海河流域生产建设项目水土保持监督性监测研究

胡 红，于 磊

（海河水利委员会海河流域水土保持监测中心站，天津 300170）

水土保持监督性监测是水行政主管部门委托第三方监测单位到现场进行水土保持监测、及时精准有效地收集现场数据并编制技术报告的活动，是水土保持监管的重要技术手段[1]，是落实国务院行政审批“放管服”改革的重要措施之一，也是水土保持方案实施情况跟踪检查的重要手段和基础[2]。新时代水土保持应准确把握进入新发展阶段、贯彻新发展理念，依法有效强化人为水土流失监管，建立完善水土保持事前事中事后全链条全流程监管体系[3]。当前生产建设项目日益增多，监管责任的范围也在不断扩大，存在“人、车、相机”的实地调查很难全面发现并及时控制水土流失的现实问题。因此，在对全流域生产建设项目人为水土流失日常监管中，迫切需要开发出新的技术，及时、准确地发现违反规定的生产建设活动，有效地控制人为水土流失。本研究以海河流域为例尝试利用卫星遥感、无人机遥测等新技术新手段开展生产建设项目水土保持监督性监测，快速、准确地发现生产建设项目水土保持工作中存在的违法违规行为，为生产建设项目水土保持监管工作提供技术支撑。

1 海河流域生产建设项目概况

生产建设项目水土流失是典型的人为活动造成的加速侵蚀，根据国家级水土流失动态监测成果（海河流域）统计，海河流域2019 年人为扰动水土流失面积为1797.13 km2，2020年人为扰动水土流失面积为1802.37 km2，2021 年人为扰动水土流失面积为1820.24 km2，2022 年人为扰动水土流失面积为1983.11 km2，表明海河流域每年人为扰动造成的水土流失面积在逐年增加，导致海河流域水土保持监督管理任务艰巨。针对海河流域生产建设项目数量多、空间分布零散且扰动频繁等特点，海河流域水土保持管理部门创新机制、主动作为，加大了生产建设项目监督检查力度，建立了海河流域部批生产建设项目水土保持监督检查机制，印发了《海河流域部批生产建设项目水土保持监督检查方案》[4]，对生产建设项目水土保持实施情况实行全过程监管，对重点生产建设项目实行水土保持监督性监测，2018—2022年共对98个项目开展监督性监测，其中铁路工程29 个、水利枢纽工程11 个、煤矿工程18 个、输变电工程14 个、油气管道工程15 个、天然气管道工程6个、机场工程5个。

2 研究方法

“天地一体化”监测旨在利用多尺度遥感技术，对生产建设活动对地表的影响进行全面而深入的调查，从宏观上把握其合规性，并结合地面调查实现天地一体的协同监测[5]，确保生产建设活动的安全性和有效性。通过遥感影像解译分析，将实际扰动范围与防治责任范围进行叠加，对项目全域范围内生产建设扰动合规性进行动态监测，快速将区域内项目分为未批先建项目、超出责任范围项目、水土流失严重项目。对于不合规项目，利用无人机进行现场调查复核，确定建设项目小区域尺度上的扰动范围，提取水土保持措施和水土流失现状数据[6]。

2.1 基础资料收集及现场监测位置选取

收集研究区包括生产建设项目批复文件、征占地文件、水土保持方案报告书、初步设计、弃渣场专题设计、防治责任范围图、防治措施图等在内的相关资料。通过对资料和遥感影像的分析，确定生产建设项目中需要进行实地监测的位置。在监督监测中，应该确保所有分区都能得到充分的覆盖，并且选取具有代表性的主要工程措施和植物措施[7]。

2.2 遥感影像获取与处理分析

（1）遥感影像获取与处理。卫星遥感影像以资源三号卫星和高分一号卫星为主，其中影像的分辨率为2或1 m。通过预处理，影像可以获得较好的视觉效果，并且可以有效地用于生产建设项目的信息提取[8]。

（2）解译标志建立。通过对现场的调查和影像数据的提取特征，建立各种地物类型的解译标志[9]。

（3）扰动图斑解译分析。可采用多种方式完成解译工作，包括目视解译、自动识别、决策分析、经验知识等[10]。根据建立的地物类型解译标志，检查图斑扰动是否超出防治责任范围[11]，若存在则判定图斑为疑似不合规扰动，并且追溯该图斑所属防治分区。

