“十四五”時期智慧水土保持建設(shè)思路

趙永軍，馬松增，羅志東，程 復(fù)

(1.水利部 水土保持監(jiān)測中心，北京 100055；2.河南省水土保持監(jiān)測總站，河南 鄭州 450008)

“十四五”時期是我國乘勢而上開啟全面建設(shè)社會主義現(xiàn)代化國家新征程、向第二個百年奮斗目標進軍的第一個五年，也是加快生態(tài)文明建設(shè)和經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展的攻堅時期。國家戰(zhàn)略的重大布局、智慧水利的迫切需求、新技術(shù)的快速發(fā)展以及水土保持高質(zhì)量發(fā)展的新理念，對智慧水土保持建設(shè)提出了新的更高要求。智慧水土保持作為智慧水利建設(shè)“2+N”體系的重要組成部分，是水利部黨組全面落實習(xí)近平總書記的“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”十六字治水思路的重要部署，是“十四五”時期深入推進水土保持高質(zhì)量發(fā)展的重要舉措。

1 現(xiàn)狀與問題

1.1 建設(shè)現(xiàn)狀

(1)數(shù)據(jù)資源建設(shè)日益豐富。按照水利部黨組提出的“以水利信息化帶動水利現(xiàn)代化”的發(fā)展思路，結(jié)合全國土壤侵蝕普查、水土流失動態(tài)監(jiān)測、水土保持遙感監(jiān)管等工作，積極推動水土保持數(shù)據(jù)資源建設(shè)。數(shù)據(jù)內(nèi)容涉及基礎(chǔ)地理、監(jiān)督管理、綜合治理、動態(tài)監(jiān)測和遙感監(jiān)管等方面。目前，部級水土保持數(shù)據(jù)存儲量已達41 TB左右，通過信息系統(tǒng)應(yīng)用為水土保持管理決策提供了有效支撐。

(2)信息系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用全面推進。為滿足新時期水土保持信息化業(yè)務(wù)發(fā)展需求，和構(gòu)建安全便捷的信息系統(tǒng)、及時準確的信息服務(wù)體系和科學(xué)高效的水土保持決策支撐體系，提升水土保持行業(yè)管理和科學(xué)決策水平，水利部組織開發(fā)了涵蓋監(jiān)督管理、綜合治理和監(jiān)測評價等業(yè)務(wù)的全國水土保持信息管理系統(tǒng)。在統(tǒng)一、共性開發(fā)與應(yīng)用的基礎(chǔ)上，部分省(市、區(qū))和地方水土保持管理部門根據(jù)本地業(yè)務(wù)特色實際需要，自行開發(fā)建設(shè)本級信息管理系統(tǒng)。

(3)信息技術(shù)與水保業(yè)務(wù)融合探索初見成效。近年來，水利部持續(xù)推進“3S”、移動通信、智能終端、無人機等先進技術(shù)手段在水土保持監(jiān)管工作中的應(yīng)用，加快實現(xiàn)水土保持信息化監(jiān)管，構(gòu)建天地一體、上下協(xié)同、信息共享的聯(lián)動機制，全面提升了水土保持監(jiān)管的科學(xué)性、針對性和時效性，提高了水土保持監(jiān)管的現(xiàn)代化水平和能力，在防治水土流失、促進生態(tài)文明建設(shè)方面發(fā)揮了重要作用[1]。

1.2 問題與差距

當前，水土保持信息化工作取得一定成效，信息化監(jiān)管手段持續(xù)發(fā)揮效力，但對標智慧水利建設(shè)要求以及水土保持高質(zhì)量發(fā)展需要，水土保持信息化工作還存在明顯不足。主要表現(xiàn)在：

(1)數(shù)據(jù)資源體系不完善。水土保持基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不全面不完整，數(shù)據(jù)質(zhì)量不高，難以形成長序列，特別是一些業(yè)務(wù)缺乏空間矢量化數(shù)據(jù)，數(shù)字化基礎(chǔ)不扎實；數(shù)據(jù)資源采集手段相對落后，內(nèi)部數(shù)據(jù)資源整合程度不高，行業(yè)內(nèi)、部門間數(shù)據(jù)共享互通機制不夠順暢。

