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洪潮卫士

申报人:陈鸿宇 申报日期:2024-05-30

基本情况

2024年批次
洪潮卫士 学生申报
创新训练项目
工学
水利类
学生来源于教师科研项目选题
一年期
本产品研发水患灾害监测、预警、制定治理方案等服务,通过大数据技术搭建水患灾害数字化平台。实时监测,综合利用“3S”技术,建立地理信息系统数据库,形成大数据的监测控制网络,实时监测水土流失数据,创建云端信息分析系统的关键技术,实现了对流域水土流失状况的实时动态监测,且与广西岩溶地貌紧密结合,精准预测,依托流域暴雨洪水过程及其产沙虚拟仿真系统,对选定流域实际情况进行模拟,平台可自动对监测数据进行分析,对降雨产流量进行预测并对洪水演算预警,推 动数字水文建设,实现精准预测

关于不同地区头发重金属含量的调查

1)国家自然科学基金青年项目——岩土剖面构型对喀斯特坡地植物根系吸水的影响机制研究(项目编号41907011;起止时间 2020.01-2022.12;主持)

2)国家自然科学基金地区项目——基于时间稳定性分析的石漠化坡地土壤水分植被承载力研究(项目编号42267045;起止时间 2023.01-2026.12;主持)

3)广西科技计划项目人才专项——石漠化山区灌丛坡地土石混合土壤水分与养分有效性研究(项目编号2019AC20035;起止时间2020.01-2022.12;主持)

4)广西自然科学基金青年项目——喀斯特坡地不同岩-土覆被类型下植被耗水特征及其适应机理研究(项目编号2018JJB150079;起止时间2019.03-2022.03;主持)

 

5)广西水土保持学会重点领域创新项目——极端降雨条件下喀斯特坡地土体稳定性及其侵蚀特征研究(项目编号202009003;起止时间2020.11-2022.11;主持)

6)国家重点研发计划项目——喀斯特水资源生态调控技术集成与优化示范(项目编号2019YFC0507504;起止时间2020.01-2022.12;参与)

7)国家自然科学基金重点项目——西北旱区土壤干层形成过程与调控机制(项目编号41530854;起止时间2016.01-2019.12;参与)

8)国家自然科学基金重大研究计划项目——黑河中游绿洲生态系统不同景观单元SPAC水过程研究(项目编号91025018;起止时间2011.01-2014.12;参与)

9)广西重点研发计划项目——湘漓连通区水土协同保护与可持续利用关键技术研发与示范(项目编号桂科AB22035075;起止时间2022.04-2025.03;参与)

10)广西重点研发计划项目——大石山区经果林坡地多界面径流集蓄与智能灌溉技术研究与示范(项目编号桂科AB22035058;起止时间2022.03-2025.5;参与

本项目指导老师主要从事岩溶生态水文等方面的研究,而且有多项科研项目可以为本项目提供科学保障与技术支持,可指导课题组进行现场调研、收集资料、示范区选取、实验方案制定、水质水量检测与结果分析,保障项目的顺利进行。

区级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
陈鸿宇 环境科学与工程学院 水文与水资源工程 2022 负责人
孙经纬 环境科学与工程学院 水文与水资源工程(创新班) 2021 实验方案的设计及优化
钟雨琪 环境科学与工程学院 水文与水资源工程 2023 协助实验及后期撰写论文
戚璐娜 环境科学与工程学院 给排水科学与工程 2023 协助实验及后期撰写论文

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
徐勤学 环境科学与工程学院

立项依据

从近年的情况看,我国洪水灾害呈现受灾范围广、山洪灾害频发,人员伤亡较重,直接经济损失严重等特征。洪灾会淹没作物和房屋建筑,破坏水利工程设施,严重威胁百姓的生命、财产安全;区域水土流失现象也频繁出现。流域暴雨洪水与水土流失严重威胁人民生命财产安全,对我国可持续发展事业带来巨大威胁。因此,必须开展大规模的水土保持生态工程,精准预测流域暴雨洪水发生过程及其引发的水土流失灾害,防止水土流失,对于改善人民生活,提高土地质量,改善我国的生态环境我们刻不容缓。

