黃河流域智慧水土保持關(guān)鍵技術(shù)集成探討

孔祥兵，郭 凱，趙春敬，王逸男，趙金濤

(黃河水利科學(xué)研究院 水利部黃土高原水土保持重點實驗室，河南 鄭州 450003)

黃河流域是世界上黃土覆蓋面積最大且水土流失最為嚴(yán)重、最為集中的地區(qū)，涉及水力、風(fēng)力、重力、凍融等多種侵蝕類型。新中國成立以來，隨著黃河流域水土保持理論、技術(shù)和實踐的不斷創(chuàng)新與發(fā)展，黃土高原“一片黃色不見綠”的歷史現(xiàn)狀已得到初步改變[1]。按照黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展重大國家戰(zhàn)略要求，黃河流域水土保持工作的開展，要以“根子在流域”為出發(fā)點，以全面支撐流域經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展為落腳點，統(tǒng)籌考慮上中下游的區(qū)位差異，統(tǒng)籌部署近中遠期的接續(xù)安排，服務(wù)于全面建成小康社會、實現(xiàn)國家現(xiàn)代化的戰(zhàn)略安排。

按照“需求牽引、應(yīng)用至上、數(shù)字賦能、提升能力”智慧水利建設(shè)總要求，智慧水土保持建設(shè)已成為新階段水土保持高質(zhì)量發(fā)展的重要抓手和平臺[2]。智慧水土保持，是以“數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化”為主線，以“數(shù)字化場景、智慧化模擬、精準(zhǔn)化決策”為路徑，結(jié)合水土保持業(yè)務(wù)需求，依托數(shù)字孿生黃河[3]，構(gòu)建的具有水土流失狀況預(yù)報預(yù)警、人為水土流失風(fēng)險預(yù)警、水土流失綜合治理智能管理、黃土高原淤地壩安全度汛管理等功能的綜合應(yīng)用體系。智慧水土保持的研究涉及水土保持、遙感、計算機、通信、金融等多個學(xué)科，該技術(shù)能夠支撐黃河流域?qū)崿F(xiàn)自然水系、經(jīng)濟社會、生態(tài)環(huán)境三者健康和諧共生的動態(tài)平衡[4]，具有重大的理論創(chuàng)新和實踐意義。

1 開展智慧水土保持研究的必要性

1.1 支撐國家戰(zhàn)略的必然要求

《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標(biāo)綱要》明確要求，“構(gòu)建智慧水利體系，以流域為單元提升水情測報和智能調(diào)度能力”，“科學(xué)推進荒漠化、石漠化、水土流失綜合治理”。智慧水土保持分系統(tǒng)是智慧水利建設(shè)的重要內(nèi)容，是新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的顯著標(biāo)志和實施路徑之一。開展智慧化的水土保持管理，將為全面推進鄉(xiāng)村振興、黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展、區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展等國家戰(zhàn)略提供有力支撐[2]。

1.2 新階段水土保持高質(zhì)量發(fā)展的必然要求

水土保持高質(zhì)量發(fā)展是一個動態(tài)發(fā)展提升、階梯式趨好向上的過程，需要統(tǒng)籌考慮生產(chǎn)生活生態(tài)要求、自然地理條件和水土流失規(guī)律特點等，抓住主要矛盾和矛盾的主要方面，把握優(yōu)先順序。依托智慧水土保持應(yīng)用體系，有利于各級管理部門全面掌握水土保持現(xiàn)狀、成因及發(fā)展趨勢，因地制宜、分類精準(zhǔn)施策，推進山水林田湖草沙綜合治理，把水土流失綜合治理與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力提高和美麗鄉(xiāng)村建設(shè)有機結(jié)合起來，合理配置各項水土保持措施，發(fā)揮綜合效益，鞏固脫貧攻堅成果，助力鄉(xiāng)村振興。

