第一节 水土保持及淤地坝监测历程

水土保持监测经历了起步、发展的过程。淤地坝监测随着水土保持监测技术的发展也有了一定的发展。

一、国外水土流失监测概况

美国、加拿大、前苏联等国家在早期（19世纪末到20世纪初），由于不合理的土地利用和在自然资源开发中不注意水土保持工作，导致自然灾害频繁发生。第二次世界大战以来，各国均十分重视水土保持和自然资源的合理利用，水土保持监测和评价预报模型研究得到了迅速发展。

美国农业部自然保护局负责全美水土流失监测。全美被划分为6个工作区，建成了由80万个监测点组成的网络系统，投入10000余人专门从事该项工作。监测结果每5年汇总报联邦政府，公告全国，为自然资源的利用、水土保持规划等提供决策依据。

1954年，美国普度大学成立了土壤流失数据中心，根据有关数据，经统计分析（1959年）提出了通用土壤流失方程式（USLE，Universal Soil Loss Equation），1985年，美国又对USLE进行了较大的修正，命名为修正土壤流失方程式（RUSLE，Revised Universal Soil Loss Equation）。在USLE使用了30多年后，人们发现USLE有明显的不足和限制。1986年美国4个政府部门（农业部农业研究局、土壤保持局、林业局、内政部土地管理局）共同发起了开发新一代侵蚀模型的项目——水蚀预报项目（WEPP，Water Erosion Prediction Project），1995年8月发布了第一个官方正式版本WEPP-95，由于WEPP是过程模型，所以比现有侵蚀模型有明显优越性。

欧洲土壤侵蚀模型（EUROSEM）是根据欧洲土壤侵蚀研究成果开发的，用以描述和预报田间及流域的土壤流失，该模型在欧洲取代了USLE形式的统计方程。

此外，荷兰、澳大利亚、加拿大、新西兰以及许多发展中国家在水土流失动态监测方面做了大量研究与试验，在应用方面取得了许多进展和成绩。

二、国内水土保持监测概况

中国水土保持监测始于民国初期，当时是以小流域原型观测和小流域试验研究为主。水土保持监测发展到现在已成为水土保持工作的四大任务之一。水土保持监测为水土保持规划设计、科学研究、治理示范、预防监督和管理决策提供大量、准确、及时、详细的信息资源，因此，作为一项基础而重要的工作，一直受到各方面的重视。

民国时期，由于战争和陡坡开荒等原因，森林、草原遭到严重破坏，水土流失日益加剧，使黄河下游河道淤积严重。一些学者专家在深入研究历代治河方略基础上，结合西方科学技术，认识到黄河河患的症结在于泥沙，泥沙的根源在于上中游地区的水土流失，因而提出开展水土保持科学试验。20世纪20年代，中国水土保持科学研究的主要奠基人之一任承统与李德毅、沈学礼等，随美国W.C.罗德民博士，在山西省沁源、方山、宁武东寨和山东青岛林场等处设置径流泥沙试验小区，进行水土流失观测，这是我国水土保持监测及试验研究工作之始。

20世纪40年代，罗德民博士率领考察团，在我国西北水土流失严重的甘肃、陕西、青海三省区的部分地区进行水土流失考察，了解水土流失情况和成因，调查当地农民的水土保持经验，探讨在西北黄土高原如何进行水土保持实验研究，如何提高农、林、牧生产能力等问题，并选定水土保持的试验示范区，提出开展试验示范工作的具体计划和建议。

1942年，我国第一个水土保持科学试验站在甘肃天水成立。1943年，天水站布设了我国黄土高原第一个坡面径流小区——梁家坪坡地径流小区。此后，黄河流域相继建立了西峰水保站、绥德水保站、中科院水利部水保所、兰州水保站、山西水保所、延安水保所等一批水土保持试验机构，针对黄土高原不同土壤侵蚀类型，开展了长期的水土流失观测试验，取得了不同地类、地形、耕作方式上较为系统的降水、径流、输沙资料，以及不同水土保持措施和标准小区相关径流泥沙资料。其中，天水水保站目前积累标准小区径流泥沙资料434个区年，小流域径流泥沙资料89个站年，雨量资料516个站年；西峰水保站50年来已取得220个站年的资料、368场年的资料，另外还积累了降水资料1000多个站年；绥德水保站的韭园沟流域，1954年设站，1970年中断，1974年恢复，现已有40多年的降雨、径流泥沙整编资料。宁夏水保站已有285个站年的小区径流泥沙测验资料。其他试验站也都积累了相当多的资料。

