孔祥兵：黄河流域智慧水土保持关键技术集成探讨

孔祥兵( 1983—) ，男，河南范县人，高级工程师，博士，主要研究方向为智慧水土保持与遥感监测。

智慧水土保持建设是新阶段水土保持高质量发展的重要抓手和平台，为黄河流域生态保护和高质量发展提供 了重要支撑。开展智慧水土保持研究是支撑国家战略、促进水土保持高质量发展和技术升级换代的必然要求，当前阶段主要研究内容包括构建水土保持数字化场景、完善水土保持模型、建设智慧水利水土保持分系统和建立水土保持数据管理规则。

总结了现有智慧水土保持理论和技术研究基础，提出了黄河流域智慧水土保持数据准确化、模型精准化、决策精细化的关键技术集成要点。

正文

黄河流域是世界上黄土覆盖面积最大且水土流失最为严重、最为集中的地区，涉及水力、风力、重力、冻融等多种侵蚀类型。新中国成立以来，随着黄河流域水土保持理论、技术和实践的不断创新与发展，黄土高原“一片黄色不见绿”的历史现状已得到初步改变。

按照黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略要求，黄河流域水土保持工作的开展，要以“根子在流域”为出发点，以全面支撑流域经济社会高质量发展为落脚点，统筹考虑上中下游的区位差异，统筹部署近中远期的接续安排，服务于全面建成小康社会、实现国家现代化的战略安排。

按照“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”智慧水利建设总要求，智慧水土保持建设已成为新阶段水土保持高质量发展的重要抓手和平台。智慧水土保持，是以“数字化、网络化、智能化”为主线，以“数字化场景、智慧化模拟、精准化决策”为路径，结合水土保持业务需求，依托数字孪生黄河，构建的具有水土流失状况预报预警、人为水土流失风险预警、水土流失综合治理智能管理、黄土高原淤地坝安全度汛管理等功能的综合应用体系。

智慧水土保持的研究涉及水土保持、遥感、计算机、通信、金融等多个学科，该技术能够支撑黄河流域实现自然水系、经济社会、生态环境三者健康和谐共生的动态平衡，具有重大的理论创新和实践意义。

1 开展智慧水土保持研究的必要性

1.1 支撑国家战略的必然要求

《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》明确要求，“构建智慧水利体系，以流域为单元提升水情测报和智能调度能力”，“科学推进荒漠化、石漠化、水土流失综合治理”。

智慧水土保持分系统是智慧水利建设的重要内容，是新阶段水利高质量发展的显著标志和实施路径之一。开展智慧化的水土保持管理，将为全面推进乡村振兴、黄河流域生态保护和高质量发展、区域协调发展等国家战略提供有力支撑。

1.2 新阶段水土保持高质量发展的必然要求

水土保持高质量发展是一个动态发展提升、阶梯式趋好向上的过程，需要统筹考虑生产生活生态要求、自然地理条件和水土流失规律特点等，抓住主要矛盾和矛盾的主要方面，把握优先顺序。

依托智慧水土保持应用体系，有利于各级管理部门全面掌握水土保持现状、成因及发展趋势，因地制宜、分类精准施策，推进山水林田湖草沙综合治理，把水土流失综合治理与产业结构调整、农业综合生产能力提高和美丽乡村建设有机结合起来，合理配置各项水土保持措施，发挥综合效益，巩固脱贫攻坚成果，助力乡村振兴。

1.3 技术升级换代的必然要求

随着我国信息化建设的高速发展，超级计算机、物联网、大数据、云计算、5G通信、区块链、人工智能等关键技术取得重大突破。然而相较于其他行业，我国水土保持行业的信息化程度较低，主要体现在信息系统功能不完善、应用不充分、数据资源建设不完善、智慧化发展程度不足等方面。

