海河流域生產建設項目水土保持監督性監測研究

胡 紅，于 磊

（海河水利委員會海河流域水土保持監測中心站，天津 300170）

水土保持監督性監測是水行政主管部門委托第三方監測單位到現場進行水土保持監測、及時精準有效地收集現場數據并編制技術報告的活動，是水土保持監管的重要技術手段[1]，是落實國務院行政審批“放管服”改革的重要措施之一，也是水土保持方案實施情況跟蹤檢查的重要手段和基礎[2]。新時代水土保持應準確把握進入新發展階段、貫徹新發展理念，依法有效強化人為水土流失監管，建立完善水土保持事前事中事后全鏈條全流程監管體系[3]。當前生產建設項目日益增多，監管責任的范圍也在不斷擴大，存在“人、車、相機”的實地調查很難全面發現并及時控制水土流失的現實問題。因此，在對全流域生產建設項目人為水土流失日常監管中，迫切需要開發出新的技術，及時、準確地發現違反規定的生產建設活動，有效地控制人為水土流失。本研究以海河流域為例嘗試利用衛星遙感、無人機遙測等新技術新手段開展生產建設項目水土保持監督性監測，快速、準確地發現生產建設項目水土保持工作中存在的違法違規行為，為生產建設項目水土保持監管工作提供技術支撐。

1 海河流域生產建設項目概況

生產建設項目水土流失是典型的人為活動造成的加速侵蝕，根據國家級水土流失動態監測成果（海河流域）統計，海河流域2019 年人為擾動水土流失面積為1797.13 km2，2020年人為擾動水土流失面積為1802.37 km2，2021 年人為擾動水土流失面積為1820.24 km2，2022 年人為擾動水土流失面積為1983.11 km2，表明海河流域每年人為擾動造成的水土流失面積在逐年增加，導致海河流域水土保持監督管理任務艱巨。針對海河流域生產建設項目數量多、空間分布零散且擾動頻繁等特點，海河流域水土保持管理部門創新機制、主動作為，加大了生產建設項目監督檢查力度，建立了海河流域部批生產建設項目水土保持監督檢查機制，印發了《海河流域部批生產建設項目水土保持監督檢查方案》[4]，對生產建設項目水土保持實施情況實行全過程監管，對重點生產建設項目實行水土保持監督性監測，2018—2022年共對98個項目開展監督性監測，其中鐵路工程29 個、水利樞紐工程11 個、煤礦工程18 個、輸變電工程14 個、油氣管道工程15 個、天然氣管道工程6個、機場工程5個。

2 研究方法

“天地一體化”監測旨在利用多尺度遙感技術，對生產建設活動對地表的影響進行全面而深入的調查，從宏觀上把握其合規性，并結合地面調查實現天地一體的協同監測[5]，確保生產建設活動的安全性和有效性。通過遙感影像解譯分析，將實際擾動范圍與防治責任范圍進行疊加，對項目全域范圍內生產建設擾動合規性進行動態監測，快速將區域內項目分為未批先建項目、超出責任范圍項目、水土流失嚴重項目。對于不合規項目，利用無人機進行現場調查復核，確定建設項目小區域尺度上的擾動范圍，提取水土保持措施和水土流失現狀數據[6]。

2.1 基礎資料收集及現場監測位置選取

收集研究區包括生產建設項目批復文件、征占地文件、水土保持方案報告書、初步設計、棄渣場專題設計、防治責任范圍圖、防治措施圖等在內的相關資料。通過對資料和遙感影像的分析，確定生產建設項目中需要進行實地監測的位置。在監督監測中，應該確保所有分區都能得到充分的覆蓋，并且選取具有代表性的主要工程措施和植物措施[7]。

2.2 遙感影像獲取與處理分析

（1）遙感影像獲取與處理。衛星遙感影像以資源三號衛星和高分一號衛星為主，其中影像的分辨率為2或1 m。通過預處理，影像可以獲得較好的視覺效果，并且可以有效地用于生產建設項目的信息提取[8]。

（2）解譯標志建立。通過對現場的調查和影像數據的提取特征，建立各種地物類型的解譯標志[9]。

（3）擾動圖斑解譯分析。可采用多種方式完成解譯工作，包括目視解譯、自動識別、決策分析、經驗知識等[10]。根據建立的地物類型解譯標志，檢查圖斑擾動是否超出防治責任范圍[11]，若存在則判定圖斑為疑似不合規擾動，并且追溯該圖斑所屬防治分區。

