新时代水土保持监测技术体系

史明昌, 赵永军

(1.北京林业大学水土保持学院, 100083, 北京; 2.水利部水土保持监测中心, 100053, 北京)

1 水土保持监测现状及评价

随着经济社会的快速发展,人们在摆脱贫困实现小康之后对优美生态环境的需求日益强烈,生态文明建设的地位和作用日益凸显。国家提出了生态文明战略,统筹产业发展、乡村振兴和生态安全,把美丽中国建设摆在更加突出的位置。中共中央办公厅、国务院办公厅联合发布《关于加强新时代水土保持工作的意见》,明确指出“水土保持是江河保护治理的根本措施,是生态文明建设的必然要求”“构建以监测站点监测为基础、常态化动态监测为主、定期调查为补充的水土保持监测体系”“按年度开展全国水土流失动态监测,及时定量掌握全国各级行政区及重点流域、区域水土流失状况和防治成效”,为水土保持监测指明了工作方向。因此,完善水土保持监测技术体系,开展常态化动态监测,为水土保持生态保护治理成效评估和政策拟定等提供强有力的技术支撑,已经成为新时代亟待研究的重要课题。

1.1 新时代水土保持特点

1)水土流失治理无用地手续依托,高强度整治难以为继。水土保持是在不改变土地权属的基础上开展水土流失预防和治理,不可避免地存在着土地开发利用与生态保护治理争地的矛盾,加上农村土地实行了“集体所有权、农户承包权、土地经营权”三权分置,拥有土地使用权的经营方多注重土地的经济产出,按照以往的以小流域为单元、土地利用全面规划的系统治理模式已难以实施[1]。因此,需要对流域空间进行地表侵蚀过程分析,精准研判水土流失的关键节点及路径、危害程度和形式、影响范围和可能损失,仅针对水土流失关键节点精准施治,这就要求水土流失监测从理论和技术上要有新的突破,注重水土流失图斑落地和泥沙的汇聚输移。

2)经过近40年连续的大规模治理和城镇化的快速发展,水土流失治理工作转向高质量发展[2]。一方面,从大尺度关注水土保持对区域经济发展的支撑,转向强调水土保持区域主体功能,如保粮食、大型水库、河流安全等。这就需要从时空格局上分析和把握水土保持与区域产业发展的关系;另一方面,当面上的水土流失得到初步控制以后,土地使用者转向关注承包土地的持续受益,要求实施占地少、标准高、景观美、投入少、产出高等方面的治理措施,使治理难度明显增加。同时,由于城镇化人口聚集,以往治理达到中度或轻度即水土流失得到基本控制的标准,已经不能满足人民群众对生态环境的需求。再者,不同行业仍然存在认知上的差距,经果林和针叶林导致的“隐形”水土流失没有得到应有的重视,需要制订相应技术标准,用以约束生产建设项目或生态保护治理工程科学实施;急需侵蚀溯源、措施类型及位置比选、治理效果等监测数据来支撑,要求水土保持监测工作精准化、定量化,全过程监测[3]。

3)基础设施保护需求加大,流域水沙过程调控将成为水土保持的重要目标。近年来我国高速铁路、高速公路等基础设施以及水库、人工湿地等建设发展迅速,这类工程很多建设在中小河流上并且需要长期运行。因此,需要加强水沙的时空动态过程监测与建模精准定量分析,以指导全流域治理措施的科学布局,从不同尺度的流域上进行水沙调控。

