第一節 水土保持及淤地壩監測歷程

水土保持監測經歷了起步、發展的過程。淤地壩監測隨著水土保持監測技術的發展也有了一定的發展。

一、國外水土流失監測概況

美國、加拿大、前蘇聯等國家在早期（19世紀末到20世紀初），由于不合理的土地利用和在自然資源開發中不注意水土保持工作，導致自然災害頻繁發生。第二次世界大戰以來，各國均十分重視水土保持和自然資源的合理利用，水土保持監測和評價預報模型研究得到了迅速發展。

美國農業部自然保護局負責全美水土流失監測。全美被劃分為6個工作區，建成了由80萬個監測點組成的網絡系統，投入10000余人專門從事該項工作。監測結果每5年匯總報聯邦政府，公告全國，為自然資源的利用、水土保持規劃等提供決策依據。

1954年，美國普度大學成立了土壤流失數據中心，根據有關數據，經統計分析（1959年）提出了通用土壤流失方程式（USLE，Universal Soil Loss Equation），1985年，美國又對USLE進行了較大的修正，命名為修正土壤流失方程式（RUSLE，Revised Universal Soil Loss Equation）。在USLE使用了30多年后，人們發現USLE有明顯的不足和限制。1986年美國4個政府部門（農業部農業研究局、土壤保持局、林業局、內政部土地管理局）共同發起了開發新一代侵蝕模型的項目——水蝕預報項目（WEPP，Water Erosion Prediction Project），1995年8月發布了第一個官方正式版本WEPP-95，由于WEPP是過程模型，所以比現有侵蝕模型有明顯優越性。

歐洲土壤侵蝕模型（EUROSEM）是根據歐洲土壤侵蝕研究成果開發的，用以描述和預報田間及流域的土壤流失，該模型在歐洲取代了USLE形式的統計方程。

此外，荷蘭、澳大利亞、加拿大、新西蘭以及許多發展中國家在水土流失動態監測方面做了大量研究與試驗，在應用方面取得了許多進展和成績。

二、國內水土保持監測概況

中國水土保持監測始于民國初期，當時是以小流域原型觀測和小流域試驗研究為主。水土保持監測發展到現在已成為水土保持工作的四大任務之一。水土保持監測為水土保持規劃設計、科學研究、治理示范、預防監督和管理決策提供大量、準確、及時、詳細的信息資源，因此，作為一項基礎而重要的工作，一直受到各方面的重視。

民國時期，由于戰爭和陡坡開荒等原因，森林、草原遭到嚴重破壞，水土流失日益加劇，使黃河下游河道淤積嚴重。一些學者專家在深入研究歷代治河方略基礎上，結合西方科學技術，認識到黃河河患的癥結在于泥沙，泥沙的根源在于上中游地區的水土流失，因而提出開展水土保持科學試驗。20世紀20年代，中國水土保持科學研究的主要奠基人之一任承統與李德毅、沈學禮等，隨美國W.C.羅德民博士，在山西省沁源、方山、寧武東寨和山東青島林場等處設置徑流泥沙試驗小區，進行水土流失觀測，這是我國水土保持監測及試驗研究工作之始。

20世紀40年代，羅德民博士率領考察團，在我國西北水土流失嚴重的甘肅、陜西、青海三省區的部分地區進行水土流失考察，了解水土流失情況和成因，調查當地農民的水土保持經驗，探討在西北黃土高原如何進行水土保持實驗研究，如何提高農、林、牧生產能力等問題，并選定水土保持的試驗示范區，提出開展試驗示范工作的具體計劃和建議。

1942年，我國第一個水土保持科學試驗站在甘肅天水成立。1943年，天水站布設了我國黃土高原第一個坡面徑流小區——梁家坪坡地徑流小區。此后，黃河流域相繼建立了西峰水保站、綏德水保站、中科院水利部水保所、蘭州水保站、山西水保所、延安水保所等一批水土保持試驗機構，針對黃土高原不同土壤侵蝕類型，開展了長期的水土流失觀測試驗，取得了不同地類、地形、耕作方式上較為系統的降水、徑流、輸沙資料，以及不同水土保持措施和標準小區相關徑流泥沙資料。其中，天水水保站目前積累標準小區徑流泥沙資料434個區年，小流域徑流泥沙資料89個站年，雨量資料516個站年；西峰水保站50年來已取得220個站年的資料、368場年的資料，另外還積累了降水資料1000多個站年；綏德水保站的韭園溝流域，1954年設站，1970年中斷，1974年恢復，現已有40多年的降雨、徑流泥沙整編資料。寧夏水保站已有285個站年的小區徑流泥沙測驗資料。其他試驗站也都積累了相當多的資料。

