過產(chǎn)流總量和含沙量計算泥沙總量和侵蝕模數(shù)。

（1）降雨監(jiān)測設(shè)備

降雨及其進(jìn)程是水土保持監(jiān)測里的基礎(chǔ)性觀測指標(biāo)，本項目坡面徑流場配置1 臺自記雨量和1 臺數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行雨量在線監(jiān)測。數(shù)據(jù)采集器設(shè)置為定量翻斗記錄或者定時記錄模式。所采集的數(shù)據(jù)通過無線發(fā)送至信息系統(tǒng)。

（2）徑流泥沙監(jiān)測設(shè)備

1）徑流監(jiān)測設(shè)備

徑流監(jiān)測設(shè)備需要實現(xiàn)自動監(jiān)測徑流小區(qū)徑流過程的功能。目前，坡面徑流的徑流自動觀測技術(shù)比較成熟，監(jiān)測設(shè)備產(chǎn)品包括電子水尺、壓力水位計、超聲波水位計、浮子水位計、徑流自記儀等。通過調(diào)研，泥沙淤積對電子水尺、壓力水位計、浮子水位計的測量精度有較大影響，超聲波水位計價格比較昂貴，綜合考慮選用徑流自記儀，其數(shù)據(jù)采集精確度高，可以實現(xiàn)徑流自動化監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳輸。

2）泥沙監(jiān)測設(shè)備

采集渾水樣的代表性以及含沙量的準(zhǔn)確測量是確定泥沙總量以及侵蝕模數(shù)計算精度的關(guān)鍵。傳統(tǒng)含沙量測量是通過人工攪拌分水箱或集流桶（池），用采樣瓶取渾水樣，然后進(jìn)行室內(nèi)烘干秤重，計算含沙量或者采用比重法計算含沙量。這種方法需要大量人力并且測量誤差大，其主要原因是：分水箱或集流桶本身體積較大，很難攪勻渾水樣；泥沙顆粒沉降速度很快，例如，2 mm 的砂粒沉降1 m 只需要0.3 秒的時間，使桶內(nèi)渾水含沙量很難處于均勻分布狀態(tài)，導(dǎo)致攪拌法采集渾水樣的含沙量誤差較大。為了解決這個問題，美國土壤保持局發(fā)明了Conshocton 式渾水采樣器，這種采樣器采集約1%的渾水量，大大減少人力，但是該采樣器不適合較大流量而且所測含沙量比實際偏大。因此，確定坡面徑流小區(qū)泥沙監(jiān)測的方式為自動采樣與人工測量相結(jié)合的半自動化監(jiān)測方式，監(jiān)測設(shè)備選用輪式自動泥沙采樣器，其數(shù)據(jù)采集精確度高，可以實現(xiàn)自動采集泥沙，分析精度高，數(shù)據(jù)信息較為準(zhǔn)確。

綜合以上徑流監(jiān)測設(shè)備和泥沙監(jiān)測設(shè)備的比選，本項目坡面徑流場采用由徑流自記儀和輪式自動泥沙采樣器集成的徑流小區(qū)水土流失自動采集系統(tǒng)。其中4 個小區(qū)采用傳統(tǒng)的集流桶/分流桶來進(jìn)行徑流泥沙人工觀測。

3.3.2 小流域控制站監(jiān)測設(shè)備

小流域控制站是一種徑流測驗研究設(shè)施，是對小流域水土流失規(guī)律進(jìn)行定量研究設(shè)施的一種。其觀測使用量水建筑物進(jìn)行，多采用降雨、水位等自動觀測配合泥沙人工觀測的方法來開展水土流失監(jiān)測及相關(guān)研究。

（1）降雨監(jiān)測設(shè)備

根據(jù)流域面積、地形及站點所在地的降雨特征，遵循最少站點數(shù)獲取具有代表性的數(shù)據(jù)原則，流域內(nèi)布設(shè)3 處遙測雨量站。

（2）徑流泥沙監(jiān)測設(shè)備

小流域徑流和泥沙是流域控制站的主要監(jiān)測指標(biāo)。小流域水土保持監(jiān)測的傳統(tǒng)方法是在不同環(huán)境的小流域出水口處人工修建不同形式的量水堰，用以監(jiān)測小流域徑流量，通過人工采集泥沙樣品，在實驗室內(nèi)烘干測量懸移質(zhì)泥沙含量。徑流量監(jiān)測的是通過觀測堰上徑流水位變化，利用量水堰模型換算流量。小流域控制站徑流泥沙樣品采集，傳統(tǒng)方法為人工現(xiàn)場采集，受采樣人主觀因素影響較大，容易造成誤測和漏測，嚴(yán)重影響觀測數(shù)據(jù)的分析應(yīng)用。而且人工監(jiān)測的人力成本高，人員安全無法保障。通過調(diào)研了解，目前，徑流自動監(jiān)測技術(shù)比較成熟，監(jiān)測設(shè)備產(chǎn)品包括電子水尺、壓力水位計、超聲波水位計、浮子水位計等。但是市場上尚未有成熟、穩(wěn)定的泥沙自動監(jiān)測設(shè)備，因此，本項目的小流域控制站的徑流監(jiān)測采用自動監(jiān)測設(shè)備，泥沙監(jiān)測方式設(shè)計為泥沙自動采樣和人工測量相結(jié)合。

3.3.3 其他設(shè)備

（1）植被覆蓋度觀測設(shè)備

植被覆蓋度觀測設(shè)備主要是要滿足徑流小區(qū)及觀測區(qū)域內(nèi)植被覆蓋度/郁閉度的定期觀測要求。通過比選，確定植被覆蓋度觀測設(shè)備采用便攜式植被覆蓋度攝影測量儀，其主要由測量固定儀、覆蓋度采集器及配套解譯軟件組成。

（2）土壤水分觀測設(shè)備

4 個徑流小區(qū)土壤水分觀測采用地埋多參數(shù)土壤水分傳感器在線監(jiān)測方式，其他則采用傳統(tǒng)采樣烘干法來測定。

（3）實驗室設(shè)備

實驗室設(shè)備用于人工測量采集的泥沙樣和作物產(chǎn)量，采用烘干法測定含沙量，主要包括常規(guī)的烘箱、天平、量筒、取樣瓶和實驗臺等。

4 結(jié)語

本項目在典型小流域的選擇、合理的工程布局及先進(jìn)的監(jiān)測設(shè)備選型保障下，能夠更準(zhǔn)確地監(jiān)測并掌握晉中市水土流失情況、水土流失治理效益，為防治水土流失工作提供更為全面、科學(xué)的依據(jù)，減輕水土流失對經(jīng)濟(jì)社會和生態(tài)環(huán)境造成的損失。