根据国际紧急灾害数据库(EM-DAT)显示,中国是洪水灾害发生最频繁的国家之一;从 2003 年至 2023 年的数据来看,中国洪水灾害的次数位居全球第一。从近年的情况看,我国洪水灾害呈现受灾范围广、山洪灾害频发,人员伤亡较重,直接经济损失严重等特征。洪灾会淹没作物和房屋建筑,破坏水利工程设施,严重威胁百姓的生命、财产安全。2020 年,因洪涝损坏大中型水库 142 座、小型水库 1927座,其中水库垮坝1 座(广西桂林市阳朔县沙子溪水库),损坏堤防 40136 11579.17 公里,其中132 14.21 公里堤防决口,损坏护岸 43627 处、水闸 8511座、塘坝 50476 座、灌溉设施 117240 处、水文测站 1977 个、机电井 9712 眼、机电泵站 7797 座、水电站 778 座,水利设施直接经济损失 646.34 亿元。2023年,我国因洪涝共有5190.4 万人次受灾,405 人死亡失踪,525.7 万人次紧急转移,11.2万间房屋倒塌,农作物受灾面积 9714.8 千公顷,其中绝收面积 1632.8 千公顷,直接经济损失2393亿元。洪涝已成为制约我国国民经济持续发展的重要因素,减灾已成为全国关心的焦点之一。我国每年因水土流失的土壤大约为 80120 亿吨,等于把全国的耕地普遍刮去1.62.4cm 厚的表土。水土流失面积达 492 km2,占国土面积的 51.2%,其中水力侵蚀面积为 183 km2。风力侵蚀面积 188 km 2,每年流入江河的泥沙,占世界总侵蚀量的 1/81/5。黄土高原水土流失举世瞩目,流失面积达 45.4 km2 占全区面积 71%;其次长江上游水土侵蚀面积达 42.66 km2,占上游土地面积的 35%,并以年 1.25%的速度递增;南方岩溶地区降雨量大,在强烈的认为干扰条件下,区域水土流失也已成为制约区域社会经济发展的重要因素流域暴雨洪水与水土流失严重威胁人民生命财产安全,对我国可持续发展事业带来巨大威胁,因此,必须开展大规模的水土保持生态工程,精准预测流域暴雨洪水发生过程及其引发的水土流失灾害,防止水土流失,对于改善人民生活,提高土地质量,改善我国的生态环境具有重大意义。

本产品研发水患灾害监测、预警、制定治理方案等服务,通过大数据技术搭建水患灾害数字化平台。通过互联网技术搭建水患灾害数字化平台,配套开发远程客户端和手机客户端,借助先进的阿里云平台存储技术应用体系数据,提升数据提取速度,辅助该技术是选择与治理效果的模拟实现,为客户推介客观、同步、经济的方案选择、获得模拟治理效果。同时该系统还能对具有潜在水患灾害发生风险区域开展灾害预警,实现技术性防控,以及兼容水土流失区域监测、治理方案供应、模拟治理效果、治理效果评估系统开展水土流失防治,项目研究结果能够针对洪峰流量和可能发生的水土灾害进行预报,对区域洪涝灾害防治和水资源管理具有重要意义,对改善民生、提高人民生活质量有重要意义,在社会文明、生态文明、民生福祉等方面具有积极的推动作用。

1)利用“3S” 技术形成控制网络进行实时监测

 

综合利用“3S”技术[11],建立地理信息系统数据库,形成大数据的监测控制网络,实时监测水土流失数据,创建云端信息分析系统的关键技术,区域降雨侵蚀力因子和土壤可蚀性因子,利用数字高程模型计算确定地形因子,利用卫星影像像元计算获得植被和水土保持措施因子[13],建立地理信息系统数据库,形成区域洪水预测的实时动态监测,提高监测数据的准确性、时效性、系列的连续性和周期性,形成小流域监测自动化测报技术;结合典型区域水土流失和水土保持情况[12],重点针对水土流失和防治成效,建立基础数据库,制定有效的成果发布机制,形成水土保持监督管理信息系统;采用 GPS 和三维激光扫描仪,对生产建设项目的堆弃渣土进行快速定位、扫描,测算弃土弃渣变化量,形成生产建设项目人为水土流失快速、准确测算技术。且与广西岩溶地貌紧密结合,大大提高了传统的人为监测水土流失技术的准确率和效率,解决了大数据动态监测利用率低的痛点问题[14]

 

2)研究建立流域暴雨洪水与水土流失模型技术

 