1.3 技術(shù)升級換代的必然要求

隨著我國信息化建設(shè)的高速發(fā)展，超級計算機、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、5G通信、區(qū)塊鏈、人工智能等關(guān)鍵技術(shù)取得重大突破。然而相較于其他行業(yè)，我國水土保持行業(yè)的信息化程度較低，主要體現(xiàn)在信息系統(tǒng)功能不完善、應(yīng)用不充分、數(shù)據(jù)資源建設(shè)不完善、智慧化發(fā)展程度不足等方面[5]。智慧水土保持是水土保持信息化的高級階段，云計算(服務(wù))、超級計算機等技術(shù)將提供強大的算力支持；智能化的監(jiān)測設(shè)備、5G通信、“天空地一體化”的遙感監(jiān)測與感知、大數(shù)據(jù)管理等技術(shù)將提供完善的算據(jù)支持，用于水土保持?jǐn)?shù)字化場景的構(gòu)建；人工智能、淤地壩安全度汛“四預(yù)”模型將提供精準(zhǔn)的算法支持，用于水土保持智慧化模擬與精準(zhǔn)化決策。信息技術(shù)集成應(yīng)用是智慧水土保持發(fā)展的重要基礎(chǔ)，也是水土保持技術(shù)升級換代的必然要求。

2 智慧水土保持主要內(nèi)容

智慧水土保持以物理流域為基礎(chǔ)，以數(shù)字孿生流域為核心，結(jié)合水土保持業(yè)務(wù)管理需求，需要構(gòu)建具有水土流失狀況預(yù)報預(yù)警、人為水土流失風(fēng)險預(yù)警、水土流失綜合治理智能管理、黃土高原淤地壩安全度汛管理等功能的應(yīng)用體系，其總體架構(gòu)如圖1所示。當(dāng)前階段主要研究內(nèi)容包括構(gòu)建水土保持?jǐn)?shù)字化場景、完善水土保持模型、建設(shè)智慧水利水土保持分系統(tǒng)和建立水土保持?jǐn)?shù)據(jù)管理規(guī)則。

圖1 智慧水土保持總體框架

2.1 水土保持?jǐn)?shù)字化場景

結(jié)合水土保持智慧化管理需求，基于黃河流域下墊面植被相關(guān)數(shù)據(jù)，坡面地形、水系等地理空間數(shù)據(jù)，降水、氣溫等監(jiān)測數(shù)據(jù)，衛(wèi)星、無人機遙感等高分辨率影像數(shù)據(jù)，淤地壩、梯田等水土保持措施數(shù)據(jù)，以及生產(chǎn)建設(shè)項目位置、擾動范圍等人為擾動數(shù)據(jù)，運用多源遙感影像智能解譯、多維多時空尺度大數(shù)據(jù)管理與分析等技術(shù)，進行全要素流域數(shù)字化映射，形成能夠?qū)崿F(xiàn)水土保持基礎(chǔ)數(shù)據(jù)動態(tài)及時交互更新的水土保持?jǐn)?shù)字化場景，能夠全面反映水土流失動態(tài)變化及特殊條件下的水土流失狀況預(yù)報預(yù)警數(shù)字化場景，能夠支撐水土保持監(jiān)管及人為水土流失風(fēng)險預(yù)警的數(shù)字化場景，能夠反映水土流失和水土保持措施現(xiàn)狀的水土流失綜合治理智能管理數(shù)字化場景，以及能夠反映淤地壩涉及區(qū)域及影響區(qū)域危害情況的淤地壩安全度汛數(shù)字化場景。

2.2 水土保持模型

黃土高原是黃河流域水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)。在收集分析基礎(chǔ)資料、總結(jié)既有研究成果的基礎(chǔ)上，綜合考慮降雨、植被類型、土壤類型、地形地貌特征、人為擾動程度等，研究黃土高原土壤侵蝕機理和過程，率定土壤侵蝕相關(guān)因子，構(gòu)建適合黃土高原的土壤侵蝕模型、小流域重力侵蝕模型。

研究生產(chǎn)建設(shè)活動擾動圖斑智能判別、風(fēng)險預(yù)警等模型，實現(xiàn)生產(chǎn)建設(shè)活動快速識別與提取、人為水土流失的影響分析與評價，為人為水土流失監(jiān)管和案件查處提供技術(shù)支撐。

以大型淤地壩和下游有居民、學(xué)校、工礦企業(yè)、重要基礎(chǔ)設(shè)施等的中型淤地壩為重點，構(gòu)建淤地壩洪水預(yù)報預(yù)警相關(guān)模型，支撐淤地壩安全度汛管理平臺“四預(yù)”功能。

