黃土高原地區淤地壩攔沙淤積監測中存在的問題及方法探討

張建國董亞維李晶晶左 強

(黃河水利委員會 黃河上中游管理局,陜西 西安710021)

淤地壩是黃土高原地區人民群眾在長期同水土流失斗爭實踐中創造的一種行之有效的水土保持工程措施,在解決入黃泥沙問題、確保黃河安瀾方面發揮了重要作用。根據水利部2019年開展的黃土高原地區淤地壩專項調研評估結果,截至2019年11月,黃土高原地區共有淤地壩58 776座,其中大型壩5 905座、中型壩12 169座[1]。因此,無論從功能還是數量上看,淤地壩對黃土高原地區水土流失治理和管理工作都至關重要。攔沙淤地是淤地壩的主要功能之一,準確估算淤地壩攔截泥沙量是科學評估淤地壩減沙效益和安全運用的重要基礎數據,對于流域淤地壩管理、水土流失治理和黃河水沙變化趨勢研究起到指導與支撐作用。

1 黃土高原地區淤地壩攔沙淤積監測的重要性

(1)科學評價淤地壩的減沙效益。淤地壩作為治理水土流失的關鍵措施之一,迫切需要人們全面認識淤地壩建設的實際效益,其中,淤地壩攔截泥沙量是衡量淤地壩減沙效益的重要指標。以往的淤地壩或壩系建設大都在建設完成后進行一次性驗收或鑒定,很難全面評價其真實成效,尤其減沙效益需要長期的監測才可進行評價。通過建立科學、高效的淤地壩監測體系,利用現代信息技術、3S技術,快速獲取淤地壩攔沙淤積量及所在區域小流域徑流泥沙等信息,可為正確評價淤地壩建設的真實攔沙成效提供科學依據[2-3]。

(2)支撐水土流失綜合治理規劃的制定。黃土高原水土流失治理自20世紀80年代步入以小流域為單元的綜合治理階段[4],并且將這一經驗沿用至今。水沙情勢、流域產沙模數一直是小流域綜合治理規劃的重要基礎數據,對合理布局各類水土保持措施和控制流域土壤侵蝕的發生至關重要。淤地壩是記錄小流域侵蝕產沙信息與歷史過程的重要載體,通過淤地壩攔沙淤積監測可以摸清流域侵蝕產沙模數,作為流域綜合治理規劃設計的依據,同時,對已建水土流失治理工程也能夠起到評價和指導作用[5]。已有研究發現由于土壤侵蝕模數調查值較淤地壩設計值顯著降低,造成淤地壩空壩率上升,使淤地壩長期保持負效應[6]。目前,有關水土保持專家呼吁基于黃河水沙與黃河流域生態保護和高質量發展新形勢,實時調整黃土高原水土流失治理格局[7-8],因地制宜,精準布局適宜措施類型和規模。因此,基于淤地壩攔沙情況,正確和實時了解流域產沙情況,及時調整規劃,對我們水土流失治理工作具有重要現實意義。

(3)服務淤地壩安全運行管理工作。20世紀70年代以來,隨著全球氣候變化和水土流失情勢變化,黃土高原地區典型的淤地壩水毀事故發生十余次,對下游群眾生命財產安全造成了巨大影響,淤地壩運行管理和洪水風險等問題已受到了社會各界和各級政府的高度關注。淤地壩的攔沙淤地和防洪減災功能與有效攔沙庫容密切相關,隨著運行時間的延長,有效庫容減小,淤地壩運行風險也會相應增加[9-10]。近年來,水土保持學術界和各級水行政主管部門著力推進淤地壩潰壩風險分析和汛期安全風險預警模型的開發[11]。馬瑞等[12]構建了甘肅省淤地壩工程的潰壩風險評價模型,經分析水面/泥面距淤地壩高的距離、剩余淤積庫容是影響淤地壩安全風險的最大權重評價指標。陳祖煜院士課題組通過“家譜法”算法以及壩系內部洪水演進程序等構建淤地壩系連潰風險分析模型,引入攔沙淤積量概念,研究發現淤地壩潰壩的臨界雨量與自身淤積高程具有顯著的負相關關系[13-15]。因此,科學合理的攔沙淤積數據是確保黃土高原地區淤地壩安全運行和水土保持生態建設健康發展的必要基礎。

