生產建設項目水土保持監測技術方法研究進展

唐元智

(長江水利委員會 長江科學院，湖北 武漢 430010)

1 研究背景

近年來，隨著我國經濟的快速發展，工業化和城市化進程對土地資源的依賴性顯著增強，對原始地表的破壞正在加劇這種現象，特別是生產建設項目(公路鐵路、水利水電、礦產開發、管道工程等)用地日益劇增，造成的水土流失愈發嚴重。水利部統計資料顯示，2009年我國共審批生產建設項目水土保持方案2.24萬個，而在2019年達到5.59萬個[1]；同時，2019年全國水土流失總面積達271.08萬km2，占國土面積的28.24%，全國主要河流總輸沙量3.45億t，土壤流失量巨大[2]。

生產建設項目一般占地面積較大，施工周期較長，擾動地表劇烈，目前已成為人為水土流失的主要來源之一。項目建設短時間內挖填土石方、占壓植被，若防護措施不及時不到位，將產生諸多生態環境問題[3]。項目建設改變了原始地貌格局，破壞了表土資源，造成區域植被減少、土壤肥力下降、生產條件惡化；項目施工增加了土石方調運，引發河渠水庫淤積、區域內耕地埋沒、水環境和水生態惡化等。同時，不合理的土石方堆存還將誘發滑坡、泥石流等災害，對人民的生命財產安全構成嚴重威脅。

黨的十九大以來，生態文明建設有力推進，對水土流失治理工作提出了高標準、嚴要求。水土保持監測作為掌握水土流失情況的重要技術手段，對控制水土流失、強化生態文明建設具有重要指導意義[4]。根據修訂后的水土保持法，在工程項目建設的同時，必須開展水土保持監測工作，其監測成果作為各級水行政主管部門水土保持監督管理的依據，并為國家生態保護政策決策提供科學參考。相關單位有義務積累水土流失資料，探索優化水土保持監測技術方法，控制生產建設活動引起的人為水土流失。

筆者以生產建設項目水土保持監測內容為切入點，分析監測技術方法的應用現狀，總結未來監測工作中需要依托的理論技術支持和可能的實現途徑，探討水土保持監測方法發展的方向，以期推動生產建設項目水土保持監測工作高質量發展。

2 監測內容與指標

根據學者研究和相關技術規范，生產建設項目水土保持監測內容主要包括水土流失狀況、水土流失影響因子、水土流失危害、水土保持措施、水土保持效果、水土保持管理等。水土流失狀況表征項目區水土流失類型、面積、強度及土壤流失量等指標，水土流失影響因子表示項目區內地形地貌、氣象水文、土地利用等指標，水土流失危害反映因項目建設引起的水土流失誘發形成的災害事件，水土保持措施主要包括工程措施、植物措施、臨時措施等內容，水土保持效果用水土流失治理度、渣土防護率、表土保護率、攔渣率、林草植被恢復率、林草覆蓋率6項防治指標表示，具體內容如表1所示。

表1 生產建設項目水土保持監測內容及相關指標

不同類型生產建設項目一般具有不同的監測內容，在方案編制階段對其進行選擇和設計，形成適用于目標項目的水土保持評價體系。針對不同的監測內容，監測方法的選擇也有所差異。因此，探究監測內容的指標成因，理清監測方法的思路原理是解決建設項目水土流失問題的必要途徑。

3 監測手段現狀分析

生產建設項目水土保持監測是利用一定的方法手段，探究水土流失與項目建設及土地生產力的關系，提出改進措施，減少人為水土流失，促使效益最大化，也是對監測內容的定量定性描述。水利部在發布實施的《水土保持監測技術規程》(SL 277—2002)中明確，生產建設項目水土流失監測，宜采用地面觀測法和調查監測法，并積極鼓勵采用新技術、新方法。目前應用的監測方法主要包括地面觀測、調查監測等傳統監測手段和遙感監測、視頻監控等高新技術手段。

3.1 傳統監測手段

在傳統監測手段中，地面觀測主要通過修建監測設施，定期觀測數據，必要時進行試驗測定，計算分析項目區水土流失類型、面積、強度及土壤流失量等指標。常用方法有徑流小區、控制站(沉沙池)、簡易水土流失觀測場、簡易坡面量測、風蝕定位插釬等[5-6]。水土流失危害具有突發性、實時性，水土保持措施和水土保持效果在建設期存在差異性，不宜修建監測設施，常采用調查監測手段進行研究。而水土流失影響因子中的地形地貌、氣象水文因素在項目區內差別較小，運用調查監測與地面觀測相結合的方式較為合理。