1.2 水土保持监测的现状与问题

我国水土保持监测工作可追溯到20世纪70年代,主要在黄河流域的几个试验站开展,在重点治理区也配套开展了治理效益监测的内容。作为全国普及性开展水土保持监测工作始于1984年,在水利部统一部署下,利用三因子方法由县级水利部门在1∶10万地形图上进行现场调查,最终形成全国纸质土壤侵蚀图。1996—1998年,由水利部水土保持监测中心组织,利用三因子方法采用30 m分辩率遥感影像进行了全国土壤侵蚀的监测普查。常态化的水土流失监测工作则从2000年开始。2002年,国家立项建设全国水土保持监测网络,2005年建成全国监测网络体系,各级监测机构克服各种困难使水土保持常规监测走出了第一步。2007年开始,水利部水土保持监测中心开始在国家级水土流失重点防治区选取典型区域进行动态监测,2012年7个流域机构水土保持中心站加入,对国家级水土流失重点防治区开展了较大范围的水土流失定量监测。2018年,所有省(区)都参与进来,利用遥感和地理信息系统采用中国土壤流失方程(Chinese Soil Loss Equation,CSLE)模型开展动态监测[4],首次实现了全国范围水土保持监测全覆盖,并延续至今。截至目前,全国共有各类水土保持监测站点826个(包括坡面径流小区和小流域卡口站)。

1.2.1 水土保持监测现状 水土保持监测工作的重点是小流域综合治理和预防监督,主要包括面向全国的常规水土流失监测和生产建设项目水土保持监测2大类[5-6]。生产建设项目水土保持监测以企业服务形式为主,参考常规水土保持监测开展工作,主要针对水土流失防治责任范围内可能产生的水土流失及防治效果,也称人为水土流失监测。常规水土流失监测可分为2类,即监测网络中的定点观测和面上土壤侵蚀估算。目前水土流失监测以土壤侵蚀监测为主,在监测网络布局上还是以水蚀监测为主,其他类型的侵蚀监测仅有个别的实验站,可获得的数据十分有限,水的流失仅在观测小区或实验小流域有观测数据,常规监测点主要在3°～25°的5 m×20 m标准径流小区上配置不同的措施,监测每场降雨径流与产沙总量,对流域出水量还不能做到全面计算。在实际工作中,由于我国地形复杂、土壤地质条件分异性大、地表覆盖类型丰富,径流小区观测的数据对面上土壤侵蚀模型的支撑能力有限。

1.2.2 水土保持监测存在的问题

1)监测目标存在局限性,难以支撑生态文明建设与政府目标责任考核的需求。党十八大以前,水土保持监测目标只考虑水土保持工作本身的需求,监测点的布局缺乏从水土流失类型、国土空间、区域经济格局等方面的系统分析,监测范围小,观测设施只有径流小区和单一的小流域卡口站,观测停留在单一措施或单一类型上,常规水蚀监测缺乏不同尺度的流域嵌套式水沙观测设施设备,风蚀、冻融、重力侵蚀和混合侵蚀等监测几乎空白[7-10]。林业农业等其他行业在国土空间的水土保持贡献和影响考虑不全。

2)监测站点基础设施难以支撑水土流失定量精准计算的需要。受水土保持监测的需求和作用所限,研发水土流失自动监测专用设备的企业较少,数据获取以人工观测为主,只能获得一场降水的侵蚀总量,不同的降雨量、降雨强度、降雨过程等在不同的流域空间上对水沙从坡面到沟道、从上游到下游的过程尚未监测。监测网络尚不具备实现数据自动获取、传输、存储和统计分析的能力[11]。

3)缺乏水沙过程动态模型支撑全国水土流失定量精准测算,难以支撑大尺度的水土保持空间管控需要。由于缺乏嵌套式流域水沙过程地面监测数据支撑,不同地理条件下从坡面到沟道、从上游到下游具有流域拓扑关系的水沙过程模拟停留在理论阶段,用于精准测算大尺度水土流失的实用模型亟待研发以支撑大数据快速计算[12-13]。

4)土壤侵蚀的各因子空间分布数据与地面监测数据的差异性尚未得到有效拟合。当前开展的面上土壤侵蚀估算模型各因子的系数来源于径流小区观测数据,在局部坡面尺度上的土壤侵蚀估算较为准确,但放到流域尺度上进行全国估算只能借助遥感和GIS手段获得因子空间分布数据[14]。这种采用格网计算方法获得的侵蚀因子空间数据与地面观测数据也存在物理意义上的差异,难以反映实际情况。

