第二章 小流域水土保持监测常规监测技术
第一节 地面观测
一、概 述
地面观测是水土保持的重要手段，无论在探索水土流失规律，或是水土保持综合治理与生态环境建设，都要以地面观测结果为依据。本节将重点讨论小流域监测中常用的地面观测技术。
地面观测的目的，是控制水土流失，恢复和重建生态环境，合理利用水土资源，促进工农业生产持续发展，因而地面观测必须科学求实，坚持理论来源于实践、服务于实践，并在实践中检查和发展的方针，促进水土保持学科健康、快速发展。
（一）地面观测的特点与要求
1.地面观测的特点
地面观测受多种自然因素和人为因素影响，导致地面观测具有复杂性、长期性和综合性的特点。
（1）复杂性
就土壤侵蚀而言，影响因素有气候、土壤、地形、植被和土地利用（人为活动）五个主要方面，各因素在同一地区内的变化大且十分复杂；在不同区域内，各因素的作用主次位置及交互作用、作用过程表现不同。就水土保持而言，针对不同的侵蚀营力必然有不同的水土保持措施及组合。因而，观测研究显得复杂、多样，有必要对其作具体的客观分析，选择主要因素，在典型区段进行观测研究。
（2）长期性
土壤侵蚀属随机的自然现象，加上人为影响，在一年内和年际间会有很大的变化。这种变化既表现在侵蚀要素本身，如暴雨的有无、暴雨强度的大小及分布，还表现为各要素间的作用的变化，如裸露松散的土壤，在干旱时风蚀强烈，而在湿润时风蚀强度大大降低。就气候而言，它的变化周期一般为五六十年，短周期也需二三十年。因而，水土保持地面观测没有长系列的观测资料，就难以反映客观实际。再从统计学要求来看，只有大样本才接近总体，才能得
出统计规律，而短期观测所得的小样本，有时会导致错误的发生。
（3）综合性与艰苦性 水土保持地面观测受观测设计的影响，还受周围环境的影响，尽管观测设计多为单因子试验，需知试验条件也在缓慢的变化。如标准小区设置，每次的产流产沙都会影响地表微起伏的变化，甚至坡度的变化；其它如土壤水分特征、土壤质量环境也都会发生变化，要保持设计要求，需要综合分析，予以调整或修正。周围环境的变化呈显性变化，人们容易发现，呈隐性变化，人们难以觉察。如植被覆盖变化呈显性变化，而植物根系的生长变化难以看出。另外，人畜（鸟兽）的侵入破坏也如此。
水土保持观测多在野外条件差的地方进行，风、雨、雷、电及其它自然灾害时有出现，甚至有人为破坏。为了观测侵蚀输移过程，有时饭吃不上、觉睡不成，需要有吃苦耐劳的精神准备。
2.地面试验观测的基本要求 （1）观测要有代表性
代表性包括环境条件和试验条件两个方面。环境条件指地面观测区的各种自然条件（气候、土壤、地形等）要与所服务的小流域相适应。试验条件是指地面观测设施的布设、面积大小、测试方法等试验设计（含调查方法、路线等）要有代表性。如径流小区面积对观测精度的影响，在100m2面积上精度测定到0.1kg，在1hm2面积上精度相当于100kg，在lkm2面积上精度为10000kg，因而小面积试验，即使精度很高，外推到较大面积上精度也会降低。
（2）观测要有合理性
合理观测是指观测结果与试验所规定的任务和要解决的问题相适应。通常不合理的观测，是由观测的设计和观测条件不合理造成的，究其原因在于对需观测的环境缺乏充分地了解，或对观测过程不熟悉，缺乏周密细致的考虑。如单因子坡度对侵蚀影响的试验设计，需知坡度小时，侵蚀变化不明显 （黄土区<10°，侵蚀模数与坡度的1.03~1.10次方成正比）；坡度大时，侵蚀变化十分明显（黄土区>20°，侵蚀模数与坡度1.20~2.00次方成正比）。因此，小坡度试验的间距要大些，相反大坡度试验间距可小些。又如植被郁闭度的影响，当郁闭度小时（<0.30）或大时（>0.80）侵蚀模数变化小，当郁闭度居中时（0.30~0.80），侵蚀模数随郁闭度变化明显。其它因子也有类似的变化，都需要在设计中仔细分析适当解决。
（3）观测的精确性