  团队通过研究建立流域暴雨洪水与水土流失模型[15],预测流域水患灾害发生风险,具有较强创新性。现有预测水土流失[10]或洪涝灾害方面的研究大都是直接采用线性数值分析,预测模拟结果大多指标单一、精度较低,而本项目结合遥感大数据和长时间序列的气象水文站网实测资料提高数值模拟预测精度[1],同时可以通过充分借助三维虚拟场景将数值模拟结果可视化,使结果更加直观,能够更加容易被大众理解和接受。[6]

 

 

3)智慧监测进行实时动态监测技术

 

   本项目首创智慧监测模式,为客户提供水患智能监测预警服务,实时动态监测并科学预测水患灾害,实现前期预防、实时监测、制定方案,推动数字水文建设[9]。本产品基于水文大数据与“3S”技术[16],选取区域监测地表植被和水土流失动态变化特征,结合土地利用类型变化、地形地貌特点,利用建国以来水文站、气象站资料,分析降雨径流变化规律[5],建立流域降水产流产沙模型,对流域暴雨洪水发生过程和水土流失进行模拟预测,从而科学预测水患灾害。[2]

 

 

4)基于现有水文数据量身定制相关方案

 

本项目利用水文大数据遥感监测水土流失,主要以 Landsat 8 OLI_TIRS 卫星遥感影像为基础数据源[3],采用监督分类方法解译漓江流域土地利用类型分布特征,并计算、统计分析其变化趋势;基于归一化植被指数NDVI ENVI5.5 下计算出研究区植被覆盖度分布情况[4]。以遥感卫星影像为主要数据源,以地理信息系统GIS 为平台,结合卫星影像处理,提取漓江流域土地利用、植被 覆盖和水土流失图,结合流域土壤侵蚀调查结果分析得出水土流失动态监测资料。以便及时掌握流域水土流失状况尤其是严重流失区生态环境的变化趋势,及时掌 握水土保持生态环境建设的成效,为水土保持工作的科学决策和高效管理提供依据。本项目也基于水文与气象站资料预测产流产沙,依据现有的水文气象观测数据资料[18] 利用统计相关分析方法,建立侵蚀和产沙量与其主要影响因子之间的经验关系,结合土地利用类型、植被覆盖度、地形坡度等其他水土流失影响因子在ArcGIS 平台下运用空间叠加分析模块建立适用于该区的水土流失监测模型[8],为水土流失灾害预报提供可行方案。

 

5)研究多种预测方法和模拟系统以提高精测精度技术

 

本项目通过分析最优加权组合预测模型的基本原理,提出了差分模型和衰减记忆最小二乘递推算法的组合预测模型,使用多种预测方法对同一预测对象进行预测,在此基础上通过加权组合形成一个预测模型,本项目系统研发功能还包括3S 系统二次开发与编程、治理模拟研发、产品设备研发以及智能AI 模拟实施研发。执行区域分割包括洪水过程演算系统[19]、洪水产沙模拟系统[17]、水患风险发生系统、水土流失同步监控系统、水土流失智能演算功能、方案效果模拟系统[20]等。以提高预测精度,并将该模型应用到实时洪水预报中,并进行洪水风险预测以及模拟,以提高预测精度,并将该模型应用到实时洪水预报中,并进行洪水风险预测以及模拟。[7]

洪水灾害是世界历史上自然灾害中极为严重的灾害之一。洪水灾害也是中国目前面临的主要自然灾害,其每年造成的经济损失已占国民经济总产值的315%左右。全国约有40%的人口、35%的耕地和70%的工农业产值分布在长江、黄河等七大江河中下游平原和东南沿海地区,这些地区大部分土地处于江河洪水水位以下,经常受到洪水的威胁。 近年来,我国汛情旱情阶段性和地域性特征愈发明显,表现出旱涝急转、秋汛影响范围扩大等复杂性特征,增加了防汛抗旱工作的难度。而本产品基于水文大数据与“3S”技术,选取区域监测地表植被和水土流失动态变化特征,对流域暴雨洪水发生过程和水土流失进行模拟预测,实时技术性防控,能够针对洪峰流量和可能发生的水土灾害进行预报,对区域洪涝灾害防治和水资源管理具有重要意义。

1)关于“3S”成熟技术,广泛应用水利行业研究

 

