北京市水土保持监测体系研究

北京市水土保持监测体系研究

北京位于中国北方平原的北端。燕山山脉和太行山脉交汇处。地理位置为北纬3928-4005，东经11525-11730。全市总面积为16807.8km2,其中山区面积为10417.5km2,占全市总面积的62%。解放初期,全市水土流失面积为6640km2。50多年来,根据不同发展阶段,市政府开展了水土保持工作,治理水土流失,发展当地经济。尤其是1980年以后,水土保持工作步入了科学化、法制化和规模化的轨道,以小流域为单元,实行全面规划、综合治理和连续治理。近年来,实施了全国七大流域八大片水土保持重点治理、密云水库上游水土保持重点治理和京津风沙源治理等工程。截至2003年底,全市共达标治理水土流失面积3288km2,占水土流失面积的50%,全市547条小流域已有228条基本得到治理。随着水土流失治理,投入也不断加大,山区环境得到改善,公众环保意识的提高,越来越多的人们会关心水土流失治理经费投入产生的效果、水土流失存在的形式及程度、水土流失的发展、生态环境对水土流失的承受程度等等,为了及时向公众报告全市水土流失的动态变化,分析水土流失对生态环境的影响,为政府制定水土保持生态建设措施的宏观决策提供依据,构建北京市水土保持监测体系已成为亟需解决的课题。1水土保持基础数据库以监测点的地面观测和普查(或抽查)为数据基础,采用遥感、地理信息系统、全球定位系统及计算机网络信息处理等技术,改造和拓展水土保持信息采集方式,形成快速便捷的信息采集、传输、处理和发布系统;建立水土保持基础数据库,实现基于高速网络基础上的、面向社会各界的、具有信息提取能力的信息共享和信息服务体系。①摸清水土流失状况:植被覆盖度、土地利用、坡度等自然情况;水土流失面积、水土流失程度与强度、水土流失量和污染物流失量;山洪、泥石流等水土流失危害;②进行水土流失发生发展情况监测及治理效益监测;③水土流失动态监测和治理措施分布及保水减沙效益等;④开发建设项目水土保持监测;⑤发布水土流失监测公报:发布次灾害性降水的水土流失监测简报和年水土流失监测公报。2监控系统的建设北京市自1999年开始构建北京市水土保持监测体系,在监测内容、技术方法、站点建设、人员培训、报告制度等方面不断丰富完善。2.1采用合理的类型区监测土壤侵蚀状况的目的,建立对于土(1)监测站点建设的原则。①统一规划,有效控制。在全市各水土流失类型区设观测站点,每个观测站点控制不同的类型区,达到监测全市土壤侵蚀状况的目的。②重点突出,全面服务。在统一规划基础上,在水源保护区适当加密观测站点,同时为科研服务,建立重点观测站点。③交通便利,易于管理。(2)根据监测站点的布设原则,建设市级监测中心站,7个山区县水土保持监测站,建设了10个坡地径流场和14个沟道控制站,监测站点情况详见表1。2.2水土保持监测指标水土保持监测是为水土保持生态建设和管理服务的,随着需求的增加,监测的内容和指标不断丰富。根据监测目的和对象分为以下类别:北京市主要是水力侵蚀,影响因子不包括风的监测。主要包括降雨、地貌地势、地面组成物质及其结构、植被类型及覆盖度、水土保持措施的数量和质量等。具体指标为降雨量、降雨历时、降雨强度、最大30min降雨量、最大60min降雨量、地表坡度、土壤类型、植被覆盖度、各单项水土保持措施的数量。主要反映北京山区水土流失总体情况,是每年监测公报重点反映的内容,也是公众和各级政府部门、科研院所关心的主要焦点,包括土壤侵蚀类型、强度、程度、分布和流失量等。主要包括下游河道泥沙、洪涝灾害、植被及生态环境变化对周边地区经济、社会发展的影响等。包括实施的各类防治工程效果、控制水土流失、改善生态环境和群众生产条件与生活水平的作用等。监测不同土地利用、不同植被覆盖度、不同侵蚀类型等随着降雨产生的径流中污染物含量。开发建设项目易造成较严重的人为水土流失,监测指标重点为扰动土地整治率、水土流失总治理度、土壤流失控制比、拦渣率、植被恢复系数和林草覆盖率。