(4)推動淤地壩相關水土流失科學研究。過去幾十年,由于黃土高原水土流失治理的緊迫性,人們更多關注淤地壩的建設、效益發揮和運行管理等,有關淤地壩攔沙減沙等基礎理論研究還不夠深入[16-18]。隨著“有條件的地方要大力建設旱作梯田、淤地壩等”新建設思路的提出及在黃河水沙銳減新形勢的背景下,探索和研究淤地壩的相關理論機理顯得尤為重要。目前,淤地壩相關科學研究方面,關注點主要集中在淤地壩對流域徑流產沙和河道形態變化影響,泥沙淤積特征、減沙減蝕作用機理,以及量化流域泥沙來源中坡面泥沙和溝道泥沙指標,分析坡面侵蝕與溝道侵蝕間的相互聯系和作用等方面[18-19],科學合理的攔沙淤積量監測數據是探索這些科學問題的重要基礎,也是客觀把握黃河產沙情勢的關鍵環節。

近年來雖然有關管理部門對黃土高原地區淤地壩攔沙淤積情況進行了幾次普查,但是普查指標多集中在淤地壩數量、分布、功能、效益和累計攔沙量等方面。由于淤地壩在黃土高原呈散點狀分布,開展大區域攔沙淤積調查工作量較大,且快速、準確獲取攔沙淤積的監測方法還是一個難點,目前關于大區域淤地壩淤積過程和逐年淤積量的監測資料少之又少。因此,總結分析淤地壩攔沙淤積監測現狀,探索研究攔沙淤積監測新技術新方法,對黃土高原地區淤地壩建設具有重要意義。為此,本文系統分析和梳理了黃土高原地區淤地壩攔沙淤積監測中的存在問題,并在此基礎上,結合地理信息系統技術提出了新時期適合淤地壩攔沙淤積的遙感監測方法,以期為黃土高原地區科學開展淤地壩攔沙淤積監測提供技術指導。

2 淤地壩攔沙淤積監測存在問題

2.1 攔沙淤積實測數據有限,不能滿足科研和生產需要

自1990年代以來,淤地壩一直是水土保持研究的重要課題。歷史上,黃土高原地區大規模的淤地壩調查主要有1989年陜北淤地壩調查、黃河上中游管理局組織實施的黃土高原地區水保措施調查(截至1999年),2011年全國水利普查骨干壩普查等,分別通過人工調查的方法獲取了截止相應年份的淤地壩數量、分布和淤積情況等。此外,2015年延安市、2016年鄂爾多斯市、2012年和2016年寧夏回族自治區等也曾分別對境內相關市縣進行了淤地壩調查,相關數據對分析淤地壩攔沙效益、區域土壤侵蝕、泥沙來源等起到關鍵支撐作用[19-20]。但因黃土高原淤地壩數量眾多,每次調查范圍有限,且難以每年對其攔沙量進行調查,目前已獲得的淤地壩攔沙量都是累計到調查年份的淤積量,關于淤地壩次降雨或逐年攔沙量的數據更是少之又少[21]。在黃河水沙變化具有時段特征的情況下,分析次/逐年的攔沙量特征對建立小流域產沙模型和揭示環境變化的侵蝕泥沙響應尤為重要。因此,相對黃土高原眾多淤地壩的規模和運行情況,現有調查成果的范圍、內容、時效等遠遠不能滿足科研與生產活動的需要。

