水電建設(shè)項(xiàng)目棄渣監(jiān)測(cè)信息化初步研究

馮 磊，張曉利，崔 磊

(1.中國(guó)電建集團(tuán) 中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410014；2.水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120)

1 監(jiān)測(cè)目的與意義

水電項(xiàng)目屬于建設(shè)類(lèi)項(xiàng)目，具有建設(shè)周期長(zhǎng)、規(guī)模大、開(kāi)挖擾動(dòng)大、棄土棄渣量大等特點(diǎn)，其中水電建設(shè)項(xiàng)目產(chǎn)生的大量棄渣，是水電建設(shè)過(guò)程中造成水土流失最直接的因素。棄渣進(jìn)入江河湖庫(kù)，威脅防洪安全；大量堆積占?jí)?，影響生態(tài)安全，甚至還會(huì)誘發(fā)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，威脅居民生命財(cái)產(chǎn)和公共安全[1]。由于棄渣具有土壤顆粒松散、堆填坡度較大、變動(dòng)頻繁、易發(fā)生水土流失等特點(diǎn)，因此水電建設(shè)項(xiàng)目棄渣一直是該類(lèi)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

目前，針對(duì)水電建設(shè)項(xiàng)目棄渣開(kāi)展的水土保持監(jiān)測(cè)集中在施工期，多采用調(diào)查監(jiān)測(cè)和徑流小區(qū)監(jiān)測(cè)方法，觀測(cè)設(shè)施簡(jiǎn)易，人工抄錄、拍攝，監(jiān)測(cè)的精準(zhǔn)性不高，時(shí)效性不強(qiáng)，尚未形成土方開(kāi)挖、利用、運(yùn)輸和廢棄等全過(guò)程的監(jiān)測(cè)信息化體系和方法。按照《水利部關(guān)于加強(qiáng)水土保持監(jiān)測(cè)工作的通知》(水?！?017〕36號(hào))要求，應(yīng)大力推進(jìn)水土保持監(jiān)測(cè)信息化，積極利用現(xiàn)代信息技術(shù)和儀器設(shè)備，以及衛(wèi)星遙感和無(wú)人機(jī)等先進(jìn)手段，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)提取、傳輸和處理的自動(dòng)化；要充分利用信息技術(shù)，提高水土保持監(jiān)測(cè)能力和水平；積極構(gòu)建水土保持監(jiān)測(cè)成果大數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的共享共用，增強(qiáng)水土保持監(jiān)測(cè)的服務(wù)能力。

2 棄渣監(jiān)測(cè)信息化思路

根據(jù)水土保持監(jiān)測(cè)信息化的要求，結(jié)合水電建設(shè)項(xiàng)目棄渣特點(diǎn)，構(gòu)建水電建設(shè)項(xiàng)目棄渣跟蹤監(jiān)測(cè)和管理體系；依托水電信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)、各發(fā)電企業(yè)及流域已有信息管理系統(tǒng)，建設(shè)棄渣監(jiān)測(cè)信息管理平臺(tái)；應(yīng)用現(xiàn)有信息化監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)水土流失背景、土石方調(diào)運(yùn)動(dòng)態(tài)、棄渣場(chǎng)動(dòng)態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)采集棄渣綜合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)棄渣全過(guò)程監(jiān)測(cè)、信息化監(jiān)測(cè)、自動(dòng)化傳輸、數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)計(jì)分析、安全預(yù)警、數(shù)據(jù)共享等功能(圖1)。

3 監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系與內(nèi)容

根據(jù)水土保持監(jiān)測(cè)合同、水土保持監(jiān)測(cè)規(guī)程及《關(guān)于規(guī)范生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)工作的意見(jiàn)》(水?！?009〕187號(hào))的有關(guān)要求，棄渣水土保持監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容有水土流失背景監(jiān)測(cè)、土石方調(diào)運(yùn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、棄渣場(chǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等方面。

圖1 棄渣監(jiān)測(cè)信息化總體思路

(1)水土流失背景監(jiān)測(cè)。主要是對(duì)與水土流失有直接關(guān)系的原地貌及氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，包括項(xiàng)目區(qū)氣象數(shù)據(jù)、土地利用及植被情況、原地貌水土流失情況等監(jiān)測(cè)因子。

(2)土石方調(diào)運(yùn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。主要監(jiān)測(cè)土石方從開(kāi)挖到棄渣的過(guò)程，包括土石方開(kāi)挖情況、表土剝離情況、土石方利用情況、表土利用情況、棄渣(表土)運(yùn)輸情況等監(jiān)測(cè)因子。

