水電工程水土保持監(jiān)測新技術(shù)方法探索

摘 要：文章依托大崗山電站水土保持監(jiān)測項目，對傳統(tǒng)地面監(jiān)測技術(shù)手段進行了改進和提高，同時拓展應用了疊圖法、地面遙感地形量測、地面三維激光掃描、低空遙感等新的監(jiān)測方法。

關(guān)鍵詞：水電工程；水土保持監(jiān)測；新技術(shù)方法；大崗山水電站

1 前言

開發(fā)建設項目水土流失是人為導致水土流失加劇的主要因素之一。水電工程屬于生態(tài)類開發(fā)建設項目，工程建設占用大量土地資源，加之施工土石方量大、擾動土地面積廣、周圍植被易受破壞等因素，造成水土流失問題突出。近年來，水電工程水土保持監(jiān)測工作在水土保持監(jiān)督管理中發(fā)揮了愈加重要的作用。目前，開發(fā)建設項目水土保持監(jiān)測行業(yè)尚未形成規(guī)范化的技術(shù)體系?，F(xiàn)行技術(shù)規(guī)范中推薦的監(jiān)測方法多以黃土區(qū)的水土保持監(jiān)測經(jīng)驗為依據(jù)，更注重于小流域甚至更大尺度上的水土保持生態(tài)網(wǎng)絡的監(jiān)測方法，顯然無法較為準確地反映水電工程建設區(qū)域內(nèi)的實際水土流失情況。因此，探索和開發(fā)更為實用的水土保持監(jiān)測方法，是目前水土保持監(jiān)測行業(yè)面臨的首要問題。

本文依托大崗山電站水土保持監(jiān)測項目，針對水電工程建設水土流失特點，在已有水土保持監(jiān)測工作經(jīng)驗的基礎上，對傳統(tǒng)地面監(jiān)測技術(shù)手段中的徑流小區(qū)、樁標法、簡易坡面量測法進行了改進和提高，同時拓展應用了疊圖法、地面遙感地形量測、地面三維激光掃描、低空遙感等新的監(jiān)測方法。

2 項目概況

大崗山水電站位于大渡河中游石棉縣挖角鄉(xiāng)境內(nèi)，壩址以上流域面積為62727km2，擋水建筑物為混凝土雙曲拱壩，正常蓄水位1130m，庫容7.42億m3，電站裝機容量2600MW。除樞紐工程外，還布置有5個渣場、1個料場、新改建場內(nèi)公路35.24km和拌合站、砂石料加工廠、生活營地等生產(chǎn)生活設施。

結(jié)合大崗山水電站樞紐工程布置和施工規(guī)劃，以及工程建設進度計劃和區(qū)域自然環(huán)境、水土流失特點等因素，本工程水土保持監(jiān)測工作按主體工程區(qū)、渣場區(qū)、料場區(qū)、施工道路區(qū)和施工生產(chǎn)生活區(qū)5個區(qū)開展。

本文著重介紹大崗山水電站水土保持監(jiān)測過程中采用的技術(shù)方法，監(jiān)測時段、頻次、內(nèi)容等要素不在此贅述。

3 傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)方法的應用及改進

傳統(tǒng)水土流失監(jiān)測技術(shù)方法主要為現(xiàn)行《水土保持監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》中提出的徑流小區(qū)、樁標法、簡易坡面量測法、調(diào)查監(jiān)測法、遙感監(jiān)測法等。

3.1 徑流小區(qū)

結(jié)合多次對大崗山水電站現(xiàn)場的查勘，認為渣場為施工期最大的水土流失潛在場所。渣場破壞了原地表的植被覆蓋，渣體結(jié)構(gòu)松散，而且坡高和坡度均較天然情況有所增加，在降水及其形成的地表徑流的沖刷下極易發(fā)生水土流失。因此，針對本工程棄渣量最大的桃壩渣場考慮采用徑流小區(qū)法進行水土流失狀況監(jiān)測?？紤]到桃壩渣場仍在持續(xù)堆渣、僅形成了部分永久坡面；設計坡面分級馬道間跨度大；已有部分位置實施了綠化試驗等因素，對原方案設置的標準徑流小區(qū)進行了改造。

改造結(jié)果：徑流小區(qū)設置于桃壩渣場下游永久坡面綠化試驗段邊界處；小區(qū)尺寸按照坡面形態(tài)，以分級馬道為界全坡面布置，長40m，寬5m；增加1個已實施綠化措施的對比徑流小區(qū)，并排設置，分別代表自然恢復裸露坡面和綠化措施恢復坡面。改造后的徑流小區(qū)更加真實、準確地反映了桃壩渣場施工期的水土流失實際情況，監(jiān)測數(shù)據(jù)的代表性獲得了極大地提高。