2.3 現場調查

通過遙感影像分析結果，可以獲取生產建設項目的擾動情況，確定其是否超出了防治責任范圍。為了更好地監督和管理超出防治責任范圍的項目，利用無人機進行實地調查。

（1）無人機航拍。飛行器采用大疆御22000 萬像素；航拍參數指標為航向重疊率70%，旁向重疊率65%，飛行高度80～200 m，云臺角度為40°～85°；影像處理軟件采用無人機專業數據處理軟件Pix 4D，精度為5 cm。

（2）航拍數據解譯分析。對無人機獲取的數據，采用相關軟件對航拍照片進行處理，生成正射影像（DOM）、數字表面模型（DSM）和三維實景模型成果，并對其進行處理分析。經過精確的分析，獲取生產建設項目所涉及的各種防治區的位置、范圍以及相應的水土保持措施的實施情況[12]。此外，利用三維實景模型和正射影像，獲取有關棄渣場類型、水土流失狀況、水土保持措施的尺寸和面積等信息。利用三維建模技術，計算出渣堆的體積及其他重要參數，如圖1所示。

圖1 擾動面積和方量測量

2.4 內業復核

根據內業資料、現場調查情況、影像分析結果，判斷生產建設項目措施體系是否完善、水土保持措施現場實施情況是否符合水土保持方案和初步設計要求、防治效果是否達到要求、有無水土流失隱患、是否存在違法違規行為。內業復核工作應在現場調查后1～2 d內完成，保證后續的處罰、整改能夠及時有效。

3 研究結果

通過對98 個生產建設項目開展監督性監測，選擇重點部位688 個，其中棄土（渣）場294 個，取土場82 個，施工便道、施工生產生活區等其他防治分區256 個，主要對擾動范圍、水土保持措施、棄渣場棄渣量、土壤流失量、水土流失危害方面開展了監測，結果如下。

3.1 擾動范圍監測

以某礦為例，通過遙感影像可直接解譯出南排土場擾動面積為541.14 hm2（如圖2所示），而設計擾動范圍為515.12 hm2，超出水土保持方案批復的防治責任范圍26.02 hm2。通過使用GPS 技術，測出南排土場的擾動面積為535.76 hm2。

圖2 某礦擾動范圍

3.2 水土保持措施監測

以某渣場為例，基于正射影像，采用ArcGIS 或者Pix 4D 等軟件量取水土保持工程措施、臨時措施和植物措施的規格尺寸和數量（如圖3 所示），通過三維模型直觀判斷出渣場的邊坡防護措施、排水措施、攔擋措施、植物措施的防治效果和運行情況。

圖3 某渣場DOM圖

3.3 棄渣場棄渣量監測

通過棄渣前后2 次無人機航測成果對比分析，獲取棄渣場棄渣量的變化信息。以某鐵路渣場為例，分別于2019年4和10月進行了2 次航拍（如圖4—5 所示），將2 次DOM 模型導入ArcGIS 中進行疊加分析，計算出4—10月渣場共棄方10.21萬m3。根據實際工程量計量結果，渣場棄渣量為9.65萬m3，無人機航測與實際工程量計算誤差為5%。

圖4 某渣場4月影像

圖5 某渣場10月影像

3.4 土壤流失量監測

以某公路2#排泥場為例，利用無人機監測獲取2#排泥場土壤流失面積共11.5 hm2，通過對項目區內定位觀測點的泥沙監測，2019 年土壤侵蝕模數約3100 t/（km2·a），由此計算出2#排泥場2019 年土壤流失總量為356.5 t。另外，利用傳統監測手段，在2#排泥場下游布設1個4級沉淀池，對2#排泥場水土流失量進行監測，通過計算得出2019 年沉淀池共沉淀泥沙325.6 t，小于無人機監測方法的計算結果，其誤差范圍滿足監測規程中精度不小于90%的要求。本工程所處區域屬北方土石山區，容許土壤流失量為200 t/（km2·a），對于建設類項目，施工期土壤流失控制比須達到0.7以上，因此施工期平均土壤流失強度容許值為285.71 t/（km2·a）。與容許流失量相比較，2019年2#排泥場流失量偏大。因此，2#排泥場需加強水土保持防護措施，以減少施工期的水土流失。

