水电建设项目弃渣监测信息化初步研究

冯 磊，张晓利，崔 磊

(1.中国电建集团 中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014；2.水电水利规划设计总院，北京 100120)

1 监测目的与意义

水电项目属于建设类项目，具有建设周期长、规模大、开挖扰动大、弃土弃渣量大等特点，其中水电建设项目产生的大量弃渣，是水电建设过程中造成水土流失最直接的因素。弃渣进入江河湖库，威胁防洪安全；大量堆积占压，影响生态安全，甚至还会诱发滑坡等地质灾害，威胁居民生命财产和公共安全[1]。由于弃渣具有土壤颗粒松散、堆填坡度较大、变动频繁、易发生水土流失等特点，因此水电建设项目弃渣一直是该类项目水土保持监测的重点和难点。

目前，针对水电建设项目弃渣开展的水土保持监测集中在施工期，多采用调查监测和径流小区监测方法，观测设施简易，人工抄录、拍摄，监测的精准性不高，时效性不强，尚未形成土方开挖、利用、运输和废弃等全过程的监测信息化体系和方法。按照《水利部关于加强水土保持监测工作的通知》(水保〔2017〕36号)要求，应大力推进水土保持监测信息化，积极利用现代信息技术和仪器设备，以及卫星遥感和无人机等先进手段，实现监测数据提取、传输和处理的自动化；要充分利用信息技术，提高水土保持监测能力和水平；积极构建水土保持监测成果大数据平台，实现监测数据的共享共用，增强水土保持监测的服务能力。

2 弃渣监测信息化思路

根据水土保持监测信息化的要求，结合水电建设项目弃渣特点，构建水电建设项目弃渣跟踪监测和管理体系；依托水电信息基础数据库、各发电企业及流域已有信息管理系统，建设弃渣监测信息管理平台；应用现有信息化监测技术，对水土流失背景、土石方调运动态、弃渣场动态进行监测，实时采集弃渣综合监测数据，实现弃渣全过程监测、信息化监测、自动化传输、数据库统计分析、安全预警、数据共享等功能(图1)。

3 监测指标体系与内容

根据水土保持监测合同、水土保持监测规程及《关于规范生产建设项目水土保持监测工作的意见》(水保〔2009〕187号)的有关要求，弃渣水土保持监测的主要内容有水土流失背景监测、土石方调运动态监测、弃渣场动态监测等方面。

图1 弃渣监测信息化总体思路

(1)水土流失背景监测。主要是对与水土流失有直接关系的原地貌及气象数据进行监测，包括项目区气象数据、土地利用及植被情况、原地貌水土流失情况等监测因子。

(2)土石方调运动态监测。主要监测土石方从开挖到弃渣的过程，包括土石方开挖情况、表土剥离情况、土石方利用情况、表土利用情况、弃渣(表土)运输情况等监测因子。

(3)弃渣场动态监测。弃渣场动态监测包括施工期弃渣场(含表土堆存场)监测和运行期弃渣场监测。①施工期弃渣场(含表土堆存场)监测。施工期弃渣场监测主要是对弃渣场水土流失情况、水土保持措施及实施效果、弃渣场安全稳定情况等进行监测并针对水土流失隐患提出预防措施，对已发生的水土流失危害及时通知建设单位。监测指标有：水土流失，包括弃渣场扰动地表面积、土壤侵蚀模数、水土流失量等；水土保持措施，包括弃渣场防治措施数量和质量、植物措施生长情况及覆盖度、防护工程的拦渣效果等；弃渣场特性参数，包括弃渣场堆渣数量、堆渣高度、坡度、平台宽度等特性参数；安全稳定情况，包括施工期成型堆渣区域变形监测、土压力监测、渗流监测、环境监测等。②运行期弃渣场监测。监测指标有：水土保持措施，包括弃渣场运行期防治措施稳定性、完好程度、拦渣效果，植物的成活率、保存率、生长情况等；安全稳定情况，包括变形监测、土压力监测、渗流监测、环境监测等。详见图2。

4 弃渣监测信息化技术方法

近年来，水土保持监测为满足开发建设项目实际监测需要和信息化监管要求，除传统的资料分析法、实地量测监测和定点地面监测等监测方法外，引入遥感监测、摄影测量技术(无人机)、远程实时监控技术等先进技术[2-6]。