水土保持法頒布以來的30年里，傳統監測手段因省時省力、簡便易行而廣泛應用于各類生產建設項目中，也因水土保持方案制度的實施得到了有效發展。例如，徑流小區、風蝕定位插釬等監測設施在遵循水土保持方案設計的基礎上，根據項目建設時空分異性原則靈活布置；控制站常設置于項目建設區內封閉性較好、無自身沖淤變化、施工便利的流域，監測項目區水土流失影響因子等指標；調查監測可根據工程進度選擇不同的監測內容，實時監測水土保持措施的防治效果。

縱觀近年來的生產建設項目水土保持監測成果，盡管傳統監測手段在實踐中已經取得了長足的進步，然而隨著從業人員的增加和技術研究的深入，傳統監測手段逐漸表現出一些不足之處，如監測區域地表擾動頻繁，徑流小區、簡易水土流失觀測場等地面觀測設施穩定性較差，監測周期內被破壞后造成數據缺失、形成無效樣本。不同降雨、不同土地利用類型條件下坡面水土流失機理差異明顯[7-8]，監測點面積與項目建設占地面積差別較大，以局部坡面量測土壤侵蝕數據推求項目建設區土壤流失情況存在一定困難。胡波等[9]在總結國內應用的水土保持監測技術時指出，修建地面觀測設施監測土壤流失量時精度較低、誤差較大。因此，有必要開展更多的研究分析傳統監測手段的適用條件，確定地表擾動對土壤侵蝕的影響機制，定量探討地形、地貌、植被、區域硬化等下墊面變化對水土流失的貢獻值。

3.2 高新技術手段

新形勢下，傳統監測手段已不能滿足生產建設項目水土保持監測工作需要，相關學者和一些從業人員對水土保持監測新方法新技術進行了探索和應用，形成了一套水土保持監測高新技術手段。依托天地一體化技術，運用高空衛星和低空無人機遙感監測，結合GPS定位系統、三維激光掃描、視頻監控等地面觀測技術，經圖像處理、數據分析獲得項目建設區水土流失面積、強度及分布等信息，實現對生產建設項目水土流失的過程控制。

隨著衛星數據資料日漸豐富，利用遙感技術定量獲取土壤環境、土地利用信息成為可能。在進行生產建設項目水土流失現狀及其變化特征分析時，水土保持監測技術手段也趨于多元化。目前可應用的衛星影像數據源主要有GF-1號、GF-2號、天地圖、高景1號、ZY-3號等。在對地表研究的基礎上，選擇項目建設區衛星數據，經遙感解譯提取出土地利用類型、土壤侵蝕強度、擾動圖斑等數據信息[10]，計算分析水土流失治理度、林草植被恢復率等水土流失防治指標，可補充完善監測結論，提高監測成果的精確性和可信度。衛星數據的連續性較好，獲取的工程各階段遙感影像能有效反映建設項目全過程水土保持信息變化，可解決監測時段缺失的問題。當前，雖然部分衛星數據資料已成為免費產品，但存在時效性不足的缺點。受數據成本、監測單位技術水平、行業監管力度等影響，衛星遙感技術在應用層面仍顯不足。因此，探討變化環境下高時效性的衛星遙感影像處理技術是未來水土保持監測方法研究的關鍵問題之一。