(2)應(yīng)用智慧化程度不高。智能監(jiān)測感知網(wǎng)絡(luò)不適應(yīng)水土保持業(yè)務(wù)和行政管理需要；現(xiàn)有水土保持模型不足以支撐智能化模擬和精準化決策；當前全國水土保持信息管理系統(tǒng)業(yè)務(wù)智能應(yīng)用不滿足水土保持高質(zhì)量發(fā)展要求。

(3)基礎(chǔ)保障條件薄弱。信息存儲、計算、傳輸?shù)仍O(shè)施設(shè)備相對落后，存儲資源不夠，無法滿足大數(shù)據(jù)平臺以及數(shù)字孿生等應(yīng)用需求；網(wǎng)絡(luò)安全防護體系仍有不足；組織體系和規(guī)章制度尚不完善，人才隊伍和資金保障偏弱。

2 建設(shè)目標

“十四五”時期，在智慧水利頂層設(shè)計框架下，結(jié)合水土保持業(yè)務(wù)管理實際需求，搭建水土保持數(shù)字化場景，研發(fā)水土保持預(yù)報預(yù)警模型，建設(shè)智慧水利水土保持分系統(tǒng)，完善水土保持數(shù)據(jù)管理規(guī)則體系，加快構(gòu)建具有水土流失預(yù)報預(yù)警、人為水土流失風險預(yù)警、水土流失綜合治理智能管理、淤地壩安全度汛預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案“四預(yù)”等功能的智慧水土保持應(yīng)用體系，驅(qū)動水土保持高質(zhì)量發(fā)展，為國家生態(tài)文明建設(shè)提供有力支撐。

3 總體架構(gòu)

按照智慧水利頂層設(shè)計，以水土保持改革發(fā)展目標任務(wù)為先導(dǎo)，集約化利用基礎(chǔ)設(shè)施，構(gòu)建形成“一引擎三驅(qū)動”的總體框架，即水土保持預(yù)報預(yù)警模型等智能算法為引擎，通過水土保持數(shù)字化場景驅(qū)動對物理世界水土保持對象和要素的直觀刻畫認知，通過智慧水利水土保持分系統(tǒng)驅(qū)動業(yè)務(wù)治理與業(yè)務(wù)管理的高效有序開展，通過水土保持數(shù)據(jù)管理規(guī)則驅(qū)動智慧水土保持建設(shè)成果的持續(xù)提升應(yīng)用，詳見圖1。

圖1 智慧水土保持建設(shè)總體框架

3.1 基礎(chǔ)設(shè)施

智慧水利基礎(chǔ)設(shè)施為業(yè)務(wù)應(yīng)用提供各類數(shù)據(jù)感知匯集、多網(wǎng)通信、大規(guī)模存儲、高性能計算和安全保障的基礎(chǔ)能力。主要包括傳感、定位、視頻、遙感等技術(shù)相關(guān)設(shè)施，如感知水土保持對象與要素的水土保持監(jiān)測網(wǎng)；根據(jù)不同環(huán)境條件連通五級水行政主管部門通信的水利信息網(wǎng)，為智慧水土保持提供“算力”的水利云，保障安全的網(wǎng)絡(luò)安全體系，服務(wù)于淤地壩信息管理系統(tǒng)的淤地壩安全感知監(jiān)控體系。

3.2 水土保持數(shù)字化場景

水土保持數(shù)字化場景是通過數(shù)據(jù)整合、治理、共享、仿真模擬等技術(shù)手段將物理水土保持對象及其影響區(qū)域按照全國、重點區(qū)域、重點對象等地理空間尺度，以二維矢量、三維精細模型的形式映射到數(shù)字空間。水土保持數(shù)字化場景為業(yè)務(wù)智慧應(yīng)用提供“算據(jù)”支撐。主要包括水土保持數(shù)據(jù)底板和水土保持基礎(chǔ)、水土流失預(yù)報預(yù)警、人為水土流失風險預(yù)警、水土流失綜合治理智能管理、淤地壩安全度汛場景等內(nèi)容。

