李智广，马力刚，王 平

(1.水利部 水土保持监测中心，北京 100055； 2.湖北省水土保持监测中心，湖北 武汉 430071；3.黑龙江省水土保持监测站，黑龙江 哈尔滨 150080)

监测点水土流失观测是水土保持监测工作的基础，是水土流失及其防治效益定量数据的直接来源，是标定其他手段所得数据的“标准物”。布局合理、代表性强、功能完善的区域水土保持监测点体系，能够精确测定造成水土流失的自然因素和人为活动，准确评价水土流失及其防治状况，为水土保持治理工程布局、措施设计与配置提供技术支撑。据统计，我国现有水土保持监测点818个，但在布局、运维和整体功能发挥等方面仍存在不足：一是监测点分布不尽合理、不均衡[1]，如全国水土保持区划的41个三级分区中，有12个尚无监测点；云南省监测点分布不均，楚雄州的监测点数量占全省监测点总数的25%。二是监测点综合功能性、对象代表性不强[2-3]，如坡面径流观测场偏多(共316个)，小流域综合观测站偏少(仅95个)，风蚀和冻融侵蚀监测点更少(分别为35个和4个)；坡面径流场按照控制性试验的要求建设，自然属性和原型属性不强。三是运维保障不力，设施设备多有损毁，升级改造不及时[4]。近10年来，绝大部分省份未开展设施设备补充与升级改造，导致监测点缺少常规仪器设备，特别是现代化的自动化设备，日常观测受到影响。对于水土保持监测点布局优化建设，可参考水文站网[5]、生态环境观测研究台站[6]、环境保护野外观测研究站[7]、环境监测站[8]、中国生态系统研究网络[9]等相关监测站点的规划、功能评价和优化调整等，其中水文站网由“容许最稀站网”向“最优站网”发展，中国生态系统研究网络强调站点的区域代表性和类型代表性，站点联网观测和综合观测日益得到重视，尤其值得借鉴。本研究基于生态环境相关野外台站建设和运维管理的成就、经验及发展趋势，进一步厘清区域水土保持监测点建设目标与原则，构建监测点布局优化建设的指标体系，建立全面科学、可操作的时空模型，以期为全国水土保持监测网络监测点的布局优化和升级改造提供参考。

1 区域水土保持监测点建设目标与原则

1.1 建设目标

区域水土保持监测点布局涉及监测点的类型、分布、数量及必需设施设备的建安程度与水平。其中，监测点的类型与监测对象的种类及其要素的数量直接对应，监测点的分布与区域内自然地理条件的异质程度密切关联，监测点的数量与技术、人力、经济等的可行性相关。由于影响水土流失的人为活动不断地加速变化，原有监测体系的数量、位置、结构被迫发生变化，其整体功能也会发生衰变，因此监测点建设是一个需要不断调整、优化、完善的过程。监测点的建设过程(或者某一时间点的状态)可用函数式表示，即

S=f(fund,tech,time)

(1)

式中：S为区域水土保持监测点建设状况，由当时(time)投入的资金(fund)、建设的技术条件(tech)决定。

随着时间的推移，经济和技术条件发生了变化，建设和运维情况也发生了变化，因此监测点的状态必然会发生变化。在某一时刻(时期)，资金、技术与经济社会的需求匹配良好，监测点体系建设就会达到最优状态，这个函数就出现了“极值”。这个“值”就是区域水土保持监测点建设的目标。因此，区域水土保持监测点建设的目标，可以描述为：建成结构合理、密度适当、位置科学、整体功能强大的监测点体系，达到“疏而不漏”地全面监测水土流失及其防治要素，“可靠稳定”地准确把握水土流失时空变化规律，“日益增长”地满足生态环境建设和经济社会发展的需要。

1.2 建设原则

水土保持监测点建设的基本原则就是在投资规模一定的条件下，达到最优功能的建设目标，即建成具有良好的空间分布、类型搭配的监测点体系。从优化和完善我国水土保持监测网络监测点的角度出发，从监测点的规划、设计、时序安排等角度讲，建设原则包括如下几个方面：

