黃土高原溝壑區(qū)水土流失原型觀測(cè)的意義

黃土高原溝壑區(qū)水土流失原型觀測(cè)的意義

洛杉磯高原是世界上水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)之一。為了有效管理該地區(qū)，水土流失原型的觀測(cè)非常重要。黃河水利委員會(huì)西峰水土保持科學(xué)試驗(yàn)站是我國(guó)較早建立的水土保持科研站所之一,50年來(lái)進(jìn)行了大量的水土流失原型觀測(cè),這為開展模型黃土高原建設(shè)中的黃土高原溝壑區(qū)水土流失原型觀測(cè)研究提供了豐富經(jīng)驗(yàn)。1資料與觀測(cè)工作為探索黃土高原溝壑區(qū)水土流失規(guī)律,尋求保塬固溝、防治水土流失的有效途徑和方法,研究水土保持治理措施的減水減沙效益,西峰治理監(jiān)督局承擔(dān)了黃土高原溝壑區(qū)水土流失原型觀測(cè)任務(wù),自1954年起,即在甘肅省慶陽(yáng)市西峰區(qū)的南小河溝流域開展了系統(tǒng)的觀測(cè)。南小河溝流域面積36.3km2,其中塬面面積26.3km2,溝壑面積10km2,屬典型的黃土高原溝壑區(qū)。我局先后在該流域布設(shè)8個(gè)測(cè)站進(jìn)行小流域徑流泥沙觀測(cè),之后分別在慶城、寧縣、合水、環(huán)縣、鎮(zhèn)原、靈臺(tái)等縣的一些典型小流域和部分支溝增設(shè)了17個(gè)測(cè)站,取得了220個(gè)站年的原型觀測(cè)資料。在重點(diǎn)試驗(yàn)小流域南小河溝試驗(yàn)場(chǎng)(面積4.8km2),選擇農(nóng)地、林地、人工草地、天然荒坡、莊園和道路等地類,布設(shè)了76個(gè)徑流小區(qū),至2004年,積累了247個(gè)站年徑流泥沙觀測(cè)資料、1200多個(gè)站年降水資料、394個(gè)場(chǎng)年徑流小區(qū)資料和近3000個(gè)場(chǎng)次的降雨、徑流、泥沙資料。1981年以前的各種觀測(cè)資料已整編刊印,1981～2004年的所有降水、徑流及泥沙資料已用微機(jī)整編并存盤。1974年,在南小河溝流域附近選擇中流域硯瓦川(面積329km2,塬面面積177km2,溝壑面積152km2),布設(shè)了流域徑流泥沙、雨量和小區(qū)徑流泥沙、蒸發(fā)量、土壤含水量等觀測(cè)站點(diǎn),開展了中流域的水土流失原型觀測(cè)。50年來(lái),這些原型觀測(cè)資料成果在水保區(qū)劃、流域治理規(guī)劃、單項(xiàng)措施布設(shè)與綜合措施配置、水土流失規(guī)律與水保措施減水減沙效益分析及交通運(yùn)輸、城市建設(shè)等生產(chǎn)實(shí)踐中得到了廣泛的應(yīng)用,對(duì)促進(jìn)當(dāng)?shù)啬酥咙S河流域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到了積極的作用。在觀測(cè)研究的基礎(chǔ)上,科技人員累計(jì)發(fā)表科研論文200余篇,出版專著5種。在新技術(shù)應(yīng)用方面,計(jì)算機(jī)在遙測(cè)遙感、流域建模、統(tǒng)計(jì)分析、流域規(guī)劃、資料整編和建立數(shù)據(jù)庫(kù)等方面得到了較廣泛的應(yīng)用。測(cè)試方法與技術(shù)在完善常規(guī)方法、提高觀測(cè)精度及引進(jìn)自記雨量、遙測(cè)雨量設(shè)備等方面進(jìn)行了有益的探索。20世紀(jì)90年代以來(lái),為使各種資料成果走向社會(huì),發(fā)揮其應(yīng)有的作用,與甘肅省慶陽(yáng)市黃土高原水土保持世行貸款項(xiàng)目科技培訓(xùn)中心建立了業(yè)務(wù)聯(lián)系,為其監(jiān)測(cè)并提供硯瓦川流域部分水沙資料。目前,黃河水土保持西峰治理監(jiān)督局已在南小河溝流域改造、恢復(fù)建成了楊家溝、十八畝臺(tái)及董莊溝徑流站3處、雨量站4處、徑流小區(qū)10處,新建小區(qū)27個(gè),在硯瓦川流域改造完善徑流站1處、雨量站10處。各測(cè)站(場(chǎng))有序地開展降水、蒸發(fā)、徑流、泥沙、土壤含水率及其他項(xiàng)目的觀測(cè)和資料整編工作。從2004年開始,進(jìn)一步加強(qiáng)了水土流失原型觀測(cè)工作,現(xiàn)有觀測(cè)人員10人。2觀測(cè)站的初步建設(shè)2.1規(guī)劃并設(shè)計(jì)原型觀測(cè)站網(wǎng)絡(luò)(1)小流域、中流域、小流域、瓦川流域黃土高原溝壑區(qū)水土流失原型觀測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)的范圍是:小流域?yàn)槟闲『訙狭饔?