無人機遙感技術因數據獲取迅速、精度較高、成本較低等特點已成為水土流失調查的重要技術手段，并在生產建設項目水土保持監測領域發揮重要作用。基本工作流程包括航拍設計、航測數據采集、監測對象提取、三維模型建立、面向對象分類、圖斑識別勾繪、監測成果輸出等。目前已得到廣泛應用，如施明新[11]通過對長龍山抽水蓄能電站工程監測研究發現，無人機遙感技術可定量描述土地利用類型、擾動范圍及土壤流失量，計算精度滿足監測規程要求。王志良等[12]利用AJ1000固定翼無人機，對大型線狀工程進行50 km航測，獲取分辨率0.22 m的DEM和DOM數據，可直觀全面反映工程現狀。張雅文等[13]采用無人機遙感技術對鄂北水資源配置工程展開水土保持監測分析，利用Agisoft Photoscan Professional軟件處理原始影像，結果表明計算機識別更為迅速，在擾動土地面積、棄渣體積計算等方面，無人機監測效率較人工監測效率高3～5倍。此外，也可根據不同的監測內容對技術流程設計優化，如采用Pix4Dmapper、Pixel-Mosaic等軟件處理遙測影像，利用ArcGIS編輯分析以獲得高精度監測結果等。毫無疑問，無人機遙感技術擺脫了對地面量測的依賴，在水土保持領域具有重要意義。但必須指出，無人機遙感技術對監測點的選取存在主觀性，特別是大型線狀工程，低續航時間無法滿足監測范圍全覆蓋，續航能力強的固定翼無人機因在運用前需做航線申請而受到一定限制，且在行業監管方面尚未形成統一的制度體系。因此，有學者考慮選取合適的飛控和動力系統提升無人機續航能力及通信導航能力，或將無人機與地面機器人組成異構系統進行持續監測[14]。除此以外，還應當從水土保持角度深入研究不同地表擾動類型的差異，提升監測點位的代表性，如不同邊坡挖填方的水土流失機理。

在遙感技術得到廣泛發展的同時，高新地面觀測技術也在進行變革創新。從傳統的量筒、燒杯、測繩、天平到新興的三維激光掃描、視頻監控等，地面觀測技術重點研究建設項目水土流失劇烈的部位，如施工高陡邊坡、大型挖填區域、取土棄渣場地。

三維激光掃描技術作為一種探究微觀地形變化的有效手段，主要通過脈沖激光測距，以點云形式獲取項目區地表三維數據，應用Polyworks、Surfer、Bentley、Cyclone等軟件建立模型，生成所需產品[15]。在建設項目水土保持監測領域，三維激光掃描技術具有采樣速率快、分辨精度高、非接觸測量等優勢，可定量分析水土保持要素的動態變化。如詹曉敏等[16]在監測取料場開采量和擾動面積時，選擇ILRIS 36D地面激光掃描儀獲取點云數據、建立模型，其計算結果真實可靠。建設項目土石方挖填和取料場開采類似，也可采用此方法進行監測。但受地表植被影響，三維激光掃描技術易產生噪點而引起建模失真，且設備購置及租賃成本較高，當前多見于試驗研究，尚未形成完善的應用體系。因此，強化三維激光掃描技術與衛星遙感、無人機等技術的耦合研究，探討天空地一體化的綜合監測管理機制，制定合理的監測體系布局是水土保持監測技術進步的重要途徑。

水土保持監測技術規程規范對監測頻次提出了新要求，監測時效性逐漸成為衡量監測成果精準度的重要指標，由此引入視頻監控技術。視頻監控主要利用計算機技術處理視頻信號，對序列圖像進行分析，判斷監控場景中的行為變化，為決策者提供數據參考[17]，主要程序包括前端信息采集、實時信息傳輸、終端信息管理等。在棄渣場、取料場等建設項目大型開挖填筑區域，通過施工現場的監控設備進行數據采集，經網絡技術傳輸至終端平臺，可直觀監測地表擾動變化、取土棄渣量、植被恢復情況等信息。在持續推進水土保持監測信息化的進程中，有學者提出以視頻監控為媒介，以棄渣場監測為切入點，深入自動傳輸、綜合管理、數據共享研究[18]。這在一定程度上能夠揭示建設項目不同時間尺度下的棄渣場形態變化，但如何在空間尺度上確保監測區域覆蓋，促進各監測區的有效聯系和數據一致性是視頻監控技術優化和完善的主要突破口。

伴隨互聯網、云計算、大數據等新技術的出現，水土保持監測工作不再過度依賴于人工實地調查和傳統的監測手段，監測連續性得到了顯著增強。除此之外，監測設施設備由單一化向裝備化發展也豐富了生產建設項目水土保持監測方法，如水土流失移動實驗室、量水堰自動測量系統等。但由于監測區域下墊面受人工擾動變化導致巖體結構、土壤質地、植被特征等不確定性問題，試驗研究階段成熟的監測設施設備如何有效應用于生產實踐成為水土保持監測方法研究的關鍵難題。

