生产建设项目水土保持监测技术方法研究进展

唐元智

(长江水利委员会 长江科学院，湖北 武汉 430010)

1 研究背景

近年来，随着我国经济的快速发展，工业化和城市化进程对土地资源的依赖性显著增强，对原始地表的破坏正在加剧这种现象，特别是生产建设项目(公路铁路、水利水电、矿产开发、管道工程等)用地日益剧增，造成的水土流失愈发严重。水利部统计资料显示，2009年我国共审批生产建设项目水土保持方案2.24万个，而在2019年达到5.59万个[1]；同时，2019年全国水土流失总面积达271.08万km2，占国土面积的28.24%，全国主要河流总输沙量3.45亿t，土壤流失量巨大[2]。

生产建设项目一般占地面积较大，施工周期较长，扰动地表剧烈，目前已成为人为水土流失的主要来源之一。项目建设短时间内挖填土石方、占压植被，若防护措施不及时不到位，将产生诸多生态环境问题[3]。项目建设改变了原始地貌格局，破坏了表土资源，造成区域植被减少、土壤肥力下降、生产条件恶化；项目施工增加了土石方调运，引发河渠水库淤积、区域内耕地埋没、水环境和水生态恶化等。同时，不合理的土石方堆存还将诱发滑坡、泥石流等灾害，对人民的生命财产安全构成严重威胁。

党的十九大以来，生态文明建设有力推进，对水土流失治理工作提出了高标准、严要求。水土保持监测作为掌握水土流失情况的重要技术手段，对控制水土流失、强化生态文明建设具有重要指导意义[4]。根据修订后的水土保持法，在工程项目建设的同时，必须开展水土保持监测工作，其监测成果作为各级水行政主管部门水土保持监督管理的依据，并为国家生态保护政策决策提供科学参考。相关单位有义务积累水土流失资料，探索优化水土保持监测技术方法，控制生产建设活动引起的人为水土流失。

笔者以生产建设项目水土保持监测内容为切入点，分析监测技术方法的应用现状，总结未来监测工作中需要依托的理论技术支持和可能的实现途径，探讨水土保持监测方法发展的方向，以期推动生产建设项目水土保持监测工作高质量发展。

2 监测内容与指标

根据学者研究和相关技术规范，生产建设项目水土保持监测内容主要包括水土流失状况、水土流失影响因子、水土流失危害、水土保持措施、水土保持效果、水土保持管理等。水土流失状况表征项目区水土流失类型、面积、强度及土壤流失量等指标，水土流失影响因子表示项目区内地形地貌、气象水文、土地利用等指标，水土流失危害反映因项目建设引起的水土流失诱发形成的灾害事件，水土保持措施主要包括工程措施、植物措施、临时措施等内容，水土保持效果用水土流失治理度、渣土防护率、表土保护率、拦渣率、林草植被恢复率、林草覆盖率6项防治指标表示，具体内容如表1所示。

表1 生产建设项目水土保持监测内容及相关指标

不同类型生产建设项目一般具有不同的监测内容，在方案编制阶段对其进行选择和设计，形成适用于目标项目的水土保持评价体系。针对不同的监测内容，监测方法的选择也有所差异。因此，探究监测内容的指标成因，理清监测方法的思路原理是解决建设项目水土流失问题的必要途径。

3 监测手段现状分析

生产建设项目水土保持监测是利用一定的方法手段，探究水土流失与项目建设及土地生产力的关系，提出改进措施，减少人为水土流失，促使效益最大化，也是对监测内容的定量定性描述。水利部在发布实施的《水土保持监测技术规程》(SL 277—2002)中明确，生产建设项目水土流失监测，宜采用地面观测法和调查监测法，并积极鼓励采用新技术、新方法。目前应用的监测方法主要包括地面观测、调查监测等传统监测手段和遥感监测、视频监控等高新技术手段。

3.1 传统监测手段

在传统监测手段中，地面观测主要通过修建监测设施，定期观测数据，必要时进行试验测定，计算分析项目区水土流失类型、面积、强度及土壤流失量等指标。常用方法有径流小区、控制站(沉沙池)、简易水土流失观测场、简易坡面量测、风蚀定位插钎等[5-6]。水土流失危害具有突发性、实时性，水土保持措施和水土保持效果在建设期存在差异性，不宜修建监测设施，常采用调查监测手段进行研究。而水土流失影响因子中的地形地貌、气象水文因素在项目区内差别较小，运用调查监测与地面观测相结合的方式较为合理。

