新時代水土保持監(jiān)測技術(shù)體系

史明昌, 趙永軍

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院, 100083, 北京; 2.水利部水土保持監(jiān)測中心, 100053, 北京)

1 水土保持監(jiān)測現(xiàn)狀及評價

隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展,人們在擺脫貧困實現(xiàn)小康之后對優(yōu)美生態(tài)環(huán)境的需求日益強烈,生態(tài)文明建設(shè)的地位和作用日益凸顯。國家提出了生態(tài)文明戰(zhàn)略,統(tǒng)籌產(chǎn)業(yè)發(fā)展、鄉(xiāng)村振興和生態(tài)安全,把美麗中國建設(shè)擺在更加突出的位置。中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于加強新時代水土保持工作的意見》,明確指出“水土保持是江河保護治理的根本措施,是生態(tài)文明建設(shè)的必然要求”“構(gòu)建以監(jiān)測站點監(jiān)測為基礎(chǔ)、常態(tài)化動態(tài)監(jiān)測為主、定期調(diào)查為補充的水土保持監(jiān)測體系”“按年度開展全國水土流失動態(tài)監(jiān)測,及時定量掌握全國各級行政區(qū)及重點流域、區(qū)域水土流失狀況和防治成效”,為水土保持監(jiān)測指明了工作方向。因此,完善水土保持監(jiān)測技術(shù)體系,開展常態(tài)化動態(tài)監(jiān)測,為水土保持生態(tài)保護治理成效評估和政策擬定等提供強有力的技術(shù)支撐,已經(jīng)成為新時代亟待研究的重要課題。

1.1 新時代水土保持特點

1)水土流失治理無用地手續(xù)依托,高強度整治難以為繼。水土保持是在不改變土地權(quán)屬的基礎(chǔ)上開展水土流失預(yù)防和治理,不可避免地存在著土地開發(fā)利用與生態(tài)保護治理爭地的矛盾,加上農(nóng)村土地實行了“集體所有權(quán)、農(nóng)戶承包權(quán)、土地經(jīng)營權(quán)”三權(quán)分置,擁有土地使用權(quán)的經(jīng)營方多注重土地的經(jīng)濟產(chǎn)出,按照以往的以小流域為單元、土地利用全面規(guī)劃的系統(tǒng)治理模式已難以實施[1]。因此,需要對流域空間進行地表侵蝕過程分析,精準(zhǔn)研判水土流失的關(guān)鍵節(jié)點及路徑、危害程度和形式、影響范圍和可能損失,僅針對水土流失關(guān)鍵節(jié)點精準(zhǔn)施治,這就要求水土流失監(jiān)測從理論和技術(shù)上要有新的突破,注重水土流失圖斑落地和泥沙的匯聚輸移。

2)經(jīng)過近40年連續(xù)的大規(guī)模治理和城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展,水土流失治理工作轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展[2]。一方面,從大尺度關(guān)注水土保持對區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的支撐,轉(zhuǎn)向強調(diào)水土保持區(qū)域主體功能,如保糧食、大型水庫、河流安全等。這就需要從時空格局上分析和把握水土保持與區(qū)域產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)系;另一方面,當(dāng)面上的水土流失得到初步控制以后,土地使用者轉(zhuǎn)向關(guān)注承包土地的持續(xù)受益,要求實施占地少、標(biāo)準(zhǔn)高、景觀美、投入少、產(chǎn)出高等方面的治理措施,使治理難度明顯增加。同時,由于城鎮(zhèn)化人口聚集,以往治理達到中度或輕度即水土流失得到基本控制的標(biāo)準(zhǔn),已經(jīng)不能滿足人民群眾對生態(tài)環(huán)境的需求。再者,不同行業(yè)仍然存在認(rèn)知上的差距,經(jīng)果林和針葉林導(dǎo)致的“隱形”水土流失沒有得到應(yīng)有的重視,需要制訂相應(yīng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),用以約束生產(chǎn)建設(shè)項目或生態(tài)保護治理工程科學(xué)實施;急需侵蝕溯源、措施類型及位置比選、治理效果等監(jiān)測數(shù)據(jù)來支撐,要求水土保持監(jiān)測工作精準(zhǔn)化、定量化,全過程監(jiān)測[3]。