2.3 智慧水利水土保持分系統(tǒng)

在建立水土保持?jǐn)?shù)字化場景和預(yù)報預(yù)警模型的基礎(chǔ)上，構(gòu)建具有遙感影像實時解譯、“天空地一體化”監(jiān)管復(fù)核等功能的水土流失狀況預(yù)報預(yù)警模塊，實現(xiàn)水土流失事件自動分析處理；依托多源遙感影像智能解譯、衛(wèi)星遙感實時接入等技術(shù)，構(gòu)建人為水土流失風(fēng)險預(yù)警模塊，實現(xiàn)違法違規(guī)行為權(quán)威存證、精準(zhǔn)定位、影響分析；完善水土流失綜合治理智能管理模塊，實現(xiàn)水土流失治理緊迫程度評估及水土保持治理效益評價功能；構(gòu)建淤地壩暴雨洪水預(yù)報、風(fēng)險預(yù)警，以及重要淤地壩洪水淹沒及潰壩過程預(yù)演、預(yù)案調(diào)整等功能模塊，實現(xiàn)淤地壩安全度汛管理，形成智慧水利水土保持分系統(tǒng)。

2.4 水土保持?jǐn)?shù)據(jù)管理規(guī)則

基于智慧水利標(biāo)準(zhǔn)與制度體系框架，建立智慧水土保持?jǐn)?shù)據(jù)管理目錄和管理標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一水土保持各類數(shù)據(jù)格式要求，規(guī)范信息采集規(guī)則體系；完善水土保持?jǐn)?shù)據(jù)采集與更新、存儲與管理、審核與匯交、應(yīng)用與發(fā)布等制度；建立水土保持行業(yè)上下之間、相關(guān)行業(yè)部門之間的常態(tài)數(shù)據(jù)共享機制，實現(xiàn)多部門、多層級、多業(yè)務(wù)、多維度數(shù)據(jù)的全方位共享，支撐和保障智慧水土保持建設(shè)與應(yīng)用。

3 黃河流域智慧水土保持研究基礎(chǔ)

3.1 理論基礎(chǔ)

(1)坡面侵蝕過程與機理。包括土壤侵蝕動力機制與過程模擬、土壤侵蝕與物質(zhì)遷移、土壤侵蝕與氣候變化等[6-7]。通過對坡面水土流失規(guī)律的系統(tǒng)研究，深化對坡面土壤侵蝕發(fā)生發(fā)展過程動力學(xué)機理的認識，形成系統(tǒng)的土壤侵蝕動力學(xué)及坡面流水力學(xué)理論。

(2)流域侵蝕產(chǎn)沙過程。包括侵蝕與產(chǎn)沙耦合機制和侵蝕產(chǎn)沙過程模擬等。通過黃土高原侵蝕產(chǎn)沙“動力-植被”調(diào)控機制、坡面-溝道系統(tǒng)水動力學(xué)特性及耦合規(guī)律、坡面產(chǎn)沙過程與細溝發(fā)育的響應(yīng)關(guān)系等研究，揭示降雨、地形、土壤和植被在不同層面上影響侵蝕產(chǎn)沙過程的作用機理[8-10]。

(3)流域水沙關(guān)系。包括流域泥沙輸移規(guī)律、坡面及溝道泥沙輸移規(guī)律及植被減蝕作用機理等。通過原型試驗、數(shù)值模擬等手段，解釋黃河下游河道嚴(yán)重淤積的主要原因，預(yù)測黃河未來水沙變化趨勢[11-12]。

(4)淤地壩滯洪攔沙配置。包括淤地壩級聯(lián)級控、壩系平衡、攔沙減蝕效益分析等。通過現(xiàn)場勘查、仿真模擬等，初步構(gòu)建淤地壩防汛監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)體系[13]。

3.2 技術(shù)基礎(chǔ)

(1)“天空地一體化”水土保持監(jiān)測技術(shù)。通過星載遙感影像智能解譯(天)、無人機遙感數(shù)據(jù)高效分析(空)、野外精準(zhǔn)快速調(diào)查(地)的有機融合，建立水土保持?jǐn)?shù)字孿生感知體系，實現(xiàn)對生產(chǎn)建設(shè)項目水土流失遠程精準(zhǔn)監(jiān)管和水土保持監(jiān)測指標(biāo)自動化提取，為數(shù)字孿生流域數(shù)據(jù)底板的構(gòu)建提供技術(shù)支撐[14]。