3.2 樁標法

主體工程區(qū)開挖范圍廣、開挖量大，留下大面積等待自然恢復的高、陡裸露邊坡。開挖活動破壞了原地表的植被覆蓋并使原地貌坡度變陡，使得地表土壤的抗沖蝕能力降低，產(chǎn)生大量的裸露邊坡，容易發(fā)生面蝕、溝蝕等水土流失形式。主體工程區(qū)高陡邊坡水土流失狀況計劃采用樁標法進行。該方法的不足主要表現(xiàn)在，一要考慮人工坡面的自然沉降，否則會造成很大的誤差，因為新生堆土體均存在沉降的問題；二是必須同時采取其他方法量測坡面溝蝕量，因為根據(jù)已有研究人工堆墊地貌的侵蝕形態(tài)中，淺溝侵蝕占主導地位，面蝕量相比而言則較小。針對樁標法存在的不足和對大面積裸露邊坡代表性差的特點，對監(jiān)測點測釬的布設進行了改進。

改進結(jié)果：拋棄傳統(tǒng)監(jiān)測方法中3×3（根）局部位置布設測釬的做法，對監(jiān)測目標進行全坡面測釬布設。按照選取的監(jiān)測點坡面形態(tài)，布設3～6行，20列，共96根測釬（間距3m布設）。全坡面布設測釬提高了監(jiān)測目標水土流失狀況的代表性，減弱了人為擾動對監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響。

3.3 簡易坡面量測法

侵蝕溝體積量測法又稱簡易坡面量測法，也是在實際工作中采取最多的方法之一，采取在坡面上、中、下幾個典型位置處布設一定數(shù)量的斷面，詳細量測各斷面的侵蝕溝的溝深、溝寬和條數(shù)等，以綜合計算坡面的淺溝侵蝕量。此方法受人工測量精度不高和侵蝕溝形態(tài)概化不準確等因素的影響較大。

本項目采用了具備無接觸測量優(yōu)勢的全站儀，對侵蝕溝進行多點量測，通過數(shù)據(jù)處理，構(gòu)建三維模型，利用軟件計算侵蝕量。此方法的應用大大提高了簡易坡面量測法的精度。

4 新監(jiān)測技術(shù)方法的應用

水電工程水土保持監(jiān)測是一項包含水土流失影響因子、狀況、危害和水土保持措施效果等諸多內(nèi)容的工作。目前，現(xiàn)行的《水土保持監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》對于擾動面積、棄渣量動態(tài)變化等內(nèi)容尚無明確的監(jiān)測方法。因此，常規(guī)的水土保持監(jiān)測技術(shù)與方法不能滿足水電工程建設水土保持監(jiān)測工作的要求。針對上述問題，本次工作拓展應用了新的監(jiān)測方法以獲取工程建設擾動面積、挖/填方量、林草覆蓋率等監(jiān)測數(shù)據(jù)，具體如下：

4.1 疊圖法

針對正在實施的水保措施、正在堆渣或正在開采的坡面等，選取合適的拍攝位置和角度，利用GPS定位或埋設固定拍攝樁等方法，對同一部位進行跟蹤拍攝。利用不同時期，同一部位的圖片，分析已實施的水保措施和堆渣/開采變化情況。后期利用圖片處理軟件，獲取不同時期擾動面積和堆渣/開采量等動態(tài)變化數(shù)據(jù)。

大崗山水電站水土保持監(jiān)測工作中，針對持續(xù)堆渣的桃壩渣場、挖角渣場、桃坪渣場和持續(xù)開采的棱子壩料場均布設了固定拍攝樁，定期進行監(jiān)測，后期采ENVI遙感圖像處理軟件，校正不同時期的圖片，最終對地形信息進行提取，獲得動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)。

此方法不需投入專用設備、操作簡單、數(shù)據(jù)表達方式直觀，但監(jiān)測數(shù)據(jù)精度不高，適合水土保持措施運行效果、堆渣/開采動態(tài)變化趨勢等方面的監(jiān)測工作。

4.2 地面遙感地形量測

采取全站儀對不同時期的水土保持監(jiān)測目標進行高精度形態(tài)變化情況測量，獲取監(jiān)測目標獨立地貌形態(tài)坐標系下的三維數(shù)據(jù)，采用后期處理軟件建立模型，利用不同時期空間形態(tài)對比分析，計算出動態(tài)變化值。在兩個模型配準方面，可以選擇測量一定數(shù)量的控制點配準，也可以采用引入工程建設三級水準點轉(zhuǎn)換為絕對坐標配準；在本底數(shù)據(jù)模型建立方面，可以選擇第一次測量數(shù)據(jù)為本底模型，也可以選擇利用原始地形圖等高線數(shù)據(jù)建立本底模型。

