江苏省水土保持监测系统建设

刘恋 谈晓珊 周亚平 刘凯

［关键词］水土保持；信息化；监测系统；江苏省

［摘要］为适应新形势下水土保持改革发展的需要，结合江苏省水土流失现实情况和水土保持信息化建设的基本业务管理需求，建立了江苏省水土保持监测系统。介绍了该系统的建设目标、结构和设计内容，并指出其实现了对坡面径流场、控制站、气象站、综合实验站水土保持监测信息的采集、传输、入库等。经过3a的运行，该系统为江苏省水利信息采集、数据存储、监测数据传输等核心业务提供了有力支撑，在改造传统水土保持监测手段、提高管理服务能力等方面发挥了重要作用。

［中图分类号］S157［文献标识码］A［文章编号］1000－0941（2023）03－0039－03

随着水利事业的不断发展和水利信息化工作的不断推进，江苏省各级水行政主管部门不断加大投资，完善水利信息采集、计算机网络、数据储存管理等基础设施建设，初步形成了对业务应用的支撑体系，提高了防汛抗旱、水资源管理和水行政管理水平。但是，目前在水土保持信息化建设方面仍比较滞后，没有建成集信息采集、传输、处理为一体的信息系统，不利于水土保持工作水平的提升。为了加强生态文明建设，开展水土保持监测系统建设非常必要。

江苏省水土保持监测系统（以下简称“监测系统”）是江苏省水利信息化的重要组成部分，是江苏省开发的第一个服务于水土保持工作的信息系统，是推进经济社会发展和生态文明建设的重要举措，是水行政主管部门依法承担水土保持监督管理职责的重要手段，是发挥水土保持监测在政府决策、经济社会发展和社会公众服务中作用的重要体现，而各地水土保持监测站点是全省水土保持监测网络和信息系统建设基础数据采集工作的基础［1］。监测系统于2018年开始建设，2019年逐步投入使用，经过3a多的使用，全面提升了水土保持决策、管理和服务水平。

1建设目标

目标是通过监测系统建设，初步建成一个以地面观测为基础，集水土保持信息采集、传输、处理为一体的水土保持监测系统，基本实现水土保持监测等核心业务的信息化，为人工观测数据提供校核，为各级政府水土保持决策提供科学高效的技术支撑［2］。

2系统结构

监测系统的建设范围涵盖江苏省丘陵山区和平原沙土区的重点治理区，涉及全省13个地级市。依据《水土保持监测技术规程》（SL277—2002）、《水土保持监测设施通用技术条件》（SL342—2006）、《江苏省水文自动测报系统数据传输规约》（DB32/T2197—2012）等技术规范，共建设124个水土保持信息采集站点，其中新建12处坡面径流场、1个小流域控制站、87个气象站、l个水土保持综合试验站，改建3个坡面径流场和20个控制站，完成各新建和改建水土保持监测站点的硬件设备集成、各水土保持监测分站监测信息采集平台建设和根据本项目数据采集要求对江苏省水利数据中心信息采集平台的改造，实现实时数据入库。

3系统设计

3.1信息采集

信息采集系统由坡面径流场、小流域控制站、气象站、水土保持综合试验站4类站点组成。

3.1.1坡面径流场

坡面径流场信息采集系统主要用于监测水蚀区单项水土流失影响因子或单项坡地水土保持措施效益，主要监测内容见表1，还可根据需要监測土壤养分流失量、土壤理化性质等项目。

坡面径流场降雨量监测采用全自动气象站。全自动气象站与数据采集器连接，设置相关参数并初始化，设置数据采集器记录雨量时间间隔为1min，通过率定与通信测试，确保设备正常运行。每次降雨后数据采集器会自动记录降雨量数据，所采集的数据通过GPRS或者GSM无线传输至数据库。