2.3监测数据的监控与监测借助首都的科技优势,不断将新的技术纳入到北京市的水土保持监测领域。坡地径流小区和沟道控制站,观测在降雨后产生的水土流失。GPS应用于治理项目与开发建设项目的跟踪调查或检查验收,暴雨泥石流的定位;RS应用于宏观快速调查土壤侵蚀和水土保持工程;GIS提供了最基础的数据分析支撑。应用该项技术建立了北京市水土保持监测数据管理系统,方便地实现了数据的分级管理,海量数据的存储、查询与计算等功能。应用自动化技术建立了北京市坡地水土流失自动监测系统,开始了对水土流失过程的监测。在无通讯线路的监测点,采用了微波通讯技术,传输监测数据。土壤侵蚀模型是水土保持监测的理论基础和基本手段,建立北京市土壤侵蚀模型并使之不断完善和实用是北京市水土保持监测工作的重点之一。2.4建立水土保持监测和报告制度建设了由北京市水土保持监测中心站、区县水土保持监测站和监测点三级机构构成的北京市水土保持监测网络。监测中心站负责编制水土保持监测规划和实施计划,掌握全市各类水土流失动态变化,负责对监测数据处理和综合分析,并报送上级监测部门和业务主管部门核查、备案,定期公告水土保持监测成果,承担国家及省级开发建设项目水土保持设施的监测工作。各县(区)监测站负责各县水土保持监测站点的建设维护,对各县水土保持动态进行监测,资料整编、管理,编制监测报告并上报市监测中心站。建立行之有效的监测站点的行政管理体制和业务运行机制,保证水土保持监测网络高效运行、数据交换的安全畅通。建立了水土保持监测的报告制度,区县监测机构及时向北京市水土保持工作总站报告常规监测站点的监测数据和整编结果。建立了水土保持监测定期公告制度,发布市县两级水土保持监测年报,重大水土流失灾害监测简报。2.5水土保持监测标准水土保持试验规范、土壤侵蚀分类分级标准(SL190-96)、开发建设项目水土保持方案、水土保持监测技术规程(SL277-2002)、北京市坡地径流场观测与处理规范等构成了北京市水土保持监测工作中所依据的主要标准。3监测技术方法和方法3.1土壤侵蚀调查研究,确定径流场以2000年TM影像为主,野外调查建立影像解译标志,收集电子地形图、土壤、地质等资料,提取土地利用、植被覆盖度、坡度资料等,利用GIS系统,将采集的空间数据和其他数据建立起各种层次的数据库并进行分析研究,按照土壤侵蚀强度面蚀分级指标,对全市进行土壤侵蚀调查。根据坡地土壤侵蚀级别和水土保持措施种类,在有代表性地段建设径流场,布设代表各土壤侵蚀强度级别及治理措施种类的坡地径流小区,全市山区共建设了10个坡地径流场,106个坡地径流小区。观测降雨、土壤含水量、径流量、土壤流失及污染物流失量。各站点按照要求及时将观测到的数据上报区县水保站和市监测中心站,在汛期结束时,完成数据整编工作。将小区的水土流失量和污染物流失量推算到其所代表类型的面积上,得出全市山区坡地水土流失量、污染物流失量和水土保持效益。3.2水土保持措施的采集在不同类型区,选择交通方便、有代表性、面积不等的小流域,建设控制站,安装自动观测设备。在全市北部山区和西部山区共设计建设了14个小流域控制站,面积从0.15km2至43.2km2不等。降雨、径流、泥沙、污染物流失量等。小流域水土保持措施的面积、数量及变化。沟道的特征值,流域的土地利用、植被覆盖等内容。①水土保持措施:访问调查、收集资料和抽样调查等。②沟道特征值、流域土地利用和植被覆盖度:现场调查、收集资料、遥感调查等。③雨量:每增加0.5mm,数据采集器采集1次数据。④水位:普通测量周期为6h,加密测量周期为2min,水位变化阈值为±1cm,水位每变化±1cm,数据采集器采集1次数据,水位每变化±3cm,水位计给采样仪发送1次采集信号。⑤采样仪:根据水位计发送的信号,水位每变化±3cm,采集1次水样。所有设备采集的数据在本地自动存储,每周及发生径流后,用便携式微机下载数据,并及时上传至市监测中心站。3.3资料采集和存储在3个径流场23个不同类型的小区监测降雨产流发生后,产生径流的过程。