自動監測系統在江西紅壤坡地水土流失監測中的試驗應用

湯崇軍，楊 潔，汪邦穩，2

(1．江西省水土保持科學研究所，江西南昌330029;2．北京師范大學地理學與遙感科學學院，北京100875)

目前，我國在水土保持監測網絡的建設方面已經取得了豐碩的成果，已形成了一個相互連接、高度集成的水土保持監測站網體系，但站點的降雨、徑流、泥沙、土壤水等數據的自動采集工作還相對薄弱，主要表現在采集設備陳舊落后、監測水平參差不齊，多數技術指標的采集還停留在人工觀測階段［1］，實際操作中存在著工作量大、周期長、人為因素影響大、精度低、可靠性差等問題。因此，引入一批操作簡單、性能可靠、自動化程度高的設備開展水土流失自動監測具有十分重要的意義。在江西省進行水土流失動態監測，不僅可以彌補我國南方紅壤地區水土保持監測資料的不足，而且將促進水土保持的現代化與信息化。

1 自動監測系統的組成與性能

試驗應用的水土流失自動監測集成系統，包括自主研發的水土流失監測車、引進的人工模擬降雨器、便攜式地表坡面徑流及泥沙自動測量儀、氣象數據全自動監測設備、土壤墑情自動監測設備以及視頻監控系統設備等，可實時傳輸圖像和數據。

QYJY－501 人工模擬降雨器的雨強連續變化范圍為10～200 mm/h，降雨面積5 m×5 m，降雨高度分4 m 和6 m 兩檔調節。QYJL－006 便攜式地表坡面徑流及泥沙自動測量儀泥沙含量測量范圍為1～100 kg/m3、徑流流量測量范圍為3～3 000 mL/s。測量雨強范圍在4 mm/min 以內，最小分度為0．1 mm;測量風速范圍為0～44 m/s，風向范圍為0～358°。蒸發采樣器測量分辨率為0．01 mm。土壤墑情監測參數為土壤體積含水量(%)，量程0～100%，測量區域為圍繞中央探針直徑3 cm、長6 cm 的圓柱體內，穩定時間在通電后約10 s。數據采集管理系統由QYCJ－102 型數據采集器、臺式電腦主機、液晶顯示器、太陽能電板、蓄電池和QYCJ－SOFT 軟件組成，可以一次采集60路數據，太陽能供電，可在連續的陰雨天氣下工作，采集的數據通過網絡或無線設備實現遠程傳輸。視頻監控系統設備為1/4SONYCCD480 線0.5LUX 置22 倍彩色轉黑白變焦一體機，7 寸球型云臺，內置解碼卡，可上下、左右旋轉，鏡頭可伸縮，水平轉速0～12°/s，垂直轉速0～6°/s。

2 試驗應用區域

試驗應用區域主要在江西水土保持生態科技園和部分開發建設項目的水土流失監測場地。試驗應用的目的是:結合水土保持監測站點的監測要求開展定點監測，并根據水土保持科學研究和開發建設項目水土流失監測的需要開展相關試驗研究，主要實現降雨強度、降雨時間、徑流、泥沙、溫度、濕度、風向、風速、土壤墑情和蒸發的多參數數據自動監測采集，獲取降雨過程中徑流泥沙及影響徑流泥沙的因素的動態變化過程，同時利用移動通信和網絡技術實現數據的遠程傳輸和下載顯示，實現水土保持監測的自動化與信息化。

江西水土保持生態科技園位于江西省北部、鄱陽湖水系德安縣燕溝小流域，園區位于我國紅壤區的中心區域，在江西省乃至南方紅壤丘陵區都具有典型代表性［2］。徑流及泥沙自動測量儀、土壤墑情自動監測系統布設于3 個坡面徑流小區(記為A、B、C)，其處理方式見表1，同時在徑流池中設水位尺觀測水位，人工取樣采用烘干法測定土壤含水量。氣象數據全自動監測設備布設于徑流小區附近的氣象觀測站內，在自動監測的同時于每日8 時、14 時和20 時進行溫度、濕度等氣象要素的人工觀測記錄。

3 應用效果評價

3．1 坡面常規自動監測

通過在江西水土保持生態科技園試驗應用自動監測設備，對比人工監測和自動監測的數據發現，氣象數據全自動監測設備、便攜式地表坡面徑流及泥沙自動測量儀和土壤墑情自動監測設備具有獲得數據快、連續性好、精度高、誤差小的特點。

表1 各小區的處理方式［3］

選取2009年每月1—5日的人工監測和自動監測的溫度、濕度數據進行分析，圖1、圖2 分別給出了溫度、濕度自動監測值與人工測定值的相關關系。通過對自動監測與人工觀測的溫度、濕度數據進行相關性分析，得出自動監測溫度與人工觀測溫度的相關關系為y=0．870 5x +1．813 5，R2為0．883 5;自動監測的濕度與人工觀測的濕度的相關關系為y =0．750 2x +17．916，R2為0．850 1。從自動監測的溫度、濕度與人工觀測的溫度、濕度數據的相關關系可以看出，自動監測的數據與人工觀測的數據雖有誤差，但這些誤差主要是系統誤差造成的，通過對自動監測和人工觀測的數據進行分析，可以校正監測系統的系統誤差。