2.2 監測方法不適于大面積推廣且精度較低

目前淤地壩攔沙淤積量獲取方法主要可分為兩大類:①推算法。常見的方法主要有放射性核素137Cs示蹤技術[22]、數學建模[21]、泥沙淤積體概化模型[23]、水文比擬法估算[24]或典型淤地壩調查等[25]。張信寶等[26]利用放射性核素137Cs示蹤技術和黏粒含量變化,估算了黃土丘陵區云臺山溝小流域淤地壩1960—1970年年均產沙模數為12 696 t/(km2·a),該技術能夠獲取暴雨場次的淤積量,但受地表環境中137Cs元素沉降的影響,更適用于獲取1963年以后新建壩的歷史淤積數據[22],同時137Cs存在量計算時背景值的采樣點的條件比較苛刻,對結果影響較大。在建模方法中,有研究通過基于BP神經網絡建模方法,建立降雨資料和淤積信息的對應關系,進行攔沙淤積預測和模擬[21];楊吉山等人[27]通過引入壩控流域面積、平均侵蝕強度、攔沙率等因素建立了淤地壩逐年攔沙量計算公式,獲取了清水河流域1971—2012年淤地壩的逐年攔沙量。這些方法多數基于某種理想的均一條件假設進行的推算分析,且需要有較為詳細的降雨、流域水文站實測泥沙資料等,計算結果與實際值有一定偏差,實際應用中受地域、基礎資料等條件限制。②實測法。通過人工野外調查淤積剖面或淤積高度/高程、淤積面積等,計算分析攔沙淤積量。在科學研究中,應用較多的有利用壩庫中泥沙的沉積旋迴層,區分每次侵蝕產沙事件的淤積厚度進而獲得攔沙淤積量。該方法可以獲取次侵蝕性降雨的產沙信息,結合降雨資料,可定量研究流域土壤侵蝕機理和壩地沉積物組成,但該方法要求采樣者有較為豐富的經驗,受主觀性影響較大[28]。在實際生產中,應用較為廣泛的是壩高—庫容曲線法,利用差分GPS技術或者全站儀實測淤積面實際高程,查找設計文件中的壩高—庫容曲線確定淤積量[29-30],在庫容曲線缺失時,也可以利用壩控范圍內的1∶10 000地形圖重構淤地壩庫容曲線。此外也有人們通過布設監測標尺以獲取當年的淤積厚度與淤積量,但無法獲取歷史數據。

有研究[23]表明實測法相較通過放射性核素、淤積體概化等推算法獲取的攔沙淤積量更為可靠,魏艷紅等[31]利用差分GPS技術或者全站儀得到淤積高程,并結合大比例尺地形圖獲取攔沙淤積量,被認為是估算淤地壩泥沙淤積量較為準確成熟的方法,應用較多。但在大力推進生態文明建設的新形勢下,淤地壩攔沙淤積量逐年減小,每年或次降雨淤積厚度可能為厘米級甚至毫米級,我們基于1∶10 000地形圖建立的庫容曲線,高程精度僅為1 m,遠不能滿足監測需求。因此通過總結發現,目前方法獲取的泥沙精度相對較低,且多用于科學研究和小流域尺度,在宏觀尺度上展開調查通常耗費大量人力物力,效率較低,對宏觀尺度的淤積調查支撐不足,不適宜大范圍生產推廣。

3 淤地壩攔沙淤積遙感監測

近年來,隨著遙感和地理信息系統技術、計算機處理技術的快速發展,無人機航空遙感和航天遙感技術為解決淤地壩傳統淤積監測方法精度低、效率低、大區域調查難以推廣等問題提供了可能。從廣義的角度講,淤地壩攔沙淤積過程,是地表形變的一種,目前,礦區沉降、滑坡、大壩變形等地表形變監測采用的遙感技術主要有無人機傾斜攝影、無人機載LiDAR和INSAR技術等,通過監測高程變化進而分析地表變形的空間特征。因此,本文借鑒地表形變常用遙感監測方法,重點分析遙感技術在淤地壩攔沙淤積監測中應用的原理、關鍵影響因素,對比分析傳統無人機正射測量、無人機傾斜攝影、無人機載LiDAR和衛星合成孔徑雷達差分干涉(DInSAR)等測量方法的監測精度、工作量和可行性等,針對淤地壩攔沙淤積不同監測需求,探索可復制可推廣的遙感監測方法。

3.1 攔沙淤積遙感監測方法與關鍵影響因素

3.1.1 攔沙淤積遙感監測方法 淤地壩攔沙淤積量的獲取主要基于淤地壩淤積區域內多期高精度數字正射影像(digital orthophoto map,DOM)、DEM等測量成果,通過DOM勾繪淤地壩淤積體范圍,對淤積體范圍內多期DEM數據進行疊加求差運算,生成淤積體數字高程變化模型,從而精確獲取每座壩攔沙淤積量。因此,DOM地面像元分辨率和DEM高程精度是影響攔沙量精度的主要指標。目前,根據無人機航攝技術,水平平面精度可達到厘米或毫米級,能夠滿足監測精度需求,因此,如何提高航測高程精度成為準確計算攔沙淤積的關鍵[32]。

