水電工程水土保持監測技術方法應用探討

岳增璧，王　琪，李紅星，單　婕

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安　710065；2.水電水利規劃設計總院，北京　100120)

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水電工程水土保持監測技術方法應用探討

岳增璧1，王琪1，李紅星1，單婕2

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安710065；2.水電水利規劃設計總院，北京100120)

在簡政放權、加強事中事后監管的新要求下，水電工程水土保持監測工作面臨新的挑戰。傳統調查監測、地面監測方法已不能滿足新的監測要求，遙感監測、無人機低空航拍、集成通信技術等創新型監測方法越來越受到水行政主管部門的鼓勵與肯定。文章系統梳理了水電工程水土保持監測方法及其特點，創新型的監測技術采集的數據精度更高，時效性更強，且成本低。

水電工程；水土保持；監測方法；技術創新

0　前　言

水電工程在建設過程中對原地表進行擾動、損壞地表植被、挖填、轉運或堆棄土石(渣)方等施工生產活動，均使得原地貌的土壤及其母質受到破壞、侵蝕或運移，改變了工程所在區域的自然環境，使水土流失因子發生了重大的改變，在不采取水土保持措施的情況下，將會產生大量水土流失。水土保持監測從保護水土資源和維護生態環境安全出發，運用多種技術方法，對水土流失的成因、數量、強度、影響范圍、危害及其防治成效等進行動態監測，為有效落實水土保持方案中的水土保持措施、最大程度地控制水土流失、確保水電工程項目建設區生態環境安全等提供技術支撐。目前，水電工程水土保持監測方法總體上還處于常規調查監測和簡易水土流失觀測場、徑流小區等常規地面監測方法的水平，人力資源投入大，且缺乏統一規范的指導，水土保持監測成果質量往往良莠不齊[1]。因此，根據水電工程建設過程中的水土流失特點，采取科學、合理、經濟、高效的水土保持監測方法，是水電工程水土保持監測工作的重要環節，對規范水電工程水土保持監測工作、提高監測成果質量水平具有重要作用。

1　水電工程水土保持監測的重點

水電工程規模大，工程建設持續時間長，對地表的擾動強度大且對周邊的生態環境影響深遠，尤其是施工道路邊坡開挖、料場開挖對地表的擾動強烈，棄土棄渣堆積對地表植被、土壤的改變很大，且易造成強烈的水土流失問題[2]。因此，水電工程常將棄渣場區、交通道路區、料場區等作為水土保持監測的重點區域。

根據水利部《關于規范生產建設項目水土保持監測工作的意見》(水保〔2009〕第187號)、《生產建設項目水土保持監測規程》(2015試行)，監測實行駐點監測，監測必須涵蓋擾動土地情況、取土(石、料)棄土(石、渣)情況、水土流失情況、水土保持措施實施情況等重點內容。其中擾動土地情況核心是面積，取土(石、料)棄土(石、渣)情況重點是數量，水土流失情況核心是數量，水土保持措施實施情況重點是面積和數量，且在實地量測、資料分析、地面觀測等常規監測方法的基礎上，鼓勵采用遙感監測等創新型監測方法。做好水電工程水土保持監測，重點就是要對工程各防治分區按照施工進度準確進行地表狀況分類并確定面積，獲取挖填借棄的土石(渣)方量和不同下墊面情況下的土壤流失量。所有監測方法應按照監測頻次的要求，動態獲取面積和數量等定量信息，以保證監測成果的科學性和可靠性[3]。

2　常規監測技術方法及特點

水土保持監測方法一般分為調查監測、地面觀測和巡查監測三大類，一般以地面監測為主，調查監測和巡查監測為輔。多年來，在水電工程水土保持監測工作中，通常采用常規的監測技術方法，在一定程度上滿足了水土保持監測工作的要求，基本保證了工程建設區水土流失防治責任范圍內水土資源保護的需要。