径流泥沙监测采用自动监测设备监测和人工辅助的方式。径流泥沙监测采用的是径流小区径流泥沙自动采集系统，主要由翻斗式径流自记仪、轮式自动泥沙采样器和集流桶组成。在次降雨过程中观测小区产流后，采集系统通过轮式自动泥沙采样器将小区内径流量的1%收集到集流桶，再按取样比例还原计算，以避免过大的量水设备；经过轮式自动泥沙采样器的其余径流量经75mm导管与翻斗式径流自记仪连接，翻斗式径流自记仪会自动记录小区径流过程与径流量，将采集的数据无线传输至数据库，每30min发送1次；在径流小区出口安装泥沙自动采集器，率定与测试正常后，用泥沙自动采样器采集泥沙，由工作人员将浑水样带回实验室，采用沉淀烘干法或过滤烘干法测定含沙量，并将测定结果填录至数据管理系统。

植被覆盖度观测采用便携式植被覆盖度摄影测量仪。每隔15d（每月1日、15日）采用照相法观测每个径流小区的乔木郁闭度、植被覆盖度、植被平均高度等，径流小区产流后加测1次。采用照相机垂直向地面（植被覆盖度）或天空（乔木郁闭度）方向拍照，将相片导入计算机，通过图像处理软件获得植被覆盖度和乔木郁闭度，并将测定结果填录至数据管理系统。

土壤含水量观测采用在线监测方法。在每个径流小区土壤深度10、20、40cm处分别安装1个土壤水分传感器，将传感器与数据采集器进行连接，设置采集器记录土壤含水量时间间隔为30min，经率定与通信测试运行正常后，数据采集器会自动记录土壤含水量数据，并将采集的数据无线传输至数据库。

作物产量采用人工观测法。根据径流小区作物成熟状况确定测产日期。测定作物产量时，在每个小区的上部、中部和下部各选择3个测点，行播作物取2～3行，每行取2～3m，样方面积一般为1～4m2。取样后在实验室测定样本鲜质量、干质量及籽粒干质量等，计算小区产量，将测定结果填录至数据管理系统。

3.1.2控制站

控制站主要功能是通过对不同流域特征、气象水文条件、土地利用状况下的小流域水土流失进行长期监测，分析水土流失量、面积、强度和危害，以及采取的水土保持措施数量、质量及效益等。

径流和泥沙是控制站的主要监测指标。径流监测采用自动监测设备，泥沙监测为泥沙自动采样和人工测量相结合。通过实地调查，小流域控制站的流量变化范围较大，通常枯水期流量较小，汛期流量较大，因此选用三角形薄壁堰和矩形薄壁堰相结合的复合式薄壁堰。采用泵抽式径流泥沙自动监测系统（由泵抽式径流泥沙自动监测设备、遥测终端、太阳能供电系统等组成），可同时测定堰槽水位和流速，满足50a一遇24h最大降雨产流全过程径流监测需求，降雨产流后实时记录径流量，每分钟记录1次堰槽水位，每小时采样1次悬移质泥沙，降雨结束后采样1次推移质泥沙。此外，降雨量、温度、风速等采用全自动气象站观测，采集到的数据通过GPRS或者GSM无线传输至数据库。

3.1.3气象站

地面气象观测是获取气象资料的重要手段。江苏省土壤侵蚀以水力侵蚀为主，而降雨是形成水力侵蚀的主要动力因素，因此气象站网是水土保持监测站网布局的重要组成部分。通过建立与径流小区配套的气象站进行长期地面气象观测，积累基础数据，能够为建立当地各类型用地的参数值数据库、准确把握水土流失状况、制定合理的防治对策提供基础数据。气象站的主要功能是长期定点观测降雨量、降雨强度和降雨过程，分析降雨年内、年际分配，探求降雨侵蚀力分布规律。在充分利用现有水文系统238个雨量站的基础上，根据水土保持中小流域管理与治理特点，在水土流失较严重的治理区以小流域为单位新增87个全自动杆式气象站，监测风向、风速、温度、土壤含水量、降雨量及其过程等。

3.1.4综合试验站

监测系统建设的水土保持综合试验站是具备水土保持成果展示等综合监测任务的试验站，主要由坡面径流场、控制站和设备保护站房等组成。主要监测内容包括降雨量、径流量、泥沙量、植被覆盖度、土壤含水量、作物产量等，也可根据需要开展土壤养分流失量、土壤理化性质等项目监测工作。

