陸 斌，曹偉剛

（1.商洛市水土保持工作站，陜西 商洛 726000；2.漢中市科技資源統(tǒng)籌中心，陜西 漢中 723108）

水土保持監(jiān)測新技術(shù)是隨著科學技術(shù)的進步而逐漸發(fā)展起來的。推進水土保持數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，加快推進智慧模式構(gòu)建，是提升水土保持監(jiān)管能力現(xiàn)代化水平的重要途徑。某電站工程占地范圍大、施工周期長，易引起水土流失的環(huán)節(jié)眾多，傳統(tǒng)水土保持監(jiān)測手段無法滿足大范圍監(jiān)測需求，亟需引入一種新的技術(shù)手段進行水土流失超標預警管控。

1 概況

某水電站壩址位于金沙江中游。該水電站為大（1）型一等工程，總庫容22.5 億m3，調(diào)節(jié)庫容5.55 億m3，防洪庫容5.42 億m3，裝機容量為3 000 MW[1]。水土保持方案確定的工程防治責任范圍為6 213.19 hm2。項目區(qū)屬西南土石山區(qū)，以水力侵蝕為主，水土流失允許值為500 t/（km2·a），水土流失強度為輕度—強度，以輕度為主，平均土壤侵蝕模數(shù)為1 520 t/（km2·a）。土壤主要有紅壤、紫色土、沖積土、水稻土、燥紅土等幾類。庫區(qū)屬河谷熱性植被帶，林草覆蓋率約53%。結(jié)合工程實際情況和水土保持監(jiān)測有關(guān)規(guī)程規(guī)范要求，工程建設(shè)期水土保持監(jiān)測的重點位置為樞紐工程區(qū)、場區(qū)道路工程區(qū)、存棄渣場區(qū)，監(jiān)測重點時段為各項工程的施工期及植被恢復期，共布設(shè)監(jiān)測點62個，其中調(diào)查型監(jiān)測點48個、觀測型監(jiān)測點14個。

2 水土保持監(jiān)測信息化技術(shù)應用

2.1 空天地一體化監(jiān)測技術(shù)特點

空天地一體化監(jiān)測技術(shù)是指利用現(xiàn)代信息技術(shù)和科技手段，從空、天、地3個角度進行監(jiān)測，具體到水土保持監(jiān)測工作，就是利用高分遙感、無人機及地面監(jiān)測等相結(jié)合的空天地一體化監(jiān)測技術(shù)，對生產(chǎn)建設(shè)項目水土流失防治責任范圍、擾動地表面積、表土保護、棄渣場的設(shè)置、水土保持措施實施等情況適時監(jiān)控[2]。該技術(shù)因為監(jiān)測范圍廣、覆蓋面大、不受地面交通限制、重訪周期短、成像分辨率高等特點，廣受歡迎。綜合考慮該水電站施工擾動面廣點多、開挖方量大的特點，本次在采用地面監(jiān)測基礎(chǔ)上，運用高分遙感和無人機技術(shù)對項目水土流失狀況、水土保持措施防治效果和水土流失危害情況等進行實時監(jiān)控。實際工作中，注重運用無人機和移動終端進行現(xiàn)場檢查，準確掌握項目防治責任范圍、棄土（渣）場位置及棄土（渣）量等重點環(huán)節(jié)的現(xiàn)場核定，及時優(yōu)化治理措施的空間配置。

2.2 遙感監(jiān)測

本項目水土保持遙感監(jiān)測主要是針對工程施工前、施工過程中、施工后等階段防治責任范圍內(nèi)的土地利用類型變化、土壤侵蝕度、植被覆蓋度情況進行遙感監(jiān)測[3]，對比分析施工過程對監(jiān)測區(qū)域的影響以及工程結(jié)束后的恢復治理情況，及時監(jiān)控項目水土流失狀況和水土保持措施防治效果。

2.2.1 影像獲取

為了更好地監(jiān)測水電站建設(shè)對水土保持情況的影響，選取施工前（2010 年）、施工中（2013 年）、施工后期（2017、2020 年）的遙感影像。其中，2010 年選用ALOS 衛(wèi)星影像，2013、2017 年選取高分一號衛(wèi)星影像，2020 年選取資源三號衛(wèi)星影像。在進行遙感圖像處理前，還需要進行影像預處理，主要利用ENVI 軟件等對影像進行輻射校正、大氣校正、正射校正、影像融合。