由于水利信息大多与空间位置紧密联系,所以遥感系统(remote sensing,简

RS)、地理信息系统(geographical information system,简称GIS)和全球定位系

(global position system,简称GPS)统称为3S”,其技术支撑的空间信息技术在水利行业有着广泛的用途。RS 提供数据源和数据更新途径,GPS 提供地球表面任意物体的空间位置信息,GIS 提供强大的空间数据分析和处理能力,三者相互交叉,取长补短,从而完成对空间数据的实时采集、更新、处理和分析。随着现代科技水平的飞速发展,“3S”技术的发展更加成熟,在水利行业应用更加广泛,技术也更加精细完善。

RS 技术的遥感数据空间分辨率、时间分辨率、光谱分辨率和辐射分辨率越来越高,数据类型越来越丰富,数据量也越来越大,遥感数据已经具有了明显的大数据特征,如大容量、高效率、多类型、难辨识、高价值等,遥感进入了大数据时代。GPS GIS 技术的发展也更加成熟,对于土地利用的监测也更加方便,在对全球的环境评价当中,通过对土地利用的监测,能够反映出研究区域的土地利用变化情况,这作为评价生态系统和环境都起到很好的参照作用。“3S” 技术还拥有强大的地图制图功能,选择地理数据制作的区域地形检测图,具有三维视野,动静结合,能生动地显示地形的立体景观。可以通过充分借助三维虚拟场景将数值模拟结果可视化,使结果更加直观,能够更加容易被大众理解。

 

(2)研究建立流域暴雨洪水与水土流失模型技术

 

近年来,在防汛工作积极开展的背景下,为了减轻突发洪水带来的灾害,专家对于洪水预测模型的研究逐渐增多。例如刘志飞基于最小二乘支持向量机洪水预测模型理论, 以我国西南地区某流域河段为例,建立了区域洪水预报模型,并对区域水位变化做出了准确预测。段生月等人针对传统神经网络模型应用于洪水预测时的问题进行改进,提出了基于正则化 GRU 神经网络的洪水预测模型来提高洪水预报精度。并且通过实验证明,预测准确性的不断提高,使其在实际应用中也有比较出色的表现。传统的洪水风险预测需要详细调查评估地区地形等自然地理信息、洪涝灾害发生特征及社会经济损失情况,不易实现,不能够实时监测,缺点校多。而运用遥感和 GIS 相结合的方法进行洪水风险预测以及模拟具有模拟速度快,时效性强的特点,已成为当前行业的研究热点。

随着时代的进步和科技的发展,市场上传统水患灾害监测已越来越不能适应新时期水文工作发展的需要,其存在的弊端和不足也日益严重的显现出来:首先,监测的手段比较落后,需要研究人员现场调研监测数据,监测参数比较单一;其次,水文监测信息传输不及时,时效性差,无法做到信息共享;第三,没有更好的利用现代高科技对流域的水文参数进行监测与预测,从而对存在的安全隐患和已经发生的事故不能做出及时的判断并进行有效的处理,预防及治理措施是按照研究人员经验提供方案,方案的实施成效等级参差不齐。随着我国科学技术的快速发展,传统的监测、预报和治理方案将向自动化、智能化和网络化为主的方向转型,许多单位加大了对核心技术的研发力度,以应对日益多样化的实时监测和环境管理发展的需要。

综上所述,运用遥感和GIS相结合的方法进行洪水风险预测和模拟,精准度高且实效性强,但目前国内外大部分仍使用传统洪水风险预测方法,新型模拟方法需任重而道远。

 

3)智慧监测进行实时动态监测技术

 

近年来,国家越来越重视水患的监测和预警,每年都在加大财政投入,保证人民的生命、财产安全。目市场巨大、发展空间巨大,市场对水患预警,水土流失治理等相关服务的需求正在稳定且持续上升。由于近年来全国的水患造成的损失持续增加,严重威胁到人民的生命、财产安全,国家对水患监测预警的加力了投入,这将导致许多传统的水患监测预警企业纷纷开始向智能化综合监测预警转型。

项目已开发构建数字水文系统,系统涵盖洪水过程演算、洪水产沙模拟、水土流失区域监测预报、水土流失智能演算、水患灾害预警、方案效果模拟、方案实施评价等服务,且本项目已拥有 7 件授权专利和 3 件软件著作权,国内外的优质平台资源支持,10 余年相关科研基础数据库为核心,并且指导老师带领的科研团队也将会一直致力于此领域的研究,项目团队有能力也有信心不断革新核心技术。

 

 

项目前期知名度不高,市场范围较小,加之本项目较传统的水患监测预警项目有了较大创新,将面临市场的信任度问题,市场对本项目的接受度也是未知数,种种不良因素可能会阻碍项目的推广与发展。