選取2009年全年自動監測降雨量數據與虹吸式雨量計人工觀測的雨量數據進行對比分析，見圖3。

通過數據分析，得出自動監測與人工觀測雨量相關關系為y=1．078 7x－0．698 2，R2為0．970 5。從相關關系式可以看出，自動監測的雨量與虹吸式雨量計記錄的雨量基本一致，雖然存在一定誤差，但經過SPSS 方差分析，以0．05 為顯著性水平，分析得出兩組數據差異不明顯。

圖3 降雨量自動監測與人工觀測的對比分析

選取2009年每月5—7日、15—17日、25—27日的自動監測水位數據與人工觀測水位數據進行對比分析(圖4)，得出:A、B、C 三小區自動監測水位數據與人工觀測水位數據相關關系分別為y =0．997 4x－0．125 7、y =0．904 4x +0．284 4、y =0.817 9x+0．808 4;R2分別為0．969 8、0.917 5、0．926 5。在3個徑流小區中，自動水位監測數據與人工水位觀測數據基本一致，相關關系可以達到90%以上，其中水位3～9 cm 最吻合，其他雖有波動，但偏離較小，這些誤差可能是人工讀數、水位校核等操作誤差引起的。

圖4 水位自動監測與人工觀測的對比分析

于2008年8月、9月先后取樣采用烘干法人工測定土壤含水量(0～30、30～60、60～90 cm 土層)，與自動監測土壤含水量進行對比分析，見圖5、6。可以看出，自動監測的土壤水分數據與人工取樣測定的土壤水分數據雖然存在一定的差異，但經過SPSS 分析，在0．05 顯著水平下，差異不顯著。這些差異主要是由于土壤質地的不均勻、土壤濕度的空間變異性及人工取樣等引起的。自動監測系統(TDR)測定的體積含水量與烘干法測定的體積含水量呈良好的相關關系，且斜率接近于1，說明數據較為準確、穩定，可適用于本地區［4］。

3．2 人工模擬降雨條件下的水土流失監測實踐

自動監測系統的引進與應用，推動了江西省內開發建設項目水土流失監測方法的發展。水土流失流動監測車攜帶人工智能模擬降雨器、徑流泥沙自動監測儀、數據自動采集器和供水、供電裝置等，是一種野外水土流失監測的新型設施，可移動于不同的試驗現場，針對不同下墊面，模擬不同降雨類型，進行各類水土流失產流產沙動態監測，既克服了小區觀測成本高、觀測設備不能移動、數據采集周期長等缺陷，又彌補了簡易觀測設施的不足，極大地提高了水土流失監測的時效性、準確性和自動化程度，是坡面水土流失監測的一次革命。人工模擬降雨手段的使用，不僅能將紅壤坡面土壤侵蝕發生機理、變化規律和預測預報等科學研究推向深入，而且能為開發建設項目水土流失監測和評價提供科學依據，使水土保持方案編制和監測工作的科技含量產生質的飛躍。

采用配備水土流失監測車和人工模擬降雨器等設備的人工模擬降雨系統后，水利部公益性項目“水土保持措施調控鄱陽湖徑流泥沙技術研究”、水利廳項目“生態修復工程效益監測與評價研究”、“山丘區開發建設項目水土保持監測及效益評價研究”等科研課題得以順利開展，通過人工模擬降雨手段，已經對江西省紅壤坡地典型水土保持措施的減水減沙效果和不同土地利用類型的水土流失特點進行了試驗研究。人工模擬降雨條件下的水土流失監測實踐不僅豐富了紅壤坡地水土流失機理研究的手段，而且為江西省水土保持監測預報水平的提高提供了技術支持和示范。

4 結 語

自動監測系統的引進與應用，推動了江西水土保持生態科技園監測的自動化，較好地獲取了水土流失相關的基礎數據，為滿足現代水土保持要求的效益評價、工程建設規劃設計標準制定、水沙調控以及水土流失預報預測等提供了重要的技術支撐。水土流失自動監測系統操作簡單、性能可靠、自動化程度高，通過加強對監測技術人員的系統培訓，將基礎理論和現場指導相結合，可使其按照要求完成監測任務。自動監測系統將提高水土流失監測數據的質量，提高水土保持研究成果的水平，同時還將為江西省水土流失監測提供重要的技術指導。

［1］劉詠梅，楊勤科，王略．水土保持監測基本方法述評［J］．水土保持研究，2008，15(5):221－225．

［2］武藝，楊潔，汪邦穩，等．紅壤坡地水土保持措施減流減沙效果研究［J］．中國水土保持，2008(10):37－38，43．

［3］劉士余，左長清，朱金兆．地被物對土壤水分動態和水量平衡的影響研究［J］．自然資源學報，2007，22(3):424－433．

［4］程訓強，唐家良，高美榮，等．TDR 系統在紫色土坡耕地徑流小區土壤水分自動監測中的應用［J］．中國水土保持，2010(10):27－29．