(2)水土保持生態(tài)評估技術(shù)。通過黃土高原侵蝕地面光譜成像測量技術(shù)，綜合高光譜、激光雷達技術(shù)，開展林草措施時空變化遙感動態(tài)監(jiān)測、生態(tài)環(huán)境關(guān)鍵參數(shù)遙感定量反演等[15]，實現(xiàn)林草質(zhì)量與水土保持功能相關(guān)性監(jiān)測評估、水土流失區(qū)生態(tài)環(huán)境健康診斷、生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力水平與維持能力評估等功能，為水土流失智慧化治理提供專家知識庫。

(3)黃土高原重力侵蝕觀測技術(shù)。通過激光雷達、無人機遙感等手段，精準(zhǔn)獲取了重力侵蝕發(fā)生的位置、規(guī)模等信息，有利于重力侵蝕發(fā)展過程及時空分布特征研究等工作的高效開展[16-17]，為黃土高原復(fù)雜土壤侵蝕機理研究提供數(shù)據(jù)支撐。

(4)多尺度土壤侵蝕數(shù)學(xué)模型。通過產(chǎn)匯流、產(chǎn)匯沙在不同時空尺度的關(guān)鍵因子分析，建立相應(yīng)尺度水沙輸移過程的計算機描述方式，研發(fā)集成大尺度土壤侵蝕經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀⒅谐叨犬a(chǎn)匯沙經(jīng)驗?zāi)Ｐ鸵约靶〕叨犬a(chǎn)流產(chǎn)沙機理模型，為智慧水土保持模型平臺建設(shè)提供模型支撐。

4 智慧水土保持下一步研究重點分析

4.1 高精度數(shù)字孿生數(shù)據(jù)底板建設(shè)

作為智慧水土保持的基礎(chǔ)設(shè)施，高精度的數(shù)字孿生流域數(shù)據(jù)底板，將為水土保持?jǐn)?shù)字化場景、智慧化模擬、精準(zhǔn)化決策等提供數(shù)據(jù)保障。對于極端降雨事件造成的水土流失，受地形變化影響，傳統(tǒng)的水土流失地面調(diào)查與監(jiān)測手段存在定位精度低、測量誤差大等問題，無法實現(xiàn)對水土流失危害的精準(zhǔn)定位、準(zhǔn)確評估、定量評價。激光雷達是一種可以精確、快速獲取目標(biāo)三維空間信息的主動探測技術(shù)，在目標(biāo)的識別、分類和高精度三維成像及測量方面有著獨特的技術(shù)優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)探測區(qū)域厘米級精度地形信息的快速獲取。運用先進的傳感器技術(shù)、移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，開展野外水土流失精準(zhǔn)監(jiān)測與分析，將為土壤侵蝕發(fā)生機理、數(shù)學(xué)模型參數(shù)率定、水土保持措施效益評價等提供可靠的數(shù)據(jù)支撐，為智慧水土保持提供高精度的數(shù)據(jù)底板。

4.2 水土流失綜合治理智能管理

理論上，各類水土保持措施按不同比例配置構(gòu)成的綜合治理體系，其攔蓄減蝕效應(yīng)是一個高階的非線性響應(yīng)函數(shù)[18]。水土保持措施減蝕減沙作用與降雨、土壤、地形、水土保持措施配置比例等因素緊密相關(guān)，不同治理措施在空間上如何優(yōu)化布局，在極端降雨條件下能夠達到什么效果，是當(dāng)前黃河流域治理與保護一個薄弱點。

基于高精度水土保持?jǐn)?shù)據(jù)底板，建立水土保持措施時空動態(tài)變化數(shù)據(jù)庫，開展水土保持措施布局方案快速尋優(yōu)研究，將為正確評估黃土高原水土保持措施的減蝕減沙作用提供新的解決思路，對黃河流域水土保持戰(zhàn)略布局優(yōu)化、上中下游統(tǒng)籌考慮及精準(zhǔn)治理具有重要意義。

