黃河流域智慧水土保持關鍵技術集成探討

孔祥兵，郭 凱，趙春敬，王逸男，趙金濤

(黃河水利科學研究院 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重、最為集中的地區，涉及水力、風力、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、技術和實踐的不斷創新與發展，黃土高原“一片黃色不見綠”的歷史現狀已得到初步改變[1]。按照黃河流域生態保護和高質量發展重大國家戰略要求，黃河流域水土保持工作的開展，要以“根子在流域”為出發點，以全面支撐流域經濟社會高質量發展為落腳點，統籌考慮上中下游的區位差異，統籌部署近中遠期的接續安排，服務于全面建成小康社會、實現國家現代化的戰略安排。

按照“需求牽引、應用至上、數字賦能、提升能力”智慧水利建設總要求，智慧水土保持建設已成為新階段水土保持高質量發展的重要抓手和平臺[2]。智慧水土保持，是以“數字化、網絡化、智能化”為主線，以“數字化場景、智慧化模擬、精準化決策”為路徑，結合水土保持業務需求，依托數字孿生黃河[3]，構建的具有水土流失狀況預報預警、人為水土流失風險預警、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、金融等多個學科，該技術能夠支撐黃河流域實現自然水系、經濟社會、生態環境三者健康和諧共生的動態平衡[4]，具有重大的理論創新和實踐意義。

1 開展智慧水土保持研究的必要性

1.1 支撐國家戰略的必然要求

《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》明確要求，“構建智慧水利體系，以流域為單元提升水情測報和智能調度能力”，“科學推進荒漠化、石漠化、水土流失綜合治理”。智慧水土保持分系統是智慧水利建設的重要內容，是新階段水利高質量發展的顯著標志和實施路徑之一。開展智慧化的水土保持管理，將為全面推進鄉村振興、黃河流域生態保護和高質量發展、區域協調發展等國家戰略提供有力支撐[2]。

1.2 新階段水土保持高質量發展的必然要求

水土保持高質量發展是一個動態發展提升、階梯式趨好向上的過程，需要統籌考慮生產生活生態要求、自然地理條件和水土流失規律特點等，抓住主要矛盾和矛盾的主要方面，把握優先順序。依托智慧水土保持應用體系，有利于各級管理部門全面掌握水土保持現狀、成因及發展趨勢，因地制宜、分類精準施策，推進山水林田湖草沙綜合治理，把水土流失綜合治理與產業結構調整、農業綜合生產能力提高和美麗鄉村建設有機結合起來，合理配置各項水土保持措施，發揮綜合效益，鞏固脫貧攻堅成果，助力鄉村振興。

1.3 技術升級換代的必然要求

隨著我國信息化建設的高速發展，超級計算機、物聯網、大數據、云計算、5G通信、區塊鏈、人工智能等關鍵技術取得重大突破。然而相較于其他行業，我國水土保持行業的信息化程度較低，主要體現在信息系統功能不完善、應用不充分、數據資源建設不完善、智慧化發展程度不足等方面[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)、超級計算機等技術將提供強大的算力支持；智能化的監測設備、5G通信、“天空地一體化”的遙感監測與感知、大數據管理等技術將提供完善的算據支持，用于水土保持數字化場景的構建；人工智能、淤地壩安全度汛“四預”模型將提供精準的算法支持，用于水土保持智慧化模擬與精準化決策。信息技術集成應用是智慧水土保持發展的重要基礎，也是水土保持技術升級換代的必然要求。

2 智慧水土保持主要內容

智慧水土保持以物理流域為基礎，以數字孿生流域為核心，結合水土保持業務管理需求，需要構建具有水土流失狀況預報預警、人為水土流失風險預警、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用體系，其總體架構如圖1所示。當前階段主要研究內容包括構建水土保持數字化場景、完善水土保持模型、建設智慧水利水土保持分系統和建立水土保持數據管理規則。