(1)传统监测方法。传统监测方法包括资料分析法、实地量测监测法和定点地面监测法。① 资料分析法。全面收集资料，具体包括主体工程设计文件，建设单位、施工单位和监理单位制定的水土保持管理制度，施工和监理工作日志，工程进度，工程量，质量控制，投资等。开展调查与信息采集，系统掌握工程建设水土保持相关数据，能够为进一步开展工作提供基础资料、信息。② 实地量测监测。实地量测监测包括普通测量和高精度测量两种。采取定期全线路调查的方式，将GPS定位仪与地形图、全站仪、测高仪、测距仪、尺具、照相机等测量仪器结合，按不同扰动类型、监测分区进行调查，记录每个分区的基本特性、占地、水土流失及水土保持措施实施情况等。近年来在实地量测监测方法中常引入RTK(时域反射仪)技术，通过移动终端对监测对象便捷定位、量测并将数据及影像实时上传，实现实地量测功能。③ 定点地面监测法。定点地面监测法通过设置标准径流小区、简易水土流失观测场、沉沙池或控制站等实现定点监测。近年来，定点地面监测方法中开始引入GSM(全球通信系统)等信息技术，并与电子测钎、径流泥沙采集仪等设备进行集成，实现监测数据自动采集、实时传输。

图2 水电建设项目弃渣监测体系

(2)遥感监测法。应用各种传感仪器定期对远距离目标辐射和反射的电磁波信息进行收集、处理，并最后成像，从而实现对地面各种景物的探测和识别。遥感技术是空间对地监测系统的重要组成部分,在水土保持监测中,依据高精度遥感影像进行地物判读，可快速获取大尺度、大范围的工程建设扰动区域的扰动地表信息、水土流失状况，分析区域土壤侵蚀状况、历史变化、发展趋势及存在问题、水土保持措施实施状况等，可为项目区水土流失防治和防治效益分析提供基础数据。

(3)摄影测量(无人机)。基于数字摄影测量原理，对被测物构建二维、虚拟三维模型，依据二维、三维模型测量不同阶段测区等值线图、正射影像图、DEM等，进而对等值线图、正射影像图进行分析处理，获取地表扰动面积变化状况、水土保持工程措施建设状况、植物措施恢复状况等，根据DEM动态变化计算流失量。

(4)远程实时监控。远程实时监控技术是通过在水土流失重点监测区域布设固定监控设备，定时、定方位对固定测区进行实时影像采集，并通过3G、4G网及时传输至服务器中，经处理分析后获取测区扰动地表变化、弃渣量变化、弃渣运输情况，以及植被恢复状况等信息，同时与监测区域的扰动范围、周边敏感区域、堆渣量等进行对比分析，对于不合规的施工行为进行预警，可实现对于开挖区域超挖、道路下边坡溜渣、弃渣运输、堆放合规性等的实时远程监测和监管。

此外，通过人工和视频/影像巡视可检查渣体外观及水土保持设施变化情况，同时获取弃渣场变形、渗流、土压力等指标参数，进而实现对弃渣场的安全稳定性监测。

5 弃渣监测数据共享平台构建

采用互联网+、大数据、云技术，依托各水电建设项目弃渣水土保持信息化监测系统及其数据，构建具有通用性、兼容性和可扩充性的水电建设项目弃渣全过程水土保持监测管理信息平台是水土保持信息化的重要工作。监测管理系统应包含水电建设项目基础信息系统、监测数据系统、人工智能分析及预警系统、数据共享与发布系统等，实现对水电建设项目土石方调运、弃渣场堆渣及安全稳定性等情况的实时追踪、分析、数据共享与管理。

水电建设项目弃渣水土保持信息化监测的项目中包含自动在线监测和人工监测两种方式，对于自动在线监测项目，可通过接入信息管理平台实时采集相应数据，对于人工监测的项目，可定期将数据人工报送至信息管理平台。其中自动监测数据包括远程实时监控、电子监测水土流失量数据、安全监测数据等；人工监测数据主要包括弃渣场基本情况(位置、面积、高度、堆渣量)、水土流失情况、水土保持措施及其防治效果等。

基于信息管理平台的大数据及分析、预警功能，信息管理平台定期向水行政主管部门及行业主管部门发送水电建设项目弃渣场建设及运行水土保持合规性和安全稳定性报告，实时发布水土流失危害预警，为行政主管部门和行业主管部门监管提供更为实时、科学、合理的依据。同时，经授权和批准，可向社会发布所需要的相关信息(图3)。

图3 水电建设项目弃渣监测数据共享平台架构

6 结 语

弃渣监测是水电建设项目水土保持监测工作中的一项重要内容，水电建设项目弃渣一直是开发建设项目水土保持监测的重点和难点，目前监测信息化水平较低。根据弃渣全过程监测需求，提出了针对弃渣的水土保持监测体系；对比现有监测方法，筛选出几种监测信息化手段；构建信息管理平台，可实现水电建设项目弃渣监测数据的共享、分析、预警、信息发布。