中流域?yàn)槌幫叽饔?。兩流域以鳳甜公路為界,均具有黃土高原溝壑區(qū)典型流域的地貌特征。(2)觀測(cè)流域降水特征的布設(shè)原則充分考慮黃土高原溝壑區(qū)自然類型區(qū)的代表性,按照水土保持措施實(shí)施前后對(duì)比、平行對(duì)比及大流域套小流域、綜合措施套單項(xiàng)措施以及區(qū)域降水特征的布設(shè)原則,以坡面、溝道、小流域及支流4個(gè)層次為觀測(cè)研究對(duì)象,全方位收集流域不同部位降水、徑流、泥沙過(guò)程與特征資料。在現(xiàn)有觀測(cè)站網(wǎng)基礎(chǔ)上,進(jìn)行觀測(cè)站點(diǎn)的調(diào)整和充實(shí),使其能夠有效觀測(cè)流域降水、產(chǎn)流、產(chǎn)沙及溝道重力侵蝕等。結(jié)合以上觀測(cè)開展土壤入滲、植物截留、流變特性測(cè)試,進(jìn)行流域下墊面條件變化、暴雨洪水侵蝕狀況和流域水保綜合治理現(xiàn)狀調(diào)查等。(3)標(biāo)準(zhǔn)曲線法水土流失原型觀測(cè)堅(jiān)持近期觀測(cè)與長(zhǎng)遠(yuǎn)觀測(cè)相結(jié)合、微觀監(jiān)測(cè)與宏觀分析相結(jié)合、常規(guī)手段與新技術(shù)應(yīng)用相結(jié)合,并使觀測(cè)方法和測(cè)試技術(shù)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、自動(dòng)化,利用微機(jī)整編資料,建立原始資料和成果資料數(shù)據(jù)庫(kù)。應(yīng)用“地球信息技術(shù)”(即“3S”集成技術(shù))分析下墊面條件,提高觀測(cè)精度和分析研究水平。2.2觀測(cè)站的初步配置(1)需恢復(fù)原采地下雨水量站,增加流域內(nèi)轉(zhuǎn)導(dǎo)根據(jù)原型觀測(cè)站網(wǎng)布設(shè)原則和方法,南小河溝流域現(xiàn)有雨量觀測(cè)站4個(gè),平均單站控制面積為7.65km2,站網(wǎng)密度偏小且分布不勻,不能有效控制整個(gè)流域降水的時(shí)空變化。據(jù)分析,在流域出口處的十八畝臺(tái)設(shè)徑流觀測(cè)站,需要恢復(fù)原有的9個(gè)和新設(shè)1個(gè)雨量站,使雨量站達(dá)到14個(gè),單站觀測(cè)的控制面積達(dá)到2.2km2,這樣才能滿足觀測(cè)的需要。硯瓦川作為中流域,現(xiàn)有的10個(gè)雨量站基本沿流域邊界布設(shè)且站點(diǎn)稀少。在改建現(xiàn)有雨量站的同時(shí),恢復(fù)原有的14個(gè)雨量站,使流域內(nèi)雨量觀測(cè)站呈三角形分布,站網(wǎng)密度由每站32.9km2調(diào)整為每站13.7km2。(2)流域綜合治理進(jìn)展在南小河溝流域恢復(fù)董莊溝、花果山水庫(kù)出口及十八畝臺(tái)的觀測(cè)站,改建楊家溝站。完善硯瓦川測(cè)站的觀測(cè)設(shè)施。各測(cè)站的任務(wù)是:十八畝臺(tái)站主要了解流域治理后徑流泥沙的變化,花果山水庫(kù)出口站主要研究流域綜合治理效益、水庫(kù)調(diào)蓄作用及泥沙淤積規(guī)律,楊家溝站主要了解植物固溝的作用,董莊溝站作為未治理溝道與楊家溝進(jìn)行對(duì)比,同時(shí)作為黃土高原溝壑區(qū)未治理小流域研究其水土流失規(guī)律;硯瓦川站為齊家川示范區(qū)水保工程措施及中流域水土保持綜合治理模式及效益研究提供科學(xué)數(shù)據(jù),并對(duì)徑流小區(qū)與小流域觀測(cè)資料移用于大面積進(jìn)行驗(yàn)證。(3)徑流小區(qū)劃分根據(jù)不同土地利用狀況,在南小河溝流域塬、坡、溝等不同部位,分別布設(shè)農(nóng)地、林地、人工牧草、自然荒坡、田間道路、莊院徑流小區(qū)和大型全坡面徑流小區(qū)。這些徑流小區(qū)觀測(cè)研究的任務(wù)是:以南小河溝流域?yàn)橹攸c(diǎn),研究黃土高原溝壑區(qū)在不同暴雨和小流域塬坡溝不同地形部位、不同坡度坡長(zhǎng)、不同土地利用條件下徑流泥沙來(lái)源及不同水土保持措施減水減沙效益,為因害設(shè)防、因地制宜地進(jìn)行水土保持規(guī)劃和綜合治理提供依據(jù)。(4)重力侵蝕社區(qū)的配置在南小河溝流域和硯瓦川流域內(nèi),分別布設(shè)小區(qū)觀測(cè)重力侵蝕(包括崩塌、滑坡、瀉溜等的發(fā)生和侵蝕量等),全面普查重力侵蝕情況。