3.1.2 影響遙感監測的關鍵因素

(1)植被、水域等地表要素。淤地壩通過攔截泥沙形成壩內淤積區,由于淤積區內地勢相對平整,水肥條件優越,通常建成短期內即可恢復植物生長。通過遙感手段獲取的第一手影像成果為數字地表模型(digital surface model,DSM),通常是包含植被、地表建筑物和移動物體等非地面數據的高程模型,需進行非地面數據剔除才可生成DEM。目前,DSM生成DEM一直是一個難點,尤其植被因素的剔除,傳統方法是人工識別植被覆蓋區域,然后從DSM的高程中減掉與植被類型無關的均勻植被高度偏差,但植被的高度不是完全均勻,這一過程既增加了工作量,又降低了DSM精度,對攔沙淤積量的計算影響較大;另外,在黃土高原地區淤地壩不宜長期蓄水但確有蓄水需求的地區[33],在非汛期有蓄水情況,且新建成淤地壩中,低于放水建筑物的淤積區,即“死庫容”會存在一定水量,由于水面掩蓋淤積面而無法開展無人機監測。因此,如何排除植被、水域等影響是遙感監測需要考慮的關鍵因素。

(2)精度要求較高,且重點關注相對精度。黃土高原地區降雨年際變化大,年內分布不均,多集中于汛期,且以暴雨形式為主,攔沙淤積多發生在少數的幾場暴雨中,多數降雨不會產沙或少量產沙,因而淤地壩攔沙淤積厚度會波動在毫米至米之間[34]。魏艷紅等[35]調查研究發現延河流域典型壩2014—2016年年淤積厚度在0.2～2.5 cm之間;另外,根據2016年鄂爾多斯地區淤地壩攔沙效益調查結果,現狀淤地壩(建壩10 a內)年均淤積厚度為14.36 cm,其中年均淤積厚度20 cm以內的淤地壩數量占到74.97%,10 cm以內的占到49.93%。因此,綜合考慮年均和最小淤積厚度,淤地壩攔沙淤積高程方向精度應達到厘米級。目前,國家現行比例尺成圖精度要求最高為1∶500,DOM精度要求為30 cm,高程1級精度平地為20 cm,可見攔沙淤積監測要求的精度高于國家現行比例尺的最高精度要求。此外,在精度方面,大多數DEM評估都關注絕對垂直精度,將建模的高程與相對于已建立的垂直基準(地理參考)的真實高程相關聯,但在淤地壩淤積厚度監測中,主要通過兩期DEM的高程差獲取,更多關注高程的相對精度,在實際監測工作中,可根據不同需求適量布設相控點。

(3)滿足“技術可行,經濟合理”的總原則。目前,通過遙感手段開展淤地壩攔沙淤積監測尚處于技術探索階段,相較于傳統的人工監測手段,具有省時省力的優勢,但同時成本、技術要求也較高。此外,不同遙感監測手段獲取的數據類型、精度、經濟成本等不同,因此,應根據淤積監測需求選擇科學、合理的遙感監測手段,在技術上可行,經濟上合理。

3.2 不同遙感監測方法對比分析

3.2.1 無人機正射測量 低空無人機正射測量是由飛行平臺搭載相機對測區進行垂直攝影,通過單一垂直影像數據生成DOM,DSM等測繪產品,并制作數字高程模型DEM,具有方便靈活、操作簡單、作業成本低的優勢。目前,無人機正射測量已在國民經濟不同的領域廣泛應用[36],由于其能獲取高分辨率的DOM光學影像,平面精度通?？蛇_到厘米級,紋理信息豐富,因而應用主要集中在農業、林草業、電力、自然災害、水利等地表活動監測。但在應用時,受測區地形條件、無人機飛行姿態、設備性能、控制點布設等因素影響,獲取的DEM高程精度通常難以保證,結果差異較大[37],且生成DEM成果時受植被干擾較大,高程精度偏低,優于1∶500的DEM數據,最高的垂直精度為0.1 m左右。在外界控制條件相對理想的情況下,高程平均誤差能達到±(0.05～0.2)m[38]。