2 新时代水土保持监测目标与任务

2.1 监测目标

水土保持应围绕经济社会发展战略布局,按照水土流失类型及其分区情况,建设全国典型地表水沙过程智能化监测站,完善并形成地表水沙过程分布式实时计算大数据云平台,动态把握不同流域或区域的地表侵蚀量及其过程,为基础设施安全、为水土保持、生态修复、灾害防治、国土优化利用、农牧业生产、居民生活等提供理论和技术支撑,为行政管理提供可靠依据。水土保持监测应重点解决以下3方面问题:

1)围绕国家生态战略和经济发展布局,以水土保持功能为导向定量精准研判水土流失及其危害时空动态格局,有效识别引发水土流失的关键结点和路径,从不同尺度上掌握水沙来源和去向,为水土保持规划和治理提供理论依据,使小流域治理理论由定性向定量转变,实现新形势下小流域系统性靶向治理。

2)用监测成果为经济社会高质量发展提供理论和技术保障。通过监测取得的地表侵蚀过程时空动态数据,指导水土流失防治布局,保障河流、铁路、公路、桥梁等基础设施安全运行,并为政府的水土保持生态目标责任考核提供定量依据。

3)把握生态文明良机拓展水土保持的社会服务能力。通过水土保持监测的支撑,推动摆脱传统水土保持束缚,把水土保持没有专属领地的劣势转化成无空间地域限制的优势,针对不同行业的生产经营活动制订一系列技术标准,并依据监测结果督促各行业的生产建设与运营管理活动,为水土保持赢得更广阔的政策空间。

2.2 监测任务

根据新时代水土保持监测的目标,今后的水土保持监测需要承担以下任务。

1)建设并完善智能化水土保持监测站网。在当前水土保持监测站网基础上,根据我国土壤侵蚀类型空间格局,科学布局各类型智能水土流失长期监测站,实现监测数据根据水土流失发生的时间段自动获取时间序列数据并实时上传入库。

2)建设水土保持监测大数据云服务平台。建设集中式数据仓库,统一存储和管理全国水土保持监测、模型、因子空间参数及成果数据,有条件的省份可以本地备份本省数据或加密监测站点,通过云服务技术实现水利部、省、流域机构、市、县不同用户共享,根据各级权限下载本区域数据。

3)建立地表侵蚀过程机理模型。联合高校等研究机构,充分利用已有研究基础,利用动态监测数据,建立适合不同水土流失类型和区域特征的分布式地表侵蚀过程模型,用于支撑全国任意区域、任意断面、指定时段的水土流失量精准计算。

4)智能化标准化获取水土流失影响因子空间数据。根据水土流失因子的内涵定义各因子分类分级标准,结合地面临时抽样数据,利用地理大数据挖掘技术获取水土流失影响因子年度更新的本底数据。

5)开展新时代水土保持监测人才培养和成果推广。在行业内培训各级监测人才,满足长期监测工作的需要。加强新时代水土保持人才培养,面向社会推出创新性拔尖人才;将监测成果面向全社会推广应用,实现水土保持监测增值服务。

3 新时代水土保持监测框架体系

以水力、风力2种侵蚀动力为主线,充分利用空间信息、物联网、大数据、云计算、人工智能等现代信息技术与水土保持监测深度融合,强化水土保持监测、监管等信息共享和部门间互联互通,提高管理数字化、网络化、智能化水平。围绕水土流失规律与机理、水土保持与水沙时空过程、面源污染、水土保持碳汇能力等开展数据采集、传输、管理、挖掘和面向经济建设和民生应用服务。

3.1 监测总体技术框架

以水力、风力2种侵蚀动力为主线,以空间信息、物联网、大数据、云计算、人工智能等现代信息技术为基础,建立水土保持动态监测大数据仓库和智能应用服务平台。以不同的侵蚀类型在流域拓扑、风沙输移空间格局为依据,科学布局水土流失监测站点。以地面定点监测为依据,临时抽样为补充,共享相关行业数据,研发监测区基于地表侵蚀过程的风蚀、水蚀时空动态模型,其他类型侵蚀作为风蚀、水蚀的输入部分来补充建模,风蚀和水蚀交错地带将2类模型进一步耦合,形成各侵蚀类型在空间和时间上无缝衔接的水土流失动态分析计算服务平台。全国范围的模型因子空间分布数据利用遥感、GIS等技术智能化标准化提取,通过模型和空间数据,实时计算不同需求的场次、典型日、主要季节、年度等不同时段的水土流失量,为水土保持生态环境的相关需求提供支撑。监测的技术框架见图1。

