黄土高原沟壑区水土流失原型观测的意义

黄土高原沟壑区水土流失原型观测的意义

洛杉矶高原是世界上水土流失最严重的地区之一。为了有效管理该地区，水土流失原型的观测非常重要。黄河水利委员会西峰水土保持科学试验站是我国较早建立的水土保持科研站所之一,50年来进行了大量的水土流失原型观测,这为开展模型黄土高原建设中的黄土高原沟壑区水土流失原型观测研究提供了丰富经验。1资料与观测工作为探索黄土高原沟壑区水土流失规律,寻求保塬固沟、防治水土流失的有效途径和方法,研究水土保持治理措施的减水减沙效益,西峰治理监督局承担了黄土高原沟壑区水土流失原型观测任务,自1954年起,即在甘肃省庆阳市西峰区的南小河沟流域开展了系统的观测。南小河沟流域面积36.3km2,其中塬面面积26.3km2,沟壑面积10km2,属典型的黄土高原沟壑区。我局先后在该流域布设8个测站进行小流域径流泥沙观测,之后分别在庆城、宁县、合水、环县、镇原、灵台等县的一些典型小流域和部分支沟增设了17个测站,取得了220个站年的原型观测资料。在重点试验小流域南小河沟试验场(面积4.8km2),选择农地、林地、人工草地、天然荒坡、庄园和道路等地类,布设了76个径流小区,至2004年,积累了247个站年径流泥沙观测资料、1200多个站年降水资料、394个场年径流小区资料和近3000个场次的降雨、径流、泥沙资料。1981年以前的各种观测资料已整编刊印,1981～2004年的所有降水、径流及泥沙资料已用微机整编并存盘。1974年,在南小河沟流域附近选择中流域砚瓦川(面积329km2,塬面面积177km2,沟壑面积152km2),布设了流域径流泥沙、雨量和小区径流泥沙、蒸发量、土壤含水量等观测站点,开展了中流域的水土流失原型观测。50年来,这些原型观测资料成果在水保区划、流域治理规划、单项措施布设与综合措施配置、水土流失规律与水保措施减水减沙效益分析及交通运输、城市建设等生产实践中得到了广泛的应用,对促进当地乃至黄河流域的经济发展起到了积极的作用。在观测研究的基础上,科技人员累计发表科研论文200余篇,出版专著5种。在新技术应用方面,计算机在遥测遥感、流域建模、统计分析、流域规划、资料整编和建立数据库等方面得到了较广泛的应用。测试方法与技术在完善常规方法、提高观测精度及引进自记雨量、遥测雨量设备等方面进行了有益的探索。20世纪90年代以来,为使各种资料成果走向社会,发挥其应有的作用,与甘肃省庆阳市黄土高原水土保持世行贷款项目科技培训中心建立了业务联系,为其监测并提供砚瓦川流域部分水沙资料。目前,黄河水土保持西峰治理监督局已在南小河沟流域改造、恢复建成了杨家沟、十八亩台及董庄沟径流站3处、雨量站4处、径流小区10处,新建小区27个,在砚瓦川流域改造完善径流站1处、雨量站10处。各测站(场)有序地开展降水、蒸发、径流、泥沙、土壤含水率及其他项目的观测和资料整编工作。从2004年开始,进一步加强了水土流失原型观测工作,现有观测人员10人。2观测站的初步建设2.1规划并设计原型观测站网络(1)小流域、中流域、小流域、瓦川流域黄土高原沟壑区水土流失原型观测规划设计的范围是:小流域为南小河沟流域,中流域为砚瓦川流域。两流域以凤甜公路为界,均具有黄土高原沟壑区典型流域的地貌特征。(2)观测流域降水特征的布设原则充分考虑黄土高原沟壑区自然类型区的代表性,按照水土保持措施实施前后对比、平行对比及大流域套小流域、综合措施套单项措施以及区域降水特征的布设原则,以坡面、沟道、小流域及支流4个层次为观测研究对象,全方位收集流域不同部位降水、径流、泥沙过程与特征资料。在现有观测站网基础上,进行观测站点的调整和充实,使其能够有效观测流域降水、产流、产沙及沟道重力侵蚀等。结合以上观测开展土壤入渗、植物截留、流变特性测试,进行流域下垫面条件变化、暴雨洪水侵蚀状况和流域水保综合治理现状调查等。(3)标准曲线法水土流失原型观测坚持近期观测与长远观测相结合、微观监测与宏观分析相结合、常规手段与新技术应用相结合,并使观测方法和测试技术实现标准化、系列化、自动化,利用微机整编资料,建立原始资料和成果资料数据库。应用“地球信息技术”(即“3S”集成技术)分析下垫面条件,提高观测精度和分析研究水平。