自动监测系统在江西红壤坡地水土流失监测中的试验应用

汤崇军，杨 洁，汪邦稳，2

(1．江西省水土保持科学研究所，江西南昌330029;2．北京师范大学地理学与遥感科学学院，北京100875)

目前，我国在水土保持监测网络的建设方面已经取得了丰硕的成果，已形成了一个相互连接、高度集成的水土保持监测站网体系，但站点的降雨、径流、泥沙、土壤水等数据的自动采集工作还相对薄弱，主要表现在采集设备陈旧落后、监测水平参差不齐，多数技术指标的采集还停留在人工观测阶段［1］，实际操作中存在着工作量大、周期长、人为因素影响大、精度低、可靠性差等问题。因此，引入一批操作简单、性能可靠、自动化程度高的设备开展水土流失自动监测具有十分重要的意义。在江西省进行水土流失动态监测，不仅可以弥补我国南方红壤地区水土保持监测资料的不足，而且将促进水土保持的现代化与信息化。

1 自动监测系统的组成与性能

试验应用的水土流失自动监测集成系统，包括自主研发的水土流失监测车、引进的人工模拟降雨器、便携式地表坡面径流及泥沙自动测量仪、气象数据全自动监测设备、土壤墒情自动监测设备以及视频监控系统设备等，可实时传输图像和数据。

QYJY－501 人工模拟降雨器的雨强连续变化范围为10～200 mm/h，降雨面积5 m×5 m，降雨高度分4 m 和6 m 两档调节。QYJL－006 便携式地表坡面径流及泥沙自动测量仪泥沙含量测量范围为1～100 kg/m3、径流流量测量范围为3～3 000 mL/s。测量雨强范围在4 mm/min 以内，最小分度为0．1 mm;测量风速范围为0～44 m/s，风向范围为0～358°。蒸发采样器测量分辨率为0．01 mm。土壤墒情监测参数为土壤体积含水量(%)，量程0～100%，测量区域为围绕中央探针直径3 cm、长6 cm 的圆柱体内，稳定时间在通电后约10 s。数据采集管理系统由QYCJ－102 型数据采集器、台式电脑主机、液晶显示器、太阳能电板、蓄电池和QYCJ－SOFT 软件组成，可以一次采集60路数据，太阳能供电，可在连续的阴雨天气下工作，采集的数据通过网络或无线设备实现远程传输。视频监控系统设备为1/4SONYCCD480 线0.5LUX 置22 倍彩色转黑白变焦一体机，7 寸球型云台，内置解码卡，可上下、左右旋转，镜头可伸缩，水平转速0～12°/s，垂直转速0～6°/s。

2 试验应用区域

试验应用区域主要在江西水土保持生态科技园和部分开发建设项目的水土流失监测场地。试验应用的目的是:结合水土保持监测站点的监测要求开展定点监测，并根据水土保持科学研究和开发建设项目水土流失监测的需要开展相关试验研究，主要实现降雨强度、降雨时间、径流、泥沙、温度、湿度、风向、风速、土壤墒情和蒸发的多参数数据自动监测采集，获取降雨过程中径流泥沙及影响径流泥沙的因素的动态变化过程，同时利用移动通信和网络技术实现数据的远程传输和下载显示，实现水土保持监测的自动化与信息化。

江西水土保持生态科技园位于江西省北部、鄱阳湖水系德安县燕沟小流域，园区位于我国红壤区的中心区域，在江西省乃至南方红壤丘陵区都具有典型代表性［2］。径流及泥沙自动测量仪、土壤墒情自动监测系统布设于3 个坡面径流小区(记为A、B、C)，其处理方式见表1，同时在径流池中设水位尺观测水位，人工取样采用烘干法测定土壤含水量。气象数据全自动监测设备布设于径流小区附近的气象观测站内，在自动监测的同时于每日8 时、14 时和20 时进行温度、湿度等气象要素的人工观测记录。

3 应用效果评价

3．1 坡面常规自动监测

通过在江西水土保持生态科技园试验应用自动监测设备，对比人工监测和自动监测的数据发现，气象数据全自动监测设备、便携式地表坡面径流及泥沙自动测量仪和土壤墒情自动监测设备具有获得数据快、连续性好、精度高、误差小的特点。

表1 各小区的处理方式［3］

选取2009年每月1—5日的人工监测和自动监测的温度、湿度数据进行分析，图1、图2 分别给出了温度、湿度自动监测值与人工测定值的相关关系。通过对自动监测与人工观测的温度、湿度数据进行相关性分析，得出自动监测温度与人工观测温度的相关关系为y=0．870 5x +1．813 5，R2为0．883 5;自动监测的湿度与人工观测的湿度的相关关系为y =0．750 2x +17．916，R2为0．850 1。从自动监测的温度、湿度与人工观测的温度、湿度数据的相关关系可以看出，自动监测的数据与人工观测的数据虽有误差，但这些误差主要是系统误差造成的，通过对自动监测和人工观测的数据进行分析，可以校正监测系统的系统误差。