智慧水土保持是水土保持信息化的高级阶段，云计算(服务)、超级计算机等技术将提供强大的算力支持；智能化的监测设备、5G通信、“天空地一体化”的遥感监测与感知、大数据管理等技术将提供完善的算据支持，用于水土保持数字化场景的构建；人工智能、淤地坝安全度汛“四预”模型将提供精准的算法支持，用于水土保持智慧化模拟与精准化决策。信息技术集成应用是智慧水土保持发展的重要基础，也是水土保持技术升级换代的必然要求。

2 智慧水土保持主要内容

智慧水土保持以物理流域为基础，以数字孪生流域为核心，结合水土保持业务管理需求，需要构建具有水土流失状况预报预警、人为水土流失风险预警、水土流失综合治理智能管理、黄土高原淤地坝安全度汛管理等功能的应用体系，其总体架构如图1所示。

当前阶段主要研究内容包括构建水土保持数字化场景、完善水土保持模型、建设智慧水利水土保持分系统和建立水土保持数据管理规则。

2.1 水土保持数字化场景

结合水土保持智慧化管理需求，基于黄河流域下垫面植被相关数据，坡面地形、水系等地理空间数据，降水、气温等监测数据，卫星、无人机遥感等高分辨率影像数据，淤地坝、梯田等水土保持措施数据，以及生产建设项目位置、扰动范围等人为扰动数据，运用多源遥感影像智能解译、多维多时空尺度大数据管理与分析等技术，进行全要素流域数字化映射，

形成能够实现水土保持基础数据动态及时交互更新的水土保持数字化场景，能够全面反映水土流失动态变化及特殊条件下的水土流失状况预报预警数字化场景，能够支撑水土保持监管及人为水土流失风险预警的数字化场景，能够反映水土流失和水土保持措施现状的水土流失综合治理智能管理数字化场景，以及能够反映淤地坝涉及区域及影响区域危害情况的淤地坝安全度汛数字化场景。

2.2 水土保持模型

黄土高原是黄河流域水土流失最严重的地区。在收集分析基础资料、总结既有研究成果的基础上，综合考虑降雨、植被类型、土壤类型、地形地貌特征、人为扰动程度等，研究黄土高原土壤侵蚀机理和过程，率定土壤侵蚀相关因子，构建适合黄土高原的土壤侵蚀模型、小流域重力侵蚀模型。

研究生产建设活动扰动图斑智能判别、风险预警等模型，实现生产建设活动快速识别与提取、人为水土流失的影响分析与评价，为人为水土流失监管和案件查处提供技术支撑。

以大型淤地坝和下游有居民、学校、工矿企业、重要基础设施等的中型淤地坝为重点，构建淤地坝洪水预报预警相关模型，支撑淤地坝安全度汛管理平台“四预”功能。

2.3 智慧水利水土保持分系统

在建立水土保持数字化场景和预报预警模型的基础上，构建具有遥感影像实时解译、“天空地一体化”监管复核等功能的水土流失状况预报预警模块，实现水土流失事件自动分析处理；依托多源遥感影像智能解译、卫星遥感实时接入等技术，构建人为水土流失风险预警模块，实现违法违规行为权威存证、精准定位、影响分析；

完善水土流失综合治理智能管理模块，实现水土流失治理紧迫程度评估及水土保持治理效益评价功能；构建淤地坝暴雨洪水预报、风险预警，以及重要淤地坝洪水淹没及溃坝过程预演、预案调整等功能模块，实现淤地坝安全度汛管理，形成智慧水利水土保持分系统。

2.4 水土保持数据管理规则

基于智慧水利标准与制度体系框架，建立智慧水土保持数据管理目录和管理标准，统一水土保持各类数据格式要求，规范信息采集规则体系；完善水土保持数据采集与更新、存储与管理、审核与汇交、应用与发布等制度；建立水土保持行业上下之间、相关行业部门之间的常态数据共享机制，实现多部门、多层级、多业务、多维度数据的全方位共享，支撑和保障智慧水土保持建设与应用。

