北京市水土保持監測體系研究

北京位于中國北方平原的北端。燕山山脈和太行山脈交匯處。地理位置為北緯3928-4005，東經11525-11730。全市總面積為16807.8km2,其中山區面積為10417.5km2,占全市總面積的62%。解放初期,全市水土流失面積為6640km2。50多年來,根據不同發展階段,市政府開展了水土保持工作,治理水土流失,發展當地經濟。尤其是1980年以后,水土保持工作步入了科學化、法制化和規模化的軌道,以小流域為單元,實行全面規劃、綜合治理和連續治理。近年來,實施了全國七大流域八大片水土保持重點治理、密云水庫上游水土保持重點治理和京津風沙源治理等工程。截至2003年底,全市共達標治理水土流失面積3288km2,占水土流失面積的50%,全市547條小流域已有228條基本得到治理。隨著水土流失治理,投入也不斷加大,山區環境得到改善,公眾環保意識的提高,越來越多的人們會關心水土流失治理經費投入產生的效果、水土流失存在的形式及程度、水土流失的發展、生態環境對水土流失的承受程度等等,為了及時向公眾報告全市水土流失的動態變化,分析水土流失對生態環境的影響,為政府制定水土保持生態建設措施的宏觀決策提供依據,構建北京市水土保持監測體系已成為亟需解決的課題。1水土保持基礎數據庫以監測點的地面觀測和普查(或抽查)為數據基礎,采用遙感、地理信息系統、全球定位系統及計算機網絡信息處理等技術,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、傳輸、處理和發布系統;建立水土保持基礎數據庫,實現基于高速網絡基礎上的、面向社會各界的、具有信息提取能力的信息共享和信息服務體系。①摸清水土流失狀況:植被覆蓋度、土地利用、坡度等自然情況;水土流失面積、水土流失程度與強度、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進行水土流失發生發展情況監測及治理效益監測;③水土流失動態監測和治理措施分布及保水減沙效益等;④開發建設項目水土保持監測;⑤發布水土流失監測公報:發布次災害性降水的水土流失監測簡報和年水土流失監測公報。2監控系統的建設北京市自1999年開始構建北京市水土保持監測體系,在監測內容、技術方法、站點建設、人員培訓、報告制度等方面不斷豐富完善。2.1采用合理的類型區監測土壤侵蝕狀況的目的,建立對于土(1)監測站點建設的原則。①統一規劃,有效控制。在全市各水土流失類型區設觀測站點,每個觀測站點控制不同的類型區,達到監測全市土壤侵蝕狀況的目的。②重點突出,全面服務。在統一規劃基礎上,在水源保護區適當加密觀測站點,同時為科研服務,建立重點觀測站點。③交通便利,易于管理。(2)根據監測站點的布設原則,建設市級監測中心站,7個山區縣水土保持監測站,建設了10個坡地徑流場和14個溝道控制站,監測站點情況詳見表1。2.2水土保持監測指標水土保持監測是為水土保持生態建設和管理服務的,隨著需求的增加,監測的內容和指標不斷豐富。根據監測目的和對象分為以下類別:北京市主要是水力侵蝕,影響因子不包括風的監測。主要包括降雨、地貌地勢、地面組成物質及其結構、植被類型及覆蓋度、水土保持措施的數量和質量等。具體指標為降雨量、降雨歷時、降雨強度、最大30min降雨量、最大60min降雨量、地表坡度、土壤類型、植被覆蓋度、各單項水土保持措施的數量。主要反映北京山區水土流失總體情況,是每年監測公報重點反映的內容,也是公眾和各級政府部門、科研院所關心的主要焦點,包括土壤侵蝕類型、強度、程度、分布和流失量等。主要包括下游河道泥沙、洪澇災害、植被及生態環境變化對周邊地區經濟、社會發展的影響等。包括實施的各類防治工程效果、控制水土流失、改善生態環境和群眾生產條件與生活水平的作用等。監測不同土地利用、不同植被覆蓋度、不同侵蝕類型等隨著降雨產生的徑流中污染物含量。開發建設項目易造成較嚴重的人為水土流失,監測指標重點為擾動土地整治率、水土流失總治理度、土壤流失控制比、攔渣率、植被恢復系數和林草覆蓋率。