岳增璧，王　琪，李紅星，單　婕

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

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水電工程水土保持監(jiān)測技術(shù)方法應(yīng)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(shè)計研究院有限公司，西安710065；2.水電水利規(guī)劃設(shè)計總院，北京100120)

在簡政放權(quán)、加強事中事后監(jiān)管的新要求下，水電工程水土保持監(jiān)測工作面臨新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)調(diào)查監(jiān)測、地面監(jiān)測方法已不能滿足新的監(jiān)測要求，遙感監(jiān)測、無人機低空航拍、集成通信技術(shù)等創(chuàng)新型監(jiān)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(tǒng)梳理了水電工程水土保持監(jiān)測方法及其特點，創(chuàng)新型的監(jiān)測技術(shù)采集的數(shù)據(jù)精度更高，時效性更強，且成本低。

水電工程；水土保持；監(jiān)測方法；技術(shù)創(chuàng)新

0　前　言

水電工程在建設(shè)過程中對原地表進行擾動、損壞地表植被、挖填、轉(zhuǎn)運或堆棄土石(渣)方等施工生產(chǎn)活動，均使得原地貌的土壤及其母質(zhì)受到破壞、侵蝕或運移，改變了工程所在區(qū)域的自然環(huán)境，使水土流失因子發(fā)生了重大的改變，在不采取水土保持措施的情況下，將會產(chǎn)生大量水土流失。水土保持監(jiān)測從保護水土資源和維護生態(tài)環(huán)境安全出發(fā)，運用多種技術(shù)方法，對水土流失的成因、數(shù)量、強度、影響范圍、危害及其防治成效等進行動態(tài)監(jiān)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(shè)區(qū)生態(tài)環(huán)境安全等提供技術(shù)支撐。目前，水電工程水土保持監(jiān)測方法總體上還處于常規(guī)調(diào)查監(jiān)測和簡易水土流失觀測場、徑流小區(qū)等常規(guī)地面監(jiān)測方法的水平，人力資源投入大，且缺乏統(tǒng)一規(guī)范的指導(dǎo)，水土保持監(jiān)測成果質(zhì)量往往良莠不齊[1]。因此，根據(jù)水電工程建設(shè)過程中的水土流失特點，采取科學(xué)、合理、經(jīng)濟、高效的水土保持監(jiān)測方法，是水電工程水土保持監(jiān)測工作的重要環(huán)節(jié)，對規(guī)范水電工程水土保持監(jiān)測工作、提高監(jiān)測成果質(zhì)量水平具有重要作用。

1　水電工程水土保持監(jiān)測的重點

水電工程規(guī)模大，工程建設(shè)持續(xù)時間長，對地表的擾動強度大且對周邊的生態(tài)環(huán)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(qū)、交通道路區(qū)、料場區(qū)等作為水土保持監(jiān)測的重點區(qū)域。

根據(jù)水利部《關(guān)于規(guī)范生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測工作的意見》(水?！?009〕第187號)、《生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測規(guī)程》(2015試行)，監(jiān)測實行駐點監(jiān)測，監(jiān)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(nèi)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(shù)量，水土流失情況核心是數(shù)量，水土保持措施實施情況重點是面積和數(shù)量，且在實地量測、資料分析、地面觀測等常規(guī)監(jiān)測方法的基礎(chǔ)上，鼓勵采用遙感監(jiān)測等創(chuàng)新型監(jiān)測方法。做好水電工程水土保持監(jiān)測，重點就是要對工程各防治分區(qū)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(jiān)測方法應(yīng)按照監(jiān)測頻次的要求，動態(tài)獲取面積和數(shù)量等定量信息，以保證監(jiān)測成果的科學(xué)性和可靠性[3]。

2　常規(guī)監(jiān)測技術(shù)方法及特點

水土保持監(jiān)測方法一般分為調(diào)查監(jiān)測、地面觀測和巡查監(jiān)測三大類，一般以地面監(jiān)測為主，調(diào)查監(jiān)測和巡查監(jiān)測為輔。多年來，在水電工程水土保持監(jiān)測工作中，通常采用常規(guī)的監(jiān)測技術(shù)方法，在一定程度上滿足了水土保持監(jiān)測工作的要求，基本保證了工程建設(shè)區(qū)水土流失防治責(zé)任范圍內(nèi)水土資源保護的需要。

