黃土高原溝壑區(qū)水土流失原型觀測的意義

洛杉磯高原是世界上水土流失最嚴重的地區(qū)之一。為了有效管理該地區(qū)，水土流失原型的觀測非常重要。黃河水利委員會西峰水土保持科學試驗站是我國較早建立的水土保持科研站所之一,50年來進行了大量的水土流失原型觀測,這為開展模型黃土高原建設中的黃土高原溝壑區(qū)水土流失原型觀測研究提供了豐富經(jīng)驗。1資料與觀測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)督局承擔了黃土高原溝壑區(qū)水土流失原型觀測任務,自1954年起,即在甘肅省慶陽市西峰區(qū)的南小河溝流域開展了系統(tǒng)的觀測。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8個測站進行小流域徑流泥沙觀測,之后分別在慶城、寧縣、合水、環(huán)縣、鎮(zhèn)原、靈臺等縣的一些典型小流域和部分支溝增設了17個測站,取得了220個站年的原型觀測資料。在重點試驗小流域南小河溝試驗場(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,布設了76個徑流小區(qū),至2004年,積累了247個站年徑流泥沙觀測資料、1200多個站年降水資料、394個場年徑流小區(qū)資料和近3000個場次的降雨、徑流、泥沙資料。1981年以前的各種觀測資料已整編刊印,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、土壤含水量等觀測站點,開展了中流域的水土流失原型觀測。50年來,這些原型觀測資料成果在水保區(qū)劃、流域治理規(guī)劃、單項措施布設與綜合措施配置、水土流失規(guī)律與水保措施減水減沙效益分析及交通運輸、城市建設等生產(chǎn)實踐中得到了廣泛的應用,對促進當?shù)啬酥咙S河流域的經(jīng)濟發(fā)展起到了積極的作用。在觀測研究的基礎上,科技人員累計發(fā)表科研論文200余篇,出版專著5種。在新技術應用方面,計算機在遙測遙感、流域建模、統(tǒng)計分析、流域規(guī)劃、資料整編和建立數(shù)據(jù)庫等方面得到了較廣泛的應用。測試方法與技術在完善常規(guī)方法、提高觀測精度及引進自記雨量、遙測雨量設備等方面進行了有益的探索。20世紀90年代以來,為使各種資料成果走向社會,發(fā)揮其應有的作用,與甘肅省慶陽市黃土高原水土保持世行貸款項目科技培訓中心建立了業(yè)務聯(lián)系,為其監(jiān)測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、恢復建成了楊家溝、十八畝臺及董莊溝徑流站3處、雨量站4處、徑流小區(qū)10處,新建小區(qū)27個,在硯瓦川流域改造完善徑流站1處、雨量站10處。各測站(場)有序地開展降水、蒸發(fā)、徑流、泥沙、土壤含水率及其他項目的觀測和資料整編工作。從2004年開始,進一步加強了水土流失原型觀測工作,現(xiàn)有觀測人員10人。2觀測站的初步建設2.1規(guī)劃并設計原型觀測站網(wǎng)絡(1)小流域、中流域、小流域、瓦川流域黃土高原溝壑區(qū)水土流失原型觀測規(guī)劃設計的范圍是:小流域為南小河溝流域,中流域為硯瓦川流域。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)觀測流域降水特征的布設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施前后對比、平行對比及大流域套小流域、綜合措施套單項措施以及區(qū)域降水特征的布設原則,以坡面、溝道、小流域及支流4個層次為觀測研究對象,全方位收集流域不同部位降水、徑流、泥沙過程與特征資料。在現(xiàn)有觀測站網(wǎng)基礎上,進行觀測站點的調整和充實,使其能夠有效觀測流域降水、產(chǎn)流、產(chǎn)沙及溝道重力侵蝕等。結合以上觀測開展土壤入滲、植物截留、流變特性測試,進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)狀調查等。(3)標準曲線法水土流失原型觀測堅持近期觀測與長遠觀測相結合、微觀監(jiān)測與宏觀分析相結合、常規(guī)手段與新技術應用相結合,并使觀測方法和測試技術實現(xiàn)標準化、系列化、自動化,利用微機整編資料,建立原始資料和成果資料數(shù)據(jù)庫。應用“地球信息技術”(即“3S”集成技術)分析下墊面條件,提高觀測精度和分析研究水平。2.2觀測站的初步配置(1)需恢復原采地下雨水量站,增加流域內轉導根據(jù)原型觀測站網(wǎng)布設原則和方法,南小河溝流域現(xiàn)有雨量觀測站4個,平均單站控制面積為7.65km2,站網(wǎng)密度偏小且分布不勻,不能有效控制整個流域降水的時空變化。