(1)统一规划，突出重点。基于区域水土保持区划，在主要的分区均应布设对应类型的监测点，以保证监测点的区域代表性。对于水土流失重点预防区、重点治理区及其他重点区域，适当加密监测点；对于没有历史资料或重点关注的分区，适当提前布设监测点。

(2)对位设点，突显原型。应以能够进行多要素、多对象观测的综合性监测点为主，如水蚀区的小流域综合观测站、风蚀区的风蚀观测场、冻融侵蚀区的冻融侵蚀观测场[10]。增加自然坡面径流场，减少控制性试验坡面径流场，增设有代表性的林草地监测标准地，提高监测点的类型代表性和自然原型模拟性[2,4,11]，保证水土流失预测预报的精度和效率。

(3)达标建设，实现功能。建设和升级改造时，坚持宁缺毋滥、毋残，务必做到监测设施设备与仪器的标准化、样品采集与分析的自动化、数据传输与处理的智能化，保证每个监测点具备必需的要素观测、水土流失因子率定、遥感遥测校核验证、代表范围水土流失调查等功能。

(4)加强协作，资源共享。加强与周边地区、相关部门的协作共建，充分利用现有的水文小河站、相关部门野外台站等，尽量增加可利用监测点数量，合作开展水土流失观测，保证规律分析和动态评价的置信水平。

2 区域监测点布局优化建设模型

区域水土保持监测点布局优化建设模型是区域监测点体系建设状态的各个影响因素之间的运算法则，反映各个影响因素之间及其与区域监测点建设状态的关系。好的模型，可以把监测点体系建设的过程模式化，把各个因素与建设状态的因果关系模式化，把影响因素与建设状态之间的关系用逻辑的、数学的算法序列表达出来，也可以用来进行区域监测点布局优化建设的过程模拟和状态模拟，即进行监测点布局的时空优化。

2.1 影响监测点布局的因素

区域水土保持监测点布局，包括监测点的数量、种类和位置，主要受区域范围内的自然地理条件的异质性、经济社会发展对监测点功能的需求、物质与人力资源的多寡等影响。

(1)区域自然地理条件的异质性。这是区域监测点布局的决定性因素，决定了监测点的位置、种类及其疏密程度。自然地理条件异质性越高，必须设置监测点的位置和种类就越多，监测点的数量就越多，密度也就越大。

(2)经济社会发展的需求。这是区域监测点布局的拉动性因素。如同样本容量大小与推断估计准确性的关系一样，水土流失动态监测预报准确性要求的精度标准越高，必须设置的监测点数量就越多。随着人们对美好生态环境需求的日益增长，推算估计准确性要求的精度标准将不断提高，如时间维度的间隔不断加密、空间维度的位置不断精准等。

(3)物质与人力资源的支撑能力。这是区域监测点建设的可行性因素。如果物质、人力不足，就无法建设能够充分反映自然地理条件异质性和经济社会发展需要的监测点。物质与人力资源主要包括监测设施设备、监测人才及其结构、观测数据积累及其分析处理能力等。

经过普遍调查和重点对象研究，提出影响区域监测点布局的主要指标见表1。

表1 影响区域水土保持监测点布局的主要指标

注：①为突显不同指标对监测点布局优化建设作用程度的差异，设定的指标分值有大有小；②为区别指标的第二与第三级对监测点布局优化建设的影响，将这两级分值的差距设定得较大；③当某指标分值为0时，表示该监测点不得建设，即“一票否决”。

2.2 监测点优化建设模型结构

2.2.1 模型结构设计

区域水土保持监测点布局优化建设的时空模型，是监测点在空间维度上的分布位置与在时间维度上的进度安排的综合模型。其中，空间维度是优化监测点布局和结构的必要条件，其标准是约束性的、必须确保全面达成的指标，即如果有了空间维度的必要性，就应在支撑能力满足时及时建设这些监测点；如果没有空间维度的必要性，就不必新建监测点，或优化撤销重复的监测点。时间维度是设计监测点建设的时间先后的指标，它是数量化的、区分功能实现难易的指标，即应优先安排建设和完善具备更好的时间维度各项指标的监测点，以保证能够全面实现监测点的预期功能。因此，监测点布局优化建设模型兼顾空间维度、时间维度及其相互作用与关系。具体方程为

