陆 斌,曹伟刚
(1.商洛市水土保持工作站,陕西 商洛 726000;2.汉中市科技资源统筹中心,陕西 汉中 723108)
水土保持监测新技术是随着科学技术的进步而逐渐发展起来的。推进水土保持数字化、网络化、智能化,加快推进智慧模式构建,是提升水土保持监管能力现代化水平的重要途径。某电站工程占地范围大、施工周期长,易引起水土流失的环节众多,传统水土保持监测手段无法满足大范围监测需求,亟需引入一种新的技术手段进行水土流失超标预警管控。
某水电站坝址位于金沙江中游。该水电站为大(1)型一等工程,总库容22.5 亿m3,调节库容5.55 亿m3,防洪库容5.42 亿m3,装机容量为3 000 MW[1]。水土保持方案确定的工程防治责任范围为6 213.19 hm2。项目区属西南土石山区,以水力侵蚀为主,水土流失允许值为500 t/(km2·a),水土流失强度为轻度—强度,以轻度为主,平均土壤侵蚀模数为1 520 t/(km2·a)。土壤主要有红壤、紫色土、冲积土、水稻土、燥红土等几类。库区属河谷热性植被带,林草覆盖率约53%。结合工程实际情况和水土保持监测有关规程规范要求,工程建设期水土保持监测的重点位置为枢纽工程区、场区道路工程区、存弃渣场区,监测重点时段为各项工程的施工期及植被恢复期,共布设监测点62个,其中调查型监测点48个、观测型监测点14个。
空天地一体化监测技术是指利用现代信息技术和科技手段,从空、天、地3个角度进行监测,具体到水土保持监测工作,就是利用高分遥感、无人机及地面监测等相结合的空天地一体化监测技术,对生产建设项目水土流失防治责任范围、扰动地表面积、表土保护、弃渣场的设置、水土保持措施实施等情况适时监控[2]。该技术因为监测范围广、覆盖面大、不受地面交通限制、重访周期短、成像分辨率高等特点,广受欢迎。综合考虑该水电站施工扰动面广点多、开挖方量大的特点,本次在采用地面监测基础上,运用高分遥感和无人机技术对项目水土流失状况、水土保持措施防治效果和水土流失危害情况等进行实时监控。实际工作中,注重运用无人机和移动终端进行现场检查,准确掌握项目防治责任范围、弃土(渣)场位置及弃土(渣)量等重点环节的现场核定,及时优化治理措施的空间配置。
本项目水土保持遥感监测主要是针对工程施工前、施工过程中、施工后等阶段防治责任范围内的土地利用类型变化、土壤侵蚀度、植被覆盖度情况进行遥感监测[3],对比分析施工过程对监测区域的影响以及工程结束后的恢复治理情况,及时监控项目水土流失状况和水土保持措施防治效果。
2.2.1 影像获取
为了更好地监测水电站建设对水土保持情况的影响,选取施工前(2010 年)、施工中(2013 年)、施工后期(2017、2020 年)的遥感影像。其中,2010 年选用ALOS 卫星影像,2013、2017 年选取高分一号卫星影像,2020 年选取资源三号卫星影像。在进行遥感图像处理前,还需要进行影像预处理,主要利用ENVI 软件等对影像进行辐射校正、大气校正、正射校正、影像融合。
2.2.2 信息提取
遥感影像解译前,根据监测内容、遥感影像分辨率、时相、色调、几何特征、影像处理方法、外业调查等建立遥感解译标志[4]。如该水电站的耕地部分,外业调查记录为收割后的玉米地,对应直接解译标志色调为棕色、形状为规则片状或块状、结构为表面较平整,间接解译标志为道路的闭合区。利用Arc-GIS 软件,解译提取林地、草地、耕地、建筑用地、未利用地、水域、道路7种土地利用类型。
本次植被覆盖度提取主要利用ENVI 软件和ArcGIS 软件,通过利用近红外波段和可见光红波段计算得到归一化植被指数,并经过现场调查率定指数与实际盖度关系,计算得到植被覆盖度。地面坡度是水力侵蚀面蚀方式强度分级的主要指标之一,利用ArcGIS 软件获取影响区坡度信息。同时,结合土地利用矢量数据、植被指数栅格数据和坡度栅格数据,计算土壤侵蚀强度。