2.2.2 信息提取

遙感影像解譯前，根據(jù)監(jiān)測內(nèi)容、遙感影像分辨率、時相、色調(diào)、幾何特征、影像處理方法、外業(yè)調(diào)查等建立遙感解譯標志[4]。如該水電站的耕地部分，外業(yè)調(diào)查記錄為收割后的玉米地，對應直接解譯標志色調(diào)為棕色、形狀為規(guī)則片狀或塊狀、結(jié)構(gòu)為表面較平整，間接解譯標志為道路的閉合區(qū)。利用Arc-GIS 軟件，解譯提取林地、草地、耕地、建筑用地、未利用地、水域、道路7種土地利用類型。

本次植被覆蓋度提取主要利用ENVI 軟件和ArcGIS 軟件，通過利用近紅外波段和可見光紅波段計算得到歸一化植被指數(shù)，并經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查率定指數(shù)與實際蓋度關(guān)系，計算得到植被覆蓋度。地面坡度是水力侵蝕面蝕方式強度分級的主要指標之一，利用ArcGIS 軟件獲取影響區(qū)坡度信息。同時，結(jié)合土地利用矢量數(shù)據(jù)、植被指數(shù)柵格數(shù)據(jù)和坡度柵格數(shù)據(jù)，計算土壤侵蝕強度。

2.3 無人機航拍監(jiān)測

本項目重點對水電站樞紐工程區(qū)、場內(nèi)道路區(qū)、存棄渣場區(qū)、施工營地等實施定期航拍監(jiān)測，實時獲取各分區(qū)開挖填筑狀況、水土保持措施布設(shè)情況及水土流失影響情況。無人機技術(shù)具有較快的反應速度、較高的空間分辨率、便捷的攜帶方式、自動化的工作流程等優(yōu)點。

根據(jù)項目區(qū)正射影像判讀，樞紐區(qū)內(nèi)施工較為規(guī)范，無較大水土流失危害，沒有對周邊環(huán)境產(chǎn)生影響。存在水土流失隱患的是存棄渣場及表土堆存場，建設(shè)單位均采取了臨時苫蓋、撒播草籽等措施進行防護，有效地避免了降雨沖刷。通過無人機獲取的高精度正射影像，監(jiān)測單位精準地識別水土流失危害的潛在發(fā)生位置、面積、程度。利用無人機開展遙感監(jiān)測能獲取正射影像，監(jiān)測無死角，能有效地解決現(xiàn)場調(diào)查不能實現(xiàn)全域有效監(jiān)測的難題，從而對現(xiàn)場水土流失情況實現(xiàn)精準掌控。無人機遙感監(jiān)測技術(shù)能極大地提高監(jiān)測工作的效率和精度，在擾動情況、土石方、水土流失危害等方面均可實現(xiàn)有效監(jiān)測。

2.4 地面監(jiān)測

監(jiān)測工作組通過定期開展地面監(jiān)測，進一步復核和補充遙感監(jiān)測和無人機航拍成果?，F(xiàn)場采取全面調(diào)查的方式，采用GPS定位儀結(jié)合地形圖、數(shù)碼相機、測距儀、測高儀、標桿和尺子等工具[5]，測定樞紐工程區(qū)、場內(nèi)道路區(qū)、存棄渣場區(qū)等不同分區(qū)的地表擾動類型和不同類型的面積。對照影像資料，重點監(jiān)控每個擾動類型區(qū)的基本特征（特別是堆渣和開挖面坡長、坡度、巖土類型）及水土保持措施（攔擋工程、護坡工程和土地整治工程等）實施情況。對施工期和運行初期進行定位監(jiān)測，側(cè)重于施工期土壤流失量動態(tài)監(jiān)測和運行初期的土壤流失量監(jiān)測。在工程施工建設(shè)過程中和林草植被恢復期，對整個建設(shè)期的全部區(qū)域開展巡查，重點監(jiān)測水土流失危害和重大水土流失事件等內(nèi)容。

