赵永军，马松增，罗志东，程 复
(1.水利部 水土保持监测中心，北京 100055；
2.河南省水土保持监测总站，河南 郑州 450008)
“十四五”时期是我国乘势而上开启全面建设社会主义现代化国家新征程、向第二个百年奋斗目标进军的第一个五年，也是加快生态文明建设和经济高质量发展的攻坚时期。国家战略的重大布局、智慧水利的迫切需求、新技术的快速发展以及水土保持高质量发展的新理念，对智慧水土保持建设提出了新的更高要求。智慧水土保持作为智慧水利建设“2+N”体系的重要组成部分，是水利部党组全面落实习近平总书记的“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”十六字治水思路的重要部署，是“十四五”时期深入推进水土保持高质量发展的重要举措。
1.1 建设现状
(1)数据资源建设日益丰富。按照水利部党组提出的“以水利信息化带动水利现代化”的发展思路，结合全国土壤侵蚀普查、水土流失动态监测、水土保持遥感监管等工作，积极推动水土保持数据资源建设。数据内容涉及基础地理、监督管理、综合治理、动态监测和遥感监管等方面。目前，部级水土保持数据存储量已达41 TB左右，通过信息系统应用为水土保持管理决策提供了有效支撑。
(2)信息系统开发与应用全面推进。为满足新时期水土保持信息化业务发展需求，和构建安全便捷的信息系统、及时准确的信息服务体系和科学高效的水土保持决策支撑体系，提升水土保持行业管理和科学决策水平，水利部组织开发了涵盖监督管理、综合治理和监测评价等业务的全国水土保持信息管理系统。在统一、共性开发与应用的基础上，部分省(市、区)和地方水土保持管理部门根据本地业务特色实际需要，自行开发建设本级信息管理系统。
(3)信息技术与水保业务融合探索初见成效。近年来，水利部持续推进“3S”、移动通信、智能终端、无人机等先进技术手段在水土保持监管工作中的应用，加快实现水土保持信息化监管，构建天地一体、上下协同、信息共享的联动机制，全面提升了水土保持监管的科学性、针对性和时效性，提高了水土保持监管的现代化水平和能力，在防治水土流失、促进生态文明建设方面发挥了重要作用[1]。
1.2 问题与差距
当前，水土保持信息化工作取得一定成效，信息化监管手段持续发挥效力，但对标智慧水利建设要求以及水土保持高质量发展需要，水土保持信息化工作还存在明显不足。主要表现在：
(1)数据资源体系不完善。水土保持基础数据不全面不完整，数据质量不高，难以形成长序列，特别是一些业务缺乏空间矢量化数据，数字化基础不扎实；
数据资源采集手段相对落后，内部数据资源整合程度不高，行业内、部门间数据共享互通机制不够顺畅。
(2)应用智慧化程度不高。智能监测感知网络不适应水土保持业务和行政管理需要；
现有水土保持模型不足以支撑智能化模拟和精准化决策；
当前全国水土保持信息管理系统业务智能应用不满足水土保持高质量发展要求。
(3)基础保障条件薄弱。信息存储、计算、传输等设施设备相对落后，存储资源不够，无法满足大数据平台以及数字孪生等应用需求；
网络安全防护体系仍有不足；
组织体系和规章制度尚不完善，人才队伍和资金保障偏弱。
“十四五”时期，在智慧水利顶层设计框架下，结合水土保持业务管理实际需求，搭建水土保持数字化场景，研发水土保持预报预警模型，建设智慧水利水土保持分系统，完善水土保持数据管理规则体系，加快构建具有水土流失预报预警、人为水土流失风险预警、水土流失综合治理智能管理、淤地坝安全度汛预报、预警、预演、预案“四预”等功能的智慧水土保持应用体系，驱动水土保持高质量发展，为国家生态文明建设提供有力支撑。
