数字水土保持智慧管理平台研发

裘涛　刘克军　陈汉邦　田刚　王冉　刘梦茹

［关键词］水土保持；数字化；智慧管理平台；安吉县

［摘要］为全面提升安吉县水土保持工作数字化水平，打通水利部门与其他部门间信息共享交互渠道，借助大数据、数字孪生、人工智能、虚拟现实等信息技术，以“11143”为总体框架，即1个统一的工作门户平台、1套监管制度、1个底层数据仓、4大核心业务应用系统、3个水土保持服务模块，构建数字水土保持智慧管理平台，以实现安吉县水土保持“一图管理”、生产建设项目全生命周期“一屏管理”、水土流失动态监测、智慧决策与应用、行业宣传服务等业务场景。

［中图分类号］ S157［文献标识码］ C［文章编号］ 1000－0941（2023）08－0057－04

水土保持是生态文明建设的必然要求，涵盖水土流失治理及生产建设项目监管等多业务场景[1]。党的十九大提出要加快数字中国建设，以信息化培育新动能，用新动能推动新发展。党的二十大强调，推动绿色发展，促进人与自然和谐共生。在数字化转型和生态文明建设背景下，水利部及各省、市、县积极推进数字化改革，以信息化作为技术支撑，整合多种水土保持资源，实现水土保持智能化模拟和精准化决策，以推动水土保持生态文明建设。数字水土保持主要是运用数字化技术对水保相关信息进行采集、分析、存储，以及传输共享，构建水土保持信息管理平台，以监管生产建设项目水保措施情况，监测区域水土流失状况，实时预报预警，全面提高水土保持决策能力[2-3]。安吉县作为全国首个生态县、国家水土保持生态文明县、“两山”理论发源地，为提升水土保持数字化水平，进一步释放“两山银行”的“磁石效应”，打造县域数字生态，按照“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”总要求，紧紧围绕浙江省水利数字化转型和水土保持智慧化管理工作的核心要求，以数字赋能水保工作，构建数字水土保持智慧管理平台。

1建设基础

①安吉县前期数字化改革成效显著。2021年，安吉县重点打造了两个多跨应用场景数字化改革项目，分别是城乡供水安全风险识别与管控、小流域山洪预警及应急联动，均列入了全省第一批水利数字化改革试点。②数据支撑。浙江省创新推出“浙里九龙联动治水”平台，加快了数字孪生流域建设，集成打造全行业共享水利大脑。而安吉县现有的水土保持科技示范园和典型的水土流失观测试验流域，也为平台建设提供了基础数据支撑。③技术保障。以大数据、数字孪生、人工智能、虚拟现实等为主流的新一代信息技术较成熟，为平台建设提供了技术保障。④组织和资金保障。该平台建设由安吉县水利局牵头实施，地方专项资金进行建设。

2建设目标

构建满足水土保持多业务场景的智慧管理平台，实现水土保持智慧化、精准化决策。具体建设目标为：①实现水土保持数据共享，构建水土保持底层数据仓，打破水利部门与其他部门之间的“信息壁垒”。②实现生产建设项目全生命周期“一屏管理”，构建水土保持预防监督系统，实现生产建设项目水土保持信息采集、行政审批、过程监管、验收报备等全过程“一体化管理”。③实现水土流失治理向精準化转变，构建水土流失精准治理系统。④借助深度学习算法、数字孪生和虚拟现实等技术，模拟水土流失情景，构建水土流失监测预报系统。⑤挖掘水土保持碳汇潜力，助力生态文明建设，构建水土保持碳汇管理系统。

3总体框架

基于大数据、数字孪生、人工智能和虚拟现实等信息技术，辅以遥感解译、无人机航拍、移动终端等现代手段，以全面提升水土保持数字化水平为导向，采用稳定、简洁、安全的政务型网站框架，搭建安吉县数字水土保持智慧管理平台“11143”总体框架，即1个统一的工作门户平台、1套监管制度、1个底层数据仓、4大核心业务应用系统、3个水土保持服务模块（见图1）。

4建设内容

4.1水土保持事项标准化梳理

该平台适用于水土保持多业务场景，针对安吉县水土保持业务情况，可分为三大类：①=1＼*GB3生产建设项目类，涵盖项目全生命周期内所涉及的水土保持审批、监测监管和专项验收等业务场景；②=2＼*GB3生态治理类，包括前期管理、建设管理、效益评价等业务场景；③=3＼*GB3环境监测类，包括对多环境要素（水质、大气、土壤和固废等）的测定和监控等业务场景。

