黃河流域水土保持監(jiān)測體系及能力建設(shè)

殷寶庫，曹　煒，王　略，王　帆，陳桂榮,張建國

(黃河流域水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，陜西 西安 710021)

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黃河流域水土保持監(jiān)測體系及能力建設(shè)

殷寶庫，曹煒，王略，王帆，陳桂榮,張建國

(黃河流域水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，陜西 西安 710021)

水土保持；監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)；遙感監(jiān)測；地面觀測；信息采集；監(jiān)測能力建設(shè)；黃河流域

從黃河流域水土保持監(jiān)測體系建設(shè)出發(fā)，梳理了監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的現(xiàn)狀，介紹了近幾年開展的水土保持監(jiān)測項目和取得的豐碩成果。針對目前黃河流域水土保持監(jiān)測體系及能力建設(shè)存在的問題，如信息采集自動化程度需要進一步提高、應(yīng)用系統(tǒng)及信息資源共享不能滿足監(jiān)測工作發(fā)展、重點監(jiān)測區(qū)監(jiān)測覆蓋不全等，提出了設(shè)想和建議。

1　監(jiān)測體系及能力建設(shè)現(xiàn)狀

1.1監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

黃河流域水土保持監(jiān)測站網(wǎng)是水利部水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，主要由黃河水利委員會(簡稱“黃委”)監(jiān)測機構(gòu)和省區(qū)監(jiān)測機構(gòu)組成。黃委監(jiān)測機構(gòu)包括黃河流域水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心、鄭州監(jiān)控中心和天水、西峰、榆林、臨潼等4個直屬監(jiān)測分中心；省區(qū)監(jiān)測機構(gòu)由黃河流域各省區(qū)監(jiān)測總站、地市監(jiān)測分站和縣市水土保持監(jiān)測點組成。目前，黃河流域已建成10個省區(qū)監(jiān)測總站、35個地市監(jiān)測分站、 215個監(jiān)測點的水土保持監(jiān)測站網(wǎng)(組織體系見圖1)。

圖1　黃河流域水土保持監(jiān)測站網(wǎng)組織體系示意

為了充分利用現(xiàn)代科學技術(shù)，加快黃河流域水土保持信息化發(fā)展步伐，提高水土保持預(yù)防保護與治理水平，服務(wù)黃河的治理開發(fā)與管理，黃河流域水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心建立了水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用遙感技術(shù)、全球定位系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)(“3S”技術(shù))，輔以自動化的地面觀測、實地調(diào)查和巡測，建立高效的水土保持信息采集系統(tǒng)，強化流域水土保持宏觀信息采集；利用計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，建立快速的水土保持信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，加快信息傳輸速度；利用計算機海量信息(數(shù)據(jù))存儲技術(shù)，建立規(guī)范的信息存儲服務(wù)系統(tǒng)，強化信息資源管理；結(jié)合水土保持業(yè)務(wù)工作流程，建立方便、實用的水土保持應(yīng)用系統(tǒng)，服務(wù)于水土保持規(guī)劃、科研、監(jiān)督、管理、示范等各個業(yè)務(wù)領(lǐng)域。

1.2遙感監(jiān)測

近5年來，黃河流域水土保持監(jiān)測機構(gòu)完成了多項水土保持遙感監(jiān)測項目，這些項目的實施提高了技術(shù)水平，鍛煉了隊伍，獲得了大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

(1)黃河中游多沙粗沙區(qū)重點支流水土保持動態(tài)監(jiān)測項目，將數(shù)字航空攝影及其數(shù)據(jù)處理、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)等技術(shù)成功應(yīng)用于水土保持監(jiān)測工作，獲得了覆蓋面積達2萬km2的皇甫川、清水川、孤山川、窟野河、禿尾河、石馬川、佳蘆河等7條支流流域0.38 m的高分辨率正射航攝影像及水土保持措施、土地利用、植被覆蓋、土壤侵蝕、生產(chǎn)建設(shè)項目分布等監(jiān)測成果。

(2)黃河上中游水土保持措施效益與評價項目，在水土保持措施調(diào)查范圍、內(nèi)容和精度方面創(chuàng)黃土高原地區(qū)之最。在黃土高原地區(qū)64萬km2土地上開展了321個樣區(qū)0.90萬km2的水土保持措施數(shù)量地面調(diào)查和3.30萬km2的水土保持措施數(shù)量遙感調(diào)查，調(diào)查范圍和精度均超過了以往黃土高原地區(qū)水土保持措施調(diào)查。該項目采用資料收集、地面調(diào)查、遙感調(diào)查和抽樣調(diào)查、數(shù)理統(tǒng)計等相結(jié)合的綜合調(diào)查方法，既充分發(fā)揮了各種調(diào)查方法的特點，又對水土保持監(jiān)測方法應(yīng)用進行了創(chuàng)新。