3)基礎(chǔ)設(shè)施保護需求加大,流域水沙過程調(diào)控將成為水土保持的重要目標(biāo)。近年來我國高速鐵路、高速公路等基礎(chǔ)設(shè)施以及水庫、人工濕地等建設(shè)發(fā)展迅速,這類工程很多建設(shè)在中小河流上并且需要長期運行。因此,需要加強水沙的時空動態(tài)過程監(jiān)測與建模精準(zhǔn)定量分析,以指導(dǎo)全流域治理措施的科學(xué)布局,從不同尺度的流域上進行水沙調(diào)控。

1.2 水土保持監(jiān)測的現(xiàn)狀與問題

我國水土保持監(jiān)測工作可追溯到20世紀(jì)70年代,主要在黃河流域的幾個試驗站開展,在重點治理區(qū)也配套開展了治理效益監(jiān)測的內(nèi)容。作為全國普及性開展水土保持監(jiān)測工作始于1984年,在水利部統(tǒng)一部署下,利用三因子方法由縣級水利部門在1∶10萬地形圖上進行現(xiàn)場調(diào)查,最終形成全國紙質(zhì)土壤侵蝕圖。1996—1998年,由水利部水土保持監(jiān)測中心組織,利用三因子方法采用30 m分辯率遙感影像進行了全國土壤侵蝕的監(jiān)測普查。常態(tài)化的水土流失監(jiān)測工作則從2000年開始。2002年,國家立項建設(shè)全國水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),2005年建成全國監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系,各級監(jiān)測機構(gòu)克服各種困難使水土保持常規(guī)監(jiān)測走出了第一步。2007年開始,水利部水土保持監(jiān)測中心開始在國家級水土流失重點防治區(qū)選取典型區(qū)域進行動態(tài)監(jiān)測,2012年7個流域機構(gòu)水土保持中心站加入,對國家級水土流失重點防治區(qū)開展了較大范圍的水土流失定量監(jiān)測。2018年,所有省(區(qū))都參與進來,利用遙感和地理信息系統(tǒng)采用中國土壤流失方程(Chinese Soil Loss Equation,CSLE)模型開展動態(tài)監(jiān)測[4],首次實現(xiàn)了全國范圍水土保持監(jiān)測全覆蓋,并延續(xù)至今。截至目前,全國共有各類水土保持監(jiān)測站點826個(包括坡面徑流小區(qū)和小流域卡口站)。

1.2.1 水土保持監(jiān)測現(xiàn)狀 水土保持監(jiān)測工作的重點是小流域綜合治理和預(yù)防監(jiān)督,主要包括面向全國的常規(guī)水土流失監(jiān)測和生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測2大類[5-6]。生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測以企業(yè)服務(wù)形式為主,參考常規(guī)水土保持監(jiān)測開展工作,主要針對水土流失防治責(zé)任范圍內(nèi)可能產(chǎn)生的水土流失及防治效果,也稱人為水土流失監(jiān)測。常規(guī)水土流失監(jiān)測可分為2類,即監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中的定點觀測和面上土壤侵蝕估算。目前水土流失監(jiān)測以土壤侵蝕監(jiān)測為主,在監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)布局上還是以水蝕監(jiān)測為主,其他類型的侵蝕監(jiān)測僅有個別的實驗站,可獲得的數(shù)據(jù)十分有限,水的流失僅在觀測小區(qū)或?qū)嶒炐×饔蛴杏^測數(shù)據(jù),常規(guī)監(jiān)測點主要在3°～25°的5 m×20 m標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)上配置不同的措施,監(jiān)測每場降雨徑流與產(chǎn)沙總量,對流域出水量還不能做到全面計算。在實際工作中,由于我國地形復(fù)雜、土壤地質(zhì)條件分異性大、地表覆蓋類型豐富,徑流小區(qū)觀測的數(shù)據(jù)對面上土壤侵蝕模型的支撐能力有限。

