湖北省水土保持监测站点径流小区布设及观测成果应用

高 超，赵爱军，杨 伟，何阳波，林丽蓉，丁树文

(1.湖北省水土保持监测中心，湖北 武汉 430071； 2.湖北省水利水电科学研究院，湖北 武汉 430064；3.华中农业大学 资源与环境学院，湖北 武汉 430070)

水土保持监测是防治水土流失和改善生态环境的重要基础性工作。当前国家生态文明建设对水土保持监测工作提出了新的更高的要求，水土保持监测工作所面临的形势和任务也因此发生了较大转变。虽然湖北省水土保持监测网络在全省水土保持工作中发挥了重要作用，但由于早期建设的监测体系存在监测点分布不均衡、径流小区建设标准不统一、设备老化等问题，因此无法满足新形势下的水土保持监测工作需求[1]。水土保持监测点和径流小区的合理布设，以及观测成果的科学应用是水土保持监测网络建设的重要内容。

纵观国内外，径流小区在水土流失监测过程中发挥了非常重要的作用。1917年，美国MILLER教授首次将径流小区设置标准化[2]。之后的100多年里，国外研究人员沿用MILLER教授的标准径流小区观测法，开展土壤侵蚀定量研究和通用土壤流失方程的建立、修订等工作[3]。我国运用径流小区法进行水土流失定量观测研究始于1922年，之后构建了很多区域尺度的土壤侵蚀预报模型，如红壤区、黑土区、黄土高原区等，还开展了土壤侵蚀因子率定工作，以及构建了用于全国水土流失专项普查的中国土壤流失方程等[4]。湖北省水土保持监测工作始于20世纪50年代，经过60多年的发展，特别是通过湖北省水土保持监测网络与信息系统建设一期、二期工程的实施，全省已经初步建成了覆盖各市州的水土保持监测网络体系。但由于早期各监测点径流小区建设标准不一致、设置目的不明确、管理维护水平不高，因此不同监测点之间的数据难以对比分析。湖北省从2018年开始对水土保持监测网络进行升级改造，对各监测点的径流小区进行了统一布局，逐步实现了径流小区的标准化[5]。本研究以湖北省为案例，介绍省级水土保持监测站点和径流小区的优化布设及观测成果的应用方案，希望能给其他省份的水土保持监测网络升级改造工作提供参考。

1 监测站点布局

1.1 原有监测点网络体系

湖北省是全国水土流失较为严重的省份之一，全省水土流失面积3.16万km2，占国土面积的17.02%(数据来自《2020年湖北省水土保持公报》)。省内水土流失状况复杂，各地区气候、地形、地质、土壤、植被等侵蚀因子差异较大，构建健全、科学的水土保持监测网络体系对湖北省水土流失监测、水土保持措施效益评估和生态安全保障具有重要意义。

湖北省原有水土保持监测网络在2010年全面建成，包括1个省水土保持监测中心、10个市(州)级监测分站和77个监测点(包括4个综合、38个重点、2个示范、33个普通监测点)。面对社会经济快速发展和生态文明建设的新需求，湖北省原有的水土保持监测网络体系逐渐暴露出一些问题：旧的监测站点布局难以满足重点防治区动态监测的工作需求，必须根据《全国水土保持规划国家级水土流失重点预防区和重点治理区复核划分成果》要求做出相应调整；监测点布局不够合理，分类和数量偏多，需要进一步精简；大部分监测点监测设施老旧，影响数据的精确性，需要更换；径流小区建设标准不统一，设置目的不明确，措施布置和日常管理流程等缺乏系统性，影响观测数据的完整性和准确性，导致不同监测站点、不同径流小区之间的数据难以进行科学分析和比较研究。

1.2 优化后的监测站点空间布局

湖北省监测站点优化布局遵循“以大江大河流域为单元进行统一规划；水土保持区划全覆盖；代表性强、重点突出、层次分明；多尺度相结合；充分利用已有水土保持站点和水文站点；经济实用、密度适中、便利安全”的原则。优化后的湖北省水土保持监测网络体系包括两部分：一是省级水土保持监测网络，由省水土保持监测中心、市(州)级监测分站及监测点三级组成(表1)；二是县(区、市)级水土保持监测点，由县(区、市)级监测机构按照行政区划自行设置，自主建设普通监测点。优化后的省级水土保持监测网络由1个省水土保持监测中心、14个市(州)级监测分站和42个监测点组成。对比优化前后，1个省水土保持监测中心保持不变，市(州)级监测分站由原来的10个增加到14个，增加的4个是将优化前的4个综合监测点调整过来；监测点类型只保留综合监测点和重点监测点两种，监测点数量由原来的77个缩减到42个[6个综合监测点、36个重点监测点(含利用7个水文站)]，减少的监测点主要为没有试验观测任务的普通监测点、滑坡泥石流预警点、土壤墒情点。优化后的省级水土保持监测网络实现了全省8个水土保持三级区全覆盖(表2、图1)，弥补了原有监测网络在南阳盆地及大洪山丘陵保土农田防护区、洞庭湖丘陵平原农田防护水质维护区这两个三级区划域内水土保持监测点的空白，使监测点分布更加科学合理。

