湯崇軍，楊 潔，汪邦穩(wěn)，2

(1．江西省水土保持科學(xué)研究所，江西南昌330029;2．北京師范大學(xué)地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院，北京100875)

目前，我國在水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)方面已經(jīng)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(jiān)測站網(wǎng)體系，但站點的降雨、徑流、泥沙、土壤水等數(shù)據(jù)的自動采集工作還相對薄弱，主要表現(xiàn)在采集設(shè)備陳舊落后、監(jiān)測水平參差不齊，多數(shù)技術(shù)指標(biāo)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(shè)備開展水土流失自動監(jiān)測具有十分重要的意義。在江西省進行水土流失動態(tài)監(jiān)測，不僅可以彌補我國南方紅壤地區(qū)水土保持監(jiān)測資料的不足，而且將促進水土保持的現(xiàn)代化與信息化。

1 自動監(jiān)測系統(tǒng)的組成與性能

試驗應(yīng)用的水土流失自動監(jiān)測集成系統(tǒng)，包括自主研發(fā)的水土流失監(jiān)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(shù)據(jù)全自動監(jiān)測設(shè)備、土壤墑情自動監(jiān)測設(shè)備以及視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備等，可實時傳輸圖像和數(shù)據(jù)。

QYJY－501 人工模擬降雨器的雨強連續(xù)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(diào)節(jié)。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(nèi)，最小分度為0．1 mm;測量風(fēng)速范圍為0～44 m/s，風(fēng)向范圍為0～358°。蒸發(fā)采樣器測量分辨率為0．01 mm。土壤墑情監(jiān)測參數(shù)為土壤體積含水量(%)，量程0～100%，測量區(qū)域為圍繞中央探針直徑3 cm、長6 cm 的圓柱體內(nèi)，穩(wěn)定時間在通電后約10 s。數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)由QYCJ－102 型數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，太陽能供電，可在連續(xù)的陰雨天氣下工作，采集的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)或無線設(shè)備實現(xiàn)遠程傳輸。視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備為1/4SONYCCD480 線0.5LUX 置22 倍彩色轉(zhuǎn)黑白變焦一體機，7 寸球型云臺，內(nèi)置解碼卡，可上下、左右旋轉(zhuǎn)，鏡頭可伸縮，水平轉(zhuǎn)速0～12°/s，垂直轉(zhuǎn)速0～6°/s。

2 試驗應(yīng)用區(qū)域

試驗應(yīng)用區(qū)域主要在江西水土保持生態(tài)科技園和部分開發(fā)建設(shè)項目的水土流失監(jiān)測場地。試驗應(yīng)用的目的是:結(jié)合水土保持監(jiān)測站點的監(jiān)測要求開展定點監(jiān)測，并根據(jù)水土保持科學(xué)研究和開發(fā)建設(shè)項目水土流失監(jiān)測的需要開展相關(guān)試驗研究，主要實現(xiàn)降雨強度、降雨時間、徑流、泥沙、溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、土壤墑情和蒸發(fā)的多參數(shù)數(shù)據(jù)自動監(jiān)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(tài)變化過程，同時利用移動通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸和下載顯示，實現(xiàn)水土保持監(jiān)測的自動化與信息化。

江西水土保持生態(tài)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(qū)位于我國紅壤區(qū)的中心區(qū)域，在江西省乃至南方紅壤丘陵區(qū)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(jiān)測系統(tǒng)布設(shè)于3 個坡面徑流小區(qū)(記為A、B、C)，其處理方式見表1，同時在徑流池中設(shè)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(shù)據(jù)全自動監(jiān)測設(shè)備布設(shè)于徑流小區(qū)附近的氣象觀測站內(nèi)，在自動監(jiān)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(yīng)用效果評價

3．1 坡面常規(guī)自動監(jiān)測

通過在江西水土保持生態(tài)科技園試驗應(yīng)用自動監(jiān)測設(shè)備，對比人工監(jiān)測和自動監(jiān)測的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，氣象數(shù)據(jù)全自動監(jiān)測設(shè)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(jiān)測設(shè)備具有獲得數(shù)據(jù)快、連續(xù)性好、精度高、誤差小的特點。

表1 各小區(qū)的處理方式［3］

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

選取2009年全年自動監(jiān)測降雨量數(shù)據(jù)與虹吸式雨量計人工觀測的雨量數(shù)據(jù)進行對比分析，見圖3。

通過數(shù)據(jù)分析，得出自動監(jiān)測與人工觀測雨量相關(guān)關(guān)系為y=1．078 7x－0．698 2，R2為0．970 5。從相關(guān)關(guān)系式可以看出，自動監(jiān)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(jīng)過SPSS 方差分析，以0．05 為顯著性水平，分析得出兩組數(shù)據(jù)差異不明顯。