(5)設(shè)置保水設(shè)施在南小河溝和硯瓦川流域內(nèi),選擇有代表性的支溝侵蝕溝道各2條,從溝口至溝頭,按侵蝕程度將溝道劃分成若干固定斷面,設(shè)置永久性水準(zhǔn)標(biāo)志,于每次洪水后觀測(cè)溝頭前進(jìn)、溝底下切、溝岸擴(kuò)張和溝蝕量,為研究流域的水沙平衡提供科學(xué)依據(jù)。(6)調(diào)查內(nèi)容及方法在原型觀測(cè)流域建立地理信息系統(tǒng),通過(guò)對(duì)航片、衛(wèi)片判讀和進(jìn)行網(wǎng)上調(diào)查、詢問(wèn)調(diào)查、典型調(diào)查、普查、抽樣調(diào)查等,詳細(xì)了解原型流域水土保持措施及土地利用情況,及時(shí)收集資料,進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和資料整編分析,以便指導(dǎo)流域內(nèi)土地利用調(diào)整和水保措施布設(shè)。當(dāng)流域局部地區(qū)發(fā)生特大暴雨洪水時(shí),為彌補(bǔ)觀測(cè)資料之不足,對(duì)暴雨洪水進(jìn)行調(diào)查,調(diào)查內(nèi)容主要包括暴雨洪水及成災(zāi)情況,重力侵蝕狀況,各種水保措施的分布、數(shù)量、質(zhì)量及保存率等。通過(guò)對(duì)調(diào)查資料和定位原型觀測(cè)資料分析,摸清流域徑流泥沙來(lái)源,研究流域產(chǎn)沙輸沙機(jī)理及各種水保措施攔蓄效益等。3在線測(cè)試站網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)化線程測(cè)量報(bào)告系統(tǒng)的建設(shè)3.1水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的無(wú)線傳輸國(guó)外在水文觀測(cè)方面已研制成多參數(shù)、多功能、多信道的水文、氣象、環(huán)境遙測(cè)系統(tǒng),用以開展水文、氣象、墑情、環(huán)境等信息采集,并建成在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上的信息共享和管理系統(tǒng)。在信息傳輸上,采用超短波、微波、衛(wèi)星(包括短波、流星余跡、擴(kuò)頻微波)等多種通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)水文測(cè)報(bào)系統(tǒng)的自動(dòng)化。國(guó)內(nèi)目前已研制成全自動(dòng)實(shí)時(shí)水文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。無(wú)線傳輸一般采用超短波、短波、衛(wèi)星通信水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)及GSM網(wǎng)傳輸4種方式。自動(dòng)化測(cè)報(bào)設(shè)備現(xiàn)已發(fā)展到具有自行診斷、測(cè)試、內(nèi)存故障恢復(fù)、信道偵聽避忙轉(zhuǎn)發(fā)等功能,有先進(jìn)的人機(jī)現(xiàn)場(chǎng)編程、控制操作,能實(shí)時(shí)檢測(cè)無(wú)線信道的工作情況和外界干擾,保證水文信息在良好條件下傳輸。3.2基于數(shù)據(jù)采集裝置的水土流失探測(cè)黃土高原溝壑區(qū)水土流失原型觀測(cè)自動(dòng)化測(cè)報(bào)系統(tǒng)由遙測(cè)站(遙測(cè)雨量站、徑流站、氣象站、土壤水分觀測(cè)站等)、信道(信息傳輸系統(tǒng)及中繼站)、數(shù)據(jù)接收處理中心站及分站、預(yù)報(bào)中心站等組成,是一種具有低功耗、高可靠性的遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)采集傳送裝置,專用于小流域水土流失遙測(cè)系統(tǒng)中,可自動(dòng)實(shí)時(shí)或定時(shí)地遙測(cè)采集水文氣象數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理。經(jīng)系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析的數(shù)據(jù),完全按照水文原型觀測(cè)資料整編的要求輸出,并能進(jìn)行水土流失的分析預(yù)報(bào)。3.3數(shù)據(jù)輸入、自報(bào)、查詢、查詢、解釋為適