 

4)基于现有水文数据量身定制相关方案

 

我国每年都有严重的水患灾害发生以及较多的水土流失情况,国家不计成本进行防治,在政府机关的规划设计中,有大量的工程项目需要进行实施,相关部门企业需要进行大量的工程施工任务,而施工需要施工方案,部分公司无法编制满足“规划”要求的方案,数字水文便可提供工期短、费用低、效果好的方案;与此同时工程施工结束后项目可提供施工成果验收检查服务,以保证工程建设优质高效。

  本团队资料收集已较为充分,目前有近20 LandsatTMLandsat8 OLI-TIRS MODISD 等遥感卫星数据和桂东北地区19 个主要的气象站数据;前期已对研究区内 20 年的归一化植被进行提取,提取精度较高,遥感解译了流域土地利用类 型图、流域水系图。团队依托环境科学与工程学院水文与水资源教研室,可获得 往年实习实测气象数据。同时桂林理工大学国家级水污染控制实验教学中心、广西环境污染控制理论与技术重点实验室等科研平台,软硬件实力强大。团队所需各类数据成员还在学校图书馆、博物馆等学校二级部门丰富的学术资源、资料数据库中收集整理。

本产品已对漓江流域进行实时动态监测,并且取得了一定的成果。拥有近20 LandsatTMLandsat8 OLI-TIRSMODISD 等遥感卫星数据和桂东北地区19 主要气象站数据;利用遥感解译了流域土地利用类型图、流域水系图,已对研究区内20 年的归一化植被进行较高精度的提取,从而监测漓江流域的旱涝灾情。

项目团队指导老师长期从事水土保持及水文与水资源方面的教学与科研工作,在遥感技术、地理信息技术、洪涝灾情监测与分析方面经验丰富。经过三代的提高与完善,项目团队成员已经将暴雨洪水中的降雨产流算法嵌入虚拟可视化场景,能够初步揭示暴雨洪水的发生过程。

本项目可利用互联网+设立咨询服务平台及时在线为客户进行直观的客服介绍,及时解决客户对于产品方案以及平台服务的相关疑问,针对不同地区以及客户群体和项目,因地制宜定制满足各方需求的运营维护系统服务及产品方案,能够使得客户对企业不断地接纳和认可,增加了本项目的市场竞争优势, 实现企业的快速发展,实现企业经济效益最大化。

参考文献:

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1.创新点

本产品研发水患灾害监测、预警、制定治理方案等服务,通过大数据技术搭建水患灾害数字化平台。

1)方法创新

1)具有完善的土壤侵蚀等水土保持模型的研发体系:我国于 20 世纪 50 年代开始对土壤侵蚀模型的定量研究,在80 年代引入美国通用土壤流失方程(USLE) 后,许多学者开始以 USLE 模型为蓝本,参考径流小区的观测数据,根据区域实际情况对USLE 模型进行修正,并建立具有区域特征的土壤侵蚀预报模型。吴发启等对黄土高原地区,杨子生对滇东北山区分别进行土壤侵蚀预报模型探索。其中,最典型且应用范围最广的为刘宝元提出的中国土壤流失方程(Chinese soil loss equation,CSLE)。

2)水土保持监测管理系统已进入升级改造阶段:开发建设项目水土保持监测是通过技术手段掌握开发区水土流失状况、防治效果及落实批复水土保持防治责任情况;发现重大水土流失危害隐患,提出防治对策建议;提供水土保持监督管理技术依据和公众监督基础信息。水土保持监测需要保证成果及时、准确和科学性,发挥防治水土流失作用。监测工作管理系统是实现这个目的的核心,实现对监测工作组织、进度、频次、质量的控制。其中监测项目部主要包括监测工作的组织形式,监测总工程师、监测工程师、现场负责人、报告编写人、参加人、审定人等信息,以及人员变动情况,实现展示和增删修改功能。进度管理主要是成果提交情况是否及时,监测工作是否满足实施方案要求,实现进度比对和预警提示功能。大型建设项目监测实施方案应开展专家咨询论证,按咨询论证意见进行修改;通过与参建单位开展水土保持技术交底以顺利开展监测工作;实现专家论证和技术交底过程展示功能。