3.3 水土保持預(yù)報預(yù)警模型

水土保持預(yù)報預(yù)警模型是通過數(shù)學(xué)模型模擬生態(tài)環(huán)境、水土保持對象及影響區(qū)域的時空強度和數(shù)量級關(guān)系、變化的水土保持專業(yè)模型。水土保持預(yù)報預(yù)警模型為業(yè)務(wù)智能應(yīng)用提供準確、快速的“算法”支撐。主要包括土壤侵蝕預(yù)報、人為水土流失風險預(yù)警、水土流失綜合治理智能管理、淤地壩安全度汛“四預(yù)”4類8個模型。

3.4 智慧水利水土保持分系統(tǒng)

水土保持分系統(tǒng)是智慧水土保持的“功能表現(xiàn)”，水土保持精準管理、快速響應(yīng)和智慧決策等將通過業(yè)務(wù)應(yīng)用得以發(fā)揮。主要包括水土流失預(yù)報預(yù)警、人為水土流失風險預(yù)警、水土流失綜合治理智能管理、淤地壩信息管理等四大業(yè)務(wù)功能板塊。

3.5 淤地壩信息管理系統(tǒng)

淤地壩信息管理系統(tǒng)是水土保持分系統(tǒng)的重要組成部分，是在數(shù)字化場景的基礎(chǔ)上，融合淤地壩安全度汛管理“四預(yù)”模型，對淤地壩安全進行實時感知，對利用狀況進行監(jiān)控，對淤地壩安全度汛情況進行預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案，各級淤地壩安全度汛管理責任方、社會公眾及時獲取預(yù)警信息的重要窗口和工作平臺。

3.6 水土保持數(shù)據(jù)管理規(guī)則

水土保持數(shù)據(jù)管理規(guī)則是推進系統(tǒng)應(yīng)用、強化信息更新、保障數(shù)據(jù)質(zhì)量、促進數(shù)據(jù)資源共享、明確責任考核的系列規(guī)范要求，作用于智慧水土保持建設(shè)的各個方面，主要包括水土保持數(shù)據(jù)采集與更新、存儲與管理、應(yīng)用與發(fā)布等標準體系和政策制度，以及水土保持部門上下級之間、水土保持相關(guān)行業(yè)部門之間的數(shù)據(jù)共享機制。

4 建設(shè)任務(wù)

4.1 推進水土保持數(shù)據(jù)資源建設(shè)，構(gòu)建數(shù)字化場景

在全國全覆蓋智慧水利數(shù)字孿生流域L1級數(shù)據(jù)底板及七大流域重點區(qū)域L2級、重點對象L3級水土保持數(shù)據(jù)底板的基礎(chǔ)上，疊加并擴充水土保持數(shù)據(jù)庫有關(guān)數(shù)據(jù)，構(gòu)建基礎(chǔ)場景及水土流失預(yù)報預(yù)警、人為水土流失風險預(yù)警、水土流失綜合治理智能管理、淤地壩安全度汛數(shù)字化場景層，形成一圖集成、及時更新、按需調(diào)用的智慧水土保持數(shù)字化場景，為水土保持智能模擬與精準決策提供基礎(chǔ)支撐。

4.1.1 水土保持基礎(chǔ)數(shù)字化場景

調(diào)用智慧水利數(shù)字孿生流域L1級數(shù)據(jù)底板，在中等精度數(shù)字地形數(shù)據(jù)和高分辨率衛(wèi)星遙感影像、干支流水系等數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，由各流域管理機構(gòu)在數(shù)字孿生平臺L2級數(shù)據(jù)底板建設(shè)中，補充定制水土流失嚴重地區(qū)和坡耕地、侵蝕溝、淤地壩、崩崗集中分布區(qū)衛(wèi)星遙感影像及地形數(shù)據(jù)，并進行復(fù)核、更新和匯交，形成包含全國范圍、重點流域和重點區(qū)域的水土保持數(shù)字化映射，作為各項水土保持管理業(yè)務(wù)共同使用的基礎(chǔ)數(shù)字化場景。

