水电工程水土保持监测技术方法应用探讨

岳增璧，王　琪，李红星，单　婕

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安　710065；2.水电水利规划设计总院，北京　100120)



水电工程水土保持监测技术方法应用探讨

岳增璧1，王琪1，李红星1，单婕2

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安710065；2.水电水利规划设计总院，北京100120)

在简政放权、加强事中事后监管的新要求下，水电工程水土保持监测工作面临新的挑战。传统调查监测、地面监测方法已不能满足新的监测要求，遥感监测、无人机低空航拍、集成通信技术等创新型监测方法越来越受到水行政主管部门的鼓励与肯定。文章系统梳理了水电工程水土保持监测方法及其特点，创新型的监测技术采集的数据精度更高，时效性更强，且成本低。

水电工程；水土保持；监测方法；技术创新

0　前　言

水电工程在建设过程中对原地表进行扰动、损坏地表植被、挖填、转运或堆弃土石(渣)方等施工生产活动，均使得原地貌的土壤及其母质受到破坏、侵蚀或运移，改变了工程所在区域的自然环境，使水土流失因子发生了重大的改变，在不采取水土保持措施的情况下，将会产生大量水土流失。水土保持监测从保护水土资源和维护生态环境安全出发，运用多种技术方法，对水土流失的成因、数量、强度、影响范围、危害及其防治成效等进行动态监测，为有效落实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、确保水电工程项目建设区生态环境安全等提供技术支撑。目前，水电工程水土保持监测方法总体上还处于常规调查监测和简易水土流失观测场、径流小区等常规地面监测方法的水平，人力资源投入大，且缺乏统一规范的指导，水土保持监测成果质量往往良莠不齐[1]。因此，根据水电工程建设过程中的水土流失特点，采取科学、合理、经济、高效的水土保持监测方法，是水电工程水土保持监测工作的重要环节，对规范水电工程水土保持监测工作、提高监测成果质量水平具有重要作用。

1　水电工程水土保持监测的重点

水电工程规模大，工程建设持续时间长，对地表的扰动强度大且对周边的生态环境影响深远，尤其是施工道路边坡开挖、料场开挖对地表的扰动强烈，弃土弃渣堆积对地表植被、土壤的改变很大，且易造成强烈的水土流失问题[2]。因此，水电工程常将弃渣场区、交通道路区、料场区等作为水土保持监测的重点区域。

根据水利部《关于规范生产建设项目水土保持监测工作的意见》(水保〔2009〕第187号)、《生产建设项目水土保持监测规程》(2015试行)，监测实行驻点监测，监测必须涵盖扰动土地情况、取土(石、料)弃土(石、渣)情况、水土流失情况、水土保持措施实施情况等重点内容。其中扰动土地情况核心是面积，取土(石、料)弃土(石、渣)情况重点是数量，水土流失情况核心是数量，水土保持措施实施情况重点是面积和数量，且在实地量测、资料分析、地面观测等常规监测方法的基础上，鼓励采用遥感监测等创新型监测方法。做好水电工程水土保持监测，重点就是要对工程各防治分区按照施工进度准确进行地表状况分类并确定面积，获取挖填借弃的土石(渣)方量和不同下垫面情况下的土壤流失量。所有监测方法应按照监测频次的要求，动态获取面积和数量等定量信息，以保证监测成果的科学性和可靠性[3]。

2　常规监测技术方法及特点

水土保持监测方法一般分为调查监测、地面观测和巡查监测三大类，一般以地面监测为主，调查监测和巡查监测为辅。多年来，在水电工程水土保持监测工作中，通常采用常规的监测技术方法，在一定程度上满足了水土保持监测工作的要求，基本保证了工程建设区水土流失防治责任范围内水土资源保护的需要。