综合试验站共建有10个坡面径流小区。1～8号径流小区水平投影坡长20m、宽5m、坡度10°，安装有径流小区径流泥沙自动采集系统（包括翻斗式径流自记仪、轮式自动泥沙采样器等），能自动监测径流泥沙。作为对比，9～10号径流小区水平投影坡长22m、宽10m、坡度5°，其径流泥沙监测采用传统的人工监测法，其中泥沙监测采用人工取样和实验室烘干法，径流监测是通过人工读取集水池里布设的电子水尺。各小区植被覆盖度、土壤含水量、气象因子监测方法与坡面径流场相同。

3.2信息传输

气象、径流、土壤含水量等自动监测信息按照水文系统现行的传输流程和方式进行传输。监测点信息采集设备通过RS232/485通信接口与RTU连接，监测点、各监测分站与监测总站之间为双向信道。按照江苏省水情信息传输网络建设要求，主信道为GPRS网络，监测站点的监测信息通过GPRSVPDN专线传到监测分站，监测分站收到的监测信息实时传输至监测总站，监测总站与分站之间通过水利专网进行通信，备用信道为CDMA网络，利用总站的CDMAVPDN专线集中所有测站信息，同时向各分站自动分发。信息传输流程见图1。

3.3信息入库

江苏省水文水资源勘测局、13个分局的水文自动测报系统采集软件是省（分）中心对遥测终端进行统一控制、管理的软件操作平台，能够实时接收遥测终端的自报信息，并落地入库。分中心采集软件通过GPRS信道与遥测终端实现实时通信，并监视每个遥测终端的GPRS信道通畅。省中心采集软件通过CDMA与遥测终端实现实时通信，并监视每个遥测终端的CDMA信道通畅。省中心根据测站自报情况，确认使用备份信道（CDMAVPDN）的遥测终端，并即时接管该类终端的命令控制功能，直至其主信道再次起用，备份信道进入休眠。

按照《江苏省水文自动测报系统数据传输规约》（DB32/T2197—2012）要求，遥测终端RTU将各监测点采集到的信息接入现有的水文自动测报系统采集平台，同时增加了江苏省水土保持监测与管理信息系统工程所需的泥沙、气象监测要素，在原始库中增加了相应的表格。

4建设成果及系统功能

江苏省区域经济发达，生产建设活动扰动强烈，人为水土流失严重。监测系统设计结合江苏省实际，選定具有代表性的124个水土保持信息采集站点，充分利用信息技术手段，实现了监测站点实时数据传输情况的记录和告警、观测数据的规范格式入库，为各个监测站点观测数据整编提供了支撑，真正发挥了信息化效益，减少了人为重复性工作量。经过3a多的运行，监测系统数据采集及时准确，获得的监测、模拟数据为水土流失治理、面源污染控制及水文模拟等奠定了基础，全面提高了江苏省水土保持监测工作的现代化水平和服务能力。

5结语

监测系统的建设初步实现了江苏省水土保持核心业务信息化，但是江苏省的水土保持信息化还处于初步建成阶段，随着水土保持工作的不断深入，信息化建设还需不断强化。未来，将根据监管能力现代化建设新需求，进一步扩大硬件存储容量，运用边缘计算、数字孪生等技术，构建更科学、实用的水土保持智慧应用系统［3］。

［参考文献］

［1］李德勤，高之栋.浅议江苏省水土保持地面监测体系的构建［J］.江苏水利，2009（12）：38-39.

［2］袁爱萍，段淑怀，路炳军，等.北京市水土保持自动监测系统建设［J］.中国水土保持，2007（9）：53-54.

［3］张嫱，郭红丽，吴芳，等.江苏省水土保持监测与管理信息系统建设的实践与探讨［J］.中国水土保持，2022（3）：62-65.

［作者简介］刘恋（1992—），女，山东蓬莱人，工程师，硕士，主要从事水土保持与荒漠化防治方向的研究工作。［收稿日期］2022-06-20

（责任编辑李杨杨）

［基金项目］南京水利科学研究院中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目（Y921012）