據(jù)分析,在流域出口處的十八畝臺設徑流觀測站,需要恢復原有的9個和新設1個雨量站,使雨量站達到14個,單站觀測的控制面積達到2.2km2,這樣才能滿足觀測的需要。硯瓦川作為中流域,現(xiàn)有的10個雨量站基本沿流域邊界布設且站點稀少。在改建現(xiàn)有雨量站的同時,恢復原有的14個雨量站,使流域內雨量觀測站呈三角形分布,站網(wǎng)密度由每站32.9km2調整為每站13.7km2。(2)流域綜合治理進展在南小河溝流域恢復董莊溝、花果山水庫出口及十八畝臺的觀測站,改建楊家溝站。完善硯瓦川測站的觀測設施。各測站的任務是:十八畝臺站主要了解流域治理后徑流泥沙的變化,花果山水庫出口站主要研究流域綜合治理效益、水庫調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行對比,同時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數(shù)據(jù),并對徑流小區(qū)與小流域觀測資料移用于大面積進行驗證。(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)觀測研究的任務是:以南小河溝流域為重點,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、不同土地利用條件下徑流泥沙來源及不同水土保持措施減水減沙效益,為因害設防、因地制宜地進行水土保持規(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,分別布設小區(qū)觀測重力侵蝕(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)設置保水設施在南小河溝和硯瓦川流域內,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,設置永久性水準標志,于每次洪水后觀測溝頭前進、溝底下切、溝岸擴張和溝蝕量,為研究流域的水沙平衡提供科學依據(jù)。(6)調查內容及方法在原型觀測流域建立地理信息系統(tǒng),通過對航片、衛(wèi)片判讀和進行網(wǎng)上調查、詢問調查、典型調查、普查、抽樣調查等,詳細了解原型流域水土保持措施及土地利用情況,及時收集資料,進行數(shù)據(jù)處理和資料整編分析,以便指導流域內土地利用調整和水保措施布設。當流域局部地區(qū)發(fā)生特大暴雨洪水時,為彌補觀測資料之不足,對暴雨洪水進行調查,調查內容主要包括暴雨洪水及成災情況,重力侵蝕狀況,各種水保措施的分布、數(shù)量、質量及保存率等。通過對調查資料和定位原型觀測資料分析,摸清流域徑流泥沙來源,研究流域產(chǎn)沙輸沙機理及各種水保措施攔蓄效益等。3在線測試站網(wǎng)絡的自動化線程測量報告系統(tǒng)的建設3.1水文監(jiān)測系統(tǒng)的無線傳輸國外在水文觀測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)絡基礎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、擴頻微波)等多種通信技術實現(xiàn)水文測報系統(tǒng)的自動化。國內目前已研制成全自動實時水文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。無線傳輸一般采用超短波、短波、衛(wèi)星通信水文自動測報系統(tǒng)及GSM網(wǎng)傳輸4種方式。自動化測報設備現(xiàn)已發(fā)展到具有自行診斷、測試、內存故障恢復、信道偵聽避忙轉發(fā)等功能,有先進的人機現(xiàn)場編程、控制操作,能實時檢測無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黃土高原溝壑區(qū)水土流失原型觀測自動化測報系統(tǒng)由遙測站(遙測雨量站、徑流站、氣象站、土壤水分觀測站等)、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、預報中心站等組成,是一種具有低功耗、高可靠性的遠距離數(shù)據(jù)采集傳送裝置,專用于小流域水土流失遙測系統(tǒng)中,可自動實時或定時地遙測采集水文氣象數(shù)據(jù)并進行處理。經(jīng)系統(tǒng)統(tǒng)計分析的數(shù)據(jù),完全按照水文原型觀測資料整編的要求輸出,并能進行水土流失的分析預報。3.3數(shù)據(jù)輸入、自報、查詢、查詢、解釋為適