2.1调查监测及巡查监测

(1) 调查监测

监测人员为获取工程建设区水土流失防治责任范围、扰动地表面积、土石(渣)方量、防治措施数量和质量、植物措施的成活率、保存率、生长情况及覆盖度、防护工程的稳定性、完好程度、拦渣效果和对周边地区造成的危害及发展趋势等定量和定性基本信息，掌握其动态变化情况，利用GPS、全站仪、测尺、测绳等量测设备现场测量获取面积、措施数量等定量数据，利用摄像机和照相机、现场观察等现场调查取得工程质量、植物措施生长情况、水土流失程度等定性评价结果，在工程建设区现场完成的量测、影像拍摄、数据记录、分析评判等监测工作，统称为调查监测[4-5]。优点是针对性强，简单直观，能够取得大量抽样数据、量测数据作为基础支撑；缺点是不能够全面完整地反映工程建设区的情况，需借助遥感监测数据成果做补充。

(2) 巡查监测

按照一定的频率，对工程水土流失防治范围内的各区域进行查看，调查水土流失及其防治状况，分析水土流失防治成效及存在问题，为落实好水土保持措施提供数据和建议。本方法为常规监测方法，优点是能够使监测工作人员较快了解工程水土流失现状，取得定性评价结果，缺点是取得定量数据有限，需配合其它监测方法综合分析。

2.2地面观测

选取典型观测样地，布设水土流失监测设施或设备，以取得土壤流失量动态数据的观测方法，一般有径流小区、简易水土流失观测场、泥沙收集器等定点监测方法。

(1) 径流小区

在工程区选取典型坡面，布设5 m×20 m标准规格或2 m×10 m等非标准规格，并连接集流槽、分流箱、集流筒等观测设备的监测设施。径流小区适用于扰动土体、弃土弃渣等形成的比较稳定的坡面，也可用于砾石较少的弃土弃渣等形成的比较稳定的坡面，不适用于由弃石组成的堆积物的坡面。该方法是水电工程水土保持监测水蚀观测的常用方法，观测数据代表性较强，可为土壤流失量的分析计算提供有效支撑，缺点是采样测定及后续数据分析计算程序较繁琐，对监测人员的要求较高，需具备较强的技术水平才能满足观测要求。

(2) 简易水土流失观测场

将直径0.5 cm、长40 cm的钢钎，根据坡面面积，按1 m×1 m分上中下、左中右纵横各3排(共9根)沿坡面垂直方向打入坡面，出露坡面10 cm，并在末端和地面接触部位做标记，编号登记入册，坡面面积较大时，为提高监测精度，测钎密度适当加大。每次降雨后，观测钉帽出露地面高度，计算土壤侵蚀厚度和土壤侵蚀量。该方法是水电工程水土保持监测水蚀观测的常用方法，布设较灵活，可布设多组取平均值，能够为土壤流失量的分析计算提供一定支撑，但是易受外来径流或人为扰动干扰，造成较大误差，影响观测结果的准确性。

(3) 泥沙收集器法

为防止径流将冲刷的坡面泥沙携带出设定的控制范围，在坡面下设置集水池、在堆渣体的周边设置沉沙池、在截排水沟末端建设沉沙池等收集径流泥沙的设施。该方法是水电工程水土保持监测水蚀观测的常用方法，一般能收集水蚀的推移质，对悬移质效果较差，适用于径流冲刷物颗粒较大的区域，颗粒较小的区域需要加大规格尺寸以提升收集效果。

3　创新型监测技术方法及特点

近年来，基于遥感技术和通信技术发展起来的创新型监测技术方法，受到水行政主管部门的肯定与鼓励，在水土保持监测领域作用日益显著。

3.1遥感监测技术

遥感监测是利用卫星或空间航空器快速获取建设项目区水土保持信息，结合地理信息系统或其它配套软件，实现水土保持全数字化的分析、处理以及成果展示的先进监测技术，包括资料准备、遥感影像选择与预处理、解译标志建立、信息提取、野外验证、分析评价和成果资料管理等程序[6]。