图1 湖北省水土保持监测点优化后的布局示意

表1 湖北省水土保持监测网络优化前后对比

表2 湖北省不同水土保持区划区域监测点优化前后数量对比

2 径流小区布设

2.1 目标和任务

根据试验目的可将径流小区分为裸地对照小区、坡度小区、坡长小区、水土保持措施小区等，主要用于定量监测水土流失量，研究水土保持效益，探索水土流失规律。标准径流小区规格一般为水平投影坡长20 m、宽5 m。湖北省原有水土保持监测网络建设过程中，监测站点径流小区都是由地方自筹资金建设，省级为其配置监测设备。大多数监测站点建设的径流小区为非标准小区，导致不同监测点之间的数据不具对比性，难以统一利用。因此，升级改造要对各监测站点的径流小区进行统一设计并建设，从而实现径流小区的规范化和标准化，便于监测成果的应用。

2.2 原则和思路

径流小区的优化布局必须从小区的布设目的或功能应用出发，即明确小区是用于水土流失观测，还是用于水土保持效益观测，或是作为对照比较。此外，径流小区的坡度、土壤类型、土地利用、植物措施等必须具有代表性和典型性，要能够反映代表区域内主要水土流失地块状况。监测点径流小区布设的目的和功能、代表性和典型性、选址及大小(坡长、投影面积)、坡度、措施布置等，是根据由全省水土保持遥感调查成果统计分析得出的代表区域水土流失地块分布特征和数量、侵蚀土壤类型、土地利用类型、坡度和植物类型等因素进行统一论证和确定的。

2.3 优化布局方案

湖北省水土保持监测站点径流小区布设中小区地类及坡度的设置参考《土壤侵蚀分类分级标准》(SL 190—2007)中的水力侵蚀分级指标中的地类及坡度划分，优化后的径流小区分为3类[6]：①水土流失观测小区，根据全省水土保持遥感调查成果，统计分析8个水土保持三级区水土流失地块的分布特征和数量、侵蚀土壤类型、土地利用类型、坡度和植物类型等。②水土保持效益观测小区，根据全省水土保持遥感调查成果，结合各地水土保持措施特点布置。考虑到经济成本，重点监测点的径流小区措施类型与所在水土保持区的综合监测点相同，只设计一种典型坡度。③对照小区，根据水土流失观测小区和水土保持效益观测小区的坡度来布置对应坡度的对照小区。

每个监测点的土壤类型为所代表三级区的主要侵蚀土壤类型。根据布设目的、功能、代表性、典型性综合确定每个监测点的径流小区数量。优化后的径流小区规格统一为水平投影坡长20 m、宽5 m，综合监测点小区坡度包括5°、8°、15°、25°、35°、>35°，重点监测点小区坡度统一设置为15°，措施类型涵盖裸地对照(无措施)、植物措施、工程措施等。8个水土保持三级区中，综合、重点(水保)及重点(水文)监测点的数量分别为6、29、7个，其径流小区数量总计依次为161、261个和0，其中水文站主要开展降雨和河流径流泥沙观测，见表3。优化后的监测点将配备自动化观测设备，能够自动观测径流、泥沙、气象、土壤水分等，同时保留了人工监测手段，既可以作为自动化设备故障时的备用监测手段，又使得人工和自动化两部分数据可以相互印证。其中，自动化监测设备全部与省水土保持监测预报平台对接，实现监测数据的自动采集、传输、存储、分析、显示。

表3 水土保持三级区监测点及径流小区布局

3 观测成果应用

3.1 应用体系框架

优化后的监测站点，经过长期定位观测，积累了丰富的水土流失监测数据。监测数据主要包括径流、泥

沙、土壤、植被、降雨等，需要进行及时分析、深入挖掘和广泛应用才能成为水土保持和生态文明建设的数据支撑。监测应用方面主要体现在(图2)：完成数据汇编和支撑水土保持公报，反映水土流失年度动态变化；探索水土保持科学问题，尤其是土壤侵蚀基础数据研究(如土壤侵蚀模型本地化应用)，以提高区域水土流失量估算精度；开展水土保持效益评价，为水土保持措施选择、水土流失治理及相关决策制定提供依据；在此基础上实现成果共享和助力湖北省生态文明建设。