4.1.2 水土流失預(yù)報預(yù)警數(shù)字化場景層

在水土保持基礎(chǔ)數(shù)字化場景上，根據(jù)水土流失預(yù)報預(yù)警工作需要，疊加并擴充水土保持監(jiān)測站點定位觀測及全國、重點區(qū)域水土流失動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，開發(fā)降水、氣象等實時數(shù)據(jù)接入功能，補充極端降雨、重大災(zāi)害事件影響區(qū)域水土流失預(yù)報評價所需算據(jù)，生成全面反映水土流失動態(tài)變化及特殊條件下水土流失危害程度的數(shù)字化場景。

4.1.3 人為水土流失風險預(yù)警數(shù)字化場景層

在水土保持基礎(chǔ)數(shù)字化場景上，根據(jù)人為水土流失風險預(yù)警工作需要，疊加并擴充生產(chǎn)建設(shè)項目位置、擾動面積等監(jiān)管數(shù)據(jù)及重點項目水土流失防治責任范圍、防治措施、高分辨率衛(wèi)星遙感或無人機正射影像、特殊部位實時監(jiān)控等數(shù)據(jù)，生成生產(chǎn)建設(shè)項目及周邊影響區(qū)域的數(shù)字化場景，支撐人為水土流失監(jiān)管及風險預(yù)警。

4.1.4 水土流失綜合治理智能管理數(shù)字化場景層

在水土保持基礎(chǔ)數(shù)字化場景上，疊加并擴充以小流域為單元的土地利用和水土流失現(xiàn)狀、水土保持綜合治理措施及成效等數(shù)據(jù)，生成反映水土流失綜合治理緊迫程度及治理項目預(yù)期效益的數(shù)字化場景。

4.1.5 淤地壩安全度汛數(shù)字化場景層

在數(shù)字孿生黃河和水土保持基礎(chǔ)數(shù)字化場景上，根據(jù)淤地壩安全度汛管理需要，疊加并擴充大型淤地壩及重點中型壩的位置、類型、分布、工程參數(shù)、流域下墊面以及周邊社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)，利用遙感、遙測、實時監(jiān)控等，生成單壩和壩系涉及流域及影響區(qū)域的數(shù)字化場景。

4.2 研發(fā)水土保持預(yù)報預(yù)警模型，開展智慧化模擬

充分利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)成果，廣泛借智聚力，強化綜合集成，分步有序推進，分區(qū)分類研究，逐步形成覆蓋全國不同類型區(qū)域、不同侵蝕類別、不同應(yīng)用需求的“1+7”模型體系(組)，有效支撐水土保持工作更加科學(xué)化、高效化、精準化。圍繞全國水土保持管理需求，重點開展八方面模型研究工作。

4.2.1 全國水土流失動態(tài)監(jiān)測模型

基于現(xiàn)有全國水土流失動態(tài)預(yù)報模型框架，以水力侵蝕為重點，開展模型因子及其算法/取值優(yōu)化，重點在坡長和坡度因子及其信息尺度轉(zhuǎn)化，建設(shè)用地人為擾動、水土保持工程質(zhì)量和多種作物種植比例的侵蝕影響量化等方面有所進步；基于智慧水利水土保持分系統(tǒng)構(gòu)架，開發(fā)全國水土流失動態(tài)監(jiān)測模型系統(tǒng)模塊。在重點區(qū)域土壤侵蝕模型基礎(chǔ)上，同步研究基于動力侵蝕的次暴雨模型、流域尺度產(chǎn)沙與泥沙輸移模型。