1.2.2 水土保持監(jiān)測存在的問題

1)監(jiān)測目標(biāo)存在局限性,難以支撐生態(tài)文明建設(shè)與政府目標(biāo)責(zé)任考核的需求。黨十八大以前,水土保持監(jiān)測目標(biāo)只考慮水土保持工作本身的需求,監(jiān)測點的布局缺乏從水土流失類型、國土空間、區(qū)域經(jīng)濟格局等方面的系統(tǒng)分析,監(jiān)測范圍小,觀測設(shè)施只有徑流小區(qū)和單一的小流域卡口站,觀測停留在單一措施或單一類型上,常規(guī)水蝕監(jiān)測缺乏不同尺度的流域嵌套式水沙觀測設(shè)施設(shè)備,風(fēng)蝕、凍融、重力侵蝕和混合侵蝕等監(jiān)測幾乎空白[7-10]。林業(yè)農(nóng)業(yè)等其他行業(yè)在國土空間的水土保持貢獻和影響考慮不全。

2)監(jiān)測站點基礎(chǔ)設(shè)施難以支撐水土流失定量精準(zhǔn)計算的需要。受水土保持監(jiān)測的需求和作用所限,研發(fā)水土流失自動監(jiān)測專用設(shè)備的企業(yè)較少,數(shù)據(jù)獲取以人工觀測為主,只能獲得一場降水的侵蝕總量,不同的降雨量、降雨強度、降雨過程等在不同的流域空間上對水沙從坡面到溝道、從上游到下游的過程尚未監(jiān)測。監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)尚不具備實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動獲取、傳輸、存儲和統(tǒng)計分析的能力[11]。

3)缺乏水沙過程動態(tài)模型支撐全國水土流失定量精準(zhǔn)測算,難以支撐大尺度的水土保持空間管控需要。由于缺乏嵌套式流域水沙過程地面監(jiān)測數(shù)據(jù)支撐,不同地理條件下從坡面到溝道、從上游到下游具有流域拓?fù)潢P(guān)系的水沙過程模擬停留在理論階段,用于精準(zhǔn)測算大尺度水土流失的實用模型亟待研發(fā)以支撐大數(shù)據(jù)快速計算[12-13]。

4)土壤侵蝕的各因子空間分布數(shù)據(jù)與地面監(jiān)測數(shù)據(jù)的差異性尚未得到有效擬合。當(dāng)前開展的面上土壤侵蝕估算模型各因子的系數(shù)來源于徑流小區(qū)觀測數(shù)據(jù),在局部坡面尺度上的土壤侵蝕估算較為準(zhǔn)確,但放到流域尺度上進行全國估算只能借助遙感和GIS手段獲得因子空間分布數(shù)據(jù)[14]。這種采用格網(wǎng)計算方法獲得的侵蝕因子空間數(shù)據(jù)與地面觀測數(shù)據(jù)也存在物理意義上的差異,難以反映實際情況。

2 新時代水土保持監(jiān)測目標(biāo)與任務(wù)

2.1 監(jiān)測目標(biāo)

水土保持應(yīng)圍繞經(jīng)濟社會發(fā)展戰(zhàn)略布局,按照水土流失類型及其分區(qū)情況,建設(shè)全國典型地表水沙過程智能化監(jiān)測站,完善并形成地表水沙過程分布式實時計算大數(shù)據(jù)云平臺,動態(tài)把握不同流域或區(qū)域的地表侵蝕量及其過程,為基礎(chǔ)設(shè)施安全、為水土保持、生態(tài)修復(fù)、災(zāi)害防治、國土優(yōu)化利用、農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)、居民生活等提供理論和技術(shù)支撐,為行政管理提供可靠依據(jù)。水土保持監(jiān)測應(yīng)重點解決以下3方面問題:

1)圍繞國家生態(tài)戰(zhàn)略和經(jīng)濟發(fā)展布局,以水土保持功能為導(dǎo)向定量精準(zhǔn)研判水土流失及其危害時空動態(tài)格局,有效識別引發(fā)水土流失的關(guān)鍵結(jié)點和路徑,從不同尺度上掌握水沙來源和去向,為水土保持規(guī)劃和治理提供理論依據(jù),使小流域治理理論由定性向定量轉(zhuǎn)變,實現(xiàn)新形勢下小流域系統(tǒng)性靶向治理。

2)用監(jiān)測成果為經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展提供理論和技術(shù)保障。通過監(jiān)測取得的地表侵蝕過程時空動態(tài)數(shù)據(jù),指導(dǎo)水土流失防治布局,保障河流、鐵路、公路、橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施安全運行,并為政府的水土保持生態(tài)目標(biāo)責(zé)任考核提供定量依據(jù)。