圖3 降雨量自動監(jiān)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(jiān)測水位數(shù)據(jù)與人工觀測水位數(shù)據(jù)進行對比分析(圖4)，得出:A、B、C 三小區(qū)自動監(jiān)測水位數(shù)據(jù)與人工觀測水位數(shù)據(jù)相關(guān)關(guān)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(qū)中，自動水位監(jiān)測數(shù)據(jù)與人工水位觀測數(shù)據(jù)基本一致，相關(guān)關(guān)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(shù)、水位校核等操作誤差引起的。

圖4 水位自動監(jiān)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(jiān)測土壤含水量進行對比分析，見圖5、6。可以看出，自動監(jiān)測的土壤水分數(shù)據(jù)與人工取樣測定的土壤水分數(shù)據(jù)雖然存在一定的差異，但經(jīng)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(zhì)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(jiān)測系統(tǒng)(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(guān)關(guān)系，且斜率接近于1，說明數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確、穩(wěn)定，可適用于本地區(qū)［4］。

3．2 人工模擬降雨條件下的水土流失監(jiān)測實踐

自動監(jiān)測系統(tǒng)的引進與應(yīng)用，推動了江西省內(nèi)開發(fā)建設(shè)項目水土流失監(jiān)測方法的發(fā)展。水土流失流動監(jiān)測車攜帶人工智能模擬降雨器、徑流泥沙自動監(jiān)測儀、數(shù)據(jù)自動采集器和供水、供電裝置等，是一種野外水土流失監(jiān)測的新型設(shè)施，可移動于不同的試驗現(xiàn)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(chǎn)流產(chǎn)沙動態(tài)監(jiān)測，既克服了小區(qū)觀測成本高、觀測設(shè)備不能移動、數(shù)據(jù)采集周期長等缺陷，又彌補了簡易觀測設(shè)施的不足，極大地提高了水土流失監(jiān)測的時效性、準(zhǔn)確性和自動化程度，是坡面水土流失監(jiān)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(fā)生機理、變化規(guī)律和預(yù)測預(yù)報等科學(xué)研究推向深入，而且能為開發(fā)建設(shè)項目水土流失監(jiān)測和評價提供科學(xué)依據(jù)，使水土保持方案編制和監(jiān)測工作的科技含量產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。

采用配備水土流失監(jiān)測車和人工模擬降雨器等設(shè)備的人工模擬降雨系統(tǒng)后，水利部公益性項目“水土保持措施調(diào)控鄱陽湖徑流泥沙技術(shù)研究”、水利廳項目“生態(tài)修復(fù)工程效益監(jiān)測與評價研究”、“山丘區(qū)開發(fā)建設(shè)項目水土保持監(jiān)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(jīng)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(jiān)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(jiān)測預(yù)報水平的提高提供了技術(shù)支持和示范。

4 結(jié) 語

自動監(jiān)測系統(tǒng)的引進與應(yīng)用，推動了江西水土保持生態(tài)科技園監(jiān)測的自動化，較好地獲取了水土流失相關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為滿足現(xiàn)代水土保持要求的效益評價、工程建設(shè)規(guī)劃設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)制定、水沙調(diào)控以及水土流失預(yù)報預(yù)測等提供了重要的技術(shù)支撐。水土流失自動監(jiān)測系統(tǒng)操作簡單、性能可靠、自動化程度高，通過加強對監(jiān)測技術(shù)人員的系統(tǒng)培訓(xùn)，將基礎(chǔ)理論和現(xiàn)場指導(dǎo)相結(jié)合，可使其按照要求完成監(jiān)測任務(wù)。自動監(jiān)測系統(tǒng)將提高水土流失監(jiān)測數(shù)據(jù)的質(zhì)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(jiān)測提供重要的技術(shù)指導(dǎo)。

［1］劉詠梅，楊勤科，王略．水土保持監(jiān)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(wěn)，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(tài)和水量平衡的影響研究［J］．自然資源學(xué)報，2007，22(3):424－433．

［4］程訓(xùn)強，唐家良，高美榮，等．TDR 系統(tǒng)在紫色土坡耕地徑流小區(qū)土壤水分自動監(jiān)測中的應(yīng)用［J］．中國水土保持，2010(10):27－29．