2.3監測數據的監控與監測借助首都的科技優勢,不斷將新的技術納入到北京市的水土保持監測領域。坡地徑流小區和溝道控制站,觀測在降雨后產生的水土流失。GPS應用于治理項目與開發建設項目的跟蹤調查或檢查驗收,暴雨泥石流的定位;RS應用于宏觀快速調查土壤侵蝕和水土保持工程;GIS提供了最基礎的數據分析支撐。應用該項技術建立了北京市水土保持監測數據管理系統,方便地實現了數據的分級管理,海量數據的存儲、查詢與計算等功能。應用自動化技術建立了北京市坡地水土流失自動監測系統,開始了對水土流失過程的監測。在無通訊線路的監測點,采用了微波通訊技術,傳輸監測數據。土壤侵蝕模型是水土保持監測的理論基礎和基本手段,建立北京市土壤侵蝕模型并使之不斷完善和實用是北京市水土保持監測工作的重點之一。2.4建立水土保持監測和報告制度建設了由北京市水土保持監測中心站、區縣水土保持監測站和監測點三級機構構成的北京市水土保持監測網絡。監測中心站負責編制水土保持監測規劃和實施計劃,掌握全市各類水土流失動態變化,負責對監測數據處理和綜合分析,并報送上級監測部門和業務主管部門核查、備案,定期公告水土保持監測成果,承擔國家及省級開發建設項目水土保持設施的監測工作。各縣(區)監測站負責各縣水土保持監測站點的建設維護,對各縣水土保持動態進行監測,資料整編、管理,編制監測報告并上報市監測中心站。建立行之有效的監測站點的行政管理體制和業務運行機制,保證水土保持監測網絡高效運行、數據交換的安全暢通。建立了水土保持監測的報告制度,區縣監測機構及時向北京市水土保持工作總站報告常規監測站點的監測數據和整編結果。建立了水土保持監測定期公告制度,發布市縣兩級水土保持監測年報,重大水土流失災害監測簡報。2.5水土保持監測標準水土保持試驗規范、土壤侵蝕分類分級標準(SL190-96)、開發建設項目水土保持方案、水土保持監測技術規程(SL277-2002)、北京市坡地徑流場觀測與處理規范等構成了北京市水土保持監測工作中所依據的主要標準。3監測技術方法和方法3.1土壤侵蝕調查研究,確定徑流場以2000年TM影像為主,野外調查建立影像解譯標志,收集電子地形圖、土壤、地質等資料,提取土地利用、植被覆蓋度、坡度資料等,利用GIS系統,將采集的空間數據和其他數據建立起各種層次的數據庫并進行分析研究,按照土壤侵蝕強度面蝕分級指標,對全市進行土壤侵蝕調查。根據坡地土壤侵蝕級別和水土保持措施種類,在有代表性地段建設徑流場,布設代表各土壤侵蝕強度級別及治理措施種類的坡地徑流小區,全市山區共建設了10個坡地徑流場,106個坡地徑流小區。觀測降雨、土壤含水量、徑流量、土壤流失及污染物流失量。各站點按照要求及時將觀測到的數據上報區縣水保站和市監測中心站,在汛期結束時,完成數據整編工作。將小區的水土流失量和污染物流失量推算到其所代表類型的面積上,得出全市山區坡地水土流失量、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類型區,選擇交通方便、有代表性、面積不等的小流域,建設控制站,安裝自動觀測設備。在全市北部山區和西部山區共設計建設了14個小流域控制站,面積從0.15km2至43.2km2不等。降雨、徑流、泥沙、污染物流失量等。小流域水土保持措施的面積、數量及變化。溝道的特征值,流域的土地利用、植被覆蓋等內容。①水土保持措施:訪問調查、收集資料和抽樣調查等。②溝道特征值、流域土地利用和植被覆蓋度:現場調查、收集資料、遙感調查等。③雨量:每增加0.5mm,數據采集器采集1次數據。④水位:普通測量周期為6h,加密測量周期為2min,水位變化閾值為±1cm,水位每變化±1cm,數據采集器采集1次數據,水位每變化±3cm,水位計給采樣儀發送1次采集信號。⑤采樣儀:根據水位計發送的信號,水位每變化±3cm,采集1次水樣。所有設備采集的數據在本地自動存儲,每周及發生徑流后,用便攜式微機下載數據,并及時上傳至市監測中心站。3.3資料采集和存儲在3個徑流場23個不同類型的小區監測降雨產流發生后,產生徑流的過程。