按照智慧水利顶层设计，以水土保持改革发展目标任务为先导，集约化利用基础设施，构建形成“一引擎三驱动”的总体框架，即水土保持预报预警模型等智能算法为引擎，通过水土保持数字化场景驱动对物理世界水土保持对象和要素的直观刻画认知，通过智慧水利水土保持分系统驱动业务治理与业务管理的高效有序开展，通过水土保持数据管理规则驱动智慧水土保持建设成果的持续提升应用，详见图1。
图1 智慧水土保持建设总体框架
3.1 基础设施
智慧水利基础设施为业务应用提供各类数据感知汇集、多网通信、大规模存储、高性能计算和安全保障的基础能力。主要包括传感、定位、视频、遥感等技术相关设施，如感知水土保持对象与要素的水土保持监测网；
根据不同环境条件连通五级水行政主管部门通信的水利信息网，为智慧水土保持提供“算力”的水利云，保障安全的网络安全体系，服务于淤地坝信息管理系统的淤地坝安全感知监控体系。
3.2 水土保持数字化场景
水土保持数字化场景是通过数据整合、治理、共享、仿真模拟等技术手段将物理水土保持对象及其影响区域按照全国、重点区域、重点对象等地理空间尺度，以二维矢量、三维精细模型的形式映射到数字空间。水土保持数字化场景为业务智慧应用提供“算据”支撑。主要包括水土保持数据底板和水土保持基础、水土流失预报预警、人为水土流失风险预警、水土流失综合治理智能管理、淤地坝安全度汛场景等内容。
3.3 水土保持预报预警模型
水土保持预报预警模型是通过数学模型模拟生态环境、水土保持对象及影响区域的时空强度和数量级关系、变化的水土保持专业模型。水土保持预报预警模型为业务智能应用提供准确、快速的“算法”支撑。主要包括土壤侵蚀预报、人为水土流失风险预警、水土流失综合治理智能管理、淤地坝安全度汛“四预”4类8个模型。
3.4 智慧水利水土保持分系统
水土保持分系统是智慧水土保持的“功能表现”，水土保持精准管理、快速响应和智慧决策等将通过业务应用得以发挥。主要包括水土流失预报预警、人为水土流失风险预警、水土流失综合治理智能管理、淤地坝信息管理等四大业务功能板块。
3.5 淤地坝信息管理系统
淤地坝信息管理系统是水土保持分系统的重要组成部分，是在数字化场景的基础上，融合淤地坝安全度汛管理“四预”模型，对淤地坝安全进行实时感知，对利用状况进行监控，对淤地坝安全度汛情况进行预报、预警、预演、预案，各级淤地坝安全度汛管理责任方、社会公众及时获取预警信息的重要窗口和工作平台。
3.6 水土保持数据管理规则
水土保持数据管理规则是推进系统应用、强化信息更新、保障数据质量、促进数据资源共享、明确责任考核的系列规范要求，作用于智慧水土保持建设的各个方面，主要包括水土保持数据采集与更新、存储与管理、应用与发布等标准体系和政策制度，以及水土保持部门上下级之间、水土保持相关行业部门之间的数据共享机制。
4.1 推进水土保持数据资源建设，构建数字化场景
在全国全覆盖智慧水利数字孪生流域L1级数据底板及七大流域重点区域L2级、重点对象L3级水土保持数据底板的基础上，叠加并扩充水土保持数据库有关数据，构建基础场景及水土流失预报预警、人为水土流失风险预警、水土流失综合治理智能管理、淤地坝安全度汛数字化场景层，形成一图集成、及时更新、按需调用的智慧水土保持数字化场景，为水土保持智能模拟与精准决策提供基础支撑。
4.1.1 水土保持基础数字化场景
调用智慧水利数字孪生流域L1级数据底板，在中等精度数字地形数据和高分辨率卫星遥感影像、干支流水系等数据基础上，由各流域管理机构在数字孪生平台L2级数据底板建设中，补充定制水土流失严重地区和坡耕地、侵蚀沟、淤地坝、崩岗集中分布区卫星遥感影像及地形数据，并进行复核、更新和汇交，形成包含全国范围、重点流域和重点区域的水土保持数字化映射，作为各项水土保持管理业务共同使用的基础数字化场景。
4.1.2 水土流失预报预警数字化场景层
在水土保持基础数字化场景上，根据水土流失预报预警工作需要，叠加并扩充水土保持监测站点定位观测及全国、重点区域水土流失动态监测数据，开发降水、气象等实时数据接入功能，补充极端降雨、重大灾害事件影响区域水土流失预报评价所需算据，生成全面反映水土流失动态变化及特殊条件下水土流失危害程度的数字化场景。