3)基于“3S”技术展开治理:通过多源空间信息的获取、分析,结合数学模型,确定区域降雨侵蚀力因子和土壤可蚀性因子,利用数字高程模型计算确定地形因子,利用卫星影像像元计算获得植被和水土保持措施因子,建立地理信息系统数据库,形成区域洪水预测的实时动态监测,提高监测数据的准确性、时效性、系列的连续性和周期性,形成小流域监测自动化测报技术;结合典型区域水土流失和水土保持情况,重点针对水土流失和防治成效,建立基础数据库,制定有效的成果发布机制,形成水土保持监督管理信息系统;采用 GPS  和三维激光扫描仪,对生产建设项目的堆弃渣土进行快速定位、扫描,测算弃土弃渣变化量,形成生产建设项目人为水土流失快速、准确测算技术。

 2)技术创新

1) 利用水文大数据遥感监测水土流失

土地利用类型和植被覆盖度是评价水土流失的重要因子。主要以 Landsat 8OLI_TIRS 卫星遥感影像为基础数据源,采用监督分类方法解译漓江流域土地利 用类型分布特征,并计算、统计分析其变化趋势;基于归一化植被指数NDVI ENVI5.5  下计算出研究区植被覆盖度分布情况。以遥感卫星影像为主要数据源,以地理信息系统 GIS 为平台,结合卫星影像处理,提取漓江流域土地利用、植被 覆盖和水土流失图,结合流域土壤侵蚀调查结果分析得出水土流失动态监测资料。以便及时掌握流域水土流失状况尤其是严重流失区生态环境的变化趋势,及时掌握水土保持生态环境建设的成效,为水土保持工作的科学决策和高效管理提供依据。

2)基于水文与气象站资料预测产流产沙

土壤侵蚀预报模型是监测预报的核心工具,依据现有的水文气象观测数据资料,利用统计相关分析方法,建立侵蚀和产沙量与其主要影响因子之间的经验关系,目前普遍采用的土壤流失方程 E=RKLJCP,重点计算降雨侵蚀力 R 值,结合土地利用类型、植被覆盖度、地形坡度等其他水土流失影响因子在 ArcGIS 平台下运用空间叠加分析模块建立适用于该区的水土流失监测模型,为水土流失灾害预报提供可行方案。

3)建立数字水文模型模拟预测洪水

通过模拟实验、简化研究、分解研究及相似性思维的研究思路,以水文基本规律、降雨产汇流水文模型研究为基础,结合流域地形地貌特征、土地利用类型和植被分布特征,了解流域的降雨产流机制,并结合生产实际问题的需要,构建数字水文模型,模拟流域暴雨洪水发生过程,评价其引发的水土流失灾害的严重程度,继而提出预警方案和治理措施,为区域水资源管理和水灾害防治提供支撑

2.项目特色

水文大数据分析已经成为水利行业发展的趋势,对于区域的水土流失灾害的分析不能简单的依靠实际的观测站点数据,应该结合大数据大区域的系统性的分析,这种分析是现在的新兴热点。

1)团队建立流域暴雨洪水与水土流失模型,预测流域水患灾害发生风险,具有较强创新性。现有预测水土流失或洪涝灾害方面的研究大都是直接采用线性数值分析,预测模拟结果大多指标单一、精度较低,而本项目结合遥感大数据和长时间序列的气象水文站网实测资料提高数值模拟预测精度,同时可以通过充分借助三维虚拟场景将数值模拟结果可视化,使结果更加直观,能够更加容易被大众理解和接受。

2)本项目团队依托桂林理工大学为项目提供人才保证和技术支撑,同时桂林理工大学国家级水污染控制实验教学中心、广西环境污染控制理论与技术重点实验室等科研平台,软硬件实力强大。项目所需各类技术及数据成员还在学校图书馆、博物馆等学校二级部门丰富的学术资源、资料数据库中收集整理,提高技术含量。利用互联网+设立咨询服务平台及时在线为客户进行直观的客服介绍,及时解决客户对于产品方案以及平台服务的相关疑问,针对不同地区以及客户群体和项目,因地制宜定制满足各方需求的运营维护系统服务及产品方案。

3)本项目攻克了调研耗时长、方案同步性低等难题,通过开发智能监测处理平台,实现大数据智能化、信息化监测,提出更加及时、客观、经济的方案。本项目完成了一套具有精度高、监测参数多样化(水位、温度、压力、流量)、实时性强(通过 GSM 网络进行实时水文数据传输)、运行安全可靠、自动化程度高(通过软件设计智能决策模块来辅助水文工作者进行数据的获取和分析)、能够连续长期测量并利用计算机分析和辅助决策的多参数水文实时监测智能预警系统。该系统的研发和应用对于保障煤矿安全生产具有重要的意义。其具有较高的社会推广价值。