无论何种观测数据，都应准确的反映客观实际，即试验与实际相适应，这是精确试验；相反，为不精确试验，这就丧失了试验意义。影响试验观测精确性主要有两个方面的原因：
①错误。水土保持试验观测可能出现的错误有测量错误、取样错误、计算错误；在数据采集中常有漏测、错测、误测等。错误的发生多是人为不谨慎造成的，也有对仪器设备不了解，或测试手段方法不当造成的，这就需加以提高、改进。
②误差。由不可预测的偶然原因（随机原因）引起，导致观测值与实际值之间的差异和每次重复观测之间的差异，称为误差。一般来说，试验误差是不可避免的，但它影响试验精度，因而从布设试验到观测、分析、计算，每个环节都要严格要求、反复校正，以减小误差。如测定土壤机械组成，仅在表层取样，含沙量约偏低20％。
（4）观测的重演性和可比性
严格地说，任何试验环境和条件相同情况下，试验可以重演，并能获得相同的结果，这是试验的必备条件，也才能推广应用，获得预期效果。水土保持试验观测，试验条件有变化的特点，一方面要有充分准备，尽量减少变化，以获得重演近似结果。另一方面，从试验开始观测就真实、完整的及时做出观测记录，分析这些变化，通过多年的重复试验，也可得出与重演同样的结果。试验应有可比性，一方面在试验中要包含比较的因素，这是最常用的；另一方面指试验环境和试验条件的一部分或全部，按一定比例缩小或放大进行试验，其观测数据与未改变的试验观测值，存在一个比例关系，通过可比试验，仍然达到预期目的。人工模拟实验、风洞实验就属此类试验。
（二）地面观测的基本原理
1.保持自然状态的“真实性”原则
截止目前，有效的水土保持研究方法还是地面观测，其它方法均需要地面观测来验正或校正。地面观测方法的有效性来源于它的“真实性”，真实性要求在试验环境和试验条件要保持原有的自然状态。对于水土流失规律的试验观测，应保持受侵蚀的地面自然性状和侵蚀营力的自然性状，前者主要是地面的坡度、坡形、坡向，土壤及土壤特性，植被或种植等，后者指降雨性质、产流汇流条件及过程等，因而在修建径流小区时要予以注意。通常对地面的“处理”，实质是设计出典型的自然状态，并保持于试验过程的始终，才能实现重演。
保持自然状态，要避免人为干扰的随意性。在必需人造特殊试验小区时（如标准坡度小区），需建好后留有足够的恢复期，才能进入正式观测使用。
2.设置重复试验原则
“重复”是指每一试验处理要有两个以上出现。在径流小区设置中，把这些互相重复的小区称为一组小区，表示试验处理相同。重复出现的次数称重复几次。
重复试验在设置时，要特别注意试验条件的一致性，即影响水土流失的主要因素要一致，管理过程和措施应相同。水土保持措施的观测，要求措施的规格大小、排列及组合一致，种植、管理及收获，处理均相同。
重复是提高试验精度和扩大试验代表性的有效方法，只有大量的、反复出现的事物现象（含观测数据），才具有必然的规律性，这正是我们测试的目的。偶然性的影响，会通过重复得到削减。在数理统计中，均数标准差S?S，当重复次数N增大，SX???就减小；从自由度f
???XN的t分布也能看出，若重复2次，自由度f为1，5％p的t值为12.706；当重复10次，自由度f为9，55％p的t值是2.26。有了重复才能分析试验误差大小，得出正确的判断。因为试验误差是由重复各区的变异测度的，没有重复试验就无法估计。
3.对比试验原则
水土保持试验观测十分重视对比观测，成对的试验观测结果直观、差异明显，说服力强，因而在布设试验观测中，无论是因子试验（单因子试验、多因子试验），还是综合试验（集水盆或小流域试验、径流或泥沙测验），均设置相应的对照区（标准小区、对比流域等）作对比。
