自动化监测系统在水土流失观测中的引进与应用（马三保,冯光成,苏芸）

时间：2021-01-12 08:02:24　来源：柠檬阅读网本文已影响人

自动化监测系统建设的背景与需求分析

土壤侵蚀已成为全球性环境灾害之一，严重威胁着工农业生产与人类生存环境。准确反映土壤侵蚀程度的水土流失规律研究是解决该问题的有效途径，同时也是有效治理生态环境建设的基础性研究之一。水土流失规律研究最主要的手段是开展影响土壤侵蚀因子降雨、不同地形地貌条件下的径流泥沙、土壤、植被对水土流失的影响等野外观测。50多年来，尽管黄土丘陵沟壑区第一副区绥德水土保持科学试验站布设了一系列雨量站、径流站和径流场，进行降雨、径流和泥沙等项目的观测试验，积累了大量的原始观测资料，并在当地水土流失治理、水土保持生态建设规划设计等方面得到了广泛的应用，但截至目前，并未解决当地土壤侵蚀最关键和直接反映水土流失程度的数学模型及其基础参数问题。

随着电子、计算机、遥感、通讯等自动化仪器的快速发展和人们对水土流失规律认识的不断深入，可以采取现代化的先进监测设备仪器来实现不同空间点源和不同时刻点源的降雨、水沙数据采集，同时可以采取遥感遥测技术来实现不同地形地貌、不同时刻条件下土壤背景、植被盖度等全方位的客观数据，获取准确、客观和真实的水土流失影响因子参数数据，因此更有利于加快水土流失模型建设，尽快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订、水沙调控以及水土流失预报预测等。

自动化监测系统的引进与应用

黄委绥德水土保持科学试验站地处黄土丘陵第一副区，其地形破碎、沟壑纵横，水土流失严重。为此，该试验站选择了具有典型代表的水土流失观测小流域，包括治理流域和非治理流域进行降雨、沟道径流、泥沙对比观测，并设立有不同地貌、不同措施水土流失观测小区，观测不同地貌类型、不同治理措施来水来沙情况以及综合治理小流域、不同措施减水减沙效益。现有水土流失原型观测小流域、径流场、水沙站主要包括绥德韭园治理沟套王茂沟观测流域、辛店沟观测流域套育林沟径流场、桥沟产流产沙模型观测流域以及在韭园治理沟与裴家峁非治理沟道建立的对比观测流域。

在这些典型观测小流域中共布设了24个雨量站。过去一直沿用SJ1型虹吸式雨量计进行人工观测，2006年，为了提高观测精度、获取有效的连续降雨过程数据，通过对比试验和适应性分析，引进了JDZ-1型数字雨量计，并利用计算机获取实时数据采集和实现打印功能，同时在计算机上可以实现对降雨数据进行过程曲线处理和Excel数据转化。通过实践应用，其数据格式完全符合水文观测规范要求。

在这些典型观测小流域中布设有7个径流、泥沙观测站，历来均按规范率定的测流断面配合水尺采用人工观测其流速、水位和泥沙含量，一般在大暴雨情况下观测的数据均为洪水不同峰值的点数据，然后按照率定的公式将观测数据整理分析为特征数据，无法获取洪水泥沙的连续过程数据。2006年，为了全面提升该典型代表区域的原型监测技术水平，对韭园沟、辛店沟、桥沟大断面和一支沟、二支沟5个水沙监测站进行技术提升和自动化改造，实现了降雨洪水情况下实时获取各类监测指标的过程数据。

应用效果及存在问题

一是自动化监测系统应用效果分析

该区域引进和构建的土壤侵蚀影响主要因子降雨量、径流、泥沙含量及洪水流速等自动化监测体系，通过与人工抽样监测进行技术比测，两种方法在洪水产流的特征值产流峰值、最大流速最大含沙量和退流时间上基本一致，且自动化监测的各类指标不仅为连续的过程数据，而且每次监测的降雨量、洪水水位、流速以及含沙量等指标具有较高的对位性，有效地提高了模型动态模拟的精度。在数据监测后处理上，一方面消除了人工计算分析过程中造成的系统误差；
另一方面通过计算机编程软件按照率定的断面测流公式进行自动分析和成果报表生成，大大节省了人力，且每年可节约数万元监测运行资金。同时系统录入的数据库文档以Excel数据表格形式储存，便于数据查询和访问。

二是自动化监测系统存在的问题

根据该区域建设的自动化系统监测，其降雨指标完全可以满足水土流失模型建设的数据获取要求，在水沙控制站监测的径流、泥沙、水位和流速指标中，引进开发的自动监测系统只能适用于流域较小、洪水泥沙含量小于400千克每立方米的监测。洪水泥沙含量大于800千克每立方米时，其监测的数据误差大，对位性也差。数字雨量站供给电压与需求电压相差大，电压稳定性差，随时有烧毁电子元件的可能，而且雨水收集器进入翻斗设备的入口不足5毫米，降雨时灰尘和柴草随时可能阻塞入口，造成监测缺次。

自动化监测系统改进与运行操作建议

大断面水沙监测水位、流量基本可以实现监测需要，但截至目前国内外未见有满足洪水泥沙含量达800千克每立方米以上要求的含沙量监测设备，建议设立专题项目进行研发。

三角槽小水位测流根据现行设备，水位、流量可以满足监测理论要求，含沙量由于采用点源数据采集和称重法监测，与实际水沙过程断面含沙量相差较大，不能满足实时水位下的含沙量，建议进行技术改造，采集多层水位情况下的含沙量，进行数据拟合，以获取较为准确、实时、对位洪水流量—含沙量的数据。

根据现行监测运行，由于数字自动雨量站采用的供给电压与需求电压相差大，电压稳定性差，随时有击穿电子元件的可能，根据调研，采用太阳能供电，输出电压稳定性强，可以连续供应5～7天无阳光条件的电力，建议改造为太阳能供电。对于数字雨量站技术操作，由于翻斗设备入口小，容易阻塞，所以需要监测人员随时对自动站进行清洗维护。

自动化监测设备的数据传输采用计算机现场和远程接收，要求自动测报人员具有计算机操作能力和熟练掌握自动化监测设备的工作原理，所以应对现有监测人员进行技术培训，便于随时对监测设备进行维护，确保自动监测系统的正常运行和动态数据的获取。

稿件来源：黄河报·黄河网

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