图1 新时代水土保持监测技术框架图

3.2 水土保持监测大数据云服务平台

水土保持监测大数据云服务平台由数据库、云服务软件、地表侵蚀过程模型服务平台软件、因子空间数据挖掘分析服务软件、业务应用系统5部分组成,平台采取多核并行服务集群集联计算技术支撑监测业务实时在线运行。在数据库部分,由集中式数据仓库统一存储和管理全国水土保持监测站典型流域元数据、水沙过程实时数据、模型参数、侵蚀因子空间数据及成果数据。云服务软件采用成熟且先进的商业服务软件做支撑。因子空间数据挖掘分析服务软件解决对遥感数据、GIS数据智能化提取问题,通过软件自动计算,消除人为分析数据产生的偶然误差。地表侵蚀过程模型服务平台软件需要各类侵蚀模型通过算法优化形成系列服务插件。应用系统则根据监测业务的不断发展针对行业内外需求开发出一系列可操作性软件系统,包括C/S、B/S、移动终端等不同应用子系统和相应的模块。

3.3 监测站网建设

以水力、风力侵蚀动力为主线,根据我国地理条件和水土流失类型,科学布局并补充水土流失长期监测站。监测设备均应采用智能化采集、物联网或卫星通信自动传输采集数据。

1)水力侵蚀以流域水系拓扑关系为基础系统化布局监测站点。根据我国七大流域及独流入海、出境、内陆河流等大流域土壤侵蚀类型空间格局、地理要素宏观分布情况,选择典型子流域确定监测站选址,科学布局各类型智能水土流失长期监测站。为保证建模精度,结合下游水文站,以不小于100 km2的子流域为对象。在典型子流域内,进一步根据精细化的地理要素进行小流域或集水区类型划分,每一类小流域或集水区建立一个水沙动态监测卡口站,根据流域内降水空间分布差异性设置气象站,形成从坡面集水区到小流域沟道、从上游沟道到下游河流嵌套式径流泥沙监测体系。卡口站根据水文条件分别设计量水堰类型和智能化水沙动态监测设备,重要地段同时监测水质、面源污染及其污染物运移,降雨及径流发生的时间段自动获取土壤水分、降水、径流、泥沙含量等时间序列数据并实时上传入库。

2)风力侵蚀以大气环流主要路径系统化布局监测站。针对风沙运动无边界、具有往复性特点,在风沙入侵我国的三大路径上布设风蚀监测站,根据气候分区及风蚀指标亚类、地形地貌、植被覆盖度、气象因子等变化,沿着风沙运动路径风力梯级变化布设监测站,主要布设在沙地沙漠、戈壁和高寒荒漠区域。每个风沙运动带上间隔50～200 km布设1个监测场。每个监测场由1个主站和2～4个辅站组成,主站和辅站距离一般不超过300 m,用于分析短距离侵蚀量变化。监测指标包括风速、风向、降水、气温、太阳辐射和积沙量等指标[15]。

3)其他侵蚀类型监测站。包括混合、重力、冻融侵蚀等侵蚀类型监测。石漠化地区的混合侵蚀以水力侵蚀为基础,西南喀斯特地貌地区按照地貌亚类在水力侵蚀典型流域内配套流域地下径流泥沙监测设备,用于补充计算渗漏携带的径流泥沙量。冻融侵蚀在东北、青藏高原、天山山脉、阿尔泰山选择典型区域布设监测设备,除了分析冻融侵蚀规律,还为水力侵蚀和风力侵蚀提供可能增加的水土流失量。重力侵蚀在泥石流、滑坡、崩岗等多发地带选取典型地段,布设野外监测网,选择流域中下游的典型部位,在不同水土条件下的坡面、断面、沟道进行水流和泥沙流速、高度、变形、位移监测,分析物源的发育特征、产沙输沙效应,除了研究重力侵蚀规律外,还为重力侵蚀多发区水力侵蚀模数修正提供参数。