(3)國家“十二五”科技支撐計劃課題“黃河中游來沙銳減主要驅(qū)動力及人為調(diào)控效應(yīng)研究”項目，基于2.1 m分辨率衛(wèi)星影像，完成了黃河上中游17萬km2主要來沙區(qū)梯田的解譯工作，同時通過調(diào)查獲得了大量梯田、林草、淤地壩的實測數(shù)據(jù)。該項目構(gòu)建了大空間尺度的梯田、林草減沙作用評價方法，提出了現(xiàn)狀梯田、林草的年均減沙作用，闡明了不同地區(qū)梯條田和林草在極端暴雨條件下的減沙作用；基于第一次全國水利普查等數(shù)據(jù)，結(jié)合300余座淤地壩的野外調(diào)查，核實了研究區(qū)淤地壩的建壩時間、已淤庫容等指標，建立了淤地壩攔沙量計算方法；開發(fā)的“基于成因分析的下墊面變化減沙相應(yīng)測算系統(tǒng)”，取得了中華人民共和國國家版權(quán)局計算機軟件著作權(quán)登記證書。

(4)黃河流域(片)全國水土流失動態(tài)監(jiān)測與公告項目，涉及青海、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、山西、陜西、河南、山東、新疆等9省區(qū)，以及新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團的5個國家級重點治理區(qū)、4個國家級重點預(yù)防區(qū)的水土流失動態(tài)監(jiān)測任務(wù)。該項目采用固定監(jiān)測區(qū)域、連續(xù)開展、逐年增加的方式，利用2.1 m分辨率衛(wèi)星影像獲取典型縣域土地利用、植被覆蓋、水土保持措施等信息，進而判定水土流失侵蝕強度等級。目前，該項目已連續(xù)開展了4年，獲得了10余萬km2的高分辨率衛(wèi)星影像及準格爾旗、神木、吳起等近20個典型縣旗的多期監(jiān)測成果。

通過水土保持遙感監(jiān)測項目，擁有了高精度RTK GPS、全站儀等監(jiān)測設(shè)備，ArcGIS、ERDAS等專業(yè)分析處理軟件和面向?qū)ο蟮倪b感信息快速提取軟件eCognition，積累了豐富的遙感影像處理、影像解譯、專題圖制作等經(jīng)驗，形成了集采集、處理、分析于一體的水土保持遙感監(jiān)測體系，培養(yǎng)了一批水土保持遙感監(jiān)測技術(shù)人員，為黃河流域水土保持遙感動態(tài)監(jiān)測工作奠定了堅實的基礎(chǔ)。

1.3地面觀測

從20世紀四五十年代開始，黃委的天水、西峰、綏德水土保持試驗站就開展了水土流失試驗觀測，獲得了多年的水土流失觀測資料，為水土保持科學研究提供了重要的數(shù)據(jù)支撐?，F(xiàn)三站有控制站16個、徑流場63個、雨量站90個，已被納入全國水土保持基本監(jiān)測點。

依托全國水土流失動態(tài)監(jiān)測與公告項目，黃河流域水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心聯(lián)合流域省級監(jiān)測總站(中心)和監(jiān)測站點所屬管理單位開展了40多個典型監(jiān)測站點的水土流失監(jiān)測，監(jiān)測內(nèi)容包括降雨、徑流、泥沙、植被覆蓋度(郁閉度)、土壤水分等，其中降雨、徑流、土壤水分、水位與流量監(jiān)測基本實現(xiàn)自動化。

近年來黃河流域水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心開展了70余個生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測，其中鐵路、公路和輸油輸氣管道等線型項目50多個，大部分項目等級為大型及以上。項目分布在青海、甘肅、四川、寧夏、陜西、山西、河南、新疆等省區(qū)，涉及范圍廣，地貌類型復(fù)雜，水土保持監(jiān)測的開展有效地促進了人為水土流失防治。

1.4數(shù)據(jù)庫及應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)

基于黃河流域水土保持本底數(shù)據(jù)庫和三站原型觀測數(shù)據(jù)庫，黃河流域水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心對基礎(chǔ)信息、自然資源、基礎(chǔ)地理、社會經(jīng)濟、水土流失、技術(shù)標準等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和規(guī)劃設(shè)計、計劃管理、綜合治理、預(yù)防監(jiān)督、淤地壩管理、監(jiān)測等水土保持專業(yè)數(shù)據(jù)的有效管理，保證了觀測數(shù)據(jù)的安全性和易用性，為水土保持模型研究奠定了基礎(chǔ)。

