湖北省水土保持監測網絡體系優化布局與升級改造

楊 偉，高 超，李 璐，郭文慧，余 冰

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

湖北省水土保持監測網絡與信息系統于2005年開始建設，到2010年初步建成了由1個監測中心、10個監測分站及77個監測點組成，并通過ADSL網絡互聯的覆蓋全省的水土保持監測網絡體系。當前國家生態文明戰略的實施對水土保持監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也發生了較大變化，現有的水土保持監測網絡體系越來越難以滿足新形勢下水土保持監測工作的需要。同時，湖北省現有的水土保持監測網絡和信息系統存在設施設備老化、數據時效性差、觀測精準度不夠等不足。因此，急需對現有的水土保持監測網絡體系進行優化布局及升級改造。

2016年10月，湖北省水利廳審議通過《湖北省水土保持監測網絡體系優化布局建設與運行管理工作方案》，正式啟動優化布局與升級改造工作。2017年9月，《湖北省水土保持監測網絡體系優化布局與升級改造項目可行性研究報告》獲得湖北省發改委批復。2018年4月，國家發展改革委將湖北省水土保持監測網絡優化布局與升級改造納入長江經濟帶綠色發展專項2018年中央預算內投資計劃。2018年8月，《湖北省水土保持監測網絡體系優化布局及升級改造項目初步設計》獲得湖北省發改委批復。2018年10月，項目正式招標建設，計劃2021年完成全部升級改造工作，湖北成為全國首個大規模開展水土保持監測網絡升級改造的省份。

筆者對湖北省水土保持監測網絡體系優化布局與升級改造項目的基本思路，特別是監測點優化布局的基本思路進行介紹，以期為其他省份水土保持監測網絡優化升級提供借鑒。

1 監測網絡現狀

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

(1)站點布局有待優化。現有湖北省水土保持監測網絡監測點主要依據原有“三區”劃分進行布局。2012年和2013年水利部先后印發了《全國水土保持區劃(試行)》和《全國水土保持規劃國家級水土流失重點預防區和重點治理區復核劃分成果》。隨著水土保持區劃的公布和重點防治區的調整，原有的監測網絡體系布局已經無法適應新的水土保持工作布局要求，特別是難以滿足重點防治區動態監測工作開展的需要。

(2)監測設施有待完善。湖北省水土保持監測網絡現有77個監測站點，大多是沿用一些水土保持部門或水土保持科研院所根據具體研究內容而設置的試驗點，還有部分是利用現有的水文監測點、滑坡泥石流監測點及墑情監測點。這些站點建設規模不一致，建設標準不統一，雖然在湖北省水土保持監測網絡與信息系統建設過程中進行了一定的標準化改造，但各站點在站點布局、監測設施數量與規格、措施配置、測試分析流程等方面仍然存在一定差異，導致不同監測站點的監測結果缺乏可比性，難以綜合利用。

(3)監測設備有待更新。湖北省水土保持監測網絡一期和二期工程為各級監測機構、監測點配置了必要的基本監測設備，但受投入限制，所配置的設備自動化、信息化水平不高，僅有2個自動化監測點初步實現了土壤水分和控制站的自動化監測，現有的38個重點監測點仍然依靠人力攪拌集流池、采樣、烘干、稱量來監測小區泥沙含量，不僅步驟煩瑣、工作量大，而且準確度難以保證。由于工程建設較早，目前氣象站、集流桶、泥沙采樣器、烘箱等硬件設備已經超過使用年限，徑流小區、控制站等基礎設施也已經開始老化滲漏，因此繼續使用將會影響監測數據的準確性。

(4)信息化水平有待提高。隨著信息化技術的快速發展，早期開發的水土保持監測應用系統已經不能滿足目前最新操作系統的運行環境要求，早期建設的數據庫也與目前湖北省楚天云平臺建設和湖北省水利信息化資源整合共享的要求不相適應。

2 建設目標

根據經濟社會可持續發展的要求，在梳理現有水土保持監測站點的基礎上，充分利用湖北省水文站點，根據新的水土保持區劃和重點防治區劃分，優化湖北省水土保持監測站點空間布局，進一步提高監測點的代表性和典型性。開展監測站點的現代化改造升級，推進站點的標準化、自動化、信息化升級，進一步提高監測站點的監測技術水平。按照湖北省水利信息化的要求升級完善水土保持數據庫和信息管理系統，進一步完善水土保持數據采集、處理、傳輸與發布體系。加強監測站點的業務能力建設，全面提高湖北省水土保持監測能力，為湖北省水土保持生態文明建設提供基礎支撐。

3 網絡體系優化布局

3.1 全省網絡結構優化

優化后的湖北省水土保持監測網絡體系包括省級水土保持監測網絡和市、縣級水土保持監測站點，采用分級負責的管理體系。

省級水土保持監測網絡包括省水土保持監測中心、監測分站和省級監測點，由省級人民政府負責建設與管理。省級監測點分為綜合監測點和重點監測點。綜合監測點是每個水土保持分區的核心監測點，建設規模大，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；重點監測點規模相對較小，主要對綜合監測點進行加密，徑流場僅設置單一坡度徑流小區。