对比试验依时序划分为横向对比试验和纵向对比试验两类。横向对比试验是同步试验，同时进行。如北方梯田减沙试验，在设置几组梯田处理的同时，还设置相应未修梯田的坡地试验处理，进行同步观测，观测时间及内容皆相同，观测结果差异明显，充分说明梯田的减沙效果。同样，横向对比用于小流域，设置一个治理流域，又设置一个环境一致的未治理流域（多在附近或相邻），进行同步观测。纵向对比试验是对同一研究对象前后不同时段（纵向）进行不同时期内容相同的观测对比，由观测结果反映前后两期的变化，结合调查找出变化的原因。如小流域治理程度的变化，在前期治理度小的情况下产沙多；后期经治理提高了治理度，产沙量减少，分析产沙的变化，能够了解治理对它的影响。有一些试验观测项目，能在同时进行纵向对比，如土壤剖面构型的变化，它经历了漫长岁月，但可以调查分析不同侵蚀程度下的剖面构型特征，来反映变化的历程，不必要也不可能等待很长的年限得出结论。
（三）地面观测研究方法
水土保持地面观测研究方法是随着水土保持学科的发展而逐渐形成和发展的。自从上世纪初美国建立第一个径流实验小区后，水土保持地面观测才有了特有的方法。此后，径流小区测验逐步完善，并出现了形态测量法、测钎法等以及与其它学科相关的方法。截止目前，水土保持地面观测研究方法正在发展和完善过程中。
以下通过观测研究方法的分类，了解它们的基本特点，以便在工作中应用。 1.按照研究方法的性质分类
地面观测研究包含了调查研究、定位试验和模拟实验三部分。调查研究是就已有的客观存在事实（客体）的调查分析，探索其规律的方法。定位试验多是在新设的条件下，观察研究其规律。模拟实验是用现代综合科学技术，仿照自然环境研究规律的方法。这三类方法在水土保持中的应用，就形成了以下的分类：
（1）水文测验法
水文测验法是利用观测各种水文要素，分析计算和评价水土流失与水土保持的方法。水文测验要建立观测场、观测站，测定水位、流量、流速、泥沙、降水、蒸发及泥沙、水质分析等内容，结合下垫面调查，掌握水沙变化及影响因素，为水土保持工作服务。
水文测验法还可进一步分为径流观测、淤积测定、溶蚀分析等方法。 （2）地貌调查测定法
土壤侵蚀在本质上是地质作用的方式之一，它导致地表形态发生变化，因而，通过地貌
形态（侵蚀形态和堆积形态）的调查和测定，就可了解水土流失的历史和现状。地貌调查和测量的内容随研究目的而有所不同，当研究侵蚀强度时，调查与测量地表起伏、裂点迁移、沟谷形态、密度与面积，及堆积物类型、数量是不可少的。若要研究侵蚀类型，则要调查地貌形态及组合、分布，分析地貌的演变、结构特征，可以了解历史侵蚀变化。
常用的地貌学方法有：侵蚀沟测量法、形态测量法、相关沉积法和古地理古地貌分析法、测针法、立体摄影法等。
（3）土壤学方法
土壤（含母质）是固、液、气构成的三相体系，它受水、风、重力等外营力作用后，除发生破坏位移外，还在三相体系内发生变化。通过剖面观测及实验分析，探索它与侵蚀的关系，就构成土壤学研究方法的理论基础。该法从贝内特（Bennet，1926）提出到现在主要集中在土壤剖面构型（含古土壤分析）、土壤理化性质、土壤水理性质几个方面，结合侵蚀营力及地形变化，探寻侵蚀变化规律及对生产力的影响。
（4）新技术应用
土壤侵蚀研究的深化和科学技术的发展，也带来了研究方法的变化。应用现代高新技术实施宏观的土壤侵蚀类型划分、动态监测，和微观的机理分析已成为可能。目前应用最多的有遥感监测技术（含航片判读）、137Cs法、REE示踪元素法、电镜分析法、模拟实验法等。
（5）实用技术应用
实用技术应用包括了现在农业、林业、牧业、环境保护、水土工程、沙产业等学科的技术方法，多用于水土保持措施的配置和效果的观测分析中，如水坠坝、沙尘暴预报；少部分用于机理分析，如抗剪强度、抗拉强度测定等。
2.按侵蚀营力分类 （1）水蚀观测
是由降雨和径流能量产生侵蚀的观测方法。它包括面蚀观测和沟蚀观测两类，进一步可分为溅蚀观测，薄层水蚀观测和细沟、切沟、冲沟、干沟、河沟的溯源侵蚀、下切侵蚀及两岸侧蚀。由于侵蚀能量大小直接决定侵蚀效果，所以水蚀观测中特别强调暴雨侵蚀及洪流侵蚀的观测。此外还包含了溶蚀和潜蚀。
