GIS技術(shù)在金沙江巴塘水電站水土保持監(jiān)測(cè)工作中的應(yīng)用

王 蘋， 田 應(yīng) 輝， 闞 思 蒙， 李 寧

(1.長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江流域水土保持監(jiān)測(cè)中心站，湖北 武漢 430010；2.華電金沙江上游水電開發(fā)有限公司巴塘分公司，四川 成都 610041)

1 概 述

巴塘水電站是金沙江上游河段推薦13級(jí)梯級(jí)電站開發(fā)中的第9級(jí)電站，水庫具有日調(diào)節(jié)能力。水電站控制集水面積17.64萬km2，多年平均流量853 m3/s，總庫容1.55億m3，裝機(jī)容量750 MW，多年平均發(fā)電量33.93億kWh。

巴塘水電站屬于高原峽谷型水電項(xiàng)目，是“十三五”中央支持西藏經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大項(xiàng)目，位于金沙江上游及三江并流的國家級(jí)水土流失重點(diǎn)預(yù)防區(qū)，對(duì)于水土流失防治標(biāo)準(zhǔn)要求為一級(jí)。因此，開展好水電站日常水土保持監(jiān)測(cè)工作，提高監(jiān)測(cè)工作能力和效率，能有效地降低高原區(qū)人為水土流失量，為積極踐行綠色金上發(fā)展理念提供有力保障。

傳統(tǒng)的水土保持野外調(diào)查方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，勞動(dòng)強(qiáng)度大，定位精度低且質(zhì)量保障度不高。GIS技術(shù)具有覆蓋面廣、時(shí)效性強(qiáng)、分辨率高等優(yōu)勢(shì)[1]，結(jié)合高原峽谷型項(xiàng)目規(guī)模大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、強(qiáng)度高等[2]施工特征，應(yīng)用GIS技術(shù)，可以有效地提升水土保持監(jiān)測(cè)的信息化水平和降低監(jiān)測(cè)成本，提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)綜合分析的準(zhǔn)確性、時(shí)效性。

巴塘水電站工程區(qū)崩塌、滑坡、泥石流等不良物理地質(zhì)現(xiàn)象較為發(fā)育，涉及到高陡邊坡作業(yè)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)工作存在施工擾動(dòng)面點(diǎn)多面廣、人員安全風(fēng)險(xiǎn)高、監(jiān)測(cè)時(shí)效性低等現(xiàn)實(shí)問題，本課題通過GIS遙感技術(shù)在日常監(jiān)測(cè)過程中的試點(diǎn)運(yùn)用，提高項(xiàng)目區(qū)水土保持監(jiān)測(cè)工作效率，實(shí)現(xiàn)信息化監(jiān)管全覆蓋。

2 項(xiàng)目監(jiān)測(cè)指標(biāo)

水土保持監(jiān)測(cè)工作的主要方法有資料分析、實(shí)地測(cè)量、地點(diǎn)地面觀測(cè)、遙感監(jiān)測(cè)等[3]方法，上述方法中監(jiān)測(cè)對(duì)象都有各自的側(cè)重點(diǎn)，每種方法不獨(dú)立運(yùn)用于單項(xiàng)水土保持監(jiān)測(cè)工程，要依據(jù)項(xiàng)目監(jiān)測(cè)特點(diǎn)，有機(jī)地對(duì)各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行組合使用，共同完成水土保持監(jiān)測(cè)工作。

水土保持監(jiān)測(cè)內(nèi)容由 1 個(gè)目標(biāo)層、6 個(gè)控制層、19 個(gè)要素和 56 個(gè)指標(biāo)構(gòu)成，基本上覆蓋了項(xiàng)目水土流失及水土保持的全過程，反映了水土流失狀況和水土保持效果。水土保持監(jiān)測(cè)指標(biāo)見表1。

表1 巴塘水電站項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)指標(biāo)

3 巴塘電站地形特點(diǎn)及監(jiān)測(cè)難度

巴塘電站兩岸地形總體完整性較差，山高、谷深、坡陡，山體三面臨空，河谷以“V”字型為主，自然平均坡度 35°～55°，河段地形切割和巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，雨季分明，具備泥石流發(fā)育的地形和氣候條件。電站建設(shè)周期長(zhǎng)達(dá)6年，水土保持監(jiān)測(cè)工作的開展面臨一定的困難。