以重點監(jiān)測項目為依托，結(jié)合水土保持監(jiān)測業(yè)務(wù)的新需求開發(fā)了“黃河水土流失數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)”和“小流域和監(jiān)測點等數(shù)據(jù)上報及資料整編系統(tǒng)”，實現(xiàn)了重點治理區(qū)水土流失監(jiān)測成果、典型小流域和監(jiān)測點觀測成果自動入庫和統(tǒng)一管理，提高了工作效率，保障了成果質(zhì)量。通過不斷更新完善黃河流域水土保持數(shù)據(jù)庫，建成了黃河上中游地區(qū)數(shù)據(jù)資源目錄，促進了數(shù)據(jù)共享，為流域水土保持工作提供了數(shù)據(jù)支撐。

結(jié)合“黃河水沙調(diào)控技術(shù)研究與應(yīng)用”課題，利用水文、氣象、林草植被、土地利用、水土保持措施等數(shù)據(jù)，基于下墊面因素對流域水沙變化影響的數(shù)學模型算法，開發(fā)了“基于成因分析的下墊面變化減沙響應(yīng)測算系統(tǒng)”。該系統(tǒng)以支流、水文站控制范圍、小流域等不同空間尺度為單元分析計算淤地壩、梯田、林草等水土保持措施的減沙效益，結(jié)合氣象及水文資料，分析計算區(qū)域產(chǎn)沙模數(shù)。

2　存在問題

2.1信息采集自動化程度需要進一步提高

近年來，黃河流域監(jiān)測機構(gòu)配置了大量的自動化觀測設(shè)備，降雨、流量等指標已基本實現(xiàn)了自動化觀測，節(jié)省了大量人力物力。但缺少適用于高含沙水流的自動徑流泥沙觀測設(shè)備，限制了黃土高原地區(qū)徑流泥沙的自動化觀測。

隨著面向?qū)ο蟮闹悄芑跋穹治鲕浖Cognition的廣泛應(yīng)用，黃河流域監(jiān)測機構(gòu)的高分辨率遙感信息自動化提取能力大幅提高，但仍存在人工反復(fù)試驗特征有效性及特征閾值設(shè)置合理性等問題，無法快速準確地構(gòu)建分類規(guī)則和規(guī)則集，快速自動化提取仍存在一定問題。

2.2應(yīng)用系統(tǒng)及信息資源共享不能滿足監(jiān)測工作的發(fā)展要求

隨著水土保持監(jiān)測工作的不斷深入，現(xiàn)有的應(yīng)用系統(tǒng)已不能完全滿足監(jiān)測工作的發(fā)展，缺少適用于具體監(jiān)測工作、智能化程度高的專業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)。如缺少外業(yè)調(diào)查的移動采集系統(tǒng)，監(jiān)測工作外業(yè)工作者經(jīng)常還在用紙和筆進行現(xiàn)場記錄，工作效率不高。

信息資源的有限性和不均衡性使信息資源的有效利用必須最大限度地實現(xiàn)信息資源共享。雖然黃委在數(shù)據(jù)共享方面已經(jīng)做了大量的工作，但是黃委與相關(guān)省(區(qū)、兵團)間及黃委內(nèi)部不同單位間的監(jiān)督、監(jiān)測、綜合治理等數(shù)據(jù)信息的及時交換尚未實現(xiàn)，監(jiān)測成果不能及時為上級、相關(guān)省(區(qū)、兵團)和社會公眾提供服務(wù)，影響了黃委監(jiān)測機構(gòu)工作職能的有效發(fā)揮。

2.3重點防治區(qū)監(jiān)測覆蓋不全，監(jiān)測站點分布需要優(yōu)化

黃河流域涉及河龍區(qū)間多沙粗沙治理區(qū)等9個國家級重點防治區(qū)。2013年以來，黃河流域動態(tài)監(jiān)測取得了較為顯著的成績，但仍然存在一些問題亟待解決。

限于項目規(guī)劃和經(jīng)費，黃河流域動態(tài)監(jiān)測范圍未能全面覆蓋重點防治區(qū)，監(jiān)測成果不能完整、全面地反映重點區(qū)域水土流失狀況及其防治成效；不同土壤侵蝕類型區(qū)部分監(jiān)測站點代表性差，與重點防治區(qū)水土流失動態(tài)監(jiān)測成果不能實現(xiàn)對應(yīng)分析。