（2）泥石流及重力侵蚀观测
重力侵蚀有撒落、崩塌和滑坡三类，各类的形成、发育及影响因素和侵蚀危害差异较大，因而形成不同的观测方法。泥石流主要是由水流和重力两种营力作用形成的，因而归为混合侵蚀。撒落、崩塌、滑坡、泥石流等四种侵蚀中，水的作用愈向后愈强；相反，愈向前重力作用愈强。因而，它们既有区别又相联系。地质作用对这类侵蚀影响明显，它包括岩石性质和产状、地质构造、新构造运动（如地震、火山活动）等。此外，气候、地形、植被、人为活动都是主要影响因素，这就使这类侵蚀区域既有集中性，也有分散性。
此外，水土保持试验观测的基本方法可归纳为直接法和间接法两类。
直接法是指试验观测水土流失（或水土保持）过程变化，或水土流失（水土保持）发生后水、土容积及其它的指标变化的方法。观测过程变化的方法又称同步动态测量，它一般既要观测水土容积的变化（含数量、组成、特性等），还要观测影响因素的变化，特别是营力及下垫面的变化。同步动态测量多用自动化程度高的仪器设备完成，如自记雨量计、水位记录仪、立体摄影等，若配以人工观测，如泥沙取样，也同认为是同步动态观测。当仅观测水土流失（水土保持）结果，并结合影响
因子变化表现观测，称为静态观测。若仅测量水土流失数量，也称容积法，如地貌法（相关沉积法）、容积测量（水文观测）等。
间接法是指用一些特有的指示指标来评价水土流量（水土保持）强度（程度）的方法。如水土保持规范中除了土壤侵蚀强度指标以外的指标，像坡度、植被覆盖度、沟谷密度等。通常在土壤学方法中应用最多，如用土壤腐殖质含量、团粒含量及稳定性、毛根含量及抗剪强度等来反映可蚀性，间接指出土壤侵蚀的强度（或潜在性）。
（四）地面观测资料的初步整理与分析
调查和定位试验过程获得了大量的信息资料，需对这些原始资料进行初步整理，使之系统化，并肯定其应用价值，作为进一步研究探索和资料整编的依据。
资料的初步整理与分析包括：次数分布、平均数、标准差、变异系数和取值精度几个方面，解决这些问题是用统计学的原理和方法进行的。
1.次数分配
当资料（数据）较少时，通常可从少数的数字资料中看出基本关系，无需作次数分配计算。在收集的数据很多时，难以发现它的规律性，这时进行次数分配，得出次数分配图或次数分配表是十分有用的。
次数分配（图、表）的作法是先根据收集的原始资料数据的多少和全距（最大值与最小值之差），正确分组，然后将资料（变数）按其大小，依次归入既定的组内，最后得出各组的中心（平均数），就能得出规律性的认识。
次数分配先要确定组数和组距，当全距大或资料多时组数一般多，当全距小或资料少时组数可少些。当有了组数和全距，就可求得组距。也可以依据研究对象的性质先确定组距，再算出组数。有时组距相同（等距），有的不同（不等距），都需依实际而定。分组完成后，就可将原始资料分别归入各组中，求出每组的平均数，以及资料出现的“次数”（数目），得次数分布表（或图）。次数分布表明确示出资料的变化范围、集中程度及数值特征。
2.平均数
平均数是收集到的原始资料的代表数，它反映了资料（变数）的中心位置，可以用它作为“代表”与其它情况的资料作对比。
平均数有算术平均数、中数和众数，水土保持观测研究中常用算术平均数。算术平均数的计算方法有综合法和加权法两种，用式表达为：
x?1N（x）?i
x?1N（x?i?fi）式中：x—原始资料（变数）；
f—该资料的权数；
N—总体样本（资料）数目。 3.标准差
标准差也称离均差，它反映了收集的原始资料与所得的平均值之间差异的大小，或者说平均值是否有足够的代表性。当标准差很小时（甚至为0），表示平均数与各原始值差异很小（或无差异相等），这时平均值代表性很强，是我们期望的；若离均差大，说明平均值代表性不好，这就要查找原因继续收集资料（或观测）。标准差常用s表示，但我们收集的样本（资料）并不是全体，仅是其中一部分，称小样本。这时将标准差用S表示。计算式为：