市、縣級水土保持監測站點包括市、縣級水土保持監測站和縣級普通監測點。市、縣級水土保持監測站點按照行政區劃進行設置，分別由市、縣級人民政府負責建設與管理。

省級監測分站掛靠市級監測機構，省級監測點由省、縣共建共用，數據共享，委托監測分站管理，依托縣級監測站運行。

本次優化布局及升級改造僅針對省級水土保持監測網絡。

3.2 省級網絡結構優化

(1)監測中心。湖北省水土保持監測中心是湖北省水土保持監測網絡的核心，不進行調整。

(2)監測分站。原有荊州、隨州、黃石和神農架4個綜合監測點調整為監測分站，全省監測分站由10個調整為14個，實現全省14個市(州)監測分站全覆蓋。

(3)監測點。在現有監測點布局的基礎上，結合湖北省經濟水平，統籌進行省級監測點的布局優化。省級監測點分為綜合監測點和重點監測點，各縣(市、區)可自主建設普通監測點。①綜合監測點。根據全國水土保持區劃，湖北省共有8個水土保持三級區。三級區是國家水土保持區劃的基本單元，必須實現8個三級區的全覆蓋。結合每個分區內主要侵蝕土壤類型分布和現有監測點的人員、土地、土壤等條件，確定了6個三級分區的綜合監測點，仍有2個水土保持三級區無現狀水土保持監測點，需分別新建1個綜合監測點。考慮到這2個分區面積較小，實際按照重點監測點規模進行建設。②重點監測點。三級區內地形、土壤、植被等存在較大差異，需要在代表性區域增加監測點。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、多尺度相結合、經濟實用、密度適中、便利安全等原則，選擇部分現有水土保持監測點和水文監測點增加監測密度，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 系統建設

包括信息系統建設和視頻監控系統建設。

信息系統建設，一是梳理完善自然條件、社會經濟、基礎地理和遙感影像等水土保持基本數據庫，以及監測評價、綜合治理、預防監督、綜合信息等業務數據庫；二是對原有的幾個獨立水土保持監測信息系統進行整合與升級，形成湖北省水土保持監測信息化平臺(包括水土保持監測與預報系統、水土保持重點監測信息系統、水土保持分析評價系統、水土保持對外發布系統及手機APP等)。

視頻監控系統建設主要是在監測點布設視頻監控設備，便于監測點、監測分站和監測中心管理，同時徑流小區、控制站的視頻資料也是重要的水土流失監測數據。

4.2 設施優化改造

目前湖北省水土保持監測網絡各個監測點徑流小區建設標準不統一，各小區設置的目的不明確，坡度、坡長、措施布置和日常管理流程等缺乏系統性，沒有統一化、標準化，不同監測點數據難以比較研究，也難以統一分析利用。本次升級改造對各監測點徑流小區的設計進行統一布局。

各監測點徑流小區包括三類：①水土流失觀測小區。根據全省水土保持遙感普查成果，統計分析8個水土保持三級區水土流失地塊分布特征。根據各分區主要水土流失地塊類型的土地利用情況、坡度等，確定綜合監測點水土流失小區的土地利用、植物類型、坡度及數量。②水土保持效益觀測小區。根據全省水土保持遙感普查成果，結合各地水土保持措施特點，確定水土保持效益觀測小區的水土保持措施類型、坡度及數量。③對照小區。根據水土流失觀測小區和水土保持效益觀測小區坡度，確定對照小區坡度。

考慮經濟成本，重點監測點小區措施類型與所在分區綜合監測點相同，但是只設計一種典型坡度。

按照以上方案對各監測點設施進行升級改造，實現監測點的標準化。

4.3 設備更新升級

監測中心和監測分站配置三維激光掃描儀、無人機、植被蓋度監測系統等移動監測設備，便于開展現場監測、監測復核等工作。監測點配備全自動的小區和控制站徑流泥沙監測設備、氣象站、土壤水分監測系統等，并全部與信息系統對接，實現監測數據的自動采集、傳輸、存儲和分析。

5 優化布局與升級改造結果

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

圖1 優化后的省級水土保持監測點分布

優化后的省級水土保持監測網絡實現了對全省8個水土保持三級區的全覆蓋，彌補了原有監測網絡在南陽盆地及大洪山丘陵保土農田防護區和洞庭湖丘陵平原農田防護水質維護區水土保持觀測設施的空白，監測站點分布更加合理。

同時，通過信息系統建設、設施優化改造、設備更新升級等，實現了監測站點的標準化、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測網絡的監測技術水平和能力。

6 徑流小區監測數據的應用探討

全國水土保持監測網絡建設以來，積累了大量的監測數據。目前監測數據主要用于土壤流失方程參數的修訂及遙感監測結果的驗證。如何對監測數據進行挖掘和應用，充分發揮監測數據的作用，也是湖北省水土保持監測網絡體系優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。按照相關技術規范要求，采用遙感監測和地面調查相結合的方法獲得各個水土保持區的水土流失地塊類型、坡度、面積和空間分布狀況。結合不同水土流失地塊對應徑流小區的觀測結果，估算水土流失地塊的土壤侵蝕量。

(2)水土保持效益估算。根據各水土保持區的水土保持措施類型和坡度分布布設水土保持措施小區，監測減水減沙效果。結合遙感監測、調查監測和地方上報的水土保持措施數量，估算各區水土保持效益。

(3)水土流失實時監測。通過徑流小區觀測，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水土流失監測信息系統，輸入地形、土壤、植被、措施等因子數據和相關參數。在短期內地形、土壤、植被、措施等因素變化不大的情況下，可根據水文、氣象部門眾多雨量監測點的降雨監測數據，直接計算各級區域(省、市、縣或者流域)某個時段的土壤流失量，實現土壤流失的實時動態定量監測。未來甚至可以根據氣象部門氣象預報數據，對水土流失進行簡單預報和預警。