选取2009年全年自动监测降雨量数据与虹吸式雨量计人工观测的雨量数据进行对比分析，见图3。

通过数据分析，得出自动监测与人工观测雨量相关关系为y=1．078 7x－0．698 2，R2为0．970 5。从相关关系式可以看出，自动监测的雨量与虹吸式雨量计记录的雨量基本一致，虽然存在一定误差，但经过SPSS 方差分析，以0．05 为显著性水平，分析得出两组数据差异不明显。

图3 降雨量自动监测与人工观测的对比分析

选取2009年每月5—7日、15—17日、25—27日的自动监测水位数据与人工观测水位数据进行对比分析(图4)，得出:A、B、C 三小区自动监测水位数据与人工观测水位数据相关关系分别为y =0．997 4x－0．125 7、y =0．904 4x +0．284 4、y =0.817 9x+0．808 4;R2分别为0．969 8、0.917 5、0．926 5。在3个径流小区中，自动水位监测数据与人工水位观测数据基本一致，相关关系可以达到90%以上，其中水位3～9 cm 最吻合，其他虽有波动，但偏离较小，这些误差可能是人工读数、水位校核等操作误差引起的。

图4 水位自动监测与人工观测的对比分析

于2008年8月、9月先后取样采用烘干法人工测定土壤含水量(0～30、30～60、60～90 cm 土层)，与自动监测土壤含水量进行对比分析，见图5、6。可以看出，自动监测的土壤水分数据与人工取样测定的土壤水分数据虽然存在一定的差异，但经过SPSS 分析，在0．05 显著水平下，差异不显著。这些差异主要是由于土壤质地的不均匀、土壤湿度的空间变异性及人工取样等引起的。自动监测系统(TDR)测定的体积含水量与烘干法测定的体积含水量呈良好的相关关系，且斜率接近于1，说明数据较为准确、稳定，可适用于本地区［4］。

3．2 人工模拟降雨条件下的水土流失监测实践

自动监测系统的引进与应用，推动了江西省内开发建设项目水土流失监测方法的发展。水土流失流动监测车携带人工智能模拟降雨器、径流泥沙自动监测仪、数据自动采集器和供水、供电装置等，是一种野外水土流失监测的新型设施，可移动于不同的试验现场，针对不同下垫面，模拟不同降雨类型，进行各类水土流失产流产沙动态监测，既克服了小区观测成本高、观测设备不能移动、数据采集周期长等缺陷，又弥补了简易观测设施的不足，极大地提高了水土流失监测的时效性、准确性和自动化程度，是坡面水土流失监测的一次革命。人工模拟降雨手段的使用，不仅能将红壤坡面土壤侵蚀发生机理、变化规律和预测预报等科学研究推向深入，而且能为开发建设项目水土流失监测和评价提供科学依据，使水土保持方案编制和监测工作的科技含量产生质的飞跃。

采用配备水土流失监测车和人工模拟降雨器等设备的人工模拟降雨系统后，水利部公益性项目“水土保持措施调控鄱阳湖径流泥沙技术研究”、水利厅项目“生态修复工程效益监测与评价研究”、“山丘区开发建设项目水土保持监测及效益评价研究”等科研课题得以顺利开展，通过人工模拟降雨手段，已经对江西省红壤坡地典型水土保持措施的减水减沙效果和不同土地利用类型的水土流失特点进行了试验研究。人工模拟降雨条件下的水土流失监测实践不仅丰富了红壤坡地水土流失机理研究的手段，而且为江西省水土保持监测预报水平的提高提供了技术支持和示范。

4 结 语

自动监测系统的引进与应用，推动了江西水土保持生态科技园监测的自动化，较好地获取了水土流失相关的基础数据，为满足现代水土保持要求的效益评价、工程建设规划设计标准制定、水沙调控以及水土流失预报预测等提供了重要的技术支撑。水土流失自动监测系统操作简单、性能可靠、自动化程度高，通过加强对监测技术人员的系统培训，将基础理论和现场指导相结合，可使其按照要求完成监测任务。自动监测系统将提高水土流失监测数据的质量，提高水土保持研究成果的水平，同时还将为江西省水土流失监测提供重要的技术指导。

［1］刘咏梅，杨勤科，王略．水土保持监测基本方法述评［J］．水土保持研究，2008，15(5):221－225．

［2］武艺，杨洁，汪邦稳，等．红壤坡地水土保持措施减流减沙效果研究［J］．中国水土保持，2008(10):37－38，43．

［3］刘士余，左长清，朱金兆．地被物对土壤水分动态和水量平衡的影响研究［J］．自然资源学报，2007，22(3):424－433．

［4］程训强，唐家良，高美荣，等．TDR 系统在紫色土坡耕地径流小区土壤水分自动监测中的应用［J］．中国水土保持，2010(10):27－29．