這些水土保持科學試驗站長期以來采用大流域套小流域、小流域套單項徑流場的方法，開展了不同坡長、坡度、土地類型、作物種植、治理措施等為主要內容的水土流失規律與水土保持效益觀測研究，取得主要的研究成果包括：黃土高原徑流泥沙來源研究；黃土高原水土流失綜合治理模式研究；水土保持小區徑流泥沙資料觀測研究；水土保持措施對小流域地表徑流的影響研究；黃河中游水沙變化研究等方面。據不完全統計，到目前為止，匯編研究成果專輯60余部，約1100萬字。原始觀測資料歷史達60多年，原始記錄1200多萬字。運用小區徑流觀測和人工模擬降雨試驗資料，先后提出了一系列水土流失方程式，如：黃土丘陵區坡耕地土壤流失方程、黃土丘陵區第三副區土壤侵蝕預報方程、黃土丘陵區第一副區水土流失計算方程等。這些資料和研究成果在流域水土保持區劃、綜合治理規劃、單項措施布設與綜合措施配置、水土流失規律研究、水土保持措施蓄水減沙指標確定等生產實踐中得到了廣泛應用，對促進當地乃至黃河流域經濟社會發展起到了重要的作用。

黃河水利委員會西峰水土保持科學試驗站為了縮短土壤侵蝕研究周期，早在1984年建立了全國規模最大的人工模擬降雨裝置，試驗取得成功，受到了國內外許多知名專家的贊賞。試驗以來，十幾個國家的40多名專家慕名前來參觀，國內參觀者更是絡繹不絕。

1985年，水利部組織開展了以全國水蝕、風蝕、凍融侵蝕為主的第一次遙感調查，主要信息源為20世紀80年代中期陸地衛星多光譜掃描儀（Multi-Spectral Scanning，簡稱MSS，分辨率為80m）衛片和1∶10萬地形圖，部分地區使用了1∶50萬地形圖。通過人工目視解譯，先后繪制了全國分省1∶50萬及全國1∶200萬比例尺的水土流失現狀圖，整個工作歷時7年。在一些重點水土流失區，利用航空遙感和航天遙感技術進行水土保持監測的工作也陸續展開。

1986年，國家科技部設立了黃土高原綜合考察和黃土高原小流域綜合治理科技攻關課題，并分別在山西、內蒙古、陜西、寧夏和甘肅等省（區）建立了11個小流域綜合治理試驗示范區，各試驗區均在坡面和溝道內設立徑流觀測小區和把口站，并配以不同時期的彩色航片資料分析，以監測不同治理程度對水土流失的影響。

1999年，水利部組織開展了第二次全國水土流失遙感普查，主要信息源為90年代中期陸地衛星專題制圖儀（Thematic Mapping，簡稱TM，分辨率為30 m），應用了地理信息系統（GIS）技術，經室內分析解譯和野外核查，建立了全國1∶100000土壤侵蝕分類分級的空間數據庫，該數據庫包含了按行政區劃（全國、省、縣三級）和按全國一級流域（包括黃河、長江、松遼河、海灤河、淮河、珠江、太湖和其他流域）劃分的矢量圖形庫、TM影像庫以及縣、省、七大流域和全國統計的侵蝕分類、強度分級的統計數據庫。全部工作歷時10個月，初步顯示了遙感技術在開展大范圍水土保持調查方面速度快、效率高的優勢，為深入開展水土保持監測積累了經驗。

1999年3月～2002年7月，黃河水利委員會黃河上中游管理局組織完成了黃河流域水土保持遙感普查及水利部黃土高原嚴重水土流失區生態農業動態監測技術引進項目，獲得了一系列基礎數據和成果，具體包括：黃河流域的水土流失基本狀況，包括各區域的侵蝕類型、侵蝕等級、地表組成物質、水土保持分區、植被覆蓋度、坡度等指標的分布及面積；晉陜蒙接壤區的孤山川、禿尾河、窟野河、清水川四條流域和活雞兔小流域80年代、90年代的土地利用及水土保持措施數量、面積、分布，以及兩期成果對比分析；初步建立了黃河流域水土保持數據庫，包括圖形、圖像、屬性庫。在重點區域利用兩期數據對比分析，為開展遙感動態監測技術積累了經驗。

該項目的實施，從設備、技術、人才培養等方面為開展水土保持動態監測奠定了一定的基礎。現在黃河上中游管理局黃河水土保持生態環境監測中心已擁有美國天寶公司的GPS衛星定位系統、美國鷹圖（Intergraph）公司的高精度航測掃描儀、數字攝影測量工作站和圖形工作站等儀器設備，并利用該設備完成了項目區域的航片掃描、建立立體模型和DEM提取等工作，應用ARC/INFO、MGE等GIS軟件完成對遙感影像的信息提取，建立了黃河流域地理信息系統，使“3S”技術在水土保持領域得到了進一步的應用和發展。