4.1.3 人为水土流失风险预警数字化场景层
在水土保持基础数字化场景上，根据人为水土流失风险预警工作需要，叠加并扩充生产建设项目位置、扰动面积等监管数据及重点项目水土流失防治责任范围、防治措施、高分辨率卫星遥感或无人机正射影像、特殊部位实时监控等数据，生成生产建设项目及周边影响区域的数字化场景，支撑人为水土流失监管及风险预警。
4.1.4 水土流失综合治理智能管理数字化场景层
在水土保持基础数字化场景上，叠加并扩充以小流域为单元的土地利用和水土流失现状、水土保持综合治理措施及成效等数据，生成反映水土流失综合治理紧迫程度及治理项目预期效益的数字化场景。
4.1.5 淤地坝安全度汛数字化场景层
在数字孪生黄河和水土保持基础数字化场景上，根据淤地坝安全度汛管理需要，叠加并扩充大型淤地坝及重点中型坝的位置、类型、分布、工程参数、流域下垫面以及周边社会经济数据，利用遥感、遥测、实时监控等，生成单坝和坝系涉及流域及影响区域的数字化场景。
4.2 研发水土保持预报预警模型，开展智慧化模拟
充分利用现有数据成果，广泛借智聚力，强化综合集成，分步有序推进，分区分类研究，逐步形成覆盖全国不同类型区域、不同侵蚀类别、不同应用需求的“1+7”模型体系(组)，有效支撑水土保持工作更加科学化、高效化、精准化。围绕全国水土保持管理需求，重点开展八方面模型研究工作。
4.2.1 全国水土流失动态监测模型
基于现有全国水土流失动态预报模型框架，以水力侵蚀为重点，开展模型因子及其算法/取值优化，重点在坡长和坡度因子及其信息尺度转化，建设用地人为扰动、水土保持工程质量和多种作物种植比例的侵蚀影响量化等方面有所进步；
基于智慧水利水土保持分系统构架，开发全国水土流失动态监测模型系统模块。在重点区域土壤侵蚀模型基础上，同步研究基于动力侵蚀的次暴雨模型、流域尺度产沙与泥沙输移模型。
4.2.2 西北黄土高原土壤侵蚀模型
综合考虑降雨、植被类型、土壤类型、地形地貌特征、人为扰动程度等因素，研究黄土高原区土壤侵蚀机理和过程，确定并率定土壤侵蚀关键因子，构建以水力侵蚀为主的西北黄土高原土壤侵蚀模型，支撑智慧水利水土保持分系统水土流失预报预警模块功能。
4.2.3 西北黄土高原重力侵蚀模型
在黄土高原重力侵蚀高发的典型区域，选择典型流域(小流域)开展监测，研究重力侵蚀发生机理和过程，提出西北黄土高原典型流域(小流域)重力侵蚀模型原型，支撑智慧水利水土保持分系统水土流失预报预警模块功能并在典型区域初步验证。
4.2.4 东北黑土区侵蚀沟土壤侵蚀模型
在东北黑土区沟蚀高发的典型区域，以农田浅沟和切沟为重点，研究侵蚀沟空间分布特征与形成发育机制，确定侵蚀沟发展演化的关键驱动因子，构建东北黑土区侵蚀沟土壤侵蚀模型，支撑智慧水利水土保持分系统水土流失预报预警模块功能并在重点区域验证应用。
4.2.5 北方风沙区土壤侵蚀模型
在北方风沙区的典型风蚀和风水交错侵蚀区域，研究风力侵蚀、风水交错侵蚀发生机理与过程，确定并率定土壤侵蚀影响因子，构建具备风蚀评价和风水交互侵蚀评价功能的北方风沙区土壤侵蚀模型(以风力侵蚀为主)，支撑智慧水利水土保持分系统水土流失预报预警模块功能并在重点区域验证应用。
4.2.6 人为水土流失风险预警模型
针对生产建设项目人为扰动地表，研究基于遥感和无人机等影像的扰动图斑智能解译方法，构建具备水土流失风险部位、重点监督对象和区域快速识别，重大项目弃土(渣)场风险评估等功能的人为水土流失风险预警模型，支撑智慧水利水土保持分系统人为水土流失风险预警模块功能并在重点项目验证应用。
4.2.7 水土流失综合治理智能管理模型