这些水土保持科学试验站长期以来采用大流域套小流域、小流域套单项径流场的方法，开展了不同坡长、坡度、土地类型、作物种植、治理措施等为主要内容的水土流失规律与水土保持效益观测研究，取得主要的研究成果包括：黄土高原径流泥沙来源研究；黄土高原水土流失综合治理模式研究；水土保持小区径流泥沙资料观测研究；水土保持措施对小流域地表径流的影响研究；黄河中游水沙变化研究等方面。据不完全统计，到目前为止，汇编研究成果专辑60余部，约1100万字。原始观测资料历史达60多年，原始记录1200多万字。运用小区径流观测和人工模拟降雨试验资料，先后提出了一系列水土流失方程式，如：黄土丘陵区坡耕地土壤流失方程、黄土丘陵区第三副区土壤侵蚀预报方程、黄土丘陵区第一副区水土流失计算方程等。这些资料和研究成果在流域水土保持区划、综合治理规划、单项措施布设与综合措施配置、水土流失规律研究、水土保持措施蓄水减沙指标确定等生产实践中得到了广泛应用，对促进当地乃至黄河流域经济社会发展起到了重要的作用。

黄河水利委员会西峰水土保持科学试验站为了缩短土壤侵蚀研究周期，早在1984年建立了全国规模最大的人工模拟降雨装置，试验取得成功，受到了国内外许多知名专家的赞赏。试验以来，十几个国家的40多名专家慕名前来参观，国内参观者更是络绎不绝。

1985年，水利部组织开展了以全国水蚀、风蚀、冻融侵蚀为主的第一次遥感调查，主要信息源为20世纪80年代中期陆地卫星多光谱扫描仪（Multi-Spectral Scanning，简称MSS，分辨率为80m）卫片和1∶10万地形图，部分地区使用了1∶50万地形图。通过人工目视解译，先后绘制了全国分省1∶50万及全国1∶200万比例尺的水土流失现状图，整个工作历时7年。在一些重点水土流失区，利用航空遥感和航天遥感技术进行水土保持监测的工作也陆续展开。

1986年，国家科技部设立了黄土高原综合考察和黄土高原小流域综合治理科技攻关课题，并分别在山西、内蒙古、陕西、宁夏和甘肃等省（区）建立了11个小流域综合治理试验示范区，各试验区均在坡面和沟道内设立径流观测小区和把口站，并配以不同时期的彩色航片资料分析，以监测不同治理程度对水土流失的影响。

1999年，水利部组织开展了第二次全国水土流失遥感普查，主要信息源为90年代中期陆地卫星专题制图仪（Thematic Mapping，简称TM，分辨率为30 m），应用了地理信息系统（GIS）技术，经室内分析解译和野外核查，建立了全国1∶100000土壤侵蚀分类分级的空间数据库，该数据库包含了按行政区划（全国、省、县三级）和按全国一级流域（包括黄河、长江、松辽河、海滦河、淮河、珠江、太湖和其他流域）划分的矢量图形库、TM影像库以及县、省、七大流域和全国统计的侵蚀分类、强度分级的统计数据库。全部工作历时10个月，初步显示了遥感技术在开展大范围水土保持调查方面速度快、效率高的优势，为深入开展水土保持监测积累了经验。

1999年3月～2002年7月，黄河水利委员会黄河上中游管理局组织完成了黄河流域水土保持遥感普查及水利部黄土高原严重水土流失区生态农业动态监测技术引进项目，获得了一系列基础数据和成果，具体包括：黄河流域的水土流失基本状况，包括各区域的侵蚀类型、侵蚀等级、地表组成物质、水土保持分区、植被覆盖度、坡度等指标的分布及面积；晋陕蒙接壤区的孤山川、秃尾河、窟野河、清水川四条流域和活鸡兔小流域80年代、90年代的土地利用及水土保持措施数量、面积、分布，以及两期成果对比分析；初步建立了黄河流域水土保持数据库，包括图形、图像、属性库。在重点区域利用两期数据对比分析，为开展遥感动态监测技术积累了经验。

该项目的实施，从设备、技术、人才培养等方面为开展水土保持动态监测奠定了一定的基础。现在黄河上中游管理局黄河水土保持生态环境监测中心已拥有美国天宝公司的GPS卫星定位系统、美国鹰图（Intergraph）公司的高精度航测扫描仪、数字摄影测量工作站和图形工作站等仪器设备，并利用该设备完成了项目区域的航片扫描、建立立体模型和DEM提取等工作，应用ARC/INFO、MGE等GIS软件完成对遥感影像的信息提取，建立了黄河流域地理信息系统，使“3S”技术在水土保持领域得到了进一步的应用和发展。