2.3 现场调查

通过遥感影像分析结果，可以获取生产建设项目的扰动情况，确定其是否超出了防治责任范围。为了更好地监督和管理超出防治责任范围的项目，利用无人机进行实地调查。

（1）无人机航拍。飞行器采用大疆御22000 万像素；航拍参数指标为航向重叠率70%，旁向重叠率65%，飞行高度80～200 m，云台角度为40°～85°；影像处理软件采用无人机专业数据处理软件Pix 4D，精度为5 cm。

（2）航拍数据解译分析。对无人机获取的数据，采用相关软件对航拍照片进行处理，生成正射影像（DOM）、数字表面模型（DSM）和三维实景模型成果，并对其进行处理分析。经过精确的分析，获取生产建设项目所涉及的各种防治区的位置、范围以及相应的水土保持措施的实施情况[12]。此外，利用三维实景模型和正射影像，获取有关弃渣场类型、水土流失状况、水土保持措施的尺寸和面积等信息。利用三维建模技术，计算出渣堆的体积及其他重要参数，如图1所示。

图1 扰动面积和方量测量

2.4 内业复核

根据内业资料、现场调查情况、影像分析结果，判断生产建设项目措施体系是否完善、水土保持措施现场实施情况是否符合水土保持方案和初步设计要求、防治效果是否达到要求、有无水土流失隐患、是否存在违法违规行为。内业复核工作应在现场调查后1～2 d内完成，保证后续的处罚、整改能够及时有效。

3 研究结果

通过对98 个生产建设项目开展监督性监测，选择重点部位688 个，其中弃土（渣）场294 个，取土场82 个，施工便道、施工生产生活区等其他防治分区256 个，主要对扰动范围、水土保持措施、弃渣场弃渣量、土壤流失量、水土流失危害方面开展了监测，结果如下。

3.1 扰动范围监测

以某矿为例，通过遥感影像可直接解译出南排土场扰动面积为541.14 hm2（如图2所示），而设计扰动范围为515.12 hm2，超出水土保持方案批复的防治责任范围26.02 hm2。通过使用GPS 技术，测出南排土场的扰动面积为535.76 hm2。

图2 某矿扰动范围

3.2 水土保持措施监测

以某渣场为例，基于正射影像，采用ArcGIS 或者Pix 4D 等软件量取水土保持工程措施、临时措施和植物措施的规格尺寸和数量（如图3 所示），通过三维模型直观判断出渣场的边坡防护措施、排水措施、拦挡措施、植物措施的防治效果和运行情况。

图3 某渣场DOM图

3.3 弃渣场弃渣量监测

通过弃渣前后2 次无人机航测成果对比分析，获取弃渣场弃渣量的变化信息。以某铁路渣场为例，分别于2019年4和10月进行了2 次航拍（如图4—5 所示），将2 次DOM 模型导入ArcGIS 中进行叠加分析，计算出4—10月渣场共弃方10.21万m3。根据实际工程量计量结果，渣场弃渣量为9.65万m3，无人机航测与实际工程量计算误差为5%。

图4 某渣场4月影像

图5 某渣场10月影像

3.4 土壤流失量监测

以某公路2#排泥场为例，利用无人机监测获取2#排泥场土壤流失面积共11.5 hm2，通过对项目区内定位观测点的泥沙监测，2019 年土壤侵蚀模数约3100 t/（km2·a），由此计算出2#排泥场2019 年土壤流失总量为356.5 t。另外，利用传统监测手段，在2#排泥场下游布设1个4级沉淀池，对2#排泥场水土流失量进行监测，通过计算得出2019 年沉淀池共沉淀泥沙325.6 t，小于无人机监测方法的计算结果，其误差范围满足监测规程中精度不小于90%的要求。本工程所处区域属北方土石山区，容许土壤流失量为200 t/（km2·a），对于建设类项目，施工期土壤流失控制比须达到0.7以上，因此施工期平均土壤流失强度容许值为285.71 t/（km2·a）。与容许流失量相比较，2019年2#排泥场流失量偏大。因此，2#排泥场需加强水土保持防护措施，以减少施工期的水土流失。