根据《关于规范生产建设项目水土保持监测的意见》(水保〔2009〕第187号)，对水土保持监测明确要求：“对于线路长、取(弃)土(渣)量大的生产建设项目，应包括项目建设前、建设中和建设后的遥感影响资料及其分析结果”。《生产建设项目水土保持监测技术规程》(2015试行)也明确要求，建设项目扰动土地情况、水土流失情况、水土保持措施等监测均应进行遥感监测。遥感监测在水土保持监测中的应用越来越受到鼓励与肯定。

遥感监测将水土保持监测内容和传统监测指标体系彻底打破，按照空间信息特征和类别重新分类，分层计算水土保持监测指标，增加监测数据的客观性和精准度，同时可覆盖全建设项目区，降低查勘行驶里程和人员费用成本，极大提高生产效率。目前，水电工程遥感监测受一线生产人员缺少遥感和地理信息专业限制，在生产实践中应用相对较少，需加大研究力度和相关专业人才引进力度。

3.2GSM、WI-FI等信息集成监测技术

GSM是全球通信系统(Global System for Mobile Communications)的简称，目前中国常用的是4G和3G网络；WI-FI是一种可以将个人电脑、数据采集设备等终端以高频无线电信号互相连接并进行数据传输的技术。以上技术与监测数据采集设备集成后，可以通过移动网络或互联网将监测数据传输至设定的手机终端、邮箱或网络云存储终端等。既能响应驻点监测的要求，又不用监测工作人员到现场亲自采集数据，可增加监测的频次，提高监测数据时效性，同时节省人力成本。

(1) 气象因子集成

将气象站的雨量、风速、风向、温度、湿度等气象因子观测设备与GSM或增益WI-FI设备集成，将采集数据实时发送至网络云存储平台，通过网络设定账户提取监测数据，目前该项技术已非常成熟，应用较多，相关仪器设备实现了产业化，是气象基础数据采集较高效的方法。

(2) 测钎观测集成

将土壤厚度光感或电感测钎元件、数据分析元件、GSM元件集成，将电子感应测钎按照一定的频次测定土壤厚度的数据通过GSM网络传输至手机终端或网络邮箱，而实现土壤流失厚度监测数据采集的技术方法[7]。本方法相对传统简易水土流失观测场，监测数据更精确，时效性更强，且人力成本低。目前，该项技术还处于试验研究阶段，水电工程水土保持监测中应用较少，经一定试验研究完善后可作为设备产业化试点，在提高技术水平、降低人力成本的同时，创造更大的经济价值。

(3) 径流含沙量集成

将径流泥沙采集仪采样设备、数据分析元件等与GSM元件集成，通过设定设备工作边界条件，将采集到的径流泥沙含量数据实时传输手机终端或网络邮箱，而实现径流泥沙含量监测数据采集的技术方法。本方法相对径流小区、卡口站，时效性更强，监测数据更客观，且人力成本低。目前，该项技术还处于试验研究阶段，水电工程水土保持监测中应用较少，经试验研究完善后可作为设备产业化试点，拓展项目附加值。

(4) 静态影像或视频影像集成

将摄像头与GSM元件或增益WI-FI设备集成，按照一定的时间频次对固定区域拍摄静态影像或动态视频影像，并将影像资料实时传输手机终端、网络邮箱或网络云存储平台的技术方法。本方法可较好地响应当前水利部和各大流域机构提倡的视频监测要求，节省人力成本，时效性强，同监控摄像头技术类似，产业化潜力大，易于推广应用。

3.3三维扫描技术

利用地面三维激光扫描仪对工程建设过程中的开挖边坡、填筑边坡进行不同时期的定点三维扫描，生成同一边坡不同时期的三维点云数据，利用配套专业软件进行三维点云数据计算，分析坡面土壤流失量的技术方法[8]。该方法在黄土高原细沟侵蚀等土壤侵蚀原理科研领域应用较多，生产建设项目中实践应用相对较少，在水电工程中，可对渣场、料场、交通道路等开挖或填筑边坡区域的土壤流失情况进行较好的定量监测。