NS=f1(R，O)

(2)

NT=f2(L，M，E，F，D)

(3)

上二式中：NS为空间维度确定的监测点建设总数；f1为空间维度的函数关系；R为区域代表性；O为对象代表性；NT为时间维度可支撑建设和完善的监测点数量；f2为时间维度的函数关系；L为土地可使用性；M为建设经费强度；E为日常监测与管护能力；F为设施设备完备性；D为监测数据累积时长。

2.2.2 模型运算法则

上述方程组的运算，应按照先空间维度、后时间维度的次序进行，即只有在确定了监测点设置的必要性之后，才能设计监测点优化建设的时序。具体步骤如下：

(1)确定区域监测点的总体布局。按照区域水土保持区划与每个分区的监测对象，确定监测点的总数与每个监测点的大致位置。一般地，监测点总数等于区域内各个分区监测对象整数倍数的合计，其中整数倍数是一个既能反映水土流失监测预报精度标准，又与分区面积相关的参数。计算公式为

(4)

式中：NS′为监测点建设的总数；m为区域水土保持区划分区的总数；NOi为第j个分区的第i个监测对象的整数倍数；n为第j个分区监测对象的总数。

(2)优化区域监测点的建设时序。对于空间维度确定的监测点，分析计算每个监测点的时间维度指标的分值与总分值，提出优化建设的先后次序。为了一次性建成或完善监测点的功能，尽早发挥建设效益，总是优先对具有较好支撑能力的监测点实施建设和完善工作，而将条件较差的监测点置于后面。监测点时间维度的总分值计算公式为

(5)

3 案例分析

3.1 黑龙江省监测点优化建设方案

基于全面的调研，掌握了黑龙江省“既有监测点”的基本情况，分析提出了各水土保持分区“应布设监测点”的类型和数量，采用时空模型综合评价得到各监测点的综合评分与近期优化建设监测点的初步结果：在“应布设监测点”和“既有监测点”组成并集的28个监测点中，有水蚀监测点25个(占89.3%)、风蚀监测点2个(占7.1%)、冻融侵蚀监测点1个(占3.6%)，体现了以水蚀为主、兼顾风蚀和冻融侵蚀的监测点布设总体格局。全省各个方位都有监测点分布：北端有漠河北极村监测点，南端有宾县孙家沟监测点，西端有齐齐哈尔卧牛吐监测点，东端有牡丹江麻花沟监测点。从水土保持区划看，28个监测点分别布设于全省8个水土保持分区，其中：23个分布在国家水土流失重点防治区(重点治理区17个、重点预防区6个)，5个分布在非国家重点预防区；8个水文站分别位于全省较大的河流上，包括松花江、乌裕尔河、呼兰河、汤旺河、牡丹江、蚂蚁河、呼玛河，控制总面积48.04万km2，与其他监测点相呼应，可用于开展区域尺度监测数据的关联分析。全省监测点的分布见表2和图1。

经调研认为，可将综合评分在65分以上的21个监测点作为近期优化建设的监测点。其中，坡面径流场4个、小流域控制站4个、小流域综合观测站1个、水文站9个、风蚀观测场2个、冻融侵蚀观测场1个。鉴于分区面积小且对应的国家级分区主要分布在内蒙古自治区境内，西部低山丘陵土壤保持区没有布设监测点，其他7个分区中均有监测点分布。监测点优化评价指标的得分及其综合评分见表3。