3.5 水土流失危害監測

以某渣場為例，通過無人機航拍影像（如圖6 所示）和三維模型可以看出，渣場匯水面積較大，如遇強降雨，渣場上游將有大量匯水進入渣場，對渣場的穩定性極為不利，發生水土流失災害的風險較大。建議在渣場上游設置永久截水溝，截水溝設計流量應滿足50 a 一遇降雨強度標準，以防止大量匯水進入渣場。同時，在渣場排水溝前端設置攔砂壩，防止排水溝被沖毀。通過三維模型的效果展示，能夠多角度觀測渣場的周圍環境和渣場細節，使參建單位直觀地認識到水土流失隱患及危害，及時采取有效措施防止水土流失危害發生。同時，需要強化對具有水土流失隱患地點的監督檢查、對水土保持措施落實不到位等違法行為依法查處，并建立臺賬，定期追蹤。

圖6 某渣場航拍影像

4 討論

“天地一體化”技術有助于更好地了解生態環境，將其應用于實際項目，通過DOM、DEM 和三維模型的分析，可以獲得更多的水土保持信息，將這些信息與傳統的監測手段得到的信息進行比較，以便更好地評估項目的水土流失狀態，并建立一個完整的水土流失本底數據庫，以便更好地進行水土保持監管。本文以98個生產建設項目為研究基礎，根據監測規程的要求，對“天地一體化”技術在水土保持監督性監測中應用的可靠性及效果進行分析論證，并利用“天地一體化”技術對生成的DOM 成果進行分析，能夠準確獲取生產建設項目擾動土地面積數據、各分區水土保持措施的實施情況，及時掌握項目區內的水土流失隱患和危害；通過對多次航拍的DOM 成果進行對比分析，可獲取棄渣場方量的變化信息，其精度基本滿足監測規程的要求；利用無人機航拍獲取的水土流失面積以及土壤侵蝕模數和侵蝕時段，可計算出土壤流失量，計算結果的精度基本滿足監測規程的要求；另外，結合傳統定位觀測手段，能夠較準確地復核遙感技術監測數據。相對于采用手持GPS、測距測高儀和皮尺等傳統工具，“天地一體化”方法的應用可以大大節省時間（節省時間2/3以上），而且在精度上也避免了偶然誤差的影響[13]。遙感技術和無人機技術將大量的外業工作轉化為內業解譯分析工作，在提高工作效率的同時也提升了監測結果的精準性和可靠性，有很強的實際使用價值[14]。本文通過海河流域水土保持監督性監測實踐，發現在監測過程中存在一些技術問題。目前，部分項目的防治責任范圍由圖片格式或者矢量化后有偏移，難以準確判別項目的合規性；部分棄渣場存在“先堆砌后審批”的情況，難以確定棄渣前原始地形數據，后期無人機遙感監測的數據無法進行疊加處理，導致無法準確判別棄渣場的實際棄渣量[15]，未來的研究中，應重點研究無人機遙感監測在原始地形數據缺測的情況下通過歷史遙感影像處理與解譯來準確計算棄渣場堆渣量，以提高棄渣場監測的實效性和準確性；免費的高分遙感影像較少且更新頻率較低，導致反映項目擾動現狀的高分遙感影像較難獲取；無人機續航時間比較短，大部分多旋翼無人機的續航時間為半個小時左右，影響了大范圍高精度監測的連續性操作，需進一步探索無人機的長續航能力；無人機航測的垂直精度誤差較大，對棄渣量方量的計算具有一定的影響，需進一步探索提高無人機的垂直精度；無人機監測成果質量受工程現場的天氣狀況影響較大，在云霧和雨雪等較為惡劣天氣下無法取得滿足精度要求的監測成果，需進一步探索減少無人機受天氣的干擾性；由于土壤侵蝕模數難以準確取值，精度難以保證，需進一步探索無人機技術在水土流失量監測方面的應用研究；無人機遙測技術用于水土保持處于探索時期，尚沒有明確的技術路線和完善的規范，尚待形成一套系統化的行業標準。

5 結論

綜合利用不同時空尺度的衛星遙感、無人機航測、地面觀測的“天地一體化”技術進行生產建設項目水土保持監督性監測，能更加全面、及時、精確地獲取生產建設項目的相關信息，快速實現對未批先棄、亂倒亂棄、超范圍施工、水土保持措施嚴重滯后等違規現象的查處，是適應新時代利用信息化手段開展水土保持監管的新模式。本文通過對海河流域98 個生產建設項目開展監督性監測實踐，發現利用“天地一體化”技術在提高水土保持監管工作效率的同時也提升了監測結果的精準性和可靠性，使得生產建設項目能夠“查的清”“弄得準”“干得快”，實現生產建設項目違法違規行為“管得住”。