3 黄河流域智慧水土保持研究基础

3.1 理论基础

包括土壤侵蚀动力机制与过程模拟、土壤侵蚀与物质迁移、土壤侵蚀与气候变化等。通过对坡面水土流失规律的系统研究，深化对坡面土壤侵蚀发生发展过程动力学机理的认识，形成系统的土壤侵蚀动力学及坡面流水力学理论。

包括侵蚀与产沙耦合机制和侵蚀产沙过程模拟等。通过黄土高原侵蚀产沙“动力－植被”调控机制、坡面－沟道系统水动力学特性及耦合规律、坡面产沙过程与细沟发育的响应关系等研究，揭示降雨、地形、土壤和植被在不同层面上影响侵蚀产沙过程的作用机理。

包括流域泥沙输移规律、坡面及沟道泥沙输移规律及植被减蚀作用机理等。通过原型试验、数值模拟等手段，解释黄河下游河道严重淤积的主要原因，预测黄河未来水沙变化趋势。

包括淤地坝级联级控、坝系平衡、拦沙减蚀效益分析等。通过现场勘查、仿真模拟等，初步构建淤地坝防汛监控预警系统体系。

3.2 技术基础

(1)“天空地一体化”水土保持监测技术。

通过星载遥感影像智能解译(天)、无人机遥感数据高效分析(空)、野外精准快速调查(地)的有机融合，建立水土保持数字孪生感知体系，实现对生产建设项目水土流失远程精准监管和水土保持监测指标自动化提取，为数字孪生流域数据底板的构建提供技术支撑。

(2)水土保持生态评估技术。

通过黄土高原侵蚀地面光谱成像测量技术，综合高光谱、激光雷达技术，开展林草措施时空变化遥感动态监测、生态环境关键参数遥感定量反演等，实现林草质量与水土保持功能相关性监测评估、水土流失区生态环境健康诊断、生态系统生产力水平与维持能力评估等功能，为水土流失智慧化治理提供专家知识库。

(3)黄土高原重力侵蚀观测技术。

通过激光雷达、无人机遥感等手段，精准获取了重力侵蚀发生的位置、规模等信息，有利于重力侵蚀发展过程及时空分布特征研究等工作的高效开展，为黄土高原复杂土壤侵蚀机理研究提供数据支撑。

(4)多尺度土壤侵蚀数学模型。

通过产汇流、产汇沙在不同时空尺度的关键因子分析，建立相应尺度水沙输移过程的计算机描述方式，研发集成大尺度土壤侵蚀经验模型、中尺度产汇沙经验模型以及小尺度产流产沙机理模型，为智慧水土保持模型平台建设提供模型支撑。

4 智慧水土保持下一步研究重点分析

4.1 高精度数字孪生数据底板建设

作为智慧水土保持的基础设施，高精度的数字孪生流域数据底板，将为水土保持数字化场景、智慧化模拟、精准化决策等提供数据保障。对于极端降雨事件造成的水土流失，受地形变化影响，传统的水土流失地面调查与监测手段存在定位精度低、测量误差大等问题，无法实现对水土流失危害的精准定位、准确评估、定量评价。

激光雷达是一种可以精确、快速获取目标三维空间信息的主动探测技术，在目标的识别、分类和高精度三维成像及测量方面有着独特的技术优势，能够实现探测区域厘米级精度地形信息的快速获取。运用先进的传感器技术、移动互联网技术和大数据分析技术，开展野外水土流失精准监测与分析，将为土壤侵蚀发生机理、数学模型参数率定、水土保持措施效益评价等提供可靠的数据支撑，为智慧水土保持提供高精度的数据底板。