本项目重点对水电站枢纽工程区、场内道路区、存弃渣场区、施工营地等实施定期航拍监测,实时获取各分区开挖填筑状况、水土保持措施布设情况及水土流失影响情况。无人机技术具有较快的反应速度、较高的空间分辨率、便捷的携带方式、自动化的工作流程等优点。
根据项目区正射影像判读,枢纽区内施工较为规范,无较大水土流失危害,没有对周边环境产生影响。存在水土流失隐患的是存弃渣场及表土堆存场,建设单位均采取了临时苫盖、撒播草籽等措施进行防护,有效地避免了降雨冲刷。通过无人机获取的高精度正射影像,监测单位精准地识别水土流失危害的潜在发生位置、面积、程度。利用无人机开展遥感监测能获取正射影像,监测无死角,能有效地解决现场调查不能实现全域有效监测的难题,从而对现场水土流失情况实现精准掌控。无人机遥感监测技术能极大地提高监测工作的效率和精度,在扰动情况、土石方、水土流失危害等方面均可实现有效监测。
监测工作组通过定期开展地面监测,进一步复核和补充遥感监测和无人机航拍成果。现场采取全面调查的方式,采用GPS定位仪结合地形图、数码相机、测距仪、测高仪、标杆和尺子等工具[5],测定枢纽工程区、场内道路区、存弃渣场区等不同分区的地表扰动类型和不同类型的面积。对照影像资料,重点监控每个扰动类型区的基本特征(特别是堆渣和开挖面坡长、坡度、岩土类型)及水土保持措施(拦挡工程、护坡工程和土地整治工程等)实施情况。对施工期和运行初期进行定位监测,侧重于施工期土壤流失量动态监测和运行初期的土壤流失量监测。在工程施工建设过程中和林草植被恢复期,对整个建设期的全部区域开展巡查,重点监测水土流失危害和重大水土流失事件等内容。
3.1.1 扰动面积
通过遥感动态监测和地面监测,结合项目实际,最终确定工程建设区实际地表扰动范围为枢纽工程区、场内交通工程区、存弃渣场区、料场区、施工辅助设施区。电站建成后,料场(含弃料堆场)交回继续开采和使用。水库淹没区、水库淹没影响处理区在工程蓄水后变为水域,不纳入地表扰动范围。对本次遥感监测结果的复核,主要采取查阅国土批复文件及征占地资料,结合典型区域现场量测进行;对临时占地主要依据工程施工图设计和征占地资料,同时结合现场调查和回访综合确定。扰动面积监测结果为枢纽工程区101.07 hm2,场内交通工程区110.46 hm2,施工辅助设施区94.41 hm2,存弃渣场区198.75 hm2,料场区45.96 hm2。对比遥感图像和统计数据,该水电站扰动面积变化主要发生在2011—2012年,2013年后扰动区域基本稳定。
根据扰动后的水土流失特点,结合遥感航拍图像,对该水电站的地表扰动进行分类,主要表现为弃土弃渣、开挖面、建筑物、施工平台等。堆渣、开挖面、平台等具有不同的水土流失特点。在实地调查的基础上,依照同一扰动类型的流失特点和流失强度基本一致、不同扰动类型的流失特点和流失强度明显不同的原则,共分为8类地表扰动类型。
3.1.2 表土保护
无人机航拍和地面监测显示,工程表土剥离的区域为存弃渣场区、料场区、施工辅助设施区、枢纽工程区、场内交通工程区。对比前后图像和内业复核,枢纽工程区由于坝基两岸可剥离区域较小,主要针对土坝段平缓区域进行表土剥离;场内交通区鉴于线性工程施工分散,仅对地形平整路段进行表土剥离,剥离表土主要用于道路沿线两侧边坡及行道树绿化覆土;存弃渣场区主要针对弃渣场表土进行剥离。该水电站工程实际共剥离收集表土105.54万m3。对比方案,表土剥离量有所减少,是因为工程实际扰动地表面积减少,如场内交通工程区、辅助设施区等区域取消或优化减少占地;部分区域土层较薄,可剥离条件较差,实际剥离量减少。