3　設(shè)想與建議

3.1提高數(shù)據(jù)采集與信息處理能力

進一步完善黃委自有監(jiān)測站點和黃河流域全國水土流失動態(tài)監(jiān)測與公告項目省屬監(jiān)測站點的升級改造，配置視頻監(jiān)管等監(jiān)控設(shè)備，全面推進地面觀測視頻監(jiān)管系統(tǒng)的建設(shè)，實現(xiàn)監(jiān)測站點的實時監(jiān)控、管理和預(yù)警等功能；積極推進適合黃土高原的高含沙水流泥沙自動觀測設(shè)備的研發(fā)、試用、改進和推廣，實現(xiàn)黃土高原地區(qū)的徑流泥沙自動觀測。

開展基于面向?qū)ο蟮闹悄芑跋穹治鲕浖Cognition的分類規(guī)則和規(guī)則集快速構(gòu)建技術(shù)研究，形成適用于黃河流域的分類規(guī)則和規(guī)則集庫，進一步提高高分辨率影像的自動化提取水平。配備三維激光掃描儀、無人機等設(shè)備，推進遙感數(shù)據(jù)的快速獲取應(yīng)用和無人機、易康、平板電腦、激光測距儀等現(xiàn)場采集設(shè)備的一體化集成應(yīng)用。

3.2大力推進應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)

結(jié)合生產(chǎn)建設(shè)項目監(jiān)測、病險淤地壩核實等近期工作，應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)可從以下幾方面著手：

(1)開發(fā)和完善生產(chǎn)建設(shè)項目監(jiān)測信息采集系統(tǒng)，提高其智能化水平并逐步實現(xiàn)從平板采集向服務(wù)器管理的功能擴展。

(2)結(jié)合黃土高原中型以上病險淤地壩復(fù)核工作，開發(fā)黃土高原病險淤地壩核查監(jiān)測系統(tǒng)，為項目順利實施提供全過程的數(shù)據(jù)支持。

(3)開發(fā)原型觀測數(shù)據(jù)整編系統(tǒng)，實現(xiàn)黃委天水、西峰和綏德3個水土保持科學試驗站歷史觀測數(shù)據(jù)的自動化整編。

(4)對“基于成因分析的下墊面變化減沙響應(yīng)測算系統(tǒng)”進行參數(shù)率定、模型校驗，完善數(shù)學模型算法并推廣到更大區(qū)域。

(5)開發(fā)監(jiān)測評價系統(tǒng)，以“十二五”課題成果結(jié)合公告項目監(jiān)測成果進行區(qū)域性嘗試，推廣應(yīng)用范圍。

3.3全面監(jiān)測、優(yōu)化監(jiān)測站點

利用《全國水土流失動態(tài)監(jiān)測與公告項目五年規(guī)劃(2018—2022年)》編制的契機，積極爭取全面開展黃河流域國家級重點防治區(qū)的動態(tài)監(jiān)測，以全面反映重點區(qū)域水土流失狀況；進一步優(yōu)化不同侵蝕類型區(qū)的監(jiān)測站點布局，增強其代表性并實現(xiàn)與重點防治區(qū)水土流失動態(tài)監(jiān)測成果的對應(yīng)分析。

3.4推動數(shù)據(jù)共享，提高數(shù)據(jù)有效性

制定流域數(shù)據(jù)共享管理辦法，完善數(shù)據(jù)管理制度和水土保持數(shù)據(jù)資源目錄，建設(shè)黃河流域水土保持數(shù)據(jù)管理平臺，逐步實現(xiàn)黃委與水利部、流域各省區(qū)之間及黃委內(nèi)部的信息共享和服務(wù)，使數(shù)據(jù)真正成為有用的信息，進而為流域經(jīng)濟社會發(fā)展提供專業(yè)服務(wù)。

4　結(jié)　語

隨著黃河流域水土保持監(jiān)測體系和能力的發(fā)展，黃委和所涉各省(區(qū))將配置更為先進的監(jiān)測設(shè)備、處理軟件和信息采集系統(tǒng)，全面開展流域重點監(jiān)測區(qū)動態(tài)監(jiān)測工作，并進一步加強黃河流域水土保持監(jiān)測能力，完善隊伍建設(shè)，提高合作交流及數(shù)據(jù)共享水平，有效提升黃河流域水土保持科學管理水平，以期為經(jīng)濟社會發(fā)展、政府決策和社會公眾提供更為堅實的理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐。

(責任編輯徐素霞)

S157.2

C

1000-0941(2016)09-0083-03

殷寶庫(1979—)，男，山東金鄉(xiāng)縣人，高級工程師，碩士，主要從事水土保持監(jiān)測工作。

2016-07-18