4.2底层数据仓的构建

数据是智慧管理平台建设的基础，底层数据仓主要由操作型数据存储区、数据仓库区构成。操作型数据存储区由基础数据库、建设项目数据库、生态治理项目数据库和监测数据库组成，其中：基础数据库包括数字高程、土地利用数据及生态保护红线、永久基本农田、生态公益林、饮用水源保护区、水土流失重点预防区和治理区等矢量数据；建设项目数据库包括项目的占地、土石方、水土流失防治指标、开完工时间等方案审批信息，项目水土保持监测、监督检查等监管信息，待验收项目、已验收项目的水土保持设施验收信息，遥感扰动图斑信息等；生态治理项目数据库包括全县标准小流域矢量数据、水土流失动态监测数据、历史治理项目信息、在建工程相关信息等；监测数据库包括气象、土壤、植被、径流、泥沙、碳排放、碳吸附等监测数据。数据仓库区主要用来存放和管理经整合后具有分析价值的历史数据和现状数据。

4.3核心业务应用系统

4.3.1水土保持预防监督系统

该系统应用于生产建设项目全生命周期，包含项目审批、监测监管及验收报备三大模块。其中项目审批模块具备早期预警、系统自动初审、模块化评审、审批信息交互、合规性对比、变更管理等功能，其流程见图2；监测监管模块具备监测信息上报、智能研判分析、监督检查管理、水土保持“天地一体化”动态监管等功能，其流程见图3；验收报备模块具备专项验收、在线公示、报备核查等功能，其流程见图4。

4.3.2水土流失精准治理系统

水土流失精准治理系统包括前期管理、建设管理、效益评估三大模块。

1）前期管理模块。借助“3S”技术，以监测数据库中水土流失动态监测数据为依据，初筛出水土流失面积占比大、侵蚀强度高的小流域，再结合底层数据仓中的数字高程、土地利用类型、遥感影像、扰动图斑及水土流失重点预防区和治理区范围等信息，以及各级水土保持规划、往年实施项目范围等资料，智选亟待治理的区域，配合无人机航拍、现场踏勘、问卷调查等手段，对水土流失状况进行全过程动态监督管理，建立年度拟实施项目清单及三年滚动计划项目储备清单。

2）建设管理模块。通过高清遥感影像、无人机倾斜摄影、现场监督检查等手段，对整个项目建设过程进行遥感监管，实现水土保持信息化、精细化、智能化监管。对重点区域，借助无人机倾斜摄影技术，生成正射影像，通过智能化判别与精准量测，针对性制定水土保持措施。通过对比水保措施实施前后的水土流失图斑，分析不同水保措施实施效果。

3）效益评估模块。借助分布式水文模型，对竣工项目进行效益评价，包括项目实施效果评估和综合治理效益评价两部分。项目实施效果评估主要是根据动态数据库数据对项目实施后的资金使用情况、工程完成情况、工程质量情况、进度把控情况和实施效益情况进行评估，其结果可作为下一年度县级项目资金补助和实施乡镇选择的重要参考。综合治理效益评价是指对项目区治理措施图斑进行现场核查，通过综合比对措施图斑类型、水土流失情况、土地利用情况、遥感影像等数据，研判图斑的合规性、有效性；同时，利用分布式水文模型对治理前后的水土流失状况进行智慧化情景模拟，量化水土流失综合治理产生的水保效益。

4.3.3水土流失监测预报系统

水土流失监测预报系统包括数据管理模块和水土流失预报预警模块。

1）数据管理模块。通过水土流失坡面径流场和试验小流域的自动观测感知设备，监测降水、土壤、植被、水土保持措施和径流泥沙等参数，监测数据直接传输至底层数据仓。

2）水土流失预报预警模块。借助深度学习算法和虚拟现实等技术，基于底层数据仓数据和土壤侵蚀模型，对水土流失风险状况进行智慧化模拟，构建预报预警模型，通过对现场监测数据实时模拟分析，科学地预判潜在的风险，并及时做出预报预警，强化水土流失风险管控。

4.3.4水土保持碳汇管理系统

水土保持碳汇管理系统包括碳汇监测、碳汇核算和碳汇交易模块。

1）碳汇监测模块。采用卫星遥感和地面观测设备等立体化监测手段，对土壤、作物、森林等环境要素进行数字化采集、存储和分析，实现碳排放和碳吸收全面监测；通过集成系统，实现对植物生长的全方位观察、对自然生态系统碳汇潜力变化的监测。

2）碳汇核算模块。碳汇核算是以观测和实验数据为基础开展的。目前浙江省碳汇核算方法主要有植被净生态系统碳交换量和水域碳吸收[4]，其中植被净生态系统碳交换量主要包括森林、草地和城市绿地等的碳交换量，水域碳吸收主要包括水域和滩涂的碳吸收量。不同水土保持措施的碳汇能力不同，而数据基础、核算方法等的差异也会导致碳汇评估结果差异较大，因此采用大数据技术，统一碳汇标准，解决目前碳汇数据平台坐标体系、数据内容、数据格式等不统一的问题，可精准反映水土流失治理对碳中和的贡献。