圖1 智慧水土保持總體框架

2.1 水土保持數字化場景

結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數據，坡面地形、水系等地理空間數據，降水、氣溫等監測數據，衛星、無人機遙感等高分辨率影像數據，淤地壩、梯田等水土保持措施數據，以及生產建設項目位置、擾動范圍等人為擾動數據，運用多源遙感影像智能解譯、多維多時空尺度大數據管理與分析等技術，進行全要素流域數字化映射，形成能夠實現水土保持基礎數據動態及時交互更新的水土保持數字化場景，能夠全面反映水土流失動態變化及特殊條件下的水土流失狀況預報預警數字化場景，能夠支撐水土保持監管及人為水土流失風險預警的數字化場景，能夠反映水土流失和水土保持措施現狀的水土流失綜合治理智能管理數字化場景，以及能夠反映淤地壩涉及區域及影響區域危害情況的淤地壩安全度汛數字化場景。

2.2 水土保持模型

黃土高原是黃河流域水土流失最嚴重的地區。在收集分析基礎資料、總結既有研究成果的基礎上，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，率定土壤侵蝕相關因子，構建適合黃土高原的土壤侵蝕模型、小流域重力侵蝕模型。

研究生產建設活動擾動圖斑智能判別、風險預警等模型，實現生產建設活動快速識別與提取、人為水土流失的影響分析與評價，為人為水土流失監管和案件查處提供技術支撐。

以大型淤地壩和下游有居民、學校、工礦企業、重要基礎設施等的中型淤地壩為重點，構建淤地壩洪水預報預警相關模型，支撐淤地壩安全度汛管理平臺“四預”功能。

2.3 智慧水利水土保持分系統

在建立水土保持數字化場景和預報預警模型的基礎上，構建具有遙感影像實時解譯、“天空地一體化”監管復核等功能的水土流失狀況預報預警模塊，實現水土流失事件自動分析處理；依托多源遙感影像智能解譯、衛星遙感實時接入等技術，構建人為水土流失風險預警模塊，實現違法違規行為權威存證、精準定位、影響分析；完善水土流失綜合治理智能管理模塊，實現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；構建淤地壩暴雨洪水預報、風險預警，以及重要淤地壩洪水淹沒及潰壩過程預演、預案調整等功能模塊，實現淤地壩安全度汛管理，形成智慧水利水土保持分系統。

2.4 水土保持數據管理規則

基于智慧水利標準與制度體系框架，建立智慧水土保持數據管理目錄和管理標準，統一水土保持各類數據格式要求，規范信息采集規則體系；完善水土保持數據采集與更新、存儲與管理、審核與匯交、應用與發布等制度；建立水土保持行業上下之間、相關行業部門之間的常態數據共享機制，實現多部門、多層級、多業務、多維度數據的全方位共享，支撐和保障智慧水土保持建設與應用。

3 黃河流域智慧水土保持研究基礎

3.1 理論基礎

(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、土壤侵蝕與物質遷移、土壤侵蝕與氣候變化等[6-7]。通過對坡面水土流失規律的系統研究，深化對坡面土壤侵蝕發生發展過程動力學機理的認識，形成系統的土壤侵蝕動力學及坡面流水力學理論。

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

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

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

3.2 技術基礎

(1)“天空地一體化”水土保持監測技術。通過星載遙感影像智能解譯(天)、無人機遙感數據高效分析(空)、野外精準快速調查(地)的有機融合，建立水土保持數字孿生感知體系，實現對生產建設項目水土流失遠程精準監管和水土保持監測指標自動化提取，為數字孿生流域數據底板的構建提供技術支撐[14]。

(2)水土保持生態評估技術。通過黃土高原侵蝕地面光譜成像測量技術，綜合高光譜、激光雷達技術，開展林草措施時空變化遙感動態監測、生態環境關鍵參數遙感定量反演等[15]，實現林草質量與水土保持功能相關性監測評估、水土流失區生態環境健康診斷、生態系統生產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。通過激光雷達、無人機遙感等手段，精準獲取了重力侵蝕發生的位置、規模等信息，有利于重力侵蝕發展過程及時空分布特征研究等工作的高效開展[16-17]，為黃土高原復雜土壤侵蝕機理研究提供數據支撐。