表2 黑龙江省水土保持监测点优化建设统计

注：“区内监测对象”栏为监测对象的数量和类型，“应布设监测点”栏为与“区内监测对象”对应的应布设的监测对象及其监测点数量，“既有监测点”栏为目前现有的监测对象及其监测点数量，“优化建设监测点”栏为经过综合评价后确定的监测对象及其监测点数量。后三者全部采用“加法等式”的形式表达，以便清楚表示监测对象及其监测点数量，如“9=1+3+2+3”表示总共9个监测点，由1个小流域综合观测站、3个坡面径流场、2个小流域控制站和3个水文站组成。

3.2 湖北省监测点优化建设方案

基于全面的调研，掌握了湖北省“既有监测点”的基本情况，分析提出了各水土保持分区“应布设监测点”的类型和数量，采用时空模型综合评价得到各监测点的综合评分与近期优化建设监测点的初步结果：在“应布设监测点”和“既有监测点”组成并集的45个监测点中，有小流域综合观测站11个、坡面径流场24个、控制站3个、水文站7个，监测点的类型与数量结构基本科学、合理。全省监测点的分布见表4。另外，通过综合评分可知，在应布设的29个监测点中，除2个条件不理想应暂缓建设外，其余27个的评分均在60分以上，可作为近期优化建设的监测点。这27个监测点布设于全省13个水土保持分区中的10个。其中，鄂东沿江丘陵平原农田防护区和江汉平原农田防护区为平原区，暂不设置监测点；大洪山丘陵保土区不具有土地和经费条件，无法建设监测点。

图1 黑龙江省水土保持监测点分布优化图

注：图中监测点上面标注的代码编码规则为：第一位为监测点类型代码，其中1代表坡面径流场、2代表小流域控制站、3代表小流域综合观测站、5代表风蚀观测场、6代表冻融侵蚀观测场、7代表水文站；第二、三、四位分别表示有无“应布设监测点”“既有监测点”“优化建设监测点”，1代表“有”，0代表“无”。

4 结论与讨论

本研究对区域水土保持监测点的空间分布、优化建设的时间安排及其影响因素的量化等进行了体系化研究，认为区域的自然地理条件异质性决定了监测点的空间布局与类型结构，经济社会发展阶段对水土流失监测预报准确性、可靠性需求标准的高低影响着监测点的密度，物质与人力资源的丰缺影响着监测点建设和升级改造的可行性与功能实现程度。水土保持监测点布局优化建设的时空模型及其主要影响因素、因子分值、运算法则等，适用于省级和全国水土保持监测点布局优化建设。关于如何应用监测点布局优化时空模型，讨论如下：

(1)本研究将区域自然地理条件作为监测点空间布局与类型结构的决定性因素，将土地可使用性、建设经费强度、设施设备完备性、日常监测与管护能力、监测数据累积时长等作为确定监测点建设时间及其升级改造先后次序的可行性指标，并据此构建了模型及其运算法则，既科学体现了客观条件和主观因素对区域监测点布局优化建设的作用，又客观反映了客观条件和主观因素的地位和相互之间的关系。

表3 黑龙江省水土保持监测点综合评分

表4 湖北省水土保持监测点优化建设统计

注：表中“既有监测点”栏中的(1，水文站)和(2，水文站)，表示在对应分区中以往将水文站作为水土保持监测点，但从监测对象上分析，并不需要这种类型。

(2)本研究提出的监测点布局优化的主要影响因素模型指标及其分值对案例区域具有良好的适用性。在用于其他区域时，可进行量的增加，但不可进行质的变化，即：对于决定性指标、可行性指标等两类指标，不可改变两者的性质，也不可互换两者的关系；对于同一类指标，可根据区域实际情况，尤其是区域各个因素的特征，调整指标的分值大小。

(3)本研究提出的监测点布局优化建设模型，不仅适用于全国和地方水土保持监测网络的监测点布局优化和升级改造，而且对相关的资源、环境、生态系统野外监测站点布局的调整、完善也有一定的参考价值。

(在本文撰写过程中，任志勇、李洪星、衣强等同行朋友提供了大量帮助，在此表示衷心感谢!)