自动采集水样化验泥沙含量和污染物含量,分析泥沙和污染物径流发生的规律。监测降雨量及降雨过程。图像监控径流小区的产流过程。①雨量:每增加0.5mm采集并发送1次数据。②土壤湿度:测量周期为6h,采集器每6h采集并发送1次数据。③水位:普通测量周期为6h,加密测量周期为2min,水位变化阈值为+1cm,水位每升高1cm,采集并发送1次数据,水位每升高4cm,水位计给采样仪发送1次采集信号。水位采集周期无降雨时为普通周期6h,有降雨时为加密周期2min,由加密周期变为普通周期的条件为无降雨、水位无变化时延时3h。④采样仪:水位每升高4cm采集水样1次。所有设备采集的数据均可实现本地自动存储。实时数据采集完成后,通过专缆或微波传送至径流场管理站、县水保站和市监测中心站,并实时显示。径流场管理站、县水保站和市监测中心站也可下达命令采集数据并将存储的历史数据通过电话网络传输至本地数据库中。图像数据在径流场管理站存储,通过光盘刻录和磁带记录传送至县水保站和市监测中心站。市监测中心站建立计算机局域网络,配置数据库服务器和Web服务器,数据库服务器配有大容量磁盘阵列,存储历史和实施数据。通过Web服务器向水务局内各部门、区县水保站发布数据和信息。在监测中心站完成对历史数据、在线监测数据、人工实验数据、现场存储数据的整编,对现场视频图像记录进行编辑、存储、查看。对数据库的数据、视频图像在各个工作站上可进行查询、查看、整编及统计分析工作,并通过投影系统进行展示。4水土流失监测北京市自2001年开始了全市山区坡地水土流失监测,连续3年发布了全市水土流失监测(简)公报,为各级政府和公众提供了水土流失及综合治理的基础数据,为生态环境建设提供了依据。4.1土壤侵蚀强度根据2000年土壤侵蚀遥感调查,北京市有水土流失面积4089km2,其中轻度侵蚀面积2975km2,中度侵蚀面积1114km2,没有强度以上侵蚀级别。据2001—2003年监测结果,北京市山区2003年土壤侵蚀量最大,整个汛期土壤流失量为158.5万t,由于北京市侵蚀类型为水力侵蚀,因此可以将该值作为年侵蚀量,监测区平均侵蚀模数为152.1t/(km2·a)。从2001—2003年典型类型区的水土流失强度看,轻度侵蚀类型区土壤流失最大值为124t/km2,中度侵蚀类型区土壤流失最大值为405t/km2,远低于土壤侵蚀分类分级标准中各级别的侵蚀模数。2001—2003年北京市持续干旱,降水量偏少是水土流失程度较轻的重要原因。4.2洪水灾害防治受副热带高压边缘的对流云团影响,2002年8月1日,北京市密云县石城和怀柔区怀北交界带110km2范围内突降特大暴雨,近5h降雨高达280.2mm,发生了较严重的山洪泥石流灾害。本次山洪规模较大,加之局部发生的小规模泥石流使得下泄山洪带走泥沙石块量较多,导致下游部分拦沙坝淤沙库容被淤满,加重了部分水库河道泥沙淤积程度,对家河沟口300m处一小塘坝拦沙量就达6000m3,部分水土保持措施被毁。4.3水土流失监测北京市主要水土保持措施有谷坊坝、树盘、拦沙坝、梯田、水平条、鱼鳞坑、水保林等。选取2001和2003年监测结果进行比较,见表2。(2)北京市2000年发布了密云水库上游北京市境内水土流失监测简报,自2001年,连续3年发布了北京市水土流失监测简报(公报),2002年发布了一期暴雨灾害调查的简报,成果的发布增加了公众参与水土保持的程度,为各级政府进行水土保持生态环境建设提供了依据,为学术界进行科学研究提供了基础数据。从监测数据看,如果没有坡面水土保持措施,土壤和污染物流失量将会增加19%以上。5水土流失监测(1)北京市水土流失监测体系自1999年开始构建,现初步形成了一定规模,建设了地面监测网络和数据采集、传输及管理系统,利用“3S”技术开展了水土流失监测,培养了一支监测队伍,形成了管理机制,监测工作有条不紊地进行。(3)北京市水土保持监测工作还需进一步完善监测网络,加强“3S”技术应用,建立北京市山区水土流失模型,增强预测预报的能力,更好地为首都经济社会可持续