3.4 地表侵蚀过程机理模型集成

从地表侵蚀过程机理出发,充分利用国内外各类侵蚀研究机理模型的成果,根据监测站点采集的实时数据,将各监测类型通过侵蚀过程的时空关系进行模型耦合和数据融合,率定适合不同流域和气候类型区的水沙过程模型参数,将模型的参数和算法进行优化、概化,形成稳定的软件模型,为长期动态监测提供支撑。根据大尺度地表侵蚀2种动力源,将模型抽象为水力侵蚀综合模型、风力侵蚀综合模型2类,如图2和3所示。随着2类模型的成熟,探索风沙水沙交错带2模型的耦合。

图2 水力侵蚀综合模型示意图

图3 风力侵蚀综合模型示意图

3.5 水土流失影响因子空间数据智能化标准化获取

1)流域水系及其拓扑数据是水力综合侵蚀定量测算的基础支撑,由微流域集水区域逐级向下游拓扑直至形成一级流域边界,每个集水区或小流域需提取对应径流路径数据。微流域集水区作为最小单元,其面积在山区可选定为0.1 km2、平原区3 km2、沙区5 km2。采用3.2 m分辨率的DEM按照SL 653—2013《水土保持小流域划分标准》划分覆盖全国的流域水系数据,并建立相应的拓扑关,同时提取径流路径和坡度。全国范围数据更新周期为5年1次,重大工程或地质灾害发生的年份进行局部修正。

2)地表覆盖类型数据包含土地利用、工程措施、人为扰动等信息。本底数据在地面抽样调查的基础上,采用1 m分辨率的遥感数据,通过机器深度学习和人机交互结合的方法进行统一解译,数据每年更新1次。

3)植被类型及其覆盖度数据是影响水土流失的重要因子,每年更新1次。不同的植被类型和植被的垂直结构及其根系分布对水土流失影响的差异性很大,不能简单地用NDVI提取的植被覆盖度作为侵蚀模型参数。首先根据全国的气候、地质地貌、地形、土壤、经纬度等条件,借助中高分辨率遥感划分全国植被类型区,植被类型划分到3级。针对不同的植被类型利用光学和雷达遥感融合技术,结合地面抽样调查,反演植被覆盖度。

4)降水数据包括降雨量和降雨强度空间分布数据,可利用气象卫星云和地面气象站数据通过机器学习模型进行反演,时间分辨率为1 h,空间分辨率为500 m。

上述4类数据经模型优化验证后开发为服务软件,实现智能化、标准化提取,可减少人工操作带来的偶然误差,降低人工成本。

4 新时代水土保持监测管理与应用服务

进入新时代以来,水土保持监测发挥着越来越重要的作用,在宏观尺度已经成为水土保持生态环境类考核和自然资源资产任期审计的工作基础,在微观尺度也为生产建设活动防治水土流失、评价水土流失综合治理成效发挥了重要的决策参考作用。中共中央办公厅、国务院办公厅联合发布的《关于加强新时代水土保持工作的意见》需要我们对水土保持进行深入思考和广泛探索。水土保持监测作为预防和治理的重要支撑,深入研究其理论与技术,提高监测能力显得尤为重要。

设立专门研究机构,支撑水土保持动态监测的权威性和持续稳定发展。建立水土流失动态监测大数据仓库和智能应用服务平台,实时精准计算水土流失时空数据。

依据监测成果为生态文明建设提供服务支撑,为河流输沙、塘库淤积等提供预警预报,面向经济社会发展和国家战略广泛开展服务,为耕地保护、粮食安全、河道治理、目标责任考核和政府决策等提供支撑。同时对其他行业生产建设和经营活动也制订防治水土流失的系列标准。

开展新时代水土保持监测人才培养和成果推广。在行业内培训各级监测人才,满足长期监测工作的需要,加强与林业、国土、农业等行业的技术合作,培养复合型、创新性人才,将监测成果面向全社会推广应用,实现水土保持监测增值服务。