3)把握生態(tài)文明良機拓展水土保持的社會服務(wù)能力。通過水土保持監(jiān)測的支撐,推動擺脫傳統(tǒng)水土保持束縛,把水土保持沒有專屬領(lǐng)地的劣勢轉(zhuǎn)化成無空間地域限制的優(yōu)勢,針對不同行業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營活動制訂一系列技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),并依據(jù)監(jiān)測結(jié)果督促各行業(yè)的生產(chǎn)建設(shè)與運營管理活動,為水土保持贏得更廣闊的政策空間。

2.2 監(jiān)測任務(wù)

根據(jù)新時代水土保持監(jiān)測的目標(biāo),今后的水土保持監(jiān)測需要承擔(dān)以下任務(wù)。

1)建設(shè)并完善智能化水土保持監(jiān)測站網(wǎng)。在當(dāng)前水土保持監(jiān)測站網(wǎng)基礎(chǔ)上,根據(jù)我國土壤侵蝕類型空間格局,科學(xué)布局各類型智能水土流失長期監(jiān)測站,實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)根據(jù)水土流失發(fā)生的時間段自動獲取時間序列數(shù)據(jù)并實時上傳入庫。

2)建設(shè)水土保持監(jiān)測大數(shù)據(jù)云服務(wù)平臺。建設(shè)集中式數(shù)據(jù)倉庫,統(tǒng)一存儲和管理全國水土保持監(jiān)測、模型、因子空間參數(shù)及成果數(shù)據(jù),有條件的省份可以本地備份本省數(shù)據(jù)或加密監(jiān)測站點,通過云服務(wù)技術(shù)實現(xiàn)水利部、省、流域機構(gòu)、市、縣不同用戶共享,根據(jù)各級權(quán)限下載本區(qū)域數(shù)據(jù)。

3)建立地表侵蝕過程機理模型。聯(lián)合高校等研究機構(gòu),充分利用已有研究基礎(chǔ),利用動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù),建立適合不同水土流失類型和區(qū)域特征的分布式地表侵蝕過程模型,用于支撐全國任意區(qū)域、任意斷面、指定時段的水土流失量精準(zhǔn)計算。

4)智能化標(biāo)準(zhǔn)化獲取水土流失影響因子空間數(shù)據(jù)。根據(jù)水土流失因子的內(nèi)涵定義各因子分類分級標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合地面臨時抽樣數(shù)據(jù),利用地理大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)獲取水土流失影響因子年度更新的本底數(shù)據(jù)。

5)開展新時代水土保持監(jiān)測人才培養(yǎng)和成果推廣。在行業(yè)內(nèi)培訓(xùn)各級監(jiān)測人才,滿足長期監(jiān)測工作的需要。加強新時代水土保持人才培養(yǎng),面向社會推出創(chuàng)新性拔尖人才;將監(jiān)測成果面向全社會推廣應(yīng)用,實現(xiàn)水土保持監(jiān)測增值服務(wù)。

3 新時代水土保持監(jiān)測框架體系

以水力、風(fēng)力2種侵蝕動力為主線,充分利用空間信息、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)與水土保持監(jiān)測深度融合,強化水土保持監(jiān)測、監(jiān)管等信息共享和部門間互聯(lián)互通,提高管理數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化水平。圍繞水土流失規(guī)律與機理、水土保持與水沙時空過程、面源污染、水土保持碳匯能力等開展數(shù)據(jù)采集、傳輸、管理、挖掘和面向經(jīng)濟建設(shè)和民生應(yīng)用服務(wù)。