2.1調(diào)查監(jiān)測及巡查監(jiān)測

(1) 調(diào)查監(jiān)測

監(jiān)測人員為獲取工程建設(shè)區(qū)水土流失防治責(zé)任范圍、擾動地表面積、土石(渣)方量、防治措施數(shù)量和質(zhì)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(wěn)定性、完好程度、攔渣效果和對周邊地區(qū)造成的危害及發(fā)展趨勢等定量和定性基本信息，掌握其動態(tài)變化情況，利用GPS、全站儀、測尺、測繩等量測設(shè)備現(xiàn)場測量獲取面積、措施數(shù)量等定量數(shù)據(jù)，利用攝像機和照相機、現(xiàn)場觀察等現(xiàn)場調(diào)查取得工程質(zhì)量、植物措施生長情況、水土流失程度等定性評價結(jié)果，在工程建設(shè)區(qū)現(xiàn)場完成的量測、影像拍攝、數(shù)據(jù)記錄、分析評判等監(jiān)測工作，統(tǒng)稱為調(diào)查監(jiān)測[4-5]。優(yōu)點是針對性強，簡單直觀，能夠取得大量抽樣數(shù)據(jù)、量測數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)支撐；缺點是不能夠全面完整地反映工程建設(shè)區(qū)的情況，需借助遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)成果做補充。

(2) 巡查監(jiān)測

按照一定的頻率，對工程水土流失防治范圍內(nèi)的各區(qū)域進行查看，調(diào)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(shù)據(jù)和建議。本方法為常規(guī)監(jiān)測方法，優(yōu)點是能夠使監(jiān)測工作人員較快了解工程水土流失現(xiàn)狀，取得定性評價結(jié)果，缺點是取得定量數(shù)據(jù)有限，需配合其它監(jiān)測方法綜合分析。

2.2地面觀測

選取典型觀測樣地，布設(shè)水土流失監(jiān)測設(shè)施或設(shè)備，以取得土壤流失量動態(tài)數(shù)據(jù)的觀測方法，一般有徑流小區(qū)、簡易水土流失觀測場、泥沙收集器等定點監(jiān)測方法。

(1) 徑流小區(qū)

在工程區(qū)選取典型坡面，布設(shè)5 m×20 m標準規(guī)格或2 m×10 m等非標準規(guī)格，并連接集流槽、分流箱、集流筒等觀測設(shè)備的監(jiān)測設(shè)施。徑流小區(qū)適用于擾動土體、棄土棄渣等形成的比較穩(wěn)定的坡面，也可用于礫石較少的棄土棄渣等形成的比較穩(wěn)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(jiān)測水蝕觀測的常用方法，觀測數(shù)據(jù)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(xù)數(shù)據(jù)分析計算程序較繁瑣，對監(jiān)測人員的要求較高，需具備較強的技術(shù)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(jù)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(jiān)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(jiān)測水蝕觀測的常用方法，布設(shè)較靈活，可布設(shè)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(jié)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(shè)定的控制范圍，在坡面下設(shè)置集水池、在堆渣體的周邊設(shè)置沉沙池、在截排水溝末端建設(shè)沉沙池等收集徑流泥沙的設(shè)施。該方法是水電工程水土保持監(jiān)測水蝕觀測的常用方法，一般能收集水蝕的推移質(zhì)，對懸移質(zhì)效果較差，適用于徑流沖刷物顆粒較大的區(qū)域，顆粒較小的區(qū)域需要加大規(guī)格尺寸以提升收集效果。

3　創(chuàng)新型監(jiān)測技術(shù)方法及特點

近年來，基于遙感技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來的創(chuàng)新型監(jiān)測技術(shù)方法，受到水行政主管部門的肯定與鼓勵，在水土保持監(jiān)測領(lǐng)域作用日益顯著。

3.1遙感監(jiān)測技術(shù)