3.1 施工擾動(dòng)面大 監(jiān)測(cè)周期長(zhǎng)

施工期間擾動(dòng)原地貌、損壞土地和植被面積將近353.93 hm2，其中樞紐工程區(qū)近111 hm2，棄渣場(chǎng)區(qū)近96.68 hm2，交通道路區(qū)94.77 hm2，擾動(dòng)范圍大，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)周期長(zhǎng)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)效性得不到保障。

3.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)多面廣 監(jiān)測(cè)時(shí)效性低

巴塘水電站現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)面點(diǎn)多面廣，且存在作業(yè)面多集中在高陡邊坡區(qū)域、作業(yè)場(chǎng)地受限、作業(yè)條件差，若依靠常規(guī)人工監(jiān)測(cè)，存在外業(yè)工作周期長(zhǎng)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精度不高、數(shù)據(jù)成果時(shí)效低等問題，無法客觀地反映項(xiàng)目區(qū)水土流失現(xiàn)狀。

4 水土保持監(jiān)測(cè)的實(shí)施

4.1 駐點(diǎn)監(jiān)測(cè)

巴塘水電站水土保持監(jiān)測(cè)采用駐點(diǎn)監(jiān)測(cè)方式。為此，專門成立水土保持監(jiān)測(cè)項(xiàng)目部，明確遙感影像信息化工作質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，制定了《駐地監(jiān)測(cè)項(xiàng)目部員工工作管理規(guī)定》《水土保持監(jiān)測(cè)項(xiàng)目部創(chuàng)建青年文明號(hào)》等管理制度，對(duì)監(jiān)測(cè)工作的開展提出整體要求，制定員工日常作息和工作制度，明確監(jiān)測(cè)人員的崗位職責(zé)，為項(xiàng)目的駐點(diǎn)監(jiān)測(cè)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4.2 GIS技術(shù)運(yùn)用

以高分2號(hào)遙感衛(wèi)星影像及DEM數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源，針對(duì)巴塘水電站自然地形條件差異大，施工擾動(dòng)面大，水資源時(shí)空動(dòng)態(tài)變化顯著、植被種類及分布較單一等特點(diǎn)，通過解譯數(shù)據(jù)分析，獲得監(jiān)測(cè)區(qū)域在施工前項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)的土地利用類型、植被分布、地面坡度、地形地貌、土石方量及土壤侵蝕的分布、面積和空間特性數(shù)據(jù)[4]。

通過野外調(diào)查，搭建矢量圖層，建立項(xiàng)目區(qū)水土流失數(shù)據(jù)庫，便于快速方便地查詢、檢索、分析、顯示全區(qū)域任意區(qū)域的任何數(shù)據(jù)層，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)全方位監(jiān)測(cè)項(xiàng)目施工區(qū)的水土流失、土石方量和水土保持措施落實(shí)情況。監(jiān)測(cè)技術(shù)路線見圖1。

圖1 巴塘遙感影像監(jiān)測(cè)技術(shù)路線圖

4.2.1 建立水土保持監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫

通過解譯，在計(jì)算機(jī)上生成土地?cái)_動(dòng)范圍、水土保持措施、監(jiān)測(cè)小區(qū)、植被覆蓋、土壤侵蝕強(qiáng)度、DEM等專題矢量圖層，建立巴塘項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫。

4.2.2 快速獲取數(shù)據(jù)層信息

將含有地理坐標(biāo)的數(shù)據(jù)層輸入ARC/INFO模塊后，進(jìn)行監(jiān)測(cè)區(qū)域的空間關(guān)聯(lián)疊加，快捷查詢、檢索、分析監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)不同月度、季度、年度時(shí)間范圍內(nèi)的施工擾動(dòng)范圍、棄土棄渣量、表土堆存及植被恢復(fù)、土壤侵蝕強(qiáng)度等數(shù)據(jù)層信息。