3.1 監(jiān)測總體技術(shù)框架

以水力、風(fēng)力2種侵蝕動力為主線,以空間信息、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)為基礎(chǔ),建立水土保持動態(tài)監(jiān)測大數(shù)據(jù)倉庫和智能應(yīng)用服務(wù)平臺。以不同的侵蝕類型在流域拓?fù)?、風(fēng)沙輸移空間格局為依據(jù),科學(xué)布局水土流失監(jiān)測站點。以地面定點監(jiān)測為依據(jù),臨時抽樣為補充,共享相關(guān)行業(yè)數(shù)據(jù),研發(fā)監(jiān)測區(qū)基于地表侵蝕過程的風(fēng)蝕、水蝕時空動態(tài)模型,其他類型侵蝕作為風(fēng)蝕、水蝕的輸入部分來補充建模,風(fēng)蝕和水蝕交錯地帶將2類模型進一步耦合,形成各侵蝕類型在空間和時間上無縫銜接的水土流失動態(tài)分析計算服務(wù)平臺。全國范圍的模型因子空間分布數(shù)據(jù)利用遙感、GIS等技術(shù)智能化標(biāo)準(zhǔn)化提取,通過模型和空間數(shù)據(jù),實時計算不同需求的場次、典型日、主要季節(jié)、年度等不同時段的水土流失量,為水土保持生態(tài)環(huán)境的相關(guān)需求提供支撐。監(jiān)測的技術(shù)框架見圖1。

圖1 新時代水土保持監(jiān)測技術(shù)框架圖

3.2 水土保持監(jiān)測大數(shù)據(jù)云服務(wù)平臺

水土保持監(jiān)測大數(shù)據(jù)云服務(wù)平臺由數(shù)據(jù)庫、云服務(wù)軟件、地表侵蝕過程模型服務(wù)平臺軟件、因子空間數(shù)據(jù)挖掘分析服務(wù)軟件、業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)5部分組成,平臺采取多核并行服務(wù)集群集聯(lián)計算技術(shù)支撐監(jiān)測業(yè)務(wù)實時在線運行。在數(shù)據(jù)庫部分,由集中式數(shù)據(jù)倉庫統(tǒng)一存儲和管理全國水土保持監(jiān)測站典型流域元數(shù)據(jù)、水沙過程實時數(shù)據(jù)、模型參數(shù)、侵蝕因子空間數(shù)據(jù)及成果數(shù)據(jù)。云服務(wù)軟件采用成熟且先進的商業(yè)服務(wù)軟件做支撐。因子空間數(shù)據(jù)挖掘分析服務(wù)軟件解決對遙感數(shù)據(jù)、GIS數(shù)據(jù)智能化提取問題,通過軟件自動計算,消除人為分析數(shù)據(jù)產(chǎn)生的偶然誤差。地表侵蝕過程模型服務(wù)平臺軟件需要各類侵蝕模型通過算法優(yōu)化形成系列服務(wù)插件。應(yīng)用系統(tǒng)則根據(jù)監(jiān)測業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展針對行業(yè)內(nèi)外需求開發(fā)出一系列可操作性軟件系統(tǒng),包括C/S、B/S、移動終端等不同應(yīng)用子系統(tǒng)和相應(yīng)的模塊。

3.3 監(jiān)測站網(wǎng)建設(shè)

以水力、風(fēng)力侵蝕動力為主線,根據(jù)我國地理條件和水土流失類型,科學(xué)布局并補充水土流失長期監(jiān)測站。監(jiān)測設(shè)備均應(yīng)采用智能化采集、物聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星通信自動傳輸采集數(shù)據(jù)。

1)水力侵蝕以流域水系拓?fù)潢P(guān)系為基礎(chǔ)系統(tǒng)化布局監(jiān)測站點。根據(jù)我國七大流域及獨流入海、出境、內(nèi)陸河流等大流域土壤侵蝕類型空間格局、地理要素宏觀分布情況,選擇典型子流域確定監(jiān)測站選址,科學(xué)布局各類型智能水土流失長期監(jiān)測站。為保證建模精度,結(jié)合下游水文站,以不小于100 km2的子流域為對象。在典型子流域內(nèi),進一步根據(jù)精細(xì)化的地理要素進行小流域或集水區(qū)類型劃分,每一類小流域或集水區(qū)建立一個水沙動態(tài)監(jiān)測卡口站,根據(jù)流域內(nèi)降水空間分布差異性設(shè)置氣象站,形成從坡面集水區(qū)到小流域溝道、從上游溝道到下游河流嵌套式徑流泥沙監(jiān)測體系?？谡靖鶕?jù)水文條件分別設(shè)計量水堰類型和智能化水沙動態(tài)監(jiān)測設(shè)備,重要地段同時監(jiān)測水質(zhì)、面源污染及其污染物運移,降雨及徑流發(fā)生的時間段自動獲取土壤水分、降水、徑流、泥沙含量等時間序列數(shù)據(jù)并實時上傳入庫。