3.2.2 無人機傾斜攝影測量 無人機傾斜攝影是通過在同一飛行平臺上搭載多鏡頭相機,在飛行過程中從垂直、傾斜等多個角度同時采集影像,通過內業的幾何校正、平差、多視影像匹配等處理獲得具有地物全方位信息數據的技術,可同時獲得DOM,DSM和實景三維建模數據等。相較傳統無人機正射測量,傾斜攝影技術由于采集影像多角度、高重疊度,有更加豐富的側面紋理信息,因而在真三維模型制作和高程精度提升方面凸顯優勢,且后期處理軟件相對較為成熟,可兼容大型固定翼飛機、大中小型無人機、街景車、手持式數碼相機等各種硬件采集的數據源,具有高性價比、高精度、高效率等優勢,但同樣在生成DEM成果時無法排除植被因素的影響。目前國內傾

斜攝影測量技術仍處于快速發展的推廣階段,初期主要應用在智慧城市、城市規劃、國土資源等方面[36],近年來逐漸在廢棄礦山、土方量等有所應用,但淤地壩攔沙淤積測量中還未見報道。已有的研究表明在實際應用中傾斜攝影技術高程精度可達到0.06 m左右[39]。有研究對比分析了傳統正射模式與五鏡頭傾斜攝影測量在是否使用機載PPK、地面控制點及其密集程度等不同模式下的高程精度發現,在嚴格統一的外部數據采集條件和參數基礎上,傾斜攝影的高程精度相較傳統的低空正射模式可提高0.23%～97.83%,絕對定位精度能達到亞米級[40]。

3.2.3 無人機載LiDAR 無人機機載LiDAR是將無人機與激光雷達技術的優勢相結合形成無人機載LiDAR系統,通過位置、距離、角度等觀測數據實時獲取對象表面點的高精度三維坐標數據,形成高密度點云數據,經過濾波和地面點插值形成DSM和DEM,反映地表空間的變化。該技術已在礦區環境監測、大壩變形、城鎮規劃、事故調查、林業調查、國土資源調查等方面有所應用。它的優點是能穿透植被縫隙獲取高密集地表點云數據,數據獲取效率高,產品生產周期短,相對測繪型無人機精度更高,但無法同時獲取DOM數據,難以表達目標表面的紋理信息,且技術費用相對昂貴,在大區域應用中存在局限;目前對點云的后處理過程基本是基于現有的商業軟件,對于地形復雜獲取的海量點云數據處理過程中,濾波方法和模型去噪等還不是很成熟,使得處理過程中DEM包含顯著誤差,耗時較大,限制了實際應用[41]。根據《機載激光雷達數據獲取技術規范(CH/T8024-2011)》在1∶500比例尺丘陵區高程中誤差為0.4 m,但在實際應用中,隨著無人機飛行穩定性、設備性能的提高,高程精度可達到0.03 m左右[42]。張永庭等[43]采用無人機機載LiDAR監測技術獲取寧東煤炭基地馬蓮臺煤礦采煤沉陷區點云數據,通過水準測量標志點和GPS自動監測數據的對比分析,點云數據平均誤差分別為0.044 3和0.043 4 m。湯伏全等[44]人對比分析不同激光點云的礦區沉陷建模方法,發現專業化數字高程模型插值及三角網漸進加密濾波算法的效果相對較優,獲取的DEM高程誤差標準差分別為0.046和0.013 m。