3 監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 監(jiān)測結(jié)果

3.1.1 擾動面積

通過遙感動態(tài)監(jiān)測和地面監(jiān)測，結(jié)合項目實際，最終確定工程建設(shè)區(qū)實際地表擾動范圍為樞紐工程區(qū)、場內(nèi)交通工程區(qū)、存棄渣場區(qū)、料場區(qū)、施工輔助設(shè)施區(qū)。電站建成后，料場（含棄料堆場）交回繼續(xù)開采和使用。水庫淹沒區(qū)、水庫淹沒影響處理區(qū)在工程蓄水后變?yōu)樗?，不納入地表擾動范圍。對本次遙感監(jiān)測結(jié)果的復核，主要采取查閱國土批復文件及征占地資料，結(jié)合典型區(qū)域現(xiàn)場量測進行；對臨時占地主要依據(jù)工程施工圖設(shè)計和征占地資料，同時結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查和回訪綜合確定。擾動面積監(jiān)測結(jié)果為樞紐工程區(qū)101.07 hm2，場內(nèi)交通工程區(qū)110.46 hm2，施工輔助設(shè)施區(qū)94.41 hm2，存棄渣場區(qū)198.75 hm2，料場區(qū)45.96 hm2。對比遙感圖像和統(tǒng)計數(shù)據(jù)，該水電站擾動面積變化主要發(fā)生在2011—2012年，2013年后擾動區(qū)域基本穩(wěn)定。

根據(jù)擾動后的水土流失特點，結(jié)合遙感航拍圖像，對該水電站的地表擾動進行分類，主要表現(xiàn)為棄土棄渣、開挖面、建筑物、施工平臺等。堆渣、開挖面、平臺等具有不同的水土流失特點。在實地調(diào)查的基礎(chǔ)上，依照同一擾動類型的流失特點和流失強度基本一致、不同擾動類型的流失特點和流失強度明顯不同的原則，共分為8類地表擾動類型。

3.1.2 表土保護

無人機航拍和地面監(jiān)測顯示，工程表土剝離的區(qū)域為存棄渣場區(qū)、料場區(qū)、施工輔助設(shè)施區(qū)、樞紐工程區(qū)、場內(nèi)交通工程區(qū)。對比前后圖像和內(nèi)業(yè)復核，樞紐工程區(qū)由于壩基兩岸可剝離區(qū)域較小，主要針對土壩段平緩區(qū)域進行表土剝離；場內(nèi)交通區(qū)鑒于線性工程施工分散，僅對地形平整路段進行表土剝離，剝離表土主要用于道路沿線兩側(cè)邊坡及行道樹綠化覆土；存棄渣場區(qū)主要針對棄渣場表土進行剝離。該水電站工程實際共剝離收集表土105.54萬m3。對比方案，表土剝離量有所減少，是因為工程實際擾動地表面積減少，如場內(nèi)交通工程區(qū)、輔助設(shè)施區(qū)等區(qū)域取消或優(yōu)化減少占地；部分區(qū)域土層較薄，可剝離條件較差，實際剝離量減少。

3.1.3 土壤流失狀況

根據(jù)遙感解譯獲取的土地利用類型面積和土壤侵蝕度面積統(tǒng)計，綜合地面物質(zhì)組成和擾動地表類型、經(jīng)驗分析和定位監(jiān)測，綜合取值得出項目各侵蝕單元類型根據(jù)施工進度和占雨季的比例，確定相應土壤侵蝕模數(shù)，項目樞紐工程建設(shè)區(qū)建設(shè)運行期（2011—2020 年）水土流失總量為320 059.2 t。其中，樞紐工程區(qū)水土流失量為45 098.75 t，場內(nèi)交通道路區(qū)水土流失量為38 770.52 t，施工輔助設(shè)施區(qū)水土流失量為58 043.26 t，存棄渣場區(qū)水土流失量為168 769.53 t，石料場水土流失量為9 377.14 t。