當前生產建設項目主要應用的監測手段對比分析見表2。

表2 生產建設項目水土保持監測方法特點分析

4 監測方法面臨的挑戰和關鍵問題

生產建設項目水土保持監測是一項多方聯合、多源控制、多段集成的系統性工作，旨在促進高效科學的水土保持管理。當前生產建設項目水土流失治理作為我國水土保持管理的重要舉措，需要強有力的監測技術支持。近年來隨著科學研究的不斷深入，水土保持監測技術的應用取得了顯著成果，但從上述幾種監測方法中可以看出一些共性問題：傳統地面觀測方法受施工影響因素較大，一定程度制約了監測點的控制性、針對性、層次性原則，監測可靠性值得商榷；高新技術手段受制于監測設備、數據成本、監測單位技術水平、行業監管等，在實際工作中應用有限；監測技術方法在耦合理論、數據精度等方面還需要進一步的研究和探討。因此，強化土壤侵蝕過程研究，尤其是不同類型建設項目地表擾動對土壤侵蝕的影響機制，完善監測方法耦合研究，研發應用監測新設備，構建大數據共享平臺，推進水土保持大數據的應用，將是未來探究生產建設項目水土保持監測技術手段的關鍵。

(1)強化水土流失規律研究。探索水土流失規律是辨析水土流失問題的基礎，應從理論出發，對水土保持監測方法進行修正和完善。當前土壤侵蝕過程研究在試驗階段已趨于成熟，但在生產建設領域研究有限。應基于項目建設特點，新增水土保持監測試驗區，進一步探討不同類型地表擾動對土壤侵蝕的影響機制，確定生產建設項目不同邊坡挖填方狀態下的泥沙運移效率，定量分析地形、地貌、植被、區域硬化等下墊面變化對水土流失的貢獻值，融合多方信息總結人為水土流失規律。

(2)完善監測方法耦合應用研究。水土保持監測方法的拓展涉及眾多學科，發展潛力巨大。應在宏觀上加強天空地交叉融合，建立高空衛星遙感、低空無人機監測、地面三維激光掃描、視頻監控等技術耦合的綜合監測機制，微觀上探究監測區內的下墊面變化特征，開展學科前沿監測手段應用技術論證。為滿足客觀基礎條件，監測技術發展還應從水文學、遙感信息、科學編程、人工智能等角度，促進多學科交叉融合，加強監測新設備的應用研究，引入高新技術，提高數據精度，加大水土流失量算法驗證，精準反映生產建設項目各項水土保持信息，為監測成果提供多樣化的技術支持。

(3)推進水土保持大數據的應用。當前我國在建的生產建設項目數量眾多，監測數據龐大，但在數據統一管理、交換共享方面存在不足，同一區域相同類型的生產建設項目聯系較少，水土保持監測方法的時效性和數據一致性難以進行橫向檢驗。另外，同一建設項目在不同時間尺度下呈現連續性的監測成果，縱向分析不完善在一定程度上限制了監測方法的優化。應結合已有研究成果，以建設項目為基礎單元，建立水土保持監測大數據融合機制，構建大數據共享平臺，通過算法分析精準預測地表擾動、水土流失、防治成效并進行趨勢判別，反演監測方法在監測區內不同土地利用、植被條件下的適用范圍。

5 結 語

生產建設項目水土保持監測技術方法經過多年發展，在水土流失狀況、水土流失防治、項目土地利用、水土資源保護等方面進行了大量應用研究，取得了實質性進展。但受限于項目施工地表擾動不確定、水土流失規律不清晰、監測數據不完備等因素影響，當前的監測手段仍面臨諸多挑戰，水土保持監測方法仍存在較大的改進空間。應加強理論研究和規律探索，針對不同的土壤侵蝕規律提出最優監測方法；優化水土保持監測體系設計，增強水土保持監測點的可靠性，滿足監測工作以點帶面、點面結合要求。水土保持監測技術的優化發展需要多部門的聯合響應，科研機構與公司企業應提高監測新設備研發水平，加強大數據技術的開發力度。監測單位應積極引導從業人員加強技術培訓，引入監測新設備、新技術。行業主管部門應將監測方法的應用納入監管內容，推進技術革新。在未來的監測工作中，應依托先進的理論指導和科學的監測方法，不斷提高監測時效性，為構建全面的水土保持管理系統提供數據支撐。