2.1調查監測及巡查監測

(1) 調查監測

監測人員為獲取工程建設區水土流失防治責任范圍、擾動地表面積、土石(渣)方量、防治措施數量和質量、植物措施的成活率、保存率、生長情況及覆蓋度、防護工程的穩定性、完好程度、攔渣效果和對周邊地區造成的危害及發展趨勢等定量和定性基本信息，掌握其動態變化情況，利用GPS、全站儀、測尺、測繩等量測設備現場測量獲取面積、措施數量等定量數據，利用攝像機和照相機、現場觀察等現場調查取得工程質量、植物措施生長情況、水土流失程度等定性評價結果，在工程建設區現場完成的量測、影像拍攝、數據記錄、分析評判等監測工作，統稱為調查監測[4-5]。優點是針對性強，簡單直觀，能夠取得大量抽樣數據、量測數據作為基礎支撐；缺點是不能夠全面完整地反映工程建設區的情況，需借助遙感監測數據成果做補充。

(2) 巡查監測

按照一定的頻率，對工程水土流失防治范圍內的各區域進行查看，調查水土流失及其防治狀況，分析水土流失防治成效及存在問題，為落實好水土保持措施提供數據和建議。本方法為常規監測方法，優點是能夠使監測工作人員較快了解工程水土流失現狀，取得定性評價結果，缺點是取得定量數據有限，需配合其它監測方法綜合分析。

2.2地面觀測

選取典型觀測樣地，布設水土流失監測設施或設備，以取得土壤流失量動態數據的觀測方法，一般有徑流小區、簡易水土流失觀測場、泥沙收集器等定點監測方法。

(1) 徑流小區

在工程區選取典型坡面，布設5 m×20 m標準規格或2 m×10 m等非標準規格，并連接集流槽、分流箱、集流筒等觀測設備的監測設施。徑流小區適用于擾動土體、棄土棄渣等形成的比較穩定的坡面，也可用于礫石較少的棄土棄渣等形成的比較穩定的坡面，不適用于由棄石組成的堆積物的坡面。該方法是水電工程水土保持監測水蝕觀測的常用方法，觀測數據代表性較強，可為土壤流失量的分析計算提供有效支撐，缺點是采樣測定及后續數據分析計算程序較繁瑣，對監測人員的要求較高，需具備較強的技術水平才能滿足觀測要求。

(2) 簡易水土流失觀測場

將直徑0.5 cm、長40 cm的鋼釬，根據坡面面積，按1 m×1 m分上中下、左中右縱橫各3排(共9根)沿坡面垂直方向打入坡面，出露坡面10 cm，并在末端和地面接觸部位做標記，編號登記入冊，坡面面積較大時，為提高監測精度，測釬密度適當加大。每次降雨后，觀測釘帽出露地面高度，計算土壤侵蝕厚度和土壤侵蝕量。該方法是水電工程水土保持監測水蝕觀測的常用方法，布設較靈活，可布設多組取平均值，能夠為土壤流失量的分析計算提供一定支撐，但是易受外來徑流或人為擾動干擾，造成較大誤差，影響觀測結果的準確性。

(3) 泥沙收集器法

為防止徑流將沖刷的坡面泥沙攜帶出設定的控制范圍，在坡面下設置集水池、在堆渣體的周邊設置沉沙池、在截排水溝末端建設沉沙池等收集徑流泥沙的設施。該方法是水電工程水土保持監測水蝕觀測的常用方法，一般能收集水蝕的推移質，對懸移質效果較差，適用于徑流沖刷物顆粒較大的區域，顆粒較小的區域需要加大規格尺寸以提升收集效果。

3　創新型監測技術方法及特點

近年來，基于遙感技術和通信技術發展起來的創新型監測技術方法，受到水行政主管部門的肯定與鼓勵，在水土保持監測領域作用日益顯著。

3.1遙感監測技術

遙感監測是利用衛星或空間航空器快速獲取建設項目區水土保持信息，結合地理信息系統或其它配套軟件，實現水土保持全數字化的分析、處理以及成果展示的先進監測技術，包括資料準備、遙感影像選擇與預處理、解譯標志建立、信息提取、野外驗證、分析評價和成果資料管理等程序[6]。

根據《關于規范生產建設項目水土保持監測的意見》(水保〔2009〕第187號)，對水土保持監測明確要求：“對于線路長、取(棄)土(渣)量大的生產建設項目，應包括項目建設前、建設中和建設后的遙感影響資料及其分析結果”。《生產建設項目水土保持監測技術規程》(2015試行)也明確要求，建設項目擾動土地情況、水土流失情況、水土保持措施等監測均應進行遙感監測。遙感監測在水土保持監測中的應用越來越受到鼓勵與肯定。