2.2观测站的初步配置(1)需恢复原采地下雨水量站,增加流域内转导根据原型观测站网布设原则和方法,南小河沟流域现有雨量观测站4个,平均单站控制面积为7.65km2,站网密度偏小且分布不匀,不能有效控制整个流域降水的时空变化。据分析,在流域出口处的十八亩台设径流观测站,需要恢复原有的9个和新设1个雨量站,使雨量站达到14个,单站观测的控制面积达到2.2km2,这样才能满足观测的需要。砚瓦川作为中流域,现有的10个雨量站基本沿流域边界布设且站点稀少。在改建现有雨量站的同时,恢复原有的14个雨量站,使流域内雨量观测站呈三角形分布,站网密度由每站32.9km2调整为每站13.7km2。(2)流域综合治理进展在南小河沟流域恢复董庄沟、花果山水库出口及十八亩台的观测站,改建杨家沟站。完善砚瓦川测站的观测设施。各测站的任务是:十八亩台站主要了解流域治理后径流泥沙的变化,花果山水库出口站主要研究流域综合治理效益、水库调蓄作用及泥沙淤积规律,杨家沟站主要了解植物固沟的作用,董庄沟站作为未治理沟道与杨家沟进行对比,同时作为黄土高原沟壑区未治理小流域研究其水土流失规律;砚瓦川站为齐家川示范区水保工程措施及中流域水土保持综合治理模式及效益研究提供科学数据,并对径流小区与小流域观测资料移用于大面积进行验证。(3)径流小区划分根据不同土地利用状况,在南小河沟流域塬、坡、沟等不同部位,分别布设农地、林地、人工牧草、自然荒坡、田间道路、庄院径流小区和大型全坡面径流小区。这些径流小区观测研究的任务是:以南小河沟流域为重点,研究黄土高原沟壑区在不同暴雨和小流域塬坡沟不同地形部位、不同坡度坡长、不同土地利用条件下径流泥沙来源及不同水土保持措施减水减沙效益,为因害设防、因地制宜地进行水土保持规划和综合治理提供依据。(4)重力侵蚀社区的配置在南小河沟流域和砚瓦川流域内,分别布设小区观测重力侵蚀(包括崩塌、滑坡、泻溜等的发生和侵蚀量等),全面普查重力侵蚀情况。(5)设置保水设施在南小河沟和砚瓦川流域内,选择有代表性的支沟侵蚀沟道各2条,从沟口至沟头,按侵蚀程度将沟道划分成若干固定断面,设置永久性水准标志,于每次洪水后观测沟头前进、沟底下切、沟岸扩张和沟蚀量,为研究流域的水沙平衡提供科学依据。(6)调查内容及方法在原型观测流域建立地理信息系统,通过对航片、卫片判读和进行网上调查、询问调查、典型调查、普查、抽样调查等,详细了解原型流域水土保持措施及土地利用情况,及时收集资料,进行数据处理和资料整编分析,以便指导流域内土地利用调整和水保措施布设。当流域局部地区发生特大暴雨洪水时,为弥补观测资料之不足,对暴雨洪水进行调查,调查内容主要包括暴雨洪水及成灾情况,重力侵蚀状况,各种水保措施的分布、数量、质量及保存率等。通过对调查资料和定位原型观测资料分析,摸清流域径流泥沙来源,研究流域产沙输沙机理及各种水保措施拦蓄效益等。3在线测试站网络的自动化线程测量报告系统的建设3.1水文监测系统的无线传输国外在水文观测方面已研制成多参数、多功能、多信道的水文、气象、环境遥测系统,用以开展水文、气象、墒情、环境等信息采集,并建成在网络基础上的信息共享和管理系统。在信息传输上,采用超短波、微波、卫星(包括短波、流星余迹、扩频微波)等多种通信技术实现水文测报系统的自动化。国内目前已研制成全自动实时水文数据采集系统。无线传输一般采用超短波、短波、卫星通信水文自动测报系统及GSM网传输4种方式。自动化测报设备现已发展到具有自行诊断、测试、内存故障恢复、信道侦听避忙转发等功能,有先进的人机现场编程、控制操作,能实时检测无线信道的工作情况和外界干扰,保证水文信息在良好条件下传输。3.2基于数据采集装置的水土流失探测黄土高原沟壑区水土流失原型观测自动化测报系统由遥测站(遥测雨量站、径流站、气象站、土壤水分观测站等)、信道(信息传输系统及中继站)、数据接收处理中心站及分站、预报中心站等组成,是一种具有低功耗、高可靠性的远距离数据采集传送装置,专用于小流域水土流失遥测系统中,可自动实时或定时地遥测采集水文气象数据并进行处理。经系统统计分析的数据,完全按照水文原型观测资料整编的要求输出,并能进行水土流失的分析预报。3.3数据输入、自报、查询、查询、解释为适