图2 径流小区观测布局及成果应用框架

3.2 数据汇编和水土保持公报

水土保持监测点数据汇编报告和水土保持公报是反映水土流失变化的重要数据资料。湖北省按照水利部水土保持监测中心编制的《径流小区和小流域水土保持监测手册》，结合年度全省水土流失动态监测项目制定了《湖北省水土流失动态监测项目径流小区监测任务书》，每年对全省水土保持监测点的径流小区监测数据进行整理、分析和汇总，以规范、易懂和便于应用的一系列表格形式汇编成册。整编内容包括径流、泥沙及水土流失影响因素(降水、地形、植被、土地利用等)等资料。资料都以表格形式进行整编，包括资料说明整编表格(自然概况、基本图件、基本信息)和监测数据整编表格两类。监测点整编资料中的径流小区年度观测成果数据，可直接用于省级和市县水土保持公报。

3.3 土壤侵蚀模型本地化应用

我国水力侵蚀地区采用中国土壤流失方程(CSLE)计算土壤侵蚀模数，亦称“七因子法”。其中，R(降雨侵蚀力因子)、K(土壤可蚀性因子)、E(工程措施因子)、T(耕作措施因子)4个因子较难获得，是因为其分别与降雨、土壤、水土保持工程措施、耕作措施密切相关，具有显著的区域特征且需要较长时间序列数据。土壤侵蚀模型只有实现本地化应用以后，计算出的土壤侵蚀模数才具有代表性。但是，目前湖北省年度水土流失动态监测中R、K、E、T四因子的代表性和精度不高。基于湖北省8个水土保持三级区的不同自然条件，长期跟踪和分析各区的水土流失状况和水土流失影响因素，开展水土流失因子率定研究，可最终确定湖北本地化的土壤侵蚀模型参数，为后续建立适用于湖北地区的土壤侵蚀模型奠定基础。

近几年，湖北省持续开展模型参数率定研究，主要是积累数据，确定模型参数的率定方法。例如：利用全省近30年逐日降雨量数据分析湖北省水土保持三级区的R值时间动态变化和不同水分年的R值空间分布特征，利用8个自动化监测点的实时降雨量观测数据，分析不同雨型的场次降雨侵蚀力R值特征；在8个自动化监测点的所有径流小区采集土样，测试土壤理化性质，进而用EPIC模型计算K值，此外还可用标准径流小区的侵蚀量观测值计算K值；利用自动化监测点的所有径流小区的土壤侵蚀量观测值计算不同雨型、不同措施的场次E、T值。这些模型因子的率定工作可为将来的区域水土流失实时监测预报提供重要的土壤侵蚀模型参数。R、K、E、T参数的率定工作需要多年长期开展，且需要完整、高质量的观测数据做支撑。

3.4 区域土壤侵蚀模数估算

根据径流小区布设方案，典型水土流失地块上的小区观测成果可以用于不同水土保持区土壤侵蚀模数的估算。结合相关技术规范，通过遥感监测和地面调查相结合的方法获得各个水土保持区的土壤类型、土地利用类型、植被情况、坡度、面积和空间分布状况。再结合相应水土保持区对应的径流小区的数据，估算不同水土流失地块的土壤侵蚀模数和各级区域(省、市、县或者流域)某个时段的土壤流失量，实现土壤流失的实时动态预报，预报结果通过图形实时动态更新显示。目前，湖北已启动该项工作，开发了湖北省水土保持监测预报平台。此外，区域水土流失量估算数据也可以用于对水土流失区域遥感监测结果的验证。

3.5 探索水土保持科学问题

目前，水土保持研究方面还存在一些难题，例如：土壤侵蚀基础数值不清楚，从而导致土壤可蚀性值、容许土壤流失量等评价指标无法精确量化，定量化关系(或响应)研究也还不够；降水动力分布、地面水流传输机理(土壤水分特性与土壤稳定性、输沙能力与近地表形态)仍有不清楚的地方；植被建设与防护机制研究不足，如植物高度、叶片形态、冠幅、叶面积等对水土流失的影响等。径流小区观测数据是分析和解决水土保持科学问题的基础数据，可以结合上述相关问题进行分析应用。

3.6 水土保持效益评价

水土保持效益评价是水土保持监测数据分析应用的重要方面，也是水土流失治理和水土保持决策的数据参考。优化后的监测站点采用自动化观测设备，能够采集连续、长时间序列的降雨、径流、泥沙等数据，是开展不同坡度、不同土壤类型、不同土地利用、不同措施或复合措施作用下的减流减沙效益、控制坡地养分流失效应及其他生态效益研究的重要场所。对不同类型水土流失地块径流小区的水土保持效益进行全面和科学评价，可以建立不同尺度水土保持生态效益评价指标体系，为区域水土保持生态效益定量评价和生态建设提供数据参考和决策依据。