遙感監(jiān)測是利用衛(wèi)星或空間航空器快速獲取建設(shè)項目區(qū)水土保持信息，結(jié)合地理信息系統(tǒng)或其它配套軟件，實現(xiàn)水土保持全數(shù)字化的分析、處理以及成果展示的先進監(jiān)測技術(shù)，包括資料準備、遙感影像選擇與預(yù)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(jù)《關(guān)于規(guī)范生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測的意見》(水保〔2009〕第187號)，對水土保持監(jiān)測明確要求：“對于線路長、取(棄)土(渣)量大的生產(chǎn)建設(shè)項目，應(yīng)包括項目建設(shè)前、建設(shè)中和建設(shè)后的遙感影響資料及其分析結(jié)果”。《生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》(2015試行)也明確要求，建設(shè)項目擾動土地情況、水土流失情況、水土保持措施等監(jiān)測均應(yīng)進行遙感監(jiān)測。遙感監(jiān)測在水土保持監(jiān)測中的應(yīng)用越來越受到鼓勵與肯定。

遙感監(jiān)測將水土保持監(jiān)測內(nèi)容和傳統(tǒng)監(jiān)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(jiān)測指標，增加監(jiān)測數(shù)據(jù)的客觀性和精準度，同時可覆蓋全建設(shè)項目區(qū)，降低查勘行駛里程和人員費用成本，極大提高生產(chǎn)效率。目前，水電工程遙感監(jiān)測受一線生產(chǎn)人員缺少遙感和地理信息專業(yè)限制，在生產(chǎn)實踐中應(yīng)用相對較少，需加大研究力度和相關(guān)專業(yè)人才引進力度。

3.2GSM、WI-FI等信息集成監(jiān)測技術(shù)

GSM是全球通信系統(tǒng)(Global System for Mobile Communications)的簡稱，目前中國常用的是4G和3G網(wǎng)絡(luò)；WI-FI是一種可以將個人電腦、數(shù)據(jù)采集設(shè)備等終端以高頻無線電信號互相連接并進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)。以上技術(shù)與監(jiān)測數(shù)據(jù)采集設(shè)備集成后，可以通過移動網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至設(shè)定的手機終端、郵箱或網(wǎng)絡(luò)云存儲終端等。既能響應(yīng)駐點監(jiān)測的要求，又不用監(jiān)測工作人員到現(xiàn)場親自采集數(shù)據(jù)，可增加監(jiān)測的頻次，提高監(jiān)測數(shù)據(jù)時效性，同時節(jié)省人力成本。

(1) 氣象因子集成

將氣象站的雨量、風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度等氣象因子觀測設(shè)備與GSM或增益WI-FI設(shè)備集成，將采集數(shù)據(jù)實時發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)云存儲平臺，通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)定賬戶提取監(jiān)測數(shù)據(jù)，目前該項技術(shù)已非常成熟，應(yīng)用較多，相關(guān)儀器設(shè)備實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，是氣象基礎(chǔ)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)分析元件、GSM元件集成，將電子感應(yīng)測釬按照一定的頻次測定土壤厚度的數(shù)據(jù)通過GSM網(wǎng)絡(luò)傳輸至手機終端或網(wǎng)絡(luò)郵箱，而實現(xiàn)土壤流失厚度監(jiān)測數(shù)據(jù)采集的技術(shù)方法[7]。本方法相對傳統(tǒng)簡易水土流失觀測場，監(jiān)測數(shù)據(jù)更精確，時效性更強，且人力成本低。目前，該項技術(shù)還處于試驗研究階段，水電工程水土保持監(jiān)測中應(yīng)用較少，經(jīng)一定試驗研究完善后可作為設(shè)備產(chǎn)業(yè)化試點，在提高技術(shù)水平、降低人力成本的同時，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟價值。

(3) 徑流含沙量集成

將徑流泥沙采集儀采樣設(shè)備、數(shù)據(jù)分析元件等與GSM元件集成，通過設(shè)定設(shè)備工作邊界條件，將采集到的徑流泥沙含量數(shù)據(jù)實時傳輸手機終端或網(wǎng)絡(luò)郵箱，而實現(xiàn)徑流泥沙含量監(jiān)測數(shù)據(jù)采集的技術(shù)方法。本方法相對徑流小區(qū)、卡口站，時效性更強，監(jiān)測數(shù)據(jù)更客觀，且人力成本低。目前，該項技術(shù)還處于試驗研究階段，水電工程水土保持監(jiān)測中應(yīng)用較少，經(jīng)試驗研究完善后可作為設(shè)備產(chǎn)業(yè)化試點，拓展項目附加值。