基于区域水土流失监测结果，研究提出不同空间尺度下的水土流失治理紧迫程序和防治成效的评价指标、量化标准和规则算法，构建具备区域和小流域水土流失图斑(地块)治理优先度和防治成效快速评价的水土流失综合治理智能管理模型，支撑智慧水利水土保持分系统水土流失综合治理智能管理模块功能并在重点区域验证应用。
4.2.8 淤地坝安全度汛“四预”模型
针对汛期淤地坝上游局地短历时强降水可能造成的安全度汛风险，研究黄土高原地区小流域产汇流机理，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，支撑淤地坝安全度汛管理平台“四预”功能。
4.3 建设智慧水利水土保持分系统，支撑精准化决策
在全国水土保持信息管理系统基础上，基于七大流域数字孪生流域建设，依托国家水利大数据中心和国家水利综合监管平台等项目，对系统现有的水土保持监督管理、综合治理和监测评价三个业务功能模块进行升级改造，进一步完善业务流程管理、统计分析、综合查询、统计报表等功能，优化多部门、多业务之间的数据共享与业务协同功能，开发水土流失预报预警、人为水土流失风险预警、水土流失综合治理智能管理三个业务功能模块和淤地坝信息管理系统，开发多用途水土保持APP和移动终端信息采集、辅助决策功能，建成集水土保持业务全生命周期精准管理、快速响应、智慧决策和“四预”功能为一体的智慧水利水土保持分系统，作为智慧水土保持的应用平台，为各级水行政主管部门及相关单位的精准化决策提供支撑。
4.3.1 水土流失预报预警模块
加强基础数据、监测数据、共享数据等管理，支撑水土流失预报预警数字化场景集成和动态更新，开发水土流失动态监测智能协作分析等功能，通过重点区域土壤侵蚀预报模型、土壤侵蚀模型等，实现对全国不同行政区及重点区域水土流失状况智能评价、水土流失发展演变趋势智能分析和及时预警，为水土流失防治和生态保护修复提供决策支持。
4.3.2 人为水土流失风险预警模块
加强生产建设活动监管数据等管理，支撑人为水土流失风险预警数字化场景集成和动态更新，开发生产建设项目智能遥感解译与判别等功能，实现人为水土流失违法违规行为精准识别，通过模型智能评估重点生产建设项目人为水土流失潜在风险及危害，及时发布推送预警信息，同时提供移动监管APP，为各级水行政主管部门主动履职、超前监管、有效提高监管效能和风险管控能力提供决策支持。
4.3.3 水土流失综合治理智能管理模块
加强水土流失治理项目和治理措施数据等管理，支撑水土流失综合治理智能管理数字化场景集成和动态更新，开发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，为科学推进水土流失综合治理和相关规划编制提供决策支持。
4.3.4 淤地坝信息管理系统
开发淤地坝信息管理系统，完善淤地坝数据库，实现淤地坝快速查询、统计分析，集成淤地坝安全度汛“四预”模型和淤地坝安全度汛数字化场景，实现淤地坝暴雨洪水预报、风险预警、重要淤地坝洪水淹没及溃坝过程预演、预案调整等功能，支撑淤地坝安全度汛管理应用，提高淤地坝安全风险主动防御能力。
在“十四五”时期，智慧水土保持是水土保持进入新阶段、高质量发展的重要表征。要结合智慧水利建设的总体进度安排，按照“急用先行、成熟先行、分步推进”的思路，有计划、有步骤地推进智慧水土保持建设。通过推进数字孪生、大数据、人工智能等技术与水土保持业务的深度融合应用，实现水土保持信息智能感知、水土保持管理服务高效协同、水土保持监督执法及时有效、淤地坝运行风险预判预案，打破层级界限，支撑水土保持管理活动“数字化场景、智慧化模拟、精准化决策”，从而最终实现智慧化的水土保持发展新模式，为新阶段水土保持高质量发展提供有力支撑和强力驱动。
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