基于GeoStation地质三维系统的生产建设项目表土建模技术

2022-03-23靳新红王利军晋凤明

中国水土保持 2022年3期

靳新红，王利军，晋凤明，刘增

(北京市水利规划设计研究院，北京 100048)

表层土壤(以下简称表土)，是指地表最上层部位的土壤，厚度为20～30 cm。这部分土壤通常比较肥沃，一般是耕地的耕作层或者园地、林地、草地等适合耕种的表层或腐殖质层[1]。研究表明依靠自然风化，形成1 cm厚的表土层需要100～400 a，在农田中形成2.5 cm厚的表土一般需要200～1 000 a，在林地或牧场形成同等厚度的表土所需时间更长[2]。因此，表土是十分珍贵的不可再生资源。日本、英国、美国等发达国家从20世纪五六十年代起就开展了针对土地复垦、土地改良、工程开发建设及污染治理等方面的表土剥离措施来保护耕地和提高土地生产力，先后出台了保护表土的法律法规及规范性文件[3]。随着我国城镇化的快速发展，大量生产建设项目的实施，不可避免地对地表产生巨大的扰动，使得宝贵的表土资源被占压或流失。为了保护表土资源，实现经济建设与生态保护双赢，从20世纪80年代起，众多学者也对表土再利用进行了专项研究，表土剥离利用技术研究及实用成果丰硕[4-9]。随着研究的深入和认识的提高，国家和地方相继出台了一系列法律法规及技术标准，加强对表土的保护。为进一步加强对生产建设项目区表土资源的保护，2019年实施的《生产建设项目水土保持技术标准》(GB 50433—2018)和《生产建设项目水土流失防治标准》(GB/T 50434—2018)，进一步强调要保存和利用耕作层土壤，在水土保持方案章节中新增了表土资源保护及布设防治措施的详细规定，新增加了表土防护率指标。

实践证明，生产建设项目施工中是否进行了表土剥离和保护利用是生产建设项目生态恢复治理成败的关键[10-11]。众多学者针对表土再利用也提出了诸多现实问题，例如表土剥离后用在哪里，表土剥离的总量即数量如何计算，表土剥离的区域，如何存放等[12-13]，但这些问题只是在一定程度上得到了解决[14-15]。目前，在进行表土剥离措施设计时，表土平面分布及厚度的确定主要是依靠现场踏勘和土地利用状况资料调查，表土的平面分布与厚度以估算为主，设计成果可靠性相对较低。有的项目采用网格、土钻取土及挖掘剖面的方法进行表土量计算[16]，当网格较大时计算误差会增大，当网格较小时内业计算量偏大，且设计成果以二维图为主，难以直观反映项目区表土分布状况。为此，本研究提出了基于GeoStation的表土建模技术来提高生产建设项目区表土数量估算的准确性。

1 现状问题

1.1 界定手段落后

目前，项目区表土厚度和平面分布主要依靠现场踏勘和土地利用资料调查来确定，现场踏勘以目测为主，对表土分布进行大致估算，无法准确绘制表土分布平面图与剖面图。实际工作中我们发现，在缺少土地利用资料的情况下，现场踏勘结论可能与实际情况存在较大的差异。例如：有些植被覆盖度较高的项目区，地表可能是建筑垃圾或者其他回填物，并不具备表土剥离利用的条件；当表土厚度估算不准确时，还可能使熟土与半熟土混合；可行性研究阶段，当设计单位的设计文件和计算方法不能准确计算工程量时，会导致所需资金无法正常申请到位；工程施工过程中，若没有专业的施工图件指导施工，也会增加表土剥离工程的实施难度。因此，界定手段落后导致设计成果不准确，进而制约了对表土的保护和利用。

1.2 不利于新国标指标的落实

《生产建设项目水土流失防治标准》(GB/T 50434—2018)对生产建设项目水土流失防治标准指标进行了调整，在表土资源保护方面，新增了“表土保护率”指标，具体定义为“项目水土流失防治责任范围内保护的表土数量占可剥离表土总量的百分比”。保护的表土数量指对各地表扰动区域的表层腐殖土(耕作土)进行剥离(或铺垫)、临时防护、后期利用的数量总和；而可剥离表土总量是指根据地形条件、施工方法、表土层厚度，综合考虑目前技术经济条件下可以剥离的表土的总量，包括采取铺垫措施保护的表土量[17]。当项目区内可剥离表土总量不能合理确定时，将无法计算出准确的表土保护率。