(4)多尺度土壤侵蝕數學模型。通過產匯流、產匯沙在不同時空尺度的關鍵因子分析，建立相應尺度水沙輸移過程的計算機描述方式，研發集成大尺度土壤侵蝕經驗模型、中尺度產匯沙經驗模型以及小尺度產流產沙機理模型，為智慧水土保持模型平臺建設提供模型支撐。

4 智慧水土保持下一步研究重點分析

4.1 高精度數字孿生數據底板建設

作為智慧水土保持的基礎設施，高精度的數字孿生流域數據底板，將為水土保持數字化場景、智慧化模擬、精準化決策等提供數據保障。對于極端降雨事件造成的水土流失，受地形變化影響，傳統的水土流失地面調查與監測手段存在定位精度低、測量誤差大等問題，無法實現對水土流失危害的精準定位、準確評估、定量評價。激光雷達是一種可以精確、快速獲取目標三維空間信息的主動探測技術，在目標的識別、分類和高精度三維成像及測量方面有著獨特的技術優勢，能夠實現探測區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、移動互聯網技術和大數據分析技術，開展野外水土流失精準監測與分析，將為土壤侵蝕發生機理、數學模型參數率定、水土保持措施效益評價等提供可靠的數據支撐，為智慧水土保持提供高精度的數據底板。

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成的綜合治理體系，其攔蓄減蝕效應是一個高階的非線性響應函數[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，不同治理措施在空間上如何優化布局，在極端降雨條件下能夠達到什么效果，是當前黃河流域治理與保護一個薄弱點。

基于高精度水土保持數據底板，建立水土保持措施時空動態變化數據庫，開展水土保持措施布局方案快速尋優研究，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略布局優化、上中下游統籌考慮及精準治理具有重要意義。

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的溝道，受溝道種類繁多、地形復雜、調查難度高等因素的制約，溝道侵蝕的發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與應用過程中，出現了水土流失過程機理不清晰、預測預報不準確等問題。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準建設，黃土高原土壤侵蝕模型研發將在算據、算力等方面有極大的提升，如何利用現有技術優勢，統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的分布式土壤侵蝕模型，是未來更加有效預測黃河流域水沙趨勢、評估洪澇災害的手段。

4.4 淤地壩安全度汛“四預”模型

淤地壩是黃土高原地區水土保持、淤地造田、改善交通、保護生態的重要工程設施[13]。然而，早期淤地壩的建設多為群眾自發行為，建設標準不高。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，水毀災害成了困擾黃土高原地區淤地壩建設發展的瓶頸[20]。

針對極端降雨事件，開展淤地壩安全度汛風險預測和評估研究，構建淤地壩暴雨洪水風險預報預警模型、全流程業務化情景預演模型及預案優化組合模型，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，實現淤地壩預警、預報、預演、預案功能。

4.5 水土保持碳匯效應智慧應用

水土流失引起的植被生產力降低和土壤有機碳遷移，對生態系統的碳循環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重制約了黃河流域生態系統的碳吸收能力。

在國家2030年碳達峰、2060年碳中和的目標下，開展水土保持碳匯效應研究，是水土保持措施效益評價不可缺少的一方面。建立水土保持生態修復與碳中和的綜合考核指標體系，將為水土保持措施戰略布局優化提供思路，因此應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 語

土壤侵蝕模型是智慧水土保持的核心，具有生成動態鏈接數據底板、調用云平臺算力資源、形成知識平臺業務規則等功能，對水土保持影響區域的互動過程模擬仿真和推演具有重要作用，是集成各項關鍵技術的驅動力。黃河流域智慧水土保持是運用物聯網、云計算、大數據、區塊鏈等新興技術，以“數字化、網絡化、智能化”為主線，以“數字化場景、智慧化模擬、精準化決策”為路徑，結合水土保持業務需求，依托數字孿生黃河，構建的具有水土流失狀況預報預警、人為水土流失風險預警、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用體系。新階段水土保持的高質量發展，需要在數據準確化、模型精準化、決策精細化方面進一步加強，有力支撐黃河流域生態保護和高質量發展重大國家戰略的實施。