1 引言

我國是一個水旱災(zāi)害頻繁，水資源時空分布極不均衡，人均水資源貧乏，且面臨水資源短缺、水質(zhì)污染、環(huán)境惡化等許多水問題挑戰(zhàn)的國家。因此，尋找區(qū)域水資源高效利用的方法，使整個國民經(jīng)濟協(xié)調(diào)、快速、穩(wěn)定發(fā)展，己被社會特別是學(xué)術(shù)界所關(guān)注^[1]。

小流域是區(qū)域水資源管理的“分子”，是區(qū)域水資源管理的**單元^[2]。小流域尺度水資源管理與分配的研究，是宏觀尺度水資源管理的重要理論基礎(chǔ)。近年來，小流域尺度水資源管理的研究正在起步。2000年召開的第10屆世界水大會把流域水資源綜合管理列為四大議題之一；全球水伙伴也把流域尺度的水資源綜合管理作為其推動各國水資源可持續(xù)利用的主要方法^[3]。

對于一個小流域（閉合的集水單元）來說，降雨是水資源的補給源。降雨經(jīng)地表分配以后，轉(zhuǎn)化為地表徑流、土壤水、地下水等形式。當有足夠的降水、土壤水、地表徑流等野外觀測數(shù)據(jù)時，就可以結(jié)合數(shù)字高程圖（DEM）和土地利用圖進行小流域水分空間預(yù)測研究，建立土壤水和主要環(huán)境因子的多元回歸模型，預(yù)測土壤水分空間分布^[4]，為小流域水資源管理提供科學(xué)依據(jù)。例如，Wilson^[5]利用地形圖和其它空間特征與平均濕度指數(shù)(wetness index)的關(guān)系，在澳大利亞東南部和新西蘭北部的一些小流域建立了土壤水時空分布預(yù)測的多元線性回歸模型；邱揚^[4]在陜西省安塞縣大南溝利用土地利用與地形等6類20個環(huán)境因子變量，建立了黃土丘陵區(qū)小流域土壤水分空間預(yù)測的6種多元線性回歸模型。

2 系統(tǒng)的設(shè)計

2.1目標

LMP-ENVIdata 小流域尺度水資源管理系統(tǒng)按降水的空間分配格局， 分為降雨、土壤聚水、輸水、ENVIdata生態(tài)環(huán)境信息系統(tǒng)等四個測量、管理功能單元，完成小流域降水、地表徑流、土壤蓄水的實時觀測和數(shù)據(jù)管理。

2.1管理系統(tǒng)組成

2.1.1降雨單元

降雨觀測單元采用先進的激光雨滴譜儀進行測量。既可以測量降雨情況，又可以對降雨進行質(zhì)的分析。激光雨滴譜儀可以監(jiān)測區(qū)分下落中的毛毛雨、大雨、冰雹、雪花、雪球以及各種介于雪花和冰雹之間的降水?？梢杂嬎愀鞣N降雨類型的強度、總量、能見度，并且進行必要的分析，繪出雨滴譜圖，還可以對氣象雷達數(shù)據(jù)進行校正，同時，可測量降雪。測定對象*小直徑達到0.16mm。

主要輸出數(shù)據(jù)：降雨量，降雨速度，降雨粒徑大小，降雨強度，降雨等級（SYNOP/METAR），雷達校正（Z/R Ratio），能見度（MOR）?？蛇x輸出數(shù)據(jù)：風速，風向，空氣溫度，相對濕度

觀測點布設(shè)：選擇不同的地形、地貌、植被類型等布設(shè)降雨觀測單元。若需要研究水土流失、侵蝕機理等過程，需要研究降雨類型、雨滴粒徑和速度與泥沙輸移關(guān)系。

2.2土壤聚水觀測單元

土壤聚水觀測單元采用世界上先進的基于TDR（時域反射）技術(shù)的TDR土壤墑情傳感器TRIME和張力計系統(tǒng)，可以實現(xiàn)高精度快速的測量土壤水分和墑情變化。觀測系統(tǒng)的采集器可以定時采集并記錄數(shù)據(jù)，并可通過GPRS進行無線數(shù)據(jù)傳輸給客戶或中心站，進行數(shù)據(jù)匯總。