4.2.2 西北黃土高原土壤侵蝕模型

綜合考慮降雨、植被類型、土壤類型、地形地貌特征、人為擾動程度等因素，研究黃土高原區(qū)土壤侵蝕機理和過程，確定并率定土壤侵蝕關(guān)鍵因子，構(gòu)建以水力侵蝕為主的西北黃土高原土壤侵蝕模型，支撐智慧水利水土保持分系統(tǒng)水土流失預(yù)報預(yù)警模塊功能。

4.2.3 西北黃土高原重力侵蝕模型

在黃土高原重力侵蝕高發(fā)的典型區(qū)域，選擇典型流域(小流域)開展監(jiān)測，研究重力侵蝕發(fā)生機理和過程，提出西北黃土高原典型流域(小流域)重力侵蝕模型原型，支撐智慧水利水土保持分系統(tǒng)水土流失預(yù)報預(yù)警模塊功能并在典型區(qū)域初步驗證。

4.2.4 東北黑土區(qū)侵蝕溝土壤侵蝕模型

在東北黑土區(qū)溝蝕高發(fā)的典型區(qū)域，以農(nóng)田淺溝和切溝為重點，研究侵蝕溝空間分布特征與形成發(fā)育機制，確定侵蝕溝發(fā)展演化的關(guān)鍵驅(qū)動因子，構(gòu)建東北黑土區(qū)侵蝕溝土壤侵蝕模型，支撐智慧水利水土保持分系統(tǒng)水土流失預(yù)報預(yù)警模塊功能并在重點區(qū)域驗證應(yīng)用。

4.2.5 北方風沙區(qū)土壤侵蝕模型

在北方風沙區(qū)的典型風蝕和風水交錯侵蝕區(qū)域，研究風力侵蝕、風水交錯侵蝕發(fā)生機理與過程，確定并率定土壤侵蝕影響因子，構(gòu)建具備風蝕評價和風水交互侵蝕評價功能的北方風沙區(qū)土壤侵蝕模型(以風力侵蝕為主)，支撐智慧水利水土保持分系統(tǒng)水土流失預(yù)報預(yù)警模塊功能并在重點區(qū)域驗證應(yīng)用。

4.2.6 人為水土流失風險預(yù)警模型

針對生產(chǎn)建設(shè)項目人為擾動地表，研究基于遙感和無人機等影像的擾動圖斑智能解譯方法，構(gòu)建具備水土流失風險部位、重點監(jiān)督對象和區(qū)域快速識別，重大項目棄土(渣)場風險評估等功能的人為水土流失風險預(yù)警模型，支撐智慧水利水土保持分系統(tǒng)人為水土流失風險預(yù)警模塊功能并在重點項目驗證應(yīng)用。

4.2.7 水土流失綜合治理智能管理模型

基于區(qū)域水土流失監(jiān)測結(jié)果，研究提出不同空間尺度下的水土流失治理緊迫程序和防治成效的評價指標、量化標準和規(guī)則算法，構(gòu)建具備區(qū)域和小流域水土流失圖斑(地塊)治理優(yōu)先度和防治成效快速評價的水土流失綜合治理智能管理模型，支撐智慧水利水土保持分系統(tǒng)水土流失綜合治理智能管理模塊功能并在重點區(qū)域驗證應(yīng)用。

4.2.8 淤地壩安全度汛“四預(yù)”模型

針對汛期淤地壩上游局地短歷時強降水可能造成的安全度汛風險，研究黃土高原地區(qū)小流域產(chǎn)匯流機理，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)建淤地壩暴雨洪水風險預(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，支撐淤地壩安全度汛管理平臺“四預(yù)”功能。