3）碳汇交易模块。打造碳汇数字交易平台，可解决碳汇市场总体规模小、运作不规范、市场间难以对接、碳汇交易形式单一等诸多问题，还可增加风险评估能力、产品创新能力、绿色金融衍生品的开发能力，推动碳汇价值的实现和价格机制的形成。

4.4水土保持服务模块

4.4.1水土保持流程服务模块

投资主体，尤其是民营投资主体，往往缺乏项目建设经验，对生产建设项目水土保持工作要求不熟悉。建设单位通过平台输入占地、土石方量、开完工时间等参数后，系统将自动形成项目全过程水土保持工作开展告知单，明确在什么时段开展什么水土保持工作，具体要求是什么；同时对接省水土保持中介服务平台，向建设单位提供中介咨询单位清单。

4.4.2土石方智能供需模块

通过土石方智能供需模块可智能匹配土石方供给和需求，提高项目建设过程中的土石方利用率，增加县域内土石方综合利用量，减少弃渣总量。该模块初步设想有两个信息录入模块，一个是建设单位自行发布信息录入模块，另一个是从审批后的报告中提取关键参数录入模块，相关数据录入后，系统会自动根据土石方的材质、数量、运距等参数进行匹配，并发送相关信息给供需方。

4.4.3水土保持数字科普馆

利用数字技术对水土保持知识进行处理和存储，形成图文并茂、声像结合的科普作品，传输给公众。

1）水土保持3D展示功能。基于数字高程、土地利用、遥感影像等基础数据，采用三维建模软件生成三维数字模型，并进行精细化处理，最后将三维数字模型按照地理坐标依次导入Unity3D中，通过虚拟技术将现实场景以1∶1还原，直观、真实地展现水土流失、小流域综合治理、土壤侵蚀过程。

2）水土保持游戏交互功能。在3D展示中内嵌动漫小游戏，涵盖土壤侵蚀类型辨别、水土流失灾害防治、水土流失观测等水保知识，以动漫结合图文的方式进行交互游戏，实现寓教于乐。

5预期成果

5.1形成一体化水土保持服务新样板

厘清安吉县水土保持工作，以平台底层数据仓为数据基础，完成生产建设项目水土保持事前、事中、事后的闭环管理，实现水保监管的“机器代人”。制约水行政主管部门行为，为行政审批设定“尺子”，减少审批、执法行为中的自由裁量。完成水土保持服务模式变革，提高安吉县水土保持服务水平，简化水土保持工作流程，形成符合水利数字化改革精神的一体化水土保持智慧管理平台。

5.2塑造水土保持数字化转型新典范

安吉县作为国家水土保持示范县、“两山”理论的发源地，在水利部智慧水利先行先试工作方案的指导下，以浙江省数字化转型为重要抓手，聚焦水土保持治理的痛点和难点，发挥数字化在水土流失治理中的智慧赋能作用，实现全过程、全周期、精准化监管县域内在建生产建设项目。安吉县拥有完善的水土保持基础监测数据及典型的水土流失观测试验流域，加上虚拟现实、深度学习及数字孪生等新兴技术不断成熟，可为区域水土保持工作提供科学依据，以期将该平台塑造成水土保持数字化转型新典范。

[参考文献]

[1] 张红丽，罗志东.我国水土保持信息化发展成效[J].中国水土保持，2021（7）：5-8.

[2] 朱清科，马欢.我国智慧水土保持体系初探[J].中国水土保持科学，2015，13（4）：117-122.

[3] 李智广，罗志东，赵院，等.我国数字水土保持建设基本思路[J].中國水土保持科学，2009，7（3）：1-5.

[4] 纪荣婷，黄言秋，程虎，等.“绿水青山就是金山银山”实践创新基地碳汇量核算及碳排放影响因素研究：以浙江省宁海县为例[J].生态与农村环境学报，2022，38（8）：1002-1009.

收稿日期： 2023-02-10

基金项目： 生产建设项目水土保持全过程信息化管控关键技术研究（RB2023）；浙江省水利厅科技计划项目（RC2044）

第一作者： 裘涛（1981—），男，浙江宁波人，高级工程师，学士，主要从事水土保持科研、咨询与设计、数字化等工作。

通信作者： 刘克军（1975—），男，浙江湖州人，高级工程师，学士，主要从事水土保持综合治理、监督和数字化管理等工作。

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（责任编辑张绪兰）