因此,本项目的主要价值主张在于技术的推广与应用,通过互联网+技术的融入,提升科技成果的含金量和产业化价值,为西南地区乃至全国、全世界的水患灾害防治做出贡献。

1. 技术路线

 

本项目技术路线如图1所示

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1技术路线图

2.拟解决的问题

拟解决的问题

1)以 Landsat 8 OLI_TIRS  卫星遥感影像为基础数据源,采用监督分类方法解译漓江流域土地利 用类型分布特征,并计算、统计分析其变化趋势;基于归一化植被指数NDVI   ENVI5.5   下计算出研究区植被覆盖度分布情况。以遥感卫星影像为主要数据源,以地理信息系统GIS  为平台,结合卫星影像处理,提取漓江流域土地利用、植被 覆盖和水土流失图,结合流域土壤侵蚀调查结果分析得出水土流失动态监测资料。以便及时掌握流域水土流失状况尤其是严重流失区生态环境的变化趋势,及时掌 握水土保持生态环 境建设的成效,为水土保持工作的科学决策和高效管理提供依 据。

2依据现有的水文气象观测数据资料,利用统计相关分析方法,建立侵蚀和产沙量与其主要影响因子之间的经验关系,目前普遍采用的土壤流失方程E=RKLJCP,重点计算降雨侵蚀力R 值,结合土地利用类型、植被覆盖度、地形坡度等其他水土流失影响因子在ArcGIS 平台下运用空间叠加分析模块建立适用于该区的水土流失监测模型,为水土流失灾害预报提供可行方案

3)通过模拟实验、简化研究、分解研究及相似性思维的研究思路,以水文基本规律、降雨产汇流水文模型研究为基础,结合流域地形地貌特征、土地利用类型和植被分布特征,了解流域的降雨产流机制,并结合生产实际问题的需要,构建数字水文模型,模拟流域暴雨洪水发生过程,评价其引发的水土流失灾害的严重程度,继而提出预警方案和治理措施,为区域水资源管理和水灾害防治提供支撑。

 

1)20245~6月:研究成员了解相关背景资料,结合现在有关项目的研究成果,明确团队创新方向;

2)20245月:学习相关知识以及需要运用的工作软件;

3)20246月:学习并掌握相关实验仪器的操作方法;

4)20247~12月:实验方案设计及优化,开展实验研究,进行野外实地调研;

5)20251~2月:实验数据的分析、总结阶段;

6)20253月:撰写结题报告,拟将研究成果撰写;

7)20254月:提交材料,按时结题。

1. 与本项目有关的研究积累和已取得的成绩

项目申报团队已掌握的相关核心关键技术如下:

掌握的相关国家专利包括:

1)一种应用于石漠化坡地的耕作系统

2)一种泥质土壤柱状采样装置

3)一种数显激光测距仪

4)一种喀斯特地区水量测量装置

5)一种应用于湿地公园的水生态修复装置

相关的学术论文包括:

· [1]田卓,何建华,张帅普,. 南方典型红壤丘陵区泡桐幼苗根系的空间分布特征 [J]. 西南农业学报, 2023, 36 (10): 2200-2209.

· [2]田卓 ,张帅普 ,王醒 ,. 龙脊梯田不同土地利用方式下土壤粒径分形特征 [J]. 农业现代化研究, 2023, 44 (04): 724-735.

· [3]田卓,张帅普,代俊峰,. 漓江水陆交错带土壤粒径分形维数与水力性质 [J]. 节水灌溉, 2022, (12): 48-57.

· [4]田卓,何建华,张帅普,. 龙脊梯田典型坡面表层土壤水分的空间变异特征 [J]. 西南农业学报, 2021, 34 (10): 2197-2203.