自動采集水樣化驗泥沙含量和污染物含量,分析泥沙和污染物徑流發生的規律。監測降雨量及降雨過程。圖像監控徑流小區的產流過程。①雨量:每增加0.5mm采集并發送1次數據。②土壤濕度:測量周期為6h,采集器每6h采集并發送1次數據。③水位:普通測量周期為6h,加密測量周期為2min,水位變化閾值為+1cm,水位每升高1cm,采集并發送1次數據,水位每升高4cm,水位計給采樣儀發送1次采集信號。水位采集周期無降雨時為普通周期6h,有降雨時為加密周期2min,由加密周期變為普通周期的條件為無降雨、水位無變化時延時3h。④采樣儀:水位每升高4cm采集水樣1次。所有設備采集的數據均可實現本地自動存儲。實時數據采集完成后,通過專纜或微波傳送至徑流場管理站、縣水保站和市監測中心站,并實時顯示。徑流場管理站、縣水保站和市監測中心站也可下達命令采集數據并將存儲的歷史數據通過電話網絡傳輸至本地數據庫中。圖像數據在徑流場管理站存儲,通過光盤刻錄和磁帶記錄傳送至縣水保站和市監測中心站。市監測中心站建立計算機局域網絡,配置數據庫服務器和Web服務器,數據庫服務器配有大容量磁盤陣列,存儲歷史和實施數據。通過Web服務器向水務局內各部門、區縣水保站發布數據和信息。在監測中心站完成對歷史數據、在線監測數據、人工實驗數據、現場存儲數據的整編,對現場視頻圖像記錄進行編輯、存儲、查看。對數據庫的數據、視頻圖像在各個工作站上可進行查詢、查看、整編及統計分析工作,并通過投影系統進行展示。4水土流失監測北京市自2001年開始了全市山區坡地水土流失監測,連續3年發布了全市水土流失監測(簡)公報,為各級政府和公眾提供了水土流失及綜合治理的基礎數據,為生態環境建設提供了依據。4.1土壤侵蝕強度根據2000年土壤侵蝕遙感調查,北京市有水土流失面積4089km2,其中輕度侵蝕面積2975km2,中度侵蝕面積1114km2,沒有強度以上侵蝕級別。據2001—2003年監測結果,北京市山區2003年土壤侵蝕量最大,整個汛期土壤流失量為158.5萬t,由于北京市侵蝕類型為水力侵蝕,因此可以將該值作為年侵蝕量,監測區平均侵蝕模數為152.1t/(km2·a)。從2001—2003年典型類型區的水土流失強度看,輕度侵蝕類型區土壤流失最大值為124t/km2,中度侵蝕類型區土壤流失最大值為405t/km2,遠低于土壤侵蝕分類分級標準中各級別的侵蝕模數。2001—2003年北京市持續干旱,降水量偏少是水土流失程度較輕的重要原因。4.2洪水災害防治受副熱帶高壓邊緣的對流云團影響,2002年8月1日,北京市密云縣石城和懷柔區懷北交界帶110km2范圍內突降特大暴雨,近5h降雨高達280.2mm,發生了較嚴重的山洪泥石流災害。本次山洪規模較大,加之局部發生的小規模泥石流使得下泄山洪帶走泥沙石塊量較多,導致下游部分攔沙壩淤沙庫容被淤滿,加重了部分水庫河道泥沙淤積程度,對家河溝口300m處一小塘壩攔沙量就達6000m3,部分水土保持措施被毀。4.3水土流失監測北京市主要水土保持措施有谷坊壩、樹盤、攔沙壩、梯田、水平條、魚鱗坑、水保林等。選取2001和2003年監測結果進行比較,見表2。(2)北京市2000年發布了密云水庫上游北京市境內水土流失監測簡報,自2001年,連續3年發布了北京市水土流失監測簡報(公報),2002年發布了一期暴雨災害調查的簡報,成果的發布增加了公眾參與水土保持的程度,為各級政府進行水土保持生態環境建設提供了依據,為學術界進行科學研究提供了基礎數據。從監測數據看,如果沒有坡面水土保持措施,土壤和污染物流失量將會增加19%以上。5水土流失監測(1)北京市水土流失監測體系自1999年開始構建,現初步形成了一定規模,建設了地面監測網絡和數據采集、傳輸及管理系統,利用“3S”技術開展了水土流失監測,培養了一支監測隊伍,形成了管理機制,監測工作有條不紊地進行。(3)北京市水土保持監測工作還需進一步完善監測網絡,加強“3S”技術應用,建立北京市山區水土流失模型,增強預測預報的能力,更好地為首都經濟社會可持續