2)風(fēng)力侵蝕以大氣環(huán)流主要路徑系統(tǒng)化布局監(jiān)測站。針對風(fēng)沙運動無邊界、具有往復(fù)性特點,在風(fēng)沙入侵我國的三大路徑上布設(shè)風(fēng)蝕監(jiān)測站,根據(jù)氣候分區(qū)及風(fēng)蝕指標(biāo)亞類、地形地貌、植被覆蓋度、氣象因子等變化,沿著風(fēng)沙運動路徑風(fēng)力梯級變化布設(shè)監(jiān)測站,主要布設(shè)在沙地沙漠、戈壁和高寒荒漠區(qū)域。每個風(fēng)沙運動帶上間隔50～200 km布設(shè)1個監(jiān)測場。每個監(jiān)測場由1個主站和2～4個輔站組成,主站和輔站距離一般不超過300 m,用于分析短距離侵蝕量變化。監(jiān)測指標(biāo)包括風(fēng)速、風(fēng)向、降水、氣溫、太陽輻射和積沙量等指標(biāo)[15]。

3)其他侵蝕類型監(jiān)測站。包括混合、重力、凍融侵蝕等侵蝕類型監(jiān)測。石漠化地區(qū)的混合侵蝕以水力侵蝕為基礎(chǔ),西南喀斯特地貌地區(qū)按照地貌亞類在水力侵蝕典型流域內(nèi)配套流域地下徑流泥沙監(jiān)測設(shè)備,用于補充計算滲漏攜帶的徑流泥沙量。凍融侵蝕在東北、青藏高原、天山山脈、阿爾泰山選擇典型區(qū)域布設(shè)監(jiān)測設(shè)備,除了分析凍融侵蝕規(guī)律,還為水力侵蝕和風(fēng)力侵蝕提供可能增加的水土流失量。重力侵蝕在泥石流、滑坡、崩崗等多發(fā)地帶選取典型地段,布設(shè)野外監(jiān)測網(wǎng),選擇流域中下游的典型部位,在不同水土條件下的坡面、斷面、溝道進行水流和泥沙流速、高度、變形、位移監(jiān)測,分析物源的發(fā)育特征、產(chǎn)沙輸沙效應(yīng),除了研究重力侵蝕規(guī)律外,還為重力侵蝕多發(fā)區(qū)水力侵蝕模數(shù)修正提供參數(shù)。

3.4 地表侵蝕過程機理模型集成

從地表侵蝕過程機理出發(fā),充分利用國內(nèi)外各類侵蝕研究機理模型的成果,根據(jù)監(jiān)測站點采集的實時數(shù)據(jù),將各監(jiān)測類型通過侵蝕過程的時空關(guān)系進行模型耦合和數(shù)據(jù)融合,率定適合不同流域和氣候類型區(qū)的水沙過程模型參數(shù),將模型的參數(shù)和算法進行優(yōu)化、概化,形成穩(wěn)定的軟件模型,為長期動態(tài)監(jiān)測提供支撐。根據(jù)大尺度地表侵蝕2種動力源,將模型抽象為水力侵蝕綜合模型、風(fēng)力侵蝕綜合模型2類,如圖2和3所示。隨著2類模型的成熟,探索風(fēng)沙水沙交錯帶2模型的耦合。

圖2 水力侵蝕綜合模型示意圖

圖3 風(fēng)力侵蝕綜合模型示意圖

3.5 水土流失影響因子空間數(shù)據(jù)智能化標(biāo)準(zhǔn)化獲取

1)流域水系及其拓?fù)鋽?shù)據(jù)是水力綜合侵蝕定量測算的基礎(chǔ)支撐,由微流域集水區(qū)域逐級向下游拓?fù)渲敝列纬梢患壛饔蜻吔?每個集水區(qū)或小流域需提取對應(yīng)徑流路徑數(shù)據(jù)。微流域集水區(qū)作為最小單元,其面積在山區(qū)可選定為0.1 km2、平原區(qū)3 km2、沙區(qū)5 km2。采用3.2 m分辨率的DEM按照SL 653—2013《水土保持小流域劃分標(biāo)準(zhǔn)》劃分覆蓋全國的流域水系數(shù)據(jù),并建立相應(yīng)的拓?fù)潢P(guān),同時提取徑流路徑和坡度。全國范圍數(shù)據(jù)更新周期為5年1次,重大工程或地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的年份進行局部修正。