水土流失原因主要為：施工初期，樞紐工程區(qū)、場內(nèi)道路、施工營地等未全面實施水土保持措施，加上雨季雨水對邊坡沖刷，加大了該區(qū)域水土流失，該階段水土流失處于最嚴重時期。渣場在修建過程中按照先擋后棄逐層堆放的原則進行了施工，但是由于渣場堆渣量較大，持續(xù)堆渣時間長且堆渣時間久，擋護措施在使用過程中出現(xiàn)了部分損壞，造成了水土流失，水土流失量占工程建設(shè)區(qū)總棄渣量的52.7%。堆渣期間，各渣場根據(jù)施工設(shè)計分別采用了貼坡排水、邊坡防護和植物措施等，有效減少了棄渣期間水土流失。其他區(qū)域也隨著水土保持措施的不斷完善，有效控制和減少了水土流失。

3.1.4 水土保持措施實施

監(jiān)測組在全面觀測的基礎(chǔ)上，結(jié)合解譯的土地利用類型專題圖、植被覆蓋度分級專題圖及統(tǒng)計結(jié)果等，通過對施工單位、監(jiān)理單位等調(diào)查復核，重點監(jiān)測統(tǒng)計了各區(qū)域的措施完成情況。工程防護措施量與方案相比有增有減，經(jīng)分析是因為實際施工中根據(jù)開挖及砌筑實際情況變化，相應采取更適合的防護措施，故引起措施量的變化。如場內(nèi)交通工程區(qū)防護措施增減，是實際施工中根據(jù)路基開挖及邊坡實際情況變化相應采取適應的防護措施；結(jié)合工程實際，永久和臨時結(jié)合，減少占地，將左岸下游低線公路、出渣公路、右岸上游低線公路等優(yōu)化取消，棄渣場公路等優(yōu)化縮短，與之相應的擋墻、排水溝等措施量減少。渣場區(qū)的工程量變化的主要原因是防護工程結(jié)構(gòu)和型式隨地基情況的改變而調(diào)整，如某渣場坡面全部采用了干砌石護坡等。樞紐工程區(qū)壩肩實施了園林式綠化工程；施工輔助設(shè)施區(qū)主要因業(yè)主營地等區(qū)域綠化標準提升，實施的植物措施面積增加，達到了綠化和美化的效果。

3.2 監(jiān)測技術(shù)分析

2010—2020 年開展的集地面監(jiān)測、遙感監(jiān)測及無人機航測于一體的空天地一體化水土保持監(jiān)測，動態(tài)獲取了水電站的水土流失防治責任范圍、擾動地表面積、表土保護、棄渣場的設(shè)置、水土保持措施實施等方面監(jiān)測內(nèi)容。結(jié)果顯示，工程建設(shè)基本按照主體工程設(shè)計的內(nèi)容和水保方案設(shè)計實施各種預防保護措施。根據(jù)監(jiān)測成果分析，項目區(qū)水土保持措施到位，水土保持效果明顯。通過對影響區(qū)施工期間的遙感監(jiān)測結(jié)果進行分析，項目建設(shè)期因工程建設(shè)施工不可避免地擾動和破壞防治責任范圍內(nèi)的原地貌增加了水土流失強度和程度。而工程水土保持工作做得較好，最大限度地減少了因項目建設(shè)引發(fā)的水土流失。通過對影響區(qū)施工后的遙感監(jiān)測結(jié)果進行分析，認為施工結(jié)束后的恢復工作極其有效，最大程度地恢復了項目施工對影響區(qū)的擾動后果。通過空天地一體化水土保持監(jiān)測，檢驗工程各區(qū)水土流失情況和水土保持方案的實施效果，為業(yè)主單位的水土保持工作服務，以期最大限度地減少對項目區(qū)及周邊地區(qū)生態(tài)環(huán)境的負面影響，為水土保持專項驗收提供了科學依據(jù)。

4 結(jié)語

通過分析探討可知，空天地一體化水土保持監(jiān)測技術(shù)，對于工程復雜、施工點多面廣、土石方量大的水土流失防治任務艱巨的開發(fā)建設(shè)工作具有良好的監(jiān)測效果，科學全面地反映了某水電站水土保持治理情況，提升了水土保持管控水平，具有先進性和前瞻性，在水土保持開發(fā)項目監(jiān)測中可推廣使用。