水土保持法颁布以来的30年里，传统监测手段因省时省力、简便易行而广泛应用于各类生产建设项目中，也因水土保持方案制度的实施得到了有效发展。例如，径流小区、风蚀定位插钎等监测设施在遵循水土保持方案设计的基础上，根据项目建设时空分异性原则灵活布置；控制站常设置于项目建设区内封闭性较好、无自身冲淤变化、施工便利的流域，监测项目区水土流失影响因子等指标；调查监测可根据工程进度选择不同的监测内容，实时监测水土保持措施的防治效果。

纵观近年来的生产建设项目水土保持监测成果，尽管传统监测手段在实践中已经取得了长足的进步，然而随着从业人员的增加和技术研究的深入，传统监测手段逐渐表现出一些不足之处，如监测区域地表扰动频繁，径流小区、简易水土流失观测场等地面观测设施稳定性较差，监测周期内被破坏后造成数据缺失、形成无效样本。不同降雨、不同土地利用类型条件下坡面水土流失机理差异明显[7-8]，监测点面积与项目建设占地面积差别较大，以局部坡面量测土壤侵蚀数据推求项目建设区土壤流失情况存在一定困难。胡波等[9]在总结国内应用的水土保持监测技术时指出，修建地面观测设施监测土壤流失量时精度较低、误差较大。因此，有必要开展更多的研究分析传统监测手段的适用条件，确定地表扰动对土壤侵蚀的影响机制，定量探讨地形、地貌、植被、区域硬化等下垫面变化对水土流失的贡献值。

3.2 高新技术手段

新形势下，传统监测手段已不能满足生产建设项目水土保持监测工作需要，相关学者和一些从业人员对水土保持监测新方法新技术进行了探索和应用，形成了一套水土保持监测高新技术手段。依托天地一体化技术，运用高空卫星和低空无人机遥感监测，结合GPS定位系统、三维激光扫描、视频监控等地面观测技术，经图像处理、数据分析获得项目建设区水土流失面积、强度及分布等信息，实现对生产建设项目水土流失的过程控制。

随着卫星数据资料日渐丰富，利用遥感技术定量获取土壤环境、土地利用信息成为可能。在进行生产建设项目水土流失现状及其变化特征分析时，水土保持监测技术手段也趋于多元化。目前可应用的卫星影像数据源主要有GF-1号、GF-2号、天地图、高景1号、ZY-3号等。在对地表研究的基础上，选择项目建设区卫星数据，经遥感解译提取出土地利用类型、土壤侵蚀强度、扰动图斑等数据信息[10]，计算分析水土流失治理度、林草植被恢复率等水土流失防治指标，可补充完善监测结论，提高监测成果的精确性和可信度。卫星数据的连续性较好，获取的工程各阶段遥感影像能有效反映建设项目全过程水土保持信息变化，可解决监测时段缺失的问题。当前，虽然部分卫星数据资料已成为免费产品，但存在时效性不足的缺点。受数据成本、监测单位技术水平、行业监管力度等影响，卫星遥感技术在应用层面仍显不足。因此，探讨变化环境下高时效性的卫星遥感影像处理技术是未来水土保持监测方法研究的关键问题之一。