相关获奖情况包括:

届中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛“数广集团杯”广西赛区银奖

第二届广西壮族自治区环保科普创意大赛一等奖

第二届广西壮族自治区环保科普创意大赛三等奖

桂林理工大学2023年“水工环”科技竞赛三等奖

1与本产品有关的研究积累和已取得的成绩

本产品已对漓江流域进行实时动态监测,并且取得了一定的成果。拥有近 20年 LandsatTM、Landsat8  OLI-TIRS、MODISD 等遥感卫星数据和桂东北地区 19个主要气象站数据;利用遥感解译了流域土地利用类型图、流域水系图(图 2),已对研究区内 20 年的归一化植被进行较高精度的提取,从而监测漓江流域的旱涝灾情。团队成员基本熟悉遥感技术的基本原理,能够熟练操作专业遥感软件 ENVI 和制图分析软件 ArcGIS、SPSS。对基于卫星遥感技术提取水体面积、监测旱涝灾害的方法已较为熟悉,ArcGIS 的空间分析模块也可熟练运用。

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2 漓江流域水系与高程图

2已具备的条件

 

团队指导老师长期从事水土保持及水文与水资源方面的教学与科研工作,在遥感技术、地理信息技术、洪涝灾情监测与分析方面经验丰富。经过三代的提高与完善,团队成员已经将暴雨洪水中的降雨产流算法嵌入虚拟可视化场景(图 3),能够初步揭示暴雨洪水的发生过程。本项目团队依托桂林理工大学为项目提供人才保证和技术支撑,同时桂林理工大学国家级水污染控制实验教学中心、广西环境污染控制理论与技术重点实验室等科研平台,软硬件实力强大。项目所需各类技术及数据成员还在学校图书馆、博物馆等学校二级部门丰富的学术资源、资料数据库中收集整理,提高技术含量。本项目攻克了调研耗时长、方案同步性低等难题,通过开发智能监测处理平台,实现大数据智能化、信息化监测,提出更加及时、客观、经济的方案。

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3 降雨产流算法模拟场景构建

 

指导老师:张帅普

1)国家自然科学基金青年项目——岩土剖面构型对喀斯特坡地植物根系吸水的影响机制研究(项目编号41907011;起止时间 2020.01-2022.12;主持)

2)国家自然科学基金地区项目——基于时间稳定性分析的石漠化坡地土壤水分植被承载力研究(项目编号42267045;起止时间 2023.01-2026.12;主持)

3)广西科技计划项目人才专项——石漠化山区灌丛坡地土石混合土壤水分与养分有效性研究(项目编号2019AC20035;起止时间2020.01-2022.12;主持)

4)广西自然科学基金青年项目——喀斯特坡地不同岩-土覆被类型下植被耗水特征及其适应机理研究(项目编号2018JJB150079;起止时间2019.03-2022.03;主持)

 

5)广西水土保持学会重点领域创新项目——极端降雨条件下喀斯特坡地土体稳定性及其侵蚀特征研究(项目编号202009003;起止时间2020.11-2022.11;主持)

6)国家重点研发计划项目——喀斯特水资源生态调控技术集成与优化示范(项目编号2019YFC0507504;起止时间2020.01-2022.12;参与)

7)国家自然科学基金重点项目——西北旱区土壤干层形成过程与调控机制(项目编号41530854;起止时间2016.01-2019.12;参与)

8)国家自然科学基金重大研究计划项目——黑河中游绿洲生态系统不同景观单元SPAC水过程研究(项目编号91025018;起止时间2011.01-2014.12;参与)

9)广西重点研发计划项目——湘漓连通区水土协同保护与可持续利用关键技术研发与示范(项目编号桂科AB22035075;起止时间2022.04-2025.03;参与)

10)广西重点研发计划项目——大石山区经果林坡地多界面径流集蓄与智能灌溉技术研究与示范(项目编号桂科AB22035058;起止时间2022.03-2025.5

经费预算

开支科目 预算经费(元) 主要用途 阶段下达经费计划(元)
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 10000.00 6200.00 3800.00
1. 业务费 7100.00 4500.00 2600.00
(1)计算、分析、测试费 1000.00 实验所需器材 500.00 500.00
(2)能源动力费 0.00 0.00 0.00
(3)会议、差旅费 800.00 用于野外调查,学术交流等差旅费,用于开题,中期讨论,结题等会议费 500.00 300.00
(4)文献检索费 800.00 文献检索等费用 500.00 300.00
(5)论文出版费 4500.00 用于发表论文 3000.00 1500.00
2. 仪器设备购置费 1400.00 用于实地检测,信息平台建设等 800.00 600.00
3. 实验装置试制费 1000.00 实验室所需仪器 600.00 400.00
4. 材料费 500.00 用于野外实验耗材,室内容器的各种试剂等 300.00 200.00
结束