3.2.4 衛星合成孔徑雷達干涉(InSAR)測量 InSAR

技術是利用同一地區不同時相的SAR影像,通過差分干涉獲取該地區地表形變信息的技術手段。該技術具有覆蓋面廣、垂向精度高、可回溯和實時動態監測地表變形的能力,在我國應用起步較晚,目前多應用于地面沉降、滑坡、壩體變形等原地表形變的監測,精度可達到毫米級。應用效果取決于諸多因素,主要包括:SAR影像空間分辨率、影像數量及時間采樣頻率、雷達波長、監測區地物特征等,受這些因素影響,在利用SAR影像進行干涉處理時,易產生失相干現象,如無法得到地表沉陷盆地內大梯度變形信息。一些學者采用偏移量追蹤技術(offset tracing)雖然有助于解決上述問題,但所需的高分辨率SAR影像數據獲取成本高,難以推廣應用。黃土高原地區淤地壩大區域點狀分布特征顯著,由于InSAR技術的覆蓋面廣和可回溯性等在淤地壩攔沙淤積監測中具有的較大優勢,但目前由于淤積區原地表覆沙、植被生長等會引起空間失相干及InSAR自身成像條件受大氣效應、時間失相關和空間失相關影響的苛刻性,在淤地壩攔沙淤積監測應用存在局限,尚未開展。隨著SAR衛星及傳感器的迭代更新及InSAR技術方法的不斷發展,其在淤地壩攔沙淤積監測可能會實現并發揮突出作用,是未來發展較好的方向。

4 不同淤地壩遙感監測方法應用場景

通過以上分析可知,不同的遙感監測方法在成果形式、監測精度、工作量和經濟成本等方面具有較大差異,基于目前淤地壩攔沙淤積監測的不同需求,提出每種監測手段適宜的應用場景。

(1)無人機正射測量方式適宜大區域范圍內精度要求較低的淤地壩攔沙淤積量普查,如新一輪全國水利普查、各省區階段性典型淤地壩攔沙淤積普查等,該項工作由于調查區域面積大,且主要針對一定時期內累計攔沙淤積量,精度要求相對較低,可選擇傳統無人機正射測量,通過獲取平均淤積高程,查庫容曲線方法,或對比本底DEM數據獲取攔沙淤積量。

(2)無人機傾斜攝影技術方法適宜精度要求較高,重點關注年或次攔沙淤積量,監測成果要求更豐富的應用情形,如水行政主管部門開展的淤地壩安全運行管理、淤地壩重點工程攔沙淤積調查或數字孿生流域中淤地壩相關數據的數字化等。在這些工作中,無人機傾斜攝影可以對當前淤地壩和淤積區實現全角度的數據采集,不僅可以從宏觀角度對淤積量進行分析,同時也可以從局部角度出發,掌握淤地壩運行,消除傳統測繪技術下測繪結果的局限性,展示淤地壩三維真實場景。

(3)無人機LiDAR相較無人機航空攝影測量精度更高,外業數據采集效率更高,且具有穿透植被的優勢,但相對經濟成本較高,適宜有更高精度要求,關注年或次攔沙淤積量,且植被生長較為茂盛地區的典型淤地壩攔沙淤積測量。如淤地壩攔沙淤積暴雨應急調查評估、植被茂盛區典型壩調查等。

(4)在實際工作中,建議根據不同監測需求和條件,將淤地壩攔沙淤積遙感測量與傳統方法,如斷面測量、標尺等方法的結合,通過天空地一體化手段更好地發揮遙感監測的作用。

5 結論

探索淤地壩攔沙淤積監測高新技術是推動淤地壩監測的重要工作。相對傳統淤地壩攔沙淤積監測手段,遙感測量技術具有高精度、高時效性、安全可控、機動靈活等優勢,可滿足不同精度和監測需求的淤地壩攔沙淤積監測,是未來淤地壩攔沙淤積測量應用技術的重要發展方向,對黃土高原淤地壩攔沙效益發揮和水土流失治理具有重要意義。隨著水利信息化與遙感技術的發展,水保相關部門(機構)應在現代科學技術的支撐下,積極試行無人機遙感、航空遙感等新技術、新方法在黃土高原淤地壩攔沙淤積監測中的推廣應用。筆者認為無人機正射測量方法可在精度要求較低的大區域范圍淤地壩攔沙淤積普查中推廣應用;無人機傾斜攝影技術方法適宜在精度要求較高、重點關注年或次攔沙淤積量、監測成果要求更豐富的攔沙淤積調查中推廣應用;無人機LiDAR適宜有更高精度要求(高程精度優于0.05 m),可開展年或次攔沙淤積量,且植被生長較為茂盛地區典型淤地壩攔沙淤積調查中推廣應用。通過攔沙淤積不同遙感監測高新技術的大力推廣可為黃河流域水沙關系提供更為準確的攔沙量數據,助力黃河流域生態保護和高質量發展。