4.2.3 精確、便捷出圖

GIS監(jiān)測(cè)成果出圖具有方便靈活的要素編輯修飾、自制符號(hào)庫、地圖標(biāo)注樣式多樣、符號(hào)優(yōu)先級(jí)設(shè)置，交互制作體驗(yàn)好等優(yōu)勢(shì)，相比PS、CAD，coreldraw等軟件制圖更加快捷，內(nèi)容層次分明，圖面清晰易讀。

5 水土保持監(jiān)測(cè)效果

5.1 創(chuàng)建水土保持監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫

在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，建立解譯標(biāo)志，并結(jié)合巴塘現(xiàn)場(chǎng)施工特點(diǎn)，建立起各數(shù)據(jù)層拓?fù)潢P(guān)系[5]，形成一個(gè)集監(jiān)測(cè)、分析、處理為一體的GIS數(shù)據(jù)庫，動(dòng)態(tài)反應(yīng)水土保持實(shí)施情況。數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)主要包括施工區(qū)擾動(dòng)范圍、坡度、流失類型、土地利用、植被覆蓋、水土保持措施、各侵蝕單元面積的屬性。

巴塘水電項(xiàng)目水土保護(hù)監(jiān)測(cè)共創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫2個(gè)(36.5 G)，包含2017年9月2.6G本底數(shù)據(jù)庫1個(gè)，2018～2019年33.9G監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫1個(gè)。巴塘項(xiàng)目監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫信息統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 巴塘項(xiàng)目監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫信息統(tǒng)計(jì)

5.2 用GIS監(jiān)測(cè)技術(shù)獲取影象成果圖

通過解譯成果及實(shí)地量測(cè)，校正后精確計(jì)算水土保持面積、擾動(dòng)地表面積、侵蝕單元模數(shù)、植被覆蓋度等參數(shù)，同時(shí)形成水土保持監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)成果見表3。

表3 巴塘水土保持監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)成果

運(yùn)用GIS遙感技術(shù)獲取水土保持措施實(shí)施項(xiàng)目區(qū)影像成果圖，有效地推進(jìn)了巴塘“三通一平”及截流驗(yàn)收，提高了驗(yàn)收評(píng)估報(bào)告的標(biāo)準(zhǔn)與可靠性。

5.3 監(jiān)測(cè)效果

5.3.1 用GIS監(jiān)測(cè)技術(shù)補(bǔ)齊“自然災(zāi)害”的數(shù)據(jù)缺失

巴塘水電站水土保持監(jiān)測(cè)采取了GIS技術(shù)手段，減少了人員現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的工作量。特別是在受2018年“白格堰塞湖”自然災(zāi)害后，巴塘電站場(chǎng)內(nèi)道路沖毀，監(jiān)測(cè)人員無法到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)開展監(jiān)測(cè)工作。為此，通過應(yīng)用GIS技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲取了棄渣場(chǎng)、交通道路區(qū)等重點(diǎn)區(qū)域的擾動(dòng)地形、面積、水毀地形、植被覆蓋、工程措施等指標(biāo)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，掌握了水毀后水土監(jiān)測(cè)第一手資料，為災(zāi)后水土保持設(shè)施修復(fù)提供了準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

5.3.2 經(jīng)濟(jì)效益明顯

根據(jù)遙感影像解譯成果，較精確地獲取巴塘電站項(xiàng)目施工實(shí)時(shí)擾動(dòng)面積，為華電金上公司依法依規(guī)足額繳納水土保持補(bǔ)償費(fèi)提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。2018～2019年度繳納水土保持補(bǔ)償費(fèi)106.53萬元。影像測(cè)量核減施工區(qū)域擾動(dòng)面積10 048 m2，少繳納水土保持補(bǔ)償費(fèi)2.01萬元。補(bǔ)償費(fèi)繳納統(tǒng)計(jì)見表4。

表4 巴塘項(xiàng)目水土保持補(bǔ)償費(fèi)繳納統(tǒng)計(jì)

