1 引言

我国是一个水旱灾害频繁，水资源时空分布极不均衡，人均水资源贫乏，且面临水资源短缺、水质污染、环境恶化等许多水问题挑战的国家。因此，寻找区域水资源高效利用的方法，使整个国民经济协调、快速、稳定发展，己被社会特别是学术界所关注^[1]。

小流域是区域水资源管理的“分子”，是区域水资源管理的**单元^[2]。小流域尺度水资源管理与分配的研究，是宏观尺度水资源管理的重要理论基础。近年来，小流域尺度水资源管理的研究正在起步。2000年召开的第10届世界水大会把流域水资源综合管理列为四大议题之一；全球水伙伴也把流域尺度的水资源综合管理作为其推动各国水资源可持续利用的主要方法^[3]。

对于一个小流域（闭合的集水单元）来说，降雨是水资源的补给源。降雨经地表分配以后，转化为地表径流、土壤水、地下水等形式。当有足够的降水、土壤水、地表径流等野外观测数据时，就可以结合数字高程图（DEM）和土地利用图进行小流域水分空间预测研究，建立土壤水和主要环境因子的多元回归模型，预测土壤水分空间分布^[4]，为小流域水资源管理提供科学依据。例如，Wilson^[5]利用地形图和其它空间特征与平均湿度指数(wetness index)的关系，在澳大利亚东南部和新西兰北部的一些小流域建立了土壤水时空分布预测的多元线性回归模型；邱扬^[4]在陕西省安塞县大南沟利用土地利用与地形等6类20个环境因子变量，建立了黄土丘陵区小流域土壤水分空间预测的6种多元线性回归模型。

2 系统的设计

2.1目标

LMP-ENVIdata 小流域尺度水资源管理系统按降水的空间分配格局， 分为降雨、土壤聚水、输水、ENVIdata生态环境信息系统等四个测量、管理功能单元，完成小流域降水、地表径流、土壤蓄水的实时观测和数据管理。

2.1管理系统组成

2.1.1降雨单元

降雨观测单元采用先进的激光雨滴谱仪进行测量。既可以测量降雨情况，又可以对降雨进行质的分析。激光雨滴谱仪可以监测区分下落中的毛毛雨、大雨、冰雹、雪花、雪球以及各种介于雪花和冰雹之间的降水。可以计算各种降雨类型的强度、总量、能见度，并且进行必要的分析，绘出雨滴谱图，还可以对气象雷达数据进行校正，同时，可测量降雪。测定对象*小直径达到0.16mm。

主要输出数据：降雨量，降雨速度，降雨粒径大小，降雨强度，降雨等级（SYNOP/METAR），雷达校正（Z/R Ratio），能见度（MOR）。可选输出数据：风速，风向，空气温度，相对湿度

观测点布设：选择不同的地形、地貌、植被类型等布设降雨观测单元。若需要研究水土流失、侵蚀机理等过程，需要研究降雨类型、雨滴粒径和速度与泥沙输移关系。

2.2土壤聚水观测单元

土壤聚水观测单元采用世界上先进的基于TDR（时域反射）技术的TDR土壤墒情传感器TRIME和张力计系统，可以实现高精度快速的测量土壤水分和墒情变化。观测系统的采集器可以定时采集并记录数据，并可通过GPRS进行无线数据传输给客户或中心站，进行数据汇总。

TDR传感器用以直接测量土壤的介电常数，介电常数又与土壤水分含量的多少有密切关系，土壤含水量即可通过模拟电压输出被读数系统计算并显示出来。测量时，金属波导体被用来传输TDR信号，TRIME工作时产生一个1GHz的高频电磁波，电磁波沿着波导体传输，并在探头周围产生一个电磁场。信号传输到波导体的末端后又反射回发射源。传输时间在10ps-2ns间。这种**测量技术，使得仪器可以检测到小至3ps的时间信号。建立了时间采样的方法。从而使得土壤水分的测量变得更为准确和方便。

张力计可以实现自注水功能。有各种不同长度的组合。适合多种测量的需求。可按不同的角度进行安装。

土壤聚水测量单元可采用太阳能供电或交流电源直接供电。具有IP67的防水等级，很适合在野外工作。工作温度-30°C 至 +70°C。低能耗设计，人机界面友好，使用和操作也非常简单。

数据校准：标准校准用于大多数标准土壤类型，可存储*多15个用户自定义校正曲线

输出数据：土壤水分、土壤水势、土壤温度、土体含水量

观测点布设：一般与降水观测单元配套布设。观测点深度应覆盖包气带。可同时配置空气温湿度、辐射、风速风向传感器、求算ET。

2.3 输水观测单元

输水观测单元用于测量流速从低到高变化大的水流的流量，大的水流如季节性降雨或暴雨导致的大地表径流，也适合测量农田灌溉水流或高山融化的雪水水流或工业排污的水流量。

排水量是指在一定时间内流过水堰的水量。一般测量流速，流速的单位是升/秒或立方米/小时。输水观测单元可在明渠端口准确测量大氛围变化的水流量，这时流出的水量因重力是自然排放的。即使流出的水量淹没30％，对测量的结果影响小于1％，淹没50％时，影响小于3％。

输水观测单元有一个导流槽，导流槽的宽度和高度与堰口一样，其长度需要足够长使水流的宽度与渠道相同且水面平缓，以便进入堰口。

该系统应用平缓导流槽将地表径流引入已知规格的堰口，然后采用超声波测距原理，测量通过堰口的地表径流的水位。 输水测量单元有两个超声波传感器：一个测量堰口水面的高度（垂直方向的超声测距传感器），该数据由数据采集器自动测量、记录；另一个是参照传感器（水平方向超声测距传感器），测量已知物理距离，作为因不同天气状况对超声测距传感器影响的修正。由于堰口的规格是已知的，则可以利用修正后的水位数据，根据下表得出水体流速和水流量等参数。

输出数据：流速和流量

观测点布设：输水观测单元布设在集水区的出口。根据地形、地貌和植被条件确定数量和地点。

2.4 ENVIdata生态环境信息管理单元

由野外站和中心服务器组成。野外站的记录器采用数据推送模式，将记录的数据从野外发送到服务器上。这种新设计比传统的用电话MODEM将数据发送到服务器更稳定、更可靠，费用更低。

ENVIdata 服务器软件既可以作为独立的应用软件，运行在用户的服务器上；也可以运行在澳作公司安全的服务器上，为多个用户提供数据接收服务，同时帮助用户监控野外测点硬件系统的运行状态。

参考文献

1. 冯浩，邵明安，吴普特。黄土高原小流域雨水资源化潜力计算与评价初探[J ]。自然资源学报；2001：06（02）

2. 李锦秀，肖洪浪。流域尺度土壤水研究进展[J ]。中国沙漠，2006；26（4）：536~542

3. 柳长顺，陈献，乔建华。流域水资源管理研究进展[J ]。水利发展研究，2004；11：19~22

4. 邱扬，傅伯杰，王军等。黄土丘陵小流域土壤水分空间预测的统计模型[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