3.1.3 土壤流失状况
根据遥感解译获取的土地利用类型面积和土壤侵蚀度面积统计,综合地面物质组成和扰动地表类型、经验分析和定位监测,综合取值得出项目各侵蚀单元类型根据施工进度和占雨季的比例,确定相应土壤侵蚀模数,项目枢纽工程建设区建设运行期(2011—2020 年)水土流失总量为320 059.2 t。其中,枢纽工程区水土流失量为45 098.75 t,场内交通道路区水土流失量为38 770.52 t,施工辅助设施区水土流失量为58 043.26 t,存弃渣场区水土流失量为168 769.53 t,石料场水土流失量为9 377.14 t。
水土流失原因主要为:施工初期,枢纽工程区、场内道路、施工营地等未全面实施水土保持措施,加上雨季雨水对边坡冲刷,加大了该区域水土流失,该阶段水土流失处于最严重时期。渣场在修建过程中按照先挡后弃逐层堆放的原则进行了施工,但是由于渣场堆渣量较大,持续堆渣时间长且堆渣时间久,挡护措施在使用过程中出现了部分损坏,造成了水土流失,水土流失量占工程建设区总弃渣量的52.7%。堆渣期间,各渣场根据施工设计分别采用了贴坡排水、边坡防护和植物措施等,有效减少了弃渣期间水土流失。其他区域也随着水土保持措施的不断完善,有效控制和减少了水土流失。
3.1.4 水土保持措施实施
监测组在全面观测的基础上,结合解译的土地利用类型专题图、植被覆盖度分级专题图及统计结果等,通过对施工单位、监理单位等调查复核,重点监测统计了各区域的措施完成情况。工程防护措施量与方案相比有增有减,经分析是因为实际施工中根据开挖及砌筑实际情况变化,相应采取更适合的防护措施,故引起措施量的变化。如场内交通工程区防护措施增减,是实际施工中根据路基开挖及边坡实际情况变化相应采取适应的防护措施;结合工程实际,永久和临时结合,减少占地,将左岸下游低线公路、出渣公路、右岸上游低线公路等优化取消,弃渣场公路等优化缩短,与之相应的挡墙、排水沟等措施量减少。渣场区的工程量变化的主要原因是防护工程结构和型式随地基情况的改变而调整,如某渣场坡面全部采用了干砌石护坡等。枢纽工程区坝肩实施了园林式绿化工程;施工辅助设施区主要因业主营地等区域绿化标准提升,实施的植物措施面积增加,达到了绿化和美化的效果。
2010—2020 年开展的集地面监测、遥感监测及无人机航测于一体的空天地一体化水土保持监测,动态获取了水电站的水土流失防治责任范围、扰动地表面积、表土保护、弃渣场的设置、水土保持措施实施等方面监测内容。结果显示,工程建设基本按照主体工程设计的内容和水保方案设计实施各种预防保护措施。根据监测成果分析,项目区水土保持措施到位,水土保持效果明显。通过对影响区施工期间的遥感监测结果进行分析,项目建设期因工程建设施工不可避免地扰动和破坏防治责任范围内的原地貌增加了水土流失强度和程度。而工程水土保持工作做得较好,最大限度地减少了因项目建设引发的水土流失。通过对影响区施工后的遥感监测结果进行分析,认为施工结束后的恢复工作极其有效,最大程度地恢复了项目施工对影响区的扰动后果。通过空天地一体化水土保持监测,检验工程各区水土流失情况和水土保持方案的实施效果,为业主单位的水土保持工作服务,以期最大限度地减少对项目区及周边地区生态环境的负面影响,为水土保持专项验收提供了科学依据。
通过分析探讨可知,空天地一体化水土保持监测技术,对于工程复杂、施工点多面广、土石方量大的水土流失防治任务艰巨的开发建设工作具有良好的监测效果,科学全面地反映了某水电站水土保持治理情况,提升了水土保持管控水平,具有先进性和前瞻性,在水土保持开发项目监测中可推广使用。