TDR傳感器用以直接測量土壤的介電常數(shù)，介電常數(shù)又與土壤水分含量的多少有密切關(guān)系，土壤含水量即可通過模擬電壓輸出被讀數(shù)系統(tǒng)計算并顯示出來。測量時，金屬波導(dǎo)體被用來傳輸TDR信號，TRIME工作時產(chǎn)生一個1GHz的高頻電磁波，電磁波沿著波導(dǎo)體傳輸，并在探頭周圍產(chǎn)生一個電磁場。信號傳輸?shù)讲▽?dǎo)體的末端后又反射回發(fā)射源。傳輸時間在10ps-2ns間。這種**測量技術(shù)，使得儀器可以檢測到小至3ps的時間信號。建立了時間采樣的方法。從而使得土壤水分的測量變得更為準確和方便。

張力計可以實現(xiàn)自注水功能。有各種不同長度的組合。適合多種測量的需求。可按不同的角度進行安裝。

土壤聚水測量單元可采用太陽能供電或交流電源直接供電。具有IP67的防水等級，很適合在野外工作。工作溫度-30°C 至 +70°C。低能耗設(shè)計，人機界面友好，使用和操作也非常簡單。

數(shù)據(jù)校準：標準校準用于大多數(shù)標準土壤類型，可存儲*多15個用戶自定義校正曲線

輸出數(shù)據(jù)：土壤水分、土壤水勢、土壤溫度、土體含水量

觀測點布設(shè)：一般與降水觀測單元配套布設(shè)。觀測點深度應(yīng)覆蓋包氣帶?？赏瑫r配置空氣溫濕度、輻射、風速風向傳感器、求算ET。

2.3 輸水觀測單元

輸水觀測單元用于測量流速從低到高變化大的水流的流量，大的水流如季節(jié)性降雨或暴雨導(dǎo)致的大地表徑流，也適合測量農(nóng)田灌溉水流或高山融化的雪水水流或工業(yè)排污的水流量。

排水量是指在一定時間內(nèi)流過水堰的水量。一般測量流速，流速的單位是升/秒或立方米/小時。輸水觀測單元可在明渠端口準確測量大氛圍變化的水流量，這時流出的水量因重力是自然排放的。即使流出的水量淹沒30％，對測量的結(jié)果影響小于1％，淹沒50％時，影響小于3％。

輸水觀測單元有一個導(dǎo)流槽，導(dǎo)流槽的寬度和高度與堰口一樣，其長度需要足夠長使水流的寬度與渠道相同且水面平緩，以便進入堰口。

該系統(tǒng)應(yīng)用平緩導(dǎo)流槽將地表徑流引入已知規(guī)格的堰口，然后采用超聲波測距原理，測量通過堰口的地表徑流的水位。 輸水測量單元有兩個超聲波傳感器：一個測量堰口水面的高度（垂直方向的超聲測距傳感器），該數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集器自動測量、記錄；另一個是參照傳感器（水平方向超聲測距傳感器），測量已知物理距離，作為因不同天氣狀況對超聲測距傳感器影響的修正。由于堰口的規(guī)格是已知的，則可以利用修正后的水位數(shù)據(jù)，根據(jù)下表得出水體流速和水流量等參數(shù)。

輸出數(shù)據(jù)：流速和流量

觀測點布設(shè)：輸水觀測單元布設(shè)在集水區(qū)的出口。根據(jù)地形、地貌和植被條件確定數(shù)量和地點。

2.4 ENVIdata生態(tài)環(huán)境信息管理單元

由野外站和中心服務(wù)器組成。野外站的記錄器采用數(shù)據(jù)推送模式，將記錄的數(shù)據(jù)從野外發(fā)送到服務(wù)器上。這種新設(shè)計比傳統(tǒng)的用電話MODEM將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器更穩(wěn)定、更可靠，費用更低。

ENVIdata 服務(wù)器軟件既可以作為獨立的應(yīng)用軟件，運行在用戶的服務(wù)器上；也可以運行在澳作公司安全的服務(wù)器上，為多個用戶提供數(shù)據(jù)接收服務(wù)，同時幫助用戶監(jiān)控野外測點硬件系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

參考文獻

1. 馮浩，邵明安，吳普特。黃土高原小流域雨水資源化潛力計算與評價初探[J ]。自然資源學(xué)報；2001：06（02）

2. 李錦秀，肖洪浪。流域尺度土壤水研究進展[J ]。中國沙漠，2006；26（4）：536~542

3. 柳長順，陳獻，喬建華。流域水資源管理研究進展[J ]。水利發(fā)展研究，2004；11：19~22

4. 邱揚，傅伯杰，王軍等。黃土丘陵小流域土壤水分空間預(yù)測的統(tǒng)計模型[J]。地理研究，2001，20（6）：739~751

5. Wilson D G， Western A W， Grayson R B. A terrain and data based method for generating the spatial distribution of soil moisture [J]. Advances in Water Resources ，2005 ，28 :43~54