3.5 水土流失危害监测

以某渣场为例，通过无人机航拍影像（如图6 所示）和三维模型可以看出，渣场汇水面积较大，如遇强降雨，渣场上游将有大量汇水进入渣场，对渣场的稳定性极为不利，发生水土流失灾害的风险较大。建议在渣场上游设置永久截水沟，截水沟设计流量应满足50 a 一遇降雨强度标准，以防止大量汇水进入渣场。同时，在渣场排水沟前端设置拦砂坝，防止排水沟被冲毁。通过三维模型的效果展示，能够多角度观测渣场的周围环境和渣场细节，使参建单位直观地认识到水土流失隐患及危害，及时采取有效措施防止水土流失危害发生。同时，需要强化对具有水土流失隐患地点的监督检查、对水土保持措施落实不到位等违法行为依法查处，并建立台账，定期追踪。

图6 某渣场航拍影像

4 讨论

“天地一体化”技术有助于更好地了解生态环境，将其应用于实际项目，通过DOM、DEM 和三维模型的分析，可以获得更多的水土保持信息，将这些信息与传统的监测手段得到的信息进行比较，以便更好地评估项目的水土流失状态，并建立一个完整的水土流失本底数据库，以便更好地进行水土保持监管。本文以98个生产建设项目为研究基础，根据监测规程的要求，对“天地一体化”技术在水土保持监督性监测中应用的可靠性及效果进行分析论证，并利用“天地一体化”技术对生成的DOM 成果进行分析，能够准确获取生产建设项目扰动土地面积数据、各分区水土保持措施的实施情况，及时掌握项目区内的水土流失隐患和危害；通过对多次航拍的DOM 成果进行对比分析，可获取弃渣场方量的变化信息，其精度基本满足监测规程的要求；利用无人机航拍获取的水土流失面积以及土壤侵蚀模数和侵蚀时段，可计算出土壤流失量，计算结果的精度基本满足监测规程的要求；另外，结合传统定位观测手段，能够较准确地复核遥感技术监测数据。相对于采用手持GPS、测距测高仪和皮尺等传统工具，“天地一体化”方法的应用可以大大节省时间（节省时间2/3以上），而且在精度上也避免了偶然误差的影响[13]。遥感技术和无人机技术将大量的外业工作转化为内业解译分析工作，在提高工作效率的同时也提升了监测结果的精准性和可靠性，有很强的实际使用价值[14]。本文通过海河流域水土保持监督性监测实践，发现在监测过程中存在一些技术问题。目前，部分项目的防治责任范围由图片格式或者矢量化后有偏移，难以准确判别项目的合规性；部分弃渣场存在“先堆砌后审批”的情况，难以确定弃渣前原始地形数据，后期无人机遥感监测的数据无法进行叠加处理，导致无法准确判别弃渣场的实际弃渣量[15]，未来的研究中，应重点研究无人机遥感监测在原始地形数据缺测的情况下通过历史遥感影像处理与解译来准确计算弃渣场堆渣量，以提高弃渣场监测的实效性和准确性；免费的高分遥感影像较少且更新频率较低，导致反映项目扰动现状的高分遥感影像较难获取；无人机续航时间比较短，大部分多旋翼无人机的续航时间为半个小时左右，影响了大范围高精度监测的连续性操作，需进一步探索无人机的长续航能力；无人机航测的垂直精度误差较大，对弃渣量方量的计算具有一定的影响，需进一步探索提高无人机的垂直精度；无人机监测成果质量受工程现场的天气状况影响较大，在云雾和雨雪等较为恶劣天气下无法取得满足精度要求的监测成果，需进一步探索减少无人机受天气的干扰性；由于土壤侵蚀模数难以准确取值，精度难以保证，需进一步探索无人机技术在水土流失量监测方面的应用研究；无人机遥测技术用于水土保持处于探索时期，尚没有明确的技术路线和完善的规范，尚待形成一套系统化的行业标准。

5 结论

综合利用不同时空尺度的卫星遥感、无人机航测、地面观测的“天地一体化”技术进行生产建设项目水土保持监督性监测，能更加全面、及时、精确地获取生产建设项目的相关信息，快速实现对未批先弃、乱倒乱弃、超范围施工、水土保持措施严重滞后等违规现象的查处，是适应新时代利用信息化手段开展水土保持监管的新模式。本文通过对海河流域98 个生产建设项目开展监督性监测实践，发现利用“天地一体化”技术在提高水土保持监管工作效率的同时也提升了监测结果的精准性和可靠性，使得生产建设项目能够“查的清”“弄得准”“干得快”，实现生产建设项目违法违规行为“管得住”。