(3)棄渣場(chǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。棄渣場(chǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)包括施工期棄渣場(chǎng)(含表土堆存場(chǎng))監(jiān)測(cè)和運(yùn)行期棄渣場(chǎng)監(jiān)測(cè)。①施工期棄渣場(chǎng)(含表土堆存場(chǎng))監(jiān)測(cè)。施工期棄渣場(chǎng)監(jiān)測(cè)主要是對(duì)棄渣場(chǎng)水土流失情況、水土保持措施及實(shí)施效果、棄渣場(chǎng)安全穩(wěn)定情況等進(jìn)行監(jiān)測(cè)并針對(duì)水土流失隱患提出預(yù)防措施，對(duì)已發(fā)生的水土流失危害及時(shí)通知建設(shè)單位。監(jiān)測(cè)指標(biāo)有：水土流失，包括棄渣場(chǎng)擾動(dòng)地表面積、土壤侵蝕模數(shù)、水土流失量等；水土保持措施，包括棄渣場(chǎng)防治措施數(shù)量和質(zhì)量、植物措施生長(zhǎng)情況及覆蓋度、防護(hù)工程的攔渣效果等；棄渣場(chǎng)特性參數(shù)，包括棄渣場(chǎng)堆渣數(shù)量、堆渣高度、坡度、平臺(tái)寬度等特性參數(shù)；安全穩(wěn)定情況，包括施工期成型堆渣區(qū)域變形監(jiān)測(cè)、土壓力監(jiān)測(cè)、滲流監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等。②運(yùn)行期棄渣場(chǎng)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)指標(biāo)有：水土保持措施，包括棄渣場(chǎng)運(yùn)行期防治措施穩(wěn)定性、完好程度、攔渣效果，植物的成活率、保存率、生長(zhǎng)情況等；安全穩(wěn)定情況，包括變形監(jiān)測(cè)、土壓力監(jiān)測(cè)、滲流監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等。詳見(jiàn)圖2。

4 棄渣監(jiān)測(cè)信息化技術(shù)方法

近年來(lái)，水土保持監(jiān)測(cè)為滿(mǎn)足開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目實(shí)際監(jiān)測(cè)需要和信息化監(jiān)管要求，除傳統(tǒng)的資料分析法、實(shí)地量測(cè)監(jiān)測(cè)和定點(diǎn)地面監(jiān)測(cè)等監(jiān)測(cè)方法外，引入遙感監(jiān)測(cè)、攝影測(cè)量技術(shù)(無(wú)人機(jī))、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)[2-6]。

(1)傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法。傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法包括資料分析法、實(shí)地量測(cè)監(jiān)測(cè)法和定點(diǎn)地面監(jiān)測(cè)法。① 資料分析法。全面收集資料，具體包括主體工程設(shè)計(jì)文件，建設(shè)單位、施工單位和監(jiān)理單位制定的水土保持管理制度，施工和監(jiān)理工作日志，工程進(jìn)度，工程量，質(zhì)量控制，投資等。開(kāi)展調(diào)查與信息采集，系統(tǒng)掌握工程建設(shè)水土保持相關(guān)數(shù)據(jù)，能夠?yàn)檫M(jìn)一步開(kāi)展工作提供基礎(chǔ)資料、信息。② 實(shí)地量測(cè)監(jiān)測(cè)。實(shí)地量測(cè)監(jiān)測(cè)包括普通測(cè)量和高精度測(cè)量?jī)煞N。采取定期全線路調(diào)查的方式，將GPS定位儀與地形圖、全站儀、測(cè)高儀、測(cè)距儀、尺具、照相機(jī)等測(cè)量?jī)x器結(jié)合，按不同擾動(dòng)類(lèi)型、監(jiān)測(cè)分區(qū)進(jìn)行調(diào)查，記錄每個(gè)分區(qū)的基本特性、占地、水土流失及水土保持措施實(shí)施情況等。近年來(lái)在實(shí)地量測(cè)監(jiān)測(cè)方法中常引入RTK(時(shí)域反射儀)技術(shù)，通過(guò)移動(dòng)終端對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象便捷定位、量測(cè)并將數(shù)據(jù)及影像實(shí)時(shí)上傳，實(shí)現(xiàn)實(shí)地量測(cè)功能。③ 定點(diǎn)地面監(jiān)測(cè)法。定點(diǎn)地面監(jiān)測(cè)法通過(guò)設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)、簡(jiǎn)易水土流失觀測(cè)場(chǎng)、沉沙池或控制站等實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)監(jiān)測(cè)。近年來(lái)，定點(diǎn)地面監(jiān)測(cè)方法中開(kāi)始引入GSM(全球通信系統(tǒng))等信息技術(shù)，并與電子測(cè)釬、徑流泥沙采集儀等設(shè)備進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、實(shí)時(shí)傳輸。

圖2 水電建設(shè)項(xiàng)目棄渣監(jiān)測(cè)體系

(2)遙感監(jiān)測(cè)法。應(yīng)用各種傳感儀器定期對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)輻射和反射的電磁波信息進(jìn)行收集、處理，并最后成像，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)地面各種景物的探測(cè)和識(shí)別。遙感技術(shù)是空間對(duì)地監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分,在水土保持監(jiān)測(cè)中,依據(jù)高精度遙感影像進(jìn)行地物判讀，可快速獲取大尺度、大范圍的工程建設(shè)擾動(dòng)區(qū)域的擾動(dòng)地表信息、水土流失狀況，分析區(qū)域土壤侵蝕狀況、歷史變化、發(fā)展趨勢(shì)及存在問(wèn)題、水土保持措施實(shí)施狀況等，可為項(xiàng)目區(qū)水土流失防治和防治效益分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