3.4无人机低空航拍技术

无人机系统包括空中部分和地面部分，空中部分是执行任务的无人机、机载设备、飞控系统、通信系统、图传系统、任务设备等，地面部分是操控系统，通信系统、接收设备、计算机、辅助设备等[9]。无人机低空航拍技术主要是利用无人机系统对项目建设区执行全景影像、重点部位影像、低空遥感影像的采集、数字分析与处理等任务，具有适应性强、弥补人力调查不足、影像像素精度高、技术成果客观性强、工作效率高等优点。无人机低空航拍与3S技术结合，可取得监测区域DEM、DOM等基础数字产品[10]，能够对项目区水土流失情况进行定量分析，可大幅提升监测技术水平与作业能力，其作用等同于遥感监测。目前该项技术在水电工程水土保持监测和水土保持专项设施验收领域应用越来越多，受到水利部及流域管理机构的好评，应用前景广阔。

4　结　语

水电工程属于大中型生产建设项目，工程建设过程中伴随大面积的地表扰动、大量土石(渣)方的调运或堆弃，做好水土保持工作，有效防治工程建设过程中的水土流失尤为重要。水电工程水土保持监测作为水土保持工作的重要环节，在简政放权、加强事中事后监管的背景下，作用越来越明显。传统的调查监测和地面监测已经不能满足新要求下水土保持监测的需要，遥感监测、无人机低空航拍、集成通讯技术的地面监测等创新型监测方法涵盖的调查面积更大、更全、更客观，采集的监测数据精度更高、时效性更强、人力成本更低，越来越受到水行政主管部门的鼓励与肯定。因此，加强遥感监测、无人机低空航拍、集成通信技术的地面监测等创新型监测方法的研究和应用，水土保持监测数据将更加客观、准确、详实，水电工程水土保持监测技术水平得到大幅提升，水土保持工作将更加科学、合理、经济、高效。

[1]李芳.水利建设项目水土保持监测存在的问题与对[J].水土保持应用技术，2015(01)：29-30.

[2]杨悦舒,夏振尧,肖海,陈毅,张伦,姚小月.恢复生态学理论在水电工程扰动区边坡生态修复中的应用[J].长江科学院院报，2015(07)：52-57.

[3]刘宪春,王万君,王爱娟,曹文华.遥感技术在生产建设项目水土保持监测中的应用[J].中国水土保持，2014(08)：64-66.

[4]李智广.开发建设项目水土保持监测[M].北京：中国水利水电出版社，2008.

[5]兰景涛,岳增璧,张保定,张乃畅,张振师.测钎法在水土保持监测应用中存在的问题及解决方案的探讨[J].西北水电，2016(01)：15-18.

[6]中华人民共和国水利部.水土保持遥感监测技术规范：SL 592-2012[S].北京：中国水利水电出版社，2012.

[7]李海林,李俊,李健.一种用于土壤侵蚀观测的光电测尺研究[C]//中国水土保持学会水土保持规划设计专业委员会2011年年会论文集，2011.

[8]詹晓敏,雷婉宁,秦甦.三维激光扫描技术在开发建设项目水土保持监测中的应用初探[C]//中国水土保持学会规划设计专业委员会2013年年会论文集，2013.

[9]孟佳男,陈浪,贾建峰,袁吉安,李卓,杨伟新.低空航拍无人机[J].甘肃科技，2014(11)：60-63.

[10]王志良,付贵增,韦力伟,齐建怀,陈宇.无人机低空遥感技术在线状工程水土保持监测中的应用探讨-以新建重庆至万州铁路为例[J].中国水土保持科学，2015(04)：109-113.

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，山东省嘉祥县人,工程师，从事水土保持工作.

S157

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.04.002