2 利用GeoStation的表土建模流程

GeoStation是中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司基于MicroStation软件平台开发的地质三维勘察设计系统，集数据管理、地质建模、分析计算、二维出图、土木设计等模块于一体，已经应用于我国多项大型水利水电工程项目，建立了多个工程地质数据库和三维地质模型。利用GeoStation软件对开发建设项目区表土进行建模，可直观、形象地反映表土的分布情况和总量，具有可操作性强、工作周期短的特点。建模结果可用于剖面分析、开挖量计算、专业设计图件制作等。下面，以某工程项目区为例，详细说明。

2.1 项目区地质体制作

首先，对项目区CAD地形图(图1)进行数据整理，删除地形图上部分冗余信息，如标注及说明文字、不带高程信息的地物图例等，只保留能反映现状地面起伏变化的具有高程属性的等高线和高程点，并检查等高线及高程点的高程数据，对错误和缺失的数据进行修改完善，形成项目区高程图，如图2和图3所示。其次，将CAD地形图导入到GeoStation软件，利用工具生成项目区地形MESH面，即地形面(图4)。再次，利用项目区占地红线制作项目区立方体。最后，利用制作好的MESH面(图4)裁剪项目区立方体，形成项目区地表以下整体地质体(图5)。

图1 项目区CAD地形图

图2 检查等高线标高属性

图3 检查高程点高程属性

图4 项目区地形MESH面

图5 项目区整体地质体

2.2 表土模型制作

对项目区表土进行地质勘测，根据项目区不同用地类型，选择钻孔深度范围为20～80 cm，钻孔密度与地形起伏复杂程度及项目阶段有关。项目可行性研究阶段，用地类型单一的项目区钻孔间距10～50 m，局部地形复杂区域可适当加密。根据现场踏勘情况，记录每个勘探孔位坐标及表土厚度等数据(表1)，计算表土底高程，生成整个项目区表土底高程的分布图(图6)。将表土底高程分布图导入GeoStation软件，利用工具生成表土分布底界面(图7)。利用图7表土分布底界面裁剪图5项目区整体地质体，形成图8所示的项目区表土分布图。图9为项目区表土建模结果，红色区域为表土分布区域，从属性表中可以查看表土总量，还可通过剖面来制作表土分布剖面图，查看特定区域表土厚度，如图10。

图6 项目区统计表土分布点(表土底高程)

图7 表土分布底界面

图8 项目区表土分布

图9 项目区表土总量

图10 项目区表土剖面

表1 勘探孔位坐标及表土厚度统计

3 表土建模技术的实用价值

依据工程勘察数据，利用GeoStation软件进行表土3D建模，可以更加全面、准确地反映生产建设项目区表土的平面分布、厚度和总量，使行业主管部门、建设单位和施工单位对项目区的表土资源有一个详细了解。该技术的价值主要体现在以下3个方面：

(1)落实表土剥离工程资金。目前水土保持方案中的表土剥离工程量以估算为主，若估算方法缺乏科学性，估算结果与实际差异较大时，投资主管部门批复的投资可能无法满足表土剥离要求，后期的绿化种植工程就需要外购种植土，这样，同一个项目的表土资源不能得到充分利用，还会造成工程投资增加。利用测量数据进行建模计算，可以辅助行业主管部门决策和投资审查，确定合理的工程量和投资，从而实现项目资金的合理使用和表土的最大利用。

(2)优化施工组织设计。设计阶段，可以根据表土平面分布和总量，结合工程设计的种植土利用区域，优化施工组织设计，缩短土方倒运距离，减少倒运过程中对表土资源的破坏，节约工程投资。

(3)为行业主管部门对项目进行监管提供依据。本技术可以对生产建设项目区表土资源分布情况进行建模，绘制表土平面图及剖面图等专题图件，使行业主管部门在项目前期对拟建项目占地区的表土资源有比较直观的了解。当项目建设过程中发生表土资源毁坏情况时，建模成果可以为行业主管部门进行项目监管提供依据。