4.2 水土流失综合治理智能管理

理论上，各类水土保持措施按不同比例配置构成的综合治理体系，其拦蓄减蚀效应是一个高阶的非线性响应函数。水土保持措施减蚀减沙作用与降雨、土壤、地形、水土保持措施配置比例等因素紧密相关，不同治理措施在空间上如何优化布局，在极端降雨条件下能够达到什么效果，是当前黄河流域治理与保护一个薄弱点。

基于高精度水土保持数据底板，建立水土保持措施时空动态变化数据库，开展水土保持措施布局方案快速寻优研究，将为正确评估黄土高原水土保持措施的减蚀减沙作用提供新的解决思路，对黄河流域水土保持战略布局优化、上中下游统筹考虑及精准治理具有重要意义。

4.3 黄土高原次暴雨土壤侵蚀模型

黄土高原水土流失的泥沙主要来自于丘陵沟壑区的沟道，受沟道种类繁多、地形复杂、调查难度高等因素的制约，沟道侵蚀的发生过程和特征仍不明晰，造成在黄土高原土壤侵蚀模型研发与应用过程中，出现了水土流失过程机理不清晰、预测预报不准确等问题。目前，尚未建立一个适用范围广、运行效率高的黄土高原土壤侵蚀模型体系。

随着智慧水土保持的高标准建设，黄土高原土壤侵蚀模型研发将在算据、算力等方面有极大的提升，如何利用现有技术优势，统筹建立考虑点状边界条件(淤地坝、水库、大坝等)、面状边界条件(梯田、林草等)的，可以对极端暴雨快速响应的分布式土壤侵蚀模型，是未来更加有效预测黄河流域水沙趋势、评估洪涝灾害的手段。

4.4 淤地坝安全度汛“四预”模型

淤地坝是黄土高原地区水土保持、淤地造田、改善交通、保护生态的重要工程设施。然而，早期淤地坝的建设多为群众自发行为，建设标准不高。随着使用时间的推移，淤地坝的防洪能力在不断衰减，尤其在极端降雨情况下，淤地坝的安全度汛成为汛期的重点工作，水毁灾害成了困扰黄土高原地区淤地坝建设发展的瓶颈。

针对极端降雨事件，开展淤地坝安全度汛风险预测和评估研究，构建淤地坝暴雨洪水风险预报预警模型、全流程业务化情景预演模型及预案优化组合模型，将有效提高淤地坝安全度汛能力，提升淤地坝安全度汛管理水平，实现淤地坝预警、预报、预演、预案功能。

4.5 水土保持碳汇效应智慧应用

水土流失引起的植被生产力降低和土壤有机碳迁移，对生态系统的碳循环和碳排放等有极大的影响。有研究表明，全球84%的土地退化是由土壤侵蚀引起的，黄土高原水土流失问题严重制约了黄河流域生态系统的碳吸收能力。

在国家2030年碳达峰、2060年碳中和的目标下，开展水土保持碳汇效应研究，是水土保持措施效益评价不可缺少的一方面。建立水土保持生态修复与碳中和的综合考核指标体系，将为水土保持措施战略布局优化提供思路，因此应提升智慧水土保持知识平台深度与广度，进一步挖掘水土保持碳汇增长潜力。

5 结语

土壤侵蚀模型是智慧水土保持的核心，具有生成动态链接数据底板、调用云平台算力资源、形成知识平台业务规则等功能，对水土保持影响区域的互动过程模拟仿真和推演具有重要作用，是集成各项关键技术的驱动力。

黄河流域智慧水土保持是运用物联网、云计算、大数据、区块链等新兴技术，以“数字化、网络化、智能化”为主线，以“数字化场景、智慧化模拟、精准化决策”为路径，结合水土保持业务需求，依托数字孪生黄河，构建的具有水土流失状况预报预警、人为水土流失风险预警、水土流失综合治理智能管理、黄土高原淤地坝安全度汛管理等功能的综合应用体系。

新阶段水土保持的高质量发展，需要在数据准确化、模型精准化、决策精细化方面进一步加强，有力支撑黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略的实施。