无人机遥感技术因数据获取迅速、精度较高、成本较低等特点已成为水土流失调查的重要技术手段，并在生产建设项目水土保持监测领域发挥重要作用。基本工作流程包括航拍设计、航测数据采集、监测对象提取、三维模型建立、面向对象分类、图斑识别勾绘、监测成果输出等。目前已得到广泛应用，如施明新[11]通过对长龙山抽水蓄能电站工程监测研究发现，无人机遥感技术可定量描述土地利用类型、扰动范围及土壤流失量，计算精度满足监测规程要求。王志良等[12]利用AJ1000固定翼无人机，对大型线状工程进行50 km航测，获取分辨率0.22 m的DEM和DOM数据，可直观全面反映工程现状。张雅文等[13]采用无人机遥感技术对鄂北水资源配置工程展开水土保持监测分析，利用Agisoft Photoscan Professional软件处理原始影像，结果表明计算机识别更为迅速，在扰动土地面积、弃渣体积计算等方面，无人机监测效率较人工监测效率高3～5倍。此外，也可根据不同的监测内容对技术流程设计优化，如采用Pix4Dmapper、Pixel-Mosaic等软件处理遥测影像，利用ArcGIS编辑分析以获得高精度监测结果等。毫无疑问，无人机遥感技术摆脱了对地面量测的依赖，在水土保持领域具有重要意义。但必须指出，无人机遥感技术对监测点的选取存在主观性，特别是大型线状工程，低续航时间无法满足监测范围全覆盖，续航能力强的固定翼无人机因在运用前需做航线申请而受到一定限制，且在行业监管方面尚未形成统一的制度体系。因此，有学者考虑选取合适的飞控和动力系统提升无人机续航能力及通信导航能力，或将无人机与地面机器人组成异构系统进行持续监测[14]。除此以外，还应当从水土保持角度深入研究不同地表扰动类型的差异，提升监测点位的代表性，如不同边坡挖填方的水土流失机理。

在遥感技术得到广泛发展的同时，高新地面观测技术也在进行变革创新。从传统的量筒、烧杯、测绳、天平到新兴的三维激光扫描、视频监控等，地面观测技术重点研究建设项目水土流失剧烈的部位，如施工高陡边坡、大型挖填区域、取土弃渣场地。

三维激光扫描技术作为一种探究微观地形变化的有效手段，主要通过脉冲激光测距，以点云形式获取项目区地表三维数据，应用Polyworks、Surfer、Bentley、Cyclone等软件建立模型，生成所需产品[15]。在建设项目水土保持监测领域，三维激光扫描技术具有采样速率快、分辨精度高、非接触测量等优势，可定量分析水土保持要素的动态变化。如詹晓敏等[16]在监测取料场开采量和扰动面积时，选择ILRIS 36D地面激光扫描仪获取点云数据、建立模型，其计算结果真实可靠。建设项目土石方挖填和取料场开采类似，也可采用此方法进行监测。但受地表植被影响，三维激光扫描技术易产生噪点而引起建模失真，且设备购置及租赁成本较高，当前多见于试验研究，尚未形成完善的应用体系。因此，强化三维激光扫描技术与卫星遥感、无人机等技术的耦合研究，探讨天空地一体化的综合监测管理机制，制定合理的监测体系布局是水土保持监测技术进步的重要途径。

水土保持监测技术规程规范对监测频次提出了新要求，监测时效性逐渐成为衡量监测成果精准度的重要指标，由此引入视频监控技术。视频监控主要利用计算机技术处理视频信号，对序列图像进行分析，判断监控场景中的行为变化，为决策者提供数据参考[17]，主要程序包括前端信息采集、实时信息传输、终端信息管理等。在弃渣场、取料场等建设项目大型开挖填筑区域，通过施工现场的监控设备进行数据采集，经网络技术传输至终端平台，可直观监测地表扰动变化、取土弃渣量、植被恢复情况等信息。在持续推进水土保持监测信息化的进程中，有学者提出以视频监控为媒介，以弃渣场监测为切入点，深入自动传输、综合管理、数据共享研究[18]。这在一定程度上能够揭示建设项目不同时间尺度下的弃渣场形态变化，但如何在空间尺度上确保监测区域覆盖，促进各监测区的有效联系和数据一致性是视频监控技术优化和完善的主要突破口。

伴随互联网、云计算、大数据等新技术的出现，水土保持监测工作不再过度依赖于人工实地调查和传统的监测手段，监测连续性得到了显著增强。除此之外，监测设施设备由单一化向装备化发展也丰富了生产建设项目水土保持监测方法，如水土流失移动实验室、量水堰自动测量系统等。但由于监测区域下垫面受人工扰动变化导致岩体结构、土壤质地、植被特征等不确定性问题，试验研究阶段成熟的监测设施设备如何有效应用于生产实践成为水土保持监测方法研究的关键难题。