4.3 建設(shè)智慧水利水土保持分系統(tǒng)，支撐精準化決策

在全國水土保持信息管理系統(tǒng)基礎(chǔ)上，基于七大流域數(shù)字孿生流域建設(shè)，依托國家水利大數(shù)據(jù)中心和國家水利綜合監(jiān)管平臺等項目，對系統(tǒng)現(xiàn)有的水土保持監(jiān)督管理、綜合治理和監(jiān)測評價三個業(yè)務(wù)功能模塊進行升級改造，進一步完善業(yè)務(wù)流程管理、統(tǒng)計分析、綜合查詢、統(tǒng)計報表等功能，優(yōu)化多部門、多業(yè)務(wù)之間的數(shù)據(jù)共享與業(yè)務(wù)協(xié)同功能，開發(fā)水土流失預(yù)報預(yù)警、人為水土流失風險預(yù)警、水土流失綜合治理智能管理三個業(yè)務(wù)功能模塊和淤地壩信息管理系統(tǒng)，開發(fā)多用途水土保持APP和移動終端信息采集、輔助決策功能，建成集水土保持業(yè)務(wù)全生命周期精準管理、快速響應(yīng)、智慧決策和“四預(yù)”功能為一體的智慧水利水土保持分系統(tǒng)，作為智慧水土保持的應(yīng)用平臺，為各級水行政主管部門及相關(guān)單位的精準化決策提供支撐。

4.3.1 水土流失預(yù)報預(yù)警模塊

加強基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、共享數(shù)據(jù)等管理，支撐水土流失預(yù)報預(yù)警數(shù)字化場景集成和動態(tài)更新，開發(fā)水土流失動態(tài)監(jiān)測智能協(xié)作分析等功能，通過重點區(qū)域土壤侵蝕預(yù)報模型、土壤侵蝕模型等，實現(xiàn)對全國不同行政區(qū)及重點區(qū)域水土流失狀況智能評價、水土流失發(fā)展演變趨勢智能分析和及時預(yù)警，為水土流失防治和生態(tài)保護修復(fù)提供決策支持。

4.3.2 人為水土流失風險預(yù)警模塊

加強生產(chǎn)建設(shè)活動監(jiān)管數(shù)據(jù)等管理，支撐人為水土流失風險預(yù)警數(shù)字化場景集成和動態(tài)更新，開發(fā)生產(chǎn)建設(shè)項目智能遙感解譯與判別等功能，實現(xiàn)人為水土流失違法違規(guī)行為精準識別，通過模型智能評估重點生產(chǎn)建設(shè)項目人為水土流失潛在風險及危害，及時發(fā)布推送預(yù)警信息，同時提供移動監(jiān)管APP，為各級水行政主管部門主動履職、超前監(jiān)管、有效提高監(jiān)管效能和風險管控能力提供決策支持。

4.3.3 水土流失綜合治理智能管理模塊

加強水土流失治理項目和治理措施數(shù)據(jù)等管理，支撐水土流失綜合治理智能管理數(shù)字化場景集成和動態(tài)更新，開發(fā)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，為科學(xué)推進水土流失綜合治理和相關(guān)規(guī)劃編制提供決策支持。

4.3.4 淤地壩信息管理系統(tǒng)

開發(fā)淤地壩信息管理系統(tǒng)，完善淤地壩數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)淤地壩快速查詢、統(tǒng)計分析，集成淤地壩安全度汛“四預(yù)”模型和淤地壩安全度汛數(shù)字化場景，實現(xiàn)淤地壩暴雨洪水預(yù)報、風險預(yù)警、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，支撐淤地壩安全度汛管理應(yīng)用，提高淤地壩安全風險主動防御能力。

5 結(jié) 語

在“十四五”時期，智慧水土保持是水土保持進入新階段、高質(zhì)量發(fā)展的重要表征。要結(jié)合智慧水利建設(shè)的總體進度安排，按照“急用先行、成熟先行、分步推進”的思路，有計劃、有步驟地推進智慧水土保持建設(shè)。通過推進數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)與水土保持業(yè)務(wù)的深度融合應(yīng)用，實現(xiàn)水土保持信息智能感知、水土保持管理服務(wù)高效協(xié)同、水土保持監(jiān)督執(zhí)法及時有效、淤地壩運行風險預(yù)判預(yù)案，打破層級界限，支撐水土保持管理活動“數(shù)字化場景、智慧化模擬、精準化決策”，從而最終實現(xiàn)智慧化的水土保持發(fā)展新模式，為新階段水土保持高質(zhì)量發(fā)展提供有力支撐和強力驅(qū)動。