大崗山水電站水土保持監(jiān)測工作中，選擇正在開挖的泄洪洞出口邊坡和正在實施的尾水圍堰兩個監(jiān)測目標，利用全站儀進行了現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，采用Suffer軟件生成測量點位平面圖，并根據(jù)高程數(shù)據(jù)建立三維模型，計算出擾動面積，通過不同時期模型對比，計算出新增擾動面積。另外，此方法還可應運于堆渣/開采變化量監(jiān)測方面。本次工作選擇了正在持續(xù)堆渣的桃坪渣場，利用全站儀對渣場形態(tài)進行了高精度量測，建立三維數(shù)字模型，并利用工程建設三級水準點轉(zhuǎn)換了模型的坐標系，同時收集了原始地形圖等高線數(shù)據(jù)建立了本底模型，通過兩個模型的對比計算，獲取了渣場堆渣量動態(tài)數(shù)據(jù)。

地面遙感地形量測方法為原來不易精確測量的擾動土地面積、棄渣量、開采量以及上述數(shù)據(jù)動態(tài)變化量數(shù)據(jù)的監(jiān)測提供了較為可靠、有效地途徑。

4.3 地面三維激光掃描

三維激光掃描技術(shù)是一種全自動高精度立體掃描技術(shù)。它可直接從實物中進行快速的逆向三維數(shù)據(jù)采集及模型重構(gòu)，從而完整地、高精度地重建掃描實物及快速獲得原始測繪數(shù)據(jù)。地面三維激光掃描技術(shù)應運于水電工程水土保持監(jiān)測工作的原理與利用全站儀開展地面遙感地形量測方法類似，本文不再贅述。相對于全站儀采集數(shù)據(jù)而言，三維激光掃描儀具有采樣速率快、采樣數(shù)據(jù)量大、自動化程序高、精度和分辨率高等優(yōu)勢。

大崗山水電站水土保持監(jiān)測工作中，運用Optech ILRIS 36D地面三維激光掃描儀對棱子壩料場開采坡面、桃壩渣場堆渣坡面、對外交通公路開挖坡面均進行了不同時期的數(shù)據(jù)采集，應用Polyworks軟件對三維點云數(shù)據(jù)進行處理，建立了三維數(shù)據(jù)模型，通過軟件自帶模型量測工具得到相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)。

地面三維激光掃描技術(shù)的成功應運，彌補了地面遙感地形量測法對水土保持監(jiān)測目標局部特征描述不全面、動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)精度不高的缺點。但由于此項技術(shù)需要投入大型專用激光掃描設備，且點云數(shù)據(jù)后期處理、建模工作量大，仍處于初步探索階段。經(jīng)深入研究和探索，相信可以逐步替代徑流小區(qū)、測釬、侵蝕溝等常規(guī)監(jiān)測方法。

4.4 低空遙感

通過購買施工范圍經(jīng)解譯的衛(wèi)片或現(xiàn)場進行低空遙感航拍，準確得到監(jiān)測區(qū)監(jiān)測年的土地利用、植被、土壤侵蝕現(xiàn)狀、水土保持措施數(shù)量和質(zhì)量等情況。

大崗山水電站水土保持監(jiān)測工作中，采用了八軸旋翼無人機航拍的方式獲取低空遙感信息。無人機低空遙感技術(shù)包括了無人駕駛飛行器技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、遙測遙控技術(shù)、通訊技術(shù)、GPS差分定位技術(shù)和遙感應用技術(shù)等，主要是通過無線電遙控設備操控不帶人飛行器，做為空中平臺，通過遙感傳感器獲取信息，對獲取信息進行分析處理，從而對遙感對象進行研究。

此項技術(shù)的應運對操作人員技術(shù)要求嚴苛，同時航拍設備承擔的風險較高。

5 結(jié)束語

作者在前人研究的基礎上，結(jié)合已有水土保持監(jiān)測經(jīng)驗，在大崗山水電站水土保持監(jiān)測工作中突破常規(guī)、創(chuàng)新思維，經(jīng)過初步的試驗和探索，對傳統(tǒng)地面監(jiān)測技術(shù)手段進行了改進和提高，同時拓展應用了多項先進的技術(shù)方法，取得了令人滿意的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

水電工程項目具有擾動面積廣、土石方量大、產(chǎn)生的水土流失范圍廣、危害重等特點，因此在實際監(jiān)測過程中選擇科學實用的監(jiān)測方法，可以提高監(jiān)測時效性和科學性。大崗山水電站水土保持監(jiān)測工作中應用的新技術(shù)方法，為建立成熟、完善的監(jiān)測技術(shù)體系標準提供了科學技術(shù)依據(jù)。

作者簡介：詹曉敏（1982，2-），男，漢族，寧夏中衛(wèi)，碩士，工程師，水土保持監(jiān)測。