6 建 議

(1)GIS遙感影像解譯時(shí)，要做好控制點(diǎn)坐標(biāo)的預(yù)處理，關(guān)鍵的GPS測(cè)量控制點(diǎn)位要現(xiàn)場(chǎng)核對(duì)準(zhǔn)確，盡可能在時(shí)間、空間分辨率要求方面滿足規(guī)范要求，現(xiàn)場(chǎng)獲取的遙感影像數(shù)據(jù)需與原項(xiàng)目區(qū)域的遙感影像資料充分對(duì)比分析[6]，建立起完善的水土流失監(jiān)測(cè)GIS數(shù)據(jù)庫或圖片庫，這樣就可以提高監(jiān)測(cè)成果的準(zhǔn)確性和時(shí)效性。

(2)金沙江上游所開發(fā)的水電站位于川藏交界段，項(xiàng)目工程施工區(qū)域政治性較敏感，因此，在應(yīng)用無人機(jī)和GIS遙感技術(shù)時(shí)，要及時(shí)與相關(guān)管理部門溝通聯(lián)系，辦理許可手續(xù)。對(duì)于禁飛區(qū)域段的水土保持監(jiān)測(cè)工作，要及時(shí)輔助采取測(cè)釬觀測(cè)小區(qū)、侵蝕溝測(cè)量等人工觀測(cè)，以便進(jìn)一步修訂水土流失等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

(3)采用無人機(jī)輔助遙感解譯數(shù)據(jù)時(shí)，要充分考慮不同季節(jié)的云層、云量和風(fēng)力差異化特點(diǎn)，做好飛行規(guī)劃方案和數(shù)據(jù)采集的把控，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地勢(shì)因地制宜構(gòu)建地形地貌三維可視化。金沙江巴塘、拉哇段風(fēng)力一般每年6～9月份下午時(shí)段都能達(dá)到5級(jí)以上，不適合航拍飛行，每日上午6～11點(diǎn)為最佳飛行時(shí)段。

(4)高原峽谷水電項(xiàng)目嚴(yán)格控制邊坡開挖面，控制人為擾動(dòng)范圍。加強(qiáng)對(duì)高陡邊坡開挖的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，嚴(yán)格控制開挖面，加強(qiáng)多種爆破技術(shù)合理聯(lián)用，并采取分層開挖、分層穩(wěn)定和坡腳預(yù)加固技術(shù)，合理利用坡面沖溝布設(shè)溜渣平臺(tái)[7]，降低坡面掛渣量，防止石渣下江。

7 結(jié) 語

通過構(gòu)建有針對(duì)性的水土保持監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系，利用GIS遙感影像解譯技術(shù)開展項(xiàng)目信息化監(jiān)測(cè)管理，以此來彌補(bǔ)高原峽谷傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式時(shí)效性低，點(diǎn)多面廣工作量大等不足。GIS技術(shù)的運(yùn)用，準(zhǔn)確的獲取了水土保持?jǐn)_動(dòng)范圍、侵蝕強(qiáng)度、植被覆蓋度等相應(yīng)的關(guān)鍵監(jiān)測(cè)指標(biāo)，有效地提高了巴塘水電站水土保持監(jiān)測(cè)的時(shí)效性，較客觀的反映了水土保持監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)變化過程。水土保持各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)GIS數(shù)據(jù)庫的搭建，為監(jiān)測(cè)工作的實(shí)時(shí)查詢、統(tǒng)計(jì)應(yīng)用、總結(jié)分析提供了可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)的專業(yè)化處理，充分發(fā)揮了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的共享度和增值度，能夠更好的服務(wù)于建設(shè)方創(chuàng)造工程經(jīng)濟(jì)價(jià)值，在一定程度實(shí)現(xiàn)了水土保持監(jiān)測(cè)工作數(shù)字化轉(zhuǎn)型服務(wù)。

同時(shí)，GIS技術(shù)在巴塘電站水土保持監(jiān)測(cè)中的成功應(yīng)用，也為金沙江高原峽谷類型水電項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)提供了技術(shù)創(chuàng)新監(jiān)測(cè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑瑸閯?chuàng)建“綠色金上”精品工程打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也為各級(jí)水土保持監(jiān)督檢查提供了重要遙感影像和技術(shù)數(shù)據(jù)資料。