遙感監測將水土保持監測內容和傳統監測指標體系徹底打破，按照空間信息特征和類別重新分類，分層計算水土保持監測指標，增加監測數據的客觀性和精準度，同時可覆蓋全建設項目區，降低查勘行駛里程和人員費用成本，極大提高生產效率。目前，水電工程遙感監測受一線生產人員缺少遙感和地理信息專業限制，在生產實踐中應用相對較少，需加大研究力度和相關專業人才引進力度。

3.2GSM、WI-FI等信息集成監測技術

GSM是全球通信系統(Global System for Mobile Communications)的簡稱，目前中國常用的是4G和3G網絡；WI-FI是一種可以將個人電腦、數據采集設備等終端以高頻無線電信號互相連接并進行數據傳輸的技術。以上技術與監測數據采集設備集成后，可以通過移動網絡或互聯網將監測數據傳輸至設定的手機終端、郵箱或網絡云存儲終端等。既能響應駐點監測的要求，又不用監測工作人員到現場親自采集數據，可增加監測的頻次，提高監測數據時效性，同時節省人力成本。

(1) 氣象因子集成

將氣象站的雨量、風速、風向、溫度、濕度等氣象因子觀測設備與GSM或增益WI-FI設備集成，將采集數據實時發送至網絡云存儲平臺，通過網絡設定賬戶提取監測數據，目前該項技術已非常成熟，應用較多，相關儀器設備實現了產業化，是氣象基礎數據采集較高效的方法。

(2) 測釬觀測集成

將土壤厚度光感或電感測釬元件、數據分析元件、GSM元件集成，將電子感應測釬按照一定的頻次測定土壤厚度的數據通過GSM網絡傳輸至手機終端或網絡郵箱，而實現土壤流失厚度監測數據采集的技術方法[7]。本方法相對傳統簡易水土流失觀測場，監測數據更精確，時效性更強，且人力成本低。目前，該項技術還處于試驗研究階段，水電工程水土保持監測中應用較少，經一定試驗研究完善后可作為設備產業化試點，在提高技術水平、降低人力成本的同時，創造更大的經濟價值。

(3) 徑流含沙量集成

將徑流泥沙采集儀采樣設備、數據分析元件等與GSM元件集成，通過設定設備工作邊界條件，將采集到的徑流泥沙含量數據實時傳輸手機終端或網絡郵箱，而實現徑流泥沙含量監測數據采集的技術方法。本方法相對徑流小區、卡口站，時效性更強，監測數據更客觀，且人力成本低。目前，該項技術還處于試驗研究階段，水電工程水土保持監測中應用較少，經試驗研究完善后可作為設備產業化試點，拓展項目附加值。

(4) 靜態影像或視頻影像集成

將攝像頭與GSM元件或增益WI-FI設備集成，按照一定的時間頻次對固定區域拍攝靜態影像或動態視頻影像，并將影像資料實時傳輸手機終端、網絡郵箱或網絡云存儲平臺的技術方法。本方法可較好地響應當前水利部和各大流域機構提倡的視頻監測要求，節省人力成本，時效性強，同監控攝像頭技術類似，產業化潛力大，易于推廣應用。

3.3三維掃描技術

利用地面三維激光掃描儀對工程建設過程中的開挖邊坡、填筑邊坡進行不同時期的定點三維掃描，生成同一邊坡不同時期的三維點云數據，利用配套專業軟件進行三維點云數據計算，分析坡面土壤流失量的技術方法[8]。該方法在黃土高原細溝侵蝕等土壤侵蝕原理科研領域應用較多，生產建設項目中實踐應用相對較少，在水電工程中，可對渣場、料場、交通道路等開挖或填筑邊坡區域的土壤流失情況進行較好的定量監測。

3.4無人機低空航拍技術

無人機系統包括空中部分和地面部分，空中部分是執行任務的無人機、機載設備、飛控系統、通信系統、圖傳系統、任務設備等，地面部分是操控系統，通信系統、接收設備、計算機、輔助設備等[9]。無人機低空航拍技術主要是利用無人機系統對項目建設區執行全景影像、重點部位影像、低空遙感影像的采集、數字分析與處理等任務，具有適應性強、彌補人力調查不足、影像像素精度高、技術成果客觀性強、工作效率高等優點。無人機低空航拍與3S技術結合，可取得監測區域DEM、DOM等基礎數字產品[10]，能夠對項目區水土流失情況進行定量分析，可大幅提升監測技術水平與作業能力，其作用等同于遙感監測。目前該項技術在水電工程水土保持監測和水土保持專項設施驗收領域應用越來越多，受到水利部及流域管理機構的好評，應用前景廣闊。