2)地表覆蓋類型數(shù)據(jù)包含土地利用、工程措施、人為擾動等信息。本底數(shù)據(jù)在地面抽樣調(diào)查的基礎(chǔ)上,采用1 m分辨率的遙感數(shù)據(jù),通過機器深度學(xué)習(xí)和人機交互結(jié)合的方法進行統(tǒng)一解譯,數(shù)據(jù)每年更新1次。

3)植被類型及其覆蓋度數(shù)據(jù)是影響水土流失的重要因子,每年更新1次。不同的植被類型和植被的垂直結(jié)構(gòu)及其根系分布對水土流失影響的差異性很大,不能簡單地用NDVI提取的植被覆蓋度作為侵蝕模型參數(shù)。首先根據(jù)全國的氣候、地質(zhì)地貌、地形、土壤、經(jīng)緯度等條件,借助中高分辨率遙感劃分全國植被類型區(qū),植被類型劃分到3級。針對不同的植被類型利用光學(xué)和雷達遙感融合技術(shù),結(jié)合地面抽樣調(diào)查,反演植被覆蓋度。

4)降水?dāng)?shù)據(jù)包括降雨量和降雨強度空間分布數(shù)據(jù),可利用氣象衛(wèi)星云和地面氣象站數(shù)據(jù)通過機器學(xué)習(xí)模型進行反演,時間分辨率為1 h,空間分辨率為500 m。

上述4類數(shù)據(jù)經(jīng)模型優(yōu)化驗證后開發(fā)為服務(wù)軟件,實現(xiàn)智能化、標(biāo)準(zhǔn)化提取,可減少人工操作帶來的偶然誤差,降低人工成本。

4 新時代水土保持監(jiān)測管理與應(yīng)用服務(wù)

進入新時代以來,水土保持監(jiān)測發(fā)揮著越來越重要的作用,在宏觀尺度已經(jīng)成為水土保持生態(tài)環(huán)境類考核和自然資源資產(chǎn)任期審計的工作基礎(chǔ),在微觀尺度也為生產(chǎn)建設(shè)活動防治水土流失、評價水土流失綜合治理成效發(fā)揮了重要的決策參考作用。中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于加強新時代水土保持工作的意見》需要我們對水土保持進行深入思考和廣泛探索。水土保持監(jiān)測作為預(yù)防和治理的重要支撐,深入研究其理論與技術(shù),提高監(jiān)測能力顯得尤為重要。

設(shè)立專門研究機構(gòu),支撐水土保持動態(tài)監(jiān)測的權(quán)威性和持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。建立水土流失動態(tài)監(jiān)測大數(shù)據(jù)倉庫和智能應(yīng)用服務(wù)平臺,實時精準(zhǔn)計算水土流失時空數(shù)據(jù)。

依據(jù)監(jiān)測成果為生態(tài)文明建設(shè)提供服務(wù)支撐,為河流輸沙、塘庫淤積等提供預(yù)警預(yù)報,面向經(jīng)濟社會發(fā)展和國家戰(zhàn)略廣泛開展服務(wù),為耕地保護、糧食安全、河道治理、目標(biāo)責(zé)任考核和政府決策等提供支撐。同時對其他行業(yè)生產(chǎn)建設(shè)和經(jīng)營活動也制訂防治水土流失的系列標(biāo)準(zhǔn)。

開展新時代水土保持監(jiān)測人才培養(yǎng)和成果推廣。在行業(yè)內(nèi)培訓(xùn)各級監(jiān)測人才,滿足長期監(jiān)測工作的需要,加強與林業(yè)、國土、農(nóng)業(yè)等行業(yè)的技術(shù)合作,培養(yǎng)復(fù)合型、創(chuàng)新性人才,將監(jiān)測成果面向全社會推廣應(yīng)用,實現(xiàn)水土保持監(jiān)測增值服務(wù)。