(4) 靜態(tài)影像或視頻影像集成

將攝像頭與GSM元件或增益WI-FI設(shè)備集成，按照一定的時間頻次對固定區(qū)域拍攝靜態(tài)影像或動態(tài)視頻影像，并將影像資料實時傳輸手機終端、網(wǎng)絡(luò)郵箱或網(wǎng)絡(luò)云存儲平臺的技術(shù)方法。本方法可較好地響應(yīng)當前水利部和各大流域機構(gòu)提倡的視頻監(jiān)測要求，節(jié)省人力成本，時效性強，同監(jiān)控攝像頭技術(shù)類似，產(chǎn)業(yè)化潛力大，易于推廣應(yīng)用。

3.3三維掃描技術(shù)

利用地面三維激光掃描儀對工程建設(shè)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(shù)據(jù)，利用配套專業(yè)軟件進行三維點云數(shù)據(jù)計算，分析坡面土壤流失量的技術(shù)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(lǐng)域應(yīng)用較多，生產(chǎn)建設(shè)項目中實踐應(yīng)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(qū)域的土壤流失情況進行較好的定量監(jiān)測。

3.4無人機低空航拍技術(shù)

無人機系統(tǒng)包括空中部分和地面部分，空中部分是執(zhí)行任務(wù)的無人機、機載設(shè)備、飛控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、圖傳系統(tǒng)、任務(wù)設(shè)備等，地面部分是操控系統(tǒng)，通信系統(tǒng)、接收設(shè)備、計算機、輔助設(shè)備等[9]。無人機低空航拍技術(shù)主要是利用無人機系統(tǒng)對項目建設(shè)區(qū)執(zhí)行全景影像、重點部位影像、低空遙感影像的采集、數(shù)字分析與處理等任務(wù)，具有適應(yīng)性強、彌補人力調(diào)查不足、影像像素精度高、技術(shù)成果客觀性強、工作效率高等優(yōu)點。無人機低空航拍與3S技術(shù)結(jié)合，可取得監(jiān)測區(qū)域DEM、DOM等基礎(chǔ)數(shù)字產(chǎn)品[10]，能夠?qū)椖繀^(qū)水土流失情況進行定量分析，可大幅提升監(jiān)測技術(shù)水平與作業(yè)能力，其作用等同于遙感監(jiān)測。目前該項技術(shù)在水電工程水土保持監(jiān)測和水土保持專項設(shè)施驗收領(lǐng)域應(yīng)用越來越多，受到水利部及流域管理機構(gòu)的好評，應(yīng)用前景廣闊。

4　結(jié)　語

水電工程屬于大中型生產(chǎn)建設(shè)項目，工程建設(shè)過程中伴隨大面積的地表擾動、大量土石(渣)方的調(diào)運或堆棄，做好水土保持工作，有效防治工程建設(shè)過程中的水土流失尤為重要。水電工程水土保持監(jiān)測作為水土保持工作的重要環(huán)節(jié)，在簡政放權(quán)、加強事中事后監(jiān)管的背景下，作用越來越明顯。傳統(tǒng)的調(diào)查監(jiān)測和地面監(jiān)測已經(jīng)不能滿足新要求下水土保持監(jiān)測的需要，遙感監(jiān)測、無人機低空航拍、集成通訊技術(shù)的地面監(jiān)測等創(chuàng)新型監(jiān)測方法涵蓋的調(diào)查面積更大、更全、更客觀，采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)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(jiān)測、無人機低空航拍、集成通信技術(shù)的地面監(jiān)測等創(chuàng)新型監(jiān)測方法的研究和應(yīng)用，水土保持監(jiān)測數(shù)據(jù)將更加客觀、準確、詳實，水電工程水土保持監(jiān)測技術(shù)水平得到大幅提升，水土保持工作將更加科學(xué)、合理、經(jīng)濟、高效。

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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