4.3 黃土高原次暴雨土壤侵蝕模型

黃土高原水土流失的泥沙主要來自于丘陵溝壑區(qū)的溝道，受溝道種類繁多、地形復(fù)雜、調(diào)查難度高等因素的制約，溝道侵蝕的發(fā)生過程和特征仍不明晰，造成在黃土高原土壤侵蝕模型研發(fā)與應(yīng)用過程中，出現(xiàn)了水土流失過程機理不清晰、預(yù)測預(yù)報不準(zhǔn)確等問題。目前，尚未建立一個適用范圍廣、運行效率高的黃土高原土壤侵蝕模型體系[19]。

隨著智慧水土保持的高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，黃土高原土壤侵蝕模型研發(fā)將在算據(jù)、算力等方面有極大的提升，如何利用現(xiàn)有技術(shù)優(yōu)勢，統(tǒng)籌建立考慮點狀邊界條件(淤地壩、水庫、大壩等)、面狀邊界條件(梯田、林草等)的，可以對極端暴雨快速響應(yīng)的分布式土壤侵蝕模型，是未來更加有效預(yù)測黃河流域水沙趨勢、評估洪澇災(zāi)害的手段。

4.4 淤地壩安全度汛“四預(yù)”模型

淤地壩是黃土高原地區(qū)水土保持、淤地造田、改善交通、保護生態(tài)的重要工程設(shè)施[13]。然而，早期淤地壩的建設(shè)多為群眾自發(fā)行為，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不高。隨著使用時間的推移，淤地壩的防洪能力在不斷衰減，尤其在極端降雨情況下，淤地壩的安全度汛成為汛期的重點工作，水毀災(zāi)害成了困擾黃土高原地區(qū)淤地壩建設(shè)發(fā)展的瓶頸[20]。

針對極端降雨事件，開展淤地壩安全度汛風(fēng)險預(yù)測和評估研究，構(gòu)建淤地壩暴雨洪水風(fēng)險預(yù)報預(yù)警模型、全流程業(yè)務(wù)化情景預(yù)演模型及預(yù)案優(yōu)化組合模型，將有效提高淤地壩安全度汛能力，提升淤地壩安全度汛管理水平，實現(xiàn)淤地壩預(yù)警、預(yù)報、預(yù)演、預(yù)案功能。

4.5 水土保持碳匯效應(yīng)智慧應(yīng)用

水土流失引起的植被生產(chǎn)力降低和土壤有機碳遷移，對生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)和碳排放等有極大的影響[21]。有研究表明，全球84%的土地退化是由土壤侵蝕引起的，黃土高原水土流失問題嚴(yán)重制約了黃河流域生態(tài)系統(tǒng)的碳吸收能力。

在國家2030年碳達峰、2060年碳中和的目標(biāo)下，開展水土保持碳匯效應(yīng)研究，是水土保持措施效益評價不可缺少的一方面。建立水土保持生態(tài)修復(fù)與碳中和的綜合考核指標(biāo)體系，將為水土保持措施戰(zhàn)略布局優(yōu)化提供思路，因此應(yīng)提升智慧水土保持知識平臺深度與廣度，進一步挖掘水土保持碳匯增長潛力。

5 結(jié) 語

土壤侵蝕模型是智慧水土保持的核心，具有生成動態(tài)鏈接數(shù)據(jù)底板、調(diào)用云平臺算力資源、形成知識平臺業(yè)務(wù)規(guī)則等功能，對水土保持影響區(qū)域的互動過程模擬仿真和推演具有重要作用，是集成各項關(guān)鍵技術(shù)的驅(qū)動力。黃河流域智慧水土保持是運用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈等新興技術(shù)，以“數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化”為主線，以“數(shù)字化場景、智慧化模擬、精準(zhǔn)化決策”為路徑，結(jié)合水土保持業(yè)務(wù)需求，依托數(shù)字孿生黃河，構(gòu)建的具有水土流失狀況預(yù)報預(yù)警、人為水土流失風(fēng)險預(yù)警、水土流失綜合治理智能管理、黃土高原淤地壩安全度汛管理等功能的綜合應(yīng)用體系。新階段水土保持的高質(zhì)量發(fā)展，需要在數(shù)據(jù)準(zhǔn)確化、模型精準(zhǔn)化、決策精細化方面進一步加強，有力支撐黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展重大國家戰(zhàn)略的實施。