2003年到2004年，黃河上中游管理局利用“3S”技術，開展了黃河水土保持生態工程項目監測、晉陜蒙預防監督監測與府保河段水政水資源監測等項目。

應用計算機與GIS等技術，對黃河中游多沙粗沙區治理、黃河流域水土保持示范、黃河水土保持重點支流治理等項目建立管理信息系統，進行定量、定性、定位的數字化管理和項目實施效果的評價。對項目規劃、可行性研究與設計信息、監測與監理信息、計劃與資金落實信息、水土流失動態信息、綜合治理動態信息、生態修復動態信息以及效益評價等信息進行查詢和管理，通過對有關數據的處理、專題數據的分析，及時、準確、全面反映水土保持生態工程建設情況、水土流失動態及其發展趨勢，全面提高了水土保持生態工程項目的管理水平。

晉陜蒙接壤地區（面積約5.4萬km2），由于具有豐富的煤炭、石油、天然氣等資源而被稱為中國的“黑三角”地區，是國家級水土保持預防監督區。多年來，這里的預防監督工作取得了顯著成效，得到國家有關部委的高度評價。但因面廣、量大、涉及的生產單位多，以傳統方式的預防監督管理已不適應，根據這一需求，初步建立了一套科學、準確、高效的預防監督管理系統，實現了不同年代自然、社會經濟信息、開發建設項目信息和各種水土流失數據的快速檢索、匯總、報送；建立了該區域窟野河、禿尾河、孤山川、皇甫川四條典型流域不同年代的圖形、影像數據庫、開發建設項目數據庫，實現了三維可視模擬對比瀏覽，直觀再現人類活動造成的水土流失及其危害，為水土保持預防監督執法提供堅實的依據。

陜晉接壤的府保（府谷——保德）河段由于歷史的原因，水事糾紛不斷，監管難度大，根據這一情況，利用0.61m分辨率的衛星影像和1∶1萬比例尺數字地圖建立了府保河段三維可視化水政監測系統，通過三維可視形式再現河道原始狀況、控制線情況、河堤工程情況、圍灘造地情況等，為解決水事糾紛、及時清除河障提供了科學的基礎平臺。

三、淤地壩監測概況

淤地壩的監測由來已久，在各類水土保持試驗研究中都不同程度的涉及到淤地壩監測內容。

1986年，黃河上中游管理局在陜北紅旗溝小流域，利用1∶1萬彩紅外航片，監測淤地壩運行情況。通過航片判讀，獲得了全流域各類水土保持措施的面積、分布情況，查清了全流域的淤地壩數量、類別、分布、已淤庫容、淤地面積、剩余庫容等指標，同時，研究了利用航片判讀淤地壩的技術和方法。

1990～1991年，陜西省組織對陜北淤地壩現狀及骨干工程建壩資源進行普查，并標注在1∶5萬地形圖上。普查涉及延安和榆林地區的14個縣，普查淤地壩19742座，其中，骨干工程31座，大型淤地壩401座，中型淤地壩3226座，小型淤地壩16079座。普查的主要指標有：壩型、結構、控制面積、建壩時間、壩高、壩長、壩寬、內外坡比、庫容、淤積面積及病險情況等。

1992年，黃河上中游管理局會同陜、蒙、晉、甘、寧五省（區），11個地（盟）、49個縣（旗）水保部門組成五個聯合調查組，歷經三個月，深入實地對五省（區）的293個治溝骨干工程進行了跟蹤調查。調查主要應用現場測量、調查統計、查閱原始檔案資料等方法。通過調查掌握了工程運行、管護及效益等情況。

2003年，黃河上中游管理局黃河水土保持生態環境監測中心開發了黃河流域淤地壩管理信息系統。該系統可以對壩系（包括單壩）數字化管理，實現了不同區域（全流域、重點流域、小流域、省區、地區、縣、水土保持類型區、多沙粗沙區、任意區域）、不同導航途徑（名字直接查、圖形查、坐標查等）淤地壩（壩系）的各種信息查詢、數據更新和分析統計，對現狀、規劃、可研、設計等不同階段的淤地壩等進行定位管理。能模擬顯示典型小流域降雨、徑流、輸沙、修筑淤地壩（水墜、碾壓、爆破）、壩體攔洪、排水、淤地過程、壩地利用和淤地壩運行等過程，并直接在三維圖形上任意選擇壩址后，自動進行斷面圖繪制、高程-面積曲線計算、高程-庫容曲線計算，快速顯示淤地年限和三維圖，直觀再現壩地利用，為規劃設計提供實用的技術服務。

2004年，黃河水利委員會黃河上中游管理局啟動了13條示范壩系的監測項目，監測內容包括壩體安全、水沙情況和建壩后的效益情況等。同時，還開展了綏德韭園溝壩系監測示范區建設，研究探討利用先進技術開展淤地壩監測的技術和方法。