当前生产建设项目主要应用的监测手段对比分析见表2。

表2 生产建设项目水土保持监测方法特点分析

4 监测方法面临的挑战和关键问题

生产建设项目水土保持监测是一项多方联合、多源控制、多段集成的系统性工作，旨在促进高效科学的水土保持管理。当前生产建设项目水土流失治理作为我国水土保持管理的重要举措，需要强有力的监测技术支持。近年来随着科学研究的不断深入，水土保持监测技术的应用取得了显著成果，但从上述几种监测方法中可以看出一些共性问题：传统地面观测方法受施工影响因素较大，一定程度制约了监测点的控制性、针对性、层次性原则，监测可靠性值得商榷；高新技术手段受制于监测设备、数据成本、监测单位技术水平、行业监管等，在实际工作中应用有限；监测技术方法在耦合理论、数据精度等方面还需要进一步的研究和探讨。因此，强化土壤侵蚀过程研究，尤其是不同类型建设项目地表扰动对土壤侵蚀的影响机制，完善监测方法耦合研究，研发应用监测新设备，构建大数据共享平台，推进水土保持大数据的应用，将是未来探究生产建设项目水土保持监测技术手段的关键。

(1)强化水土流失规律研究。探索水土流失规律是辨析水土流失问题的基础，应从理论出发，对水土保持监测方法进行修正和完善。当前土壤侵蚀过程研究在试验阶段已趋于成熟，但在生产建设领域研究有限。应基于项目建设特点，新增水土保持监测试验区，进一步探讨不同类型地表扰动对土壤侵蚀的影响机制，确定生产建设项目不同边坡挖填方状态下的泥沙运移效率，定量分析地形、地貌、植被、区域硬化等下垫面变化对水土流失的贡献值，融合多方信息总结人为水土流失规律。

(2)完善监测方法耦合应用研究。水土保持监测方法的拓展涉及众多学科，发展潜力巨大。应在宏观上加强天空地交叉融合，建立高空卫星遥感、低空无人机监测、地面三维激光扫描、视频监控等技术耦合的综合监测机制，微观上探究监测区内的下垫面变化特征，开展学科前沿监测手段应用技术论证。为满足客观基础条件，监测技术发展还应从水文学、遥感信息、科学编程、人工智能等角度，促进多学科交叉融合，加强监测新设备的应用研究，引入高新技术，提高数据精度，加大水土流失量算法验证，精准反映生产建设项目各项水土保持信息，为监测成果提供多样化的技术支持。

(3)推进水土保持大数据的应用。当前我国在建的生产建设项目数量众多，监测数据庞大，但在数据统一管理、交换共享方面存在不足，同一区域相同类型的生产建设项目联系较少，水土保持监测方法的时效性和数据一致性难以进行横向检验。另外，同一建设项目在不同时间尺度下呈现连续性的监测成果，纵向分析不完善在一定程度上限制了监测方法的优化。应结合已有研究成果，以建设项目为基础单元，建立水土保持监测大数据融合机制，构建大数据共享平台，通过算法分析精准预测地表扰动、水土流失、防治成效并进行趋势判别，反演监测方法在监测区内不同土地利用、植被条件下的适用范围。

5 结 语

生产建设项目水土保持监测技术方法经过多年发展，在水土流失状况、水土流失防治、项目土地利用、水土资源保护等方面进行了大量应用研究，取得了实质性进展。但受限于项目施工地表扰动不确定、水土流失规律不清晰、监测数据不完备等因素影响，当前的监测手段仍面临诸多挑战，水土保持监测方法仍存在较大的改进空间。应加强理论研究和规律探索，针对不同的土壤侵蚀规律提出最优监测方法；优化水土保持监测体系设计，增强水土保持监测点的可靠性，满足监测工作以点带面、点面结合要求。水土保持监测技术的优化发展需要多部门的联合响应，科研机构与公司企业应提高监测新设备研发水平，加强大数据技术的开发力度。监测单位应积极引导从业人员加强技术培训，引入监测新设备、新技术。行业主管部门应将监测方法的应用纳入监管内容，推进技术革新。在未来的监测工作中，应依托先进的理论指导和科学的监测方法，不断提高监测时效性，为构建全面的水土保持管理系统提供数据支撑。