2003年到2004年，黄河上中游管理局利用“3S”技术，开展了黄河水土保持生态工程项目监测、晋陕蒙预防监督监测与府保河段水政水资源监测等项目。

应用计算机与GIS等技术，对黄河中游多沙粗沙区治理、黄河流域水土保持示范、黄河水土保持重点支流治理等项目建立管理信息系统，进行定量、定性、定位的数字化管理和项目实施效果的评价。对项目规划、可行性研究与设计信息、监测与监理信息、计划与资金落实信息、水土流失动态信息、综合治理动态信息、生态修复动态信息以及效益评价等信息进行查询和管理，通过对有关数据的处理、专题数据的分析，及时、准确、全面反映水土保持生态工程建设情况、水土流失动态及其发展趋势，全面提高了水土保持生态工程项目的管理水平。

晋陕蒙接壤地区（面积约5.4万km2），由于具有丰富的煤炭、石油、天然气等资源而被称为中国的“黑三角”地区，是国家级水土保持预防监督区。多年来，这里的预防监督工作取得了显著成效，得到国家有关部委的高度评价。但因面广、量大、涉及的生产单位多，以传统方式的预防监督管理已不适应，根据这一需求，初步建立了一套科学、准确、高效的预防监督管理系统，实现了不同年代自然、社会经济信息、开发建设项目信息和各种水土流失数据的快速检索、汇总、报送；建立了该区域窟野河、秃尾河、孤山川、皇甫川四条典型流域不同年代的图形、影像数据库、开发建设项目数据库，实现了三维可视模拟对比浏览，直观再现人类活动造成的水土流失及其危害，为水土保持预防监督执法提供坚实的依据。

陕晋接壤的府保（府谷——保德）河段由于历史的原因，水事纠纷不断，监管难度大，根据这一情况，利用0.61m分辨率的卫星影像和1∶1万比例尺数字地图建立了府保河段三维可视化水政监测系统，通过三维可视形式再现河道原始状况、控制线情况、河堤工程情况、围滩造地情况等，为解决水事纠纷、及时清除河障提供了科学的基础平台。

三、淤地坝监测概况

淤地坝的监测由来已久，在各类水土保持试验研究中都不同程度的涉及到淤地坝监测内容。

1986年，黄河上中游管理局在陕北红旗沟小流域，利用1∶1万彩红外航片，监测淤地坝运行情况。通过航片判读，获得了全流域各类水土保持措施的面积、分布情况，查清了全流域的淤地坝数量、类别、分布、已淤库容、淤地面积、剩余库容等指标，同时，研究了利用航片判读淤地坝的技术和方法。

1990～1991年，陕西省组织对陕北淤地坝现状及骨干工程建坝资源进行普查，并标注在1∶5万地形图上。普查涉及延安和榆林地区的14个县，普查淤地坝19742座，其中，骨干工程31座，大型淤地坝401座，中型淤地坝3226座，小型淤地坝16079座。普查的主要指标有：坝型、结构、控制面积、建坝时间、坝高、坝长、坝宽、内外坡比、库容、淤积面积及病险情况等。

1992年，黄河上中游管理局会同陕、蒙、晋、甘、宁五省（区），11个地（盟）、49个县（旗）水保部门组成五个联合调查组，历经三个月，深入实地对五省（区）的293个治沟骨干工程进行了跟踪调查。调查主要应用现场测量、调查统计、查阅原始档案资料等方法。通过调查掌握了工程运行、管护及效益等情况。

2003年，黄河上中游管理局黄河水土保持生态环境监测中心开发了黄河流域淤地坝管理信息系统。该系统可以对坝系（包括单坝）数字化管理，实现了不同区域（全流域、重点流域、小流域、省区、地区、县、水土保持类型区、多沙粗沙区、任意区域）、不同导航途径（名字直接查、图形查、坐标查等）淤地坝（坝系）的各种信息查询、数据更新和分析统计，对现状、规划、可研、设计等不同阶段的淤地坝等进行定位管理。能模拟显示典型小流域降雨、径流、输沙、修筑淤地坝（水坠、碾压、爆破）、坝体拦洪、排水、淤地过程、坝地利用和淤地坝运行等过程，并直接在三维图形上任意选择坝址后，自动进行断面图绘制、高程-面积曲线计算、高程-库容曲线计算，快速显示淤地年限和三维图，直观再现坝地利用，为规划设计提供实用的技术服务。

2004年，黄河水利委员会黄河上中游管理局启动了13条示范坝系的监测项目，监测内容包括坝体安全、水沙情况和建坝后的效益情况等。同时，还开展了绥德韭园沟坝系监测示范区建设，研究探讨利用先进技术开展淤地坝监测的技术和方法。