(3)攝影測(cè)量(無(wú)人機(jī))?；跀?shù)字?jǐn)z影測(cè)量原理，對(duì)被測(cè)物構(gòu)建二維、虛擬三維模型，依據(jù)二維、三維模型測(cè)量不同階段測(cè)區(qū)等值線圖、正射影像圖、DEM等，進(jìn)而對(duì)等值線圖、正射影像圖進(jìn)行分析處理，獲取地表擾動(dòng)面積變化狀況、水土保持工程措施建設(shè)狀況、植物措施恢復(fù)狀況等，根據(jù)DEM動(dòng)態(tài)變化計(jì)算流失量。

(4)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)是通過(guò)在水土流失重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域布設(shè)固定監(jiān)控設(shè)備，定時(shí)、定方位對(duì)固定測(cè)區(qū)進(jìn)行實(shí)時(shí)影像采集，并通過(guò)3G、4G網(wǎng)及時(shí)傳輸至服務(wù)器中，經(jīng)處理分析后獲取測(cè)區(qū)擾動(dòng)地表變化、棄渣量變化、棄渣運(yùn)輸情況，以及植被恢復(fù)狀況等信息，同時(shí)與監(jiān)測(cè)區(qū)域的擾動(dòng)范圍、周邊敏感區(qū)域、堆渣量等進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)于不合規(guī)的施工行為進(jìn)行預(yù)警，可實(shí)現(xiàn)對(duì)于開(kāi)挖區(qū)域超挖、道路下邊坡溜渣、棄渣運(yùn)輸、堆放合規(guī)性等的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和監(jiān)管。

此外，通過(guò)人工和視頻/影像巡視可檢查渣體外觀及水土保持設(shè)施變化情況，同時(shí)獲取棄渣場(chǎng)變形、滲流、土壓力等指標(biāo)參數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)棄渣場(chǎng)的安全穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)。

5 棄渣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)構(gòu)建

采用互聯(lián)網(wǎng)+、大數(shù)據(jù)、云技術(shù)，依托各水電建設(shè)項(xiàng)目棄渣水土保持信息化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其數(shù)據(jù)，構(gòu)建具有通用性、兼容性和可擴(kuò)充性的水電建設(shè)項(xiàng)目棄渣全過(guò)程水土保持監(jiān)測(cè)管理信息平臺(tái)是水土保持信息化的重要工作。監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)應(yīng)包含水電建設(shè)項(xiàng)目基礎(chǔ)信息系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)、人工智能分析及預(yù)警系統(tǒng)、數(shù)據(jù)共享與發(fā)布系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)水電建設(shè)項(xiàng)目土石方調(diào)運(yùn)、棄渣場(chǎng)堆渣及安全穩(wěn)定性等情況的實(shí)時(shí)追蹤、分析、數(shù)據(jù)共享與管理。

水電建設(shè)項(xiàng)目棄渣水土保持信息化監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目中包含自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)和人工監(jiān)測(cè)兩種方式，對(duì)于自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，可通過(guò)接入信息管理平臺(tái)實(shí)時(shí)采集相應(yīng)數(shù)據(jù)，對(duì)于人工監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目，可定期將數(shù)據(jù)人工報(bào)送至信息管理平臺(tái)。其中自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包括遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控、電子監(jiān)測(cè)水土流失量數(shù)據(jù)、安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等；人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)主要包括棄渣場(chǎng)基本情況(位置、面積、高度、堆渣量)、水土流失情況、水土保持措施及其防治效果等。

基于信息管理平臺(tái)的大數(shù)據(jù)及分析、預(yù)警功能，信息管理平臺(tái)定期向水行政主管部門(mén)及行業(yè)主管部門(mén)發(fā)送水電建設(shè)項(xiàng)目棄渣場(chǎng)建設(shè)及運(yùn)行水土保持合規(guī)性和安全穩(wěn)定性報(bào)告，實(shí)時(shí)發(fā)布水土流失危害預(yù)警，為行政主管部門(mén)和行業(yè)主管部門(mén)監(jiān)管提供更為實(shí)時(shí)、科學(xué)、合理的依據(jù)。同時(shí)，經(jīng)授權(quán)和批準(zhǔn)，可向社會(huì)發(fā)布所需要的相關(guān)信息(圖3)。

圖3 水電建設(shè)項(xiàng)目棄渣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)架構(gòu)

6 結(jié) 語(yǔ)

棄渣監(jiān)測(cè)是水電建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)工作中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，水電建設(shè)項(xiàng)目棄渣一直是開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，目前監(jiān)測(cè)信息化水平較低。根據(jù)棄渣全過(guò)程監(jiān)測(cè)需求，提出了針對(duì)棄渣的水土保持監(jiān)測(cè)體系；對(duì)比現(xiàn)有監(jiān)測(cè)方法，篩選出幾種監(jiān)測(cè)信息化手段；構(gòu)建信息管理平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)水電建設(shè)項(xiàng)目棄渣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的共享、分析、預(yù)警、信息發(fā)布。