4　結　語

水電工程屬于大中型生產建設項目，工程建設過程中伴隨大面積的地表擾動、大量土石(渣)方的調運或堆棄，做好水土保持工作，有效防治工程建設過程中的水土流失尤為重要。水電工程水土保持監測作為水土保持工作的重要環節，在簡政放權、加強事中事后監管的背景下，作用越來越明顯。傳統的調查監測和地面監測已經不能滿足新要求下水土保持監測的需要，遙感監測、無人機低空航拍、集成通訊技術的地面監測等創新型監測方法涵蓋的調查面積更大、更全、更客觀，采集的監測數據精度更高、時效性更強、人力成本更低，越來越受到水行政主管部門的鼓勵與肯定。因此，加強遙感監測、無人機低空航拍、集成通信技術的地面監測等創新型監測方法的研究和應用，水土保持監測數據將更加客觀、準確、詳實，水電工程水土保持監測技術水平得到大幅提升，水土保持工作將更加科學、合理、經濟、高效。

[1]李芳.水利建設項目水土保持監測存在的問題與對[J].水土保持應用技術，2015(01)：29-30.

[2]楊悅舒,夏振堯,肖海,陳毅,張倫,姚小月.恢復生態學理論在水電工程擾動區邊坡生態修復中的應用[J].長江科學院院報，2015(07)：52-57.

[3]劉憲春,王萬君,王愛娟,曹文華.遙感技術在生產建設項目水土保持監測中的應用[J].中國水土保持，2014(08)：64-66.

[4]李智廣.開發建設項目水土保持監測[M].北京：中國水利水電出版社，2008.

[5]蘭景濤,岳增璧,張保定,張乃暢,張振師.測釬法在水土保持監測應用中存在的問題及解決方案的探討[J].西北水電，2016(01)：15-18.

[6]中華人民共和國水利部.水土保持遙感監測技術規范：SL 592-2012[S].北京：中國水利水電出版社，2012.

[7]李海林,李俊,李健.一種用于土壤侵蝕觀測的光電測尺研究[C]//中國水土保持學會水土保持規劃設計專業委員會2011年年會論文集，2011.

[8]詹曉敏,雷婉寧,秦甦.三維激光掃描技術在開發建設項目水土保持監測中的應用初探[C]//中國水土保持學會規劃設計專業委員會2013年年會論文集，2013.

[9]孟佳男,陳浪,賈建峰,袁吉安,李卓,楊偉新.低空航拍無人機[J].甘肅科技，2014(11)：60-63.

[10]王志良,付貴增,韋力偉,齊建懷,陳宇.無人機低空遙感技術在線狀工程水土保持監測中的應用探討-以新建重慶至萬州鐵路為例[J].中國水土保持科學，2015(04)：109-113.

Exploration of Monitoring Method Application in Water and Soil Conservation of Hydropower Engineering

YUE Zengbi1, WANG Qi2, LI Hongxing1, SHAN Jie2

(1.Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an710065，China;2.China Renewable Energy Engineering Institute, Beijing100120，China)

Under new requirements of streamlining administration, delegating more power to lower-level organization, reinforcing process and post supervision, the monitoring work of water and soil conservation of the hydropower engineering faces new challenges. The conventional survey monitoring and ground monitoring methods cannot satisfy the new monitoring requirements. The renovated monitoring methods such as remote sensing monitoring, low-altitude aerophotogrammetry by drone and integrated communication technology, etc. are being encouraged and accepted by concerned administration increasingly. In the paper, the monitoring methods and features of water and soil conservation of hydropower engineering are combed. It proves that data collected through the renovated monitoring technology are with higher precision, time effectiveness and lower cost.Key words: hydropower engineering; water and soil conservation; monitoring method; technical renovation

1006—2610(2016)04—0004—04

2016-02-03

岳增璧(1981-)，男，山東省嘉祥縣人,工程師，從事水土保持工作.

S157

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.04.002