基于GeoStation地質(zhì)三維系統(tǒng)的生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目表土建模技術(shù)

靳新紅，王利軍，晉鳳明，劉 增

(北京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100048)

表層土壤(以下簡稱表土)，是指地表最上層部位的土壤，厚度為20～30 cm。這部分土壤通常比較肥沃，一般是耕地的耕作層或者園地、林地、草地等適合耕種的表層或腐殖質(zhì)層[1]。研究表明依靠自然風(fēng)化，形成1 cm厚的表土層需要100～400 a，在農(nóng)田中形成2.5 cm厚的表土一般需要200～1 000 a，在林地或牧場(chǎng)形成同等厚度的表土所需時(shí)間更長[2]。因此，表土是十分珍貴的不可再生資源。日本、英國、美國等發(fā)達(dá)國家從20世紀(jì)五六十年代起就開展了針對(duì)土地復(fù)墾、土地改良、工程開發(fā)建設(shè)及污染治理等方面的表土剝離措施來保護(hù)耕地和提高土地生產(chǎn)力，先后出臺(tái)了保護(hù)表土的法律法規(guī)及規(guī)范性文件[3]。隨著我國城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，大量生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的實(shí)施，不可避免地對(duì)地表產(chǎn)生巨大的擾動(dòng)，使得寶貴的表土資源被占?jí)夯蛄魇?。為了保護(hù)表土資源，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)建設(shè)與生態(tài)保護(hù)雙贏，從20世紀(jì)80年代起，眾多學(xué)者也對(duì)表土再利用進(jìn)行了專項(xiàng)研究，表土剝離利用技術(shù)研究及實(shí)用成果豐碩[4-9]。隨著研究的深入和認(rèn)識(shí)的提高，國家和地方相繼出臺(tái)了一系列法律法規(guī)及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)對(duì)表土的保護(hù)。為進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目區(qū)表土資源的保護(hù)，2019年實(shí)施的《生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50433—2018)和《生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失防治標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50434—2018)，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)要保存和利用耕作層土壤，在水土保持方案章節(jié)中新增了表土資源保護(hù)及布設(shè)防治措施的詳細(xì)規(guī)定，新增加了表土防護(hù)率指標(biāo)。

實(shí)踐證明，生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目施工中是否進(jìn)行了表土剝離和保護(hù)利用是生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目生態(tài)恢復(fù)治理成敗的關(guān)鍵[10-11]。眾多學(xué)者針對(duì)表土再利用也提出了諸多現(xiàn)實(shí)問題，例如表土剝離后用在哪里，表土剝離的總量即數(shù)量如何計(jì)算，表土剝離的區(qū)域，如何存放等[12-13]，但這些問題只是在一定程度上得到了解決[14-15]。目前，在進(jìn)行表土剝離措施設(shè)計(jì)時(shí)，表土平面分布及厚度的確定主要是依靠現(xiàn)場(chǎng)踏勘和土地利用狀況資料調(diào)查，表土的平面分布與厚度以估算為主，設(shè)計(jì)成果可靠性相對(duì)較低。有的項(xiàng)目采用網(wǎng)格、土鉆取土及挖掘剖面的方法進(jìn)行表土量計(jì)算[16]，當(dāng)網(wǎng)格較大時(shí)計(jì)算誤差會(huì)增大，當(dāng)網(wǎng)格較小時(shí)內(nèi)業(yè)計(jì)算量偏大，且設(shè)計(jì)成果以二維圖為主，難以直觀反映項(xiàng)目區(qū)表土分布狀況。為此，本研究提出了基于GeoStation的表土建模技術(shù)來提高生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目區(qū)表土數(shù)量估算的準(zhǔn)確性。

1 現(xiàn)狀問題

1.1 界定手段落后

目前，項(xiàng)目區(qū)表土厚度和平面分布主要依靠現(xiàn)場(chǎng)踏勘和土地利用資料調(diào)查來確定，現(xiàn)場(chǎng)踏勘以目測(cè)為主，對(duì)表土分布進(jìn)行大致估算，無法準(zhǔn)確繪制表土分布平面圖與剖面圖。實(shí)際工作中我們發(fā)現(xiàn)，在缺少土地利用資料的情況下，現(xiàn)場(chǎng)踏勘結(jié)論可能與實(shí)際情況存在較大的差異。例如：有些植被覆蓋度較高的項(xiàng)目區(qū)，地表可能是建筑垃圾或者其他回填物，并不具備表土剝離利用的條件；當(dāng)表土厚度估算不準(zhǔn)確時(shí)，還可能使熟土與半熟土混合；可行性研究階段，當(dāng)設(shè)計(jì)單位的設(shè)計(jì)文件和計(jì)算方法不能準(zhǔn)確計(jì)算工程量時(shí)，會(huì)導(dǎo)致所需資金無法正常申請(qǐng)到位；工程施工過程中，若沒有專業(yè)的施工圖件指導(dǎo)施工，也會(huì)增加表土剝離工程的實(shí)施難度。因此，界定手段落后導(dǎo)致設(shè)計(jì)成果不準(zhǔn)確，進(jìn)而制約了對(duì)表土的保護(hù)和利用。

1.2 不利于新國標(biāo)指標(biāo)的落實(shí)

《生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失防治標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50434—2018)對(duì)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失防治標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)進(jìn)行了調(diào)整，在表土資源保護(hù)方面，新增了“表土保護(hù)率”指標(biāo)，具體定義為“項(xiàng)目水土流失防治責(zé)任范圍內(nèi)保護(hù)的表土數(shù)量占可剝離表土總量的百分比”。保護(hù)的表土數(shù)量指對(duì)各地表擾動(dòng)區(qū)域的表層腐殖土(耕作土)進(jìn)行剝離(或鋪墊)、臨時(shí)防護(hù)、后期利用的數(shù)量總和；而可剝離表土總量是指根據(jù)地形條件、施工方法、表土層厚度，綜合考慮目前技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下可以剝離的表土的總量，包括采取鋪墊措施保護(hù)的表土量[17]。當(dāng)項(xiàng)目區(qū)內(nèi)可剝離表土總量不能合理確定時(shí)，將無法計(jì)算出準(zhǔn)確的表土保護(hù)率。

2 利用GeoStation的表土建模流程

GeoStation是中國電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司基于MicroStation軟件平臺(tái)開發(fā)的地質(zhì)三維勘察設(shè)計(jì)系統(tǒng)，集數(shù)據(jù)管理、地質(zhì)建模、分析計(jì)算、二維出圖、土木設(shè)計(jì)等模塊于一體，已經(jīng)應(yīng)用于我國多項(xiàng)大型水利水電工程項(xiàng)目，建立了多個(gè)工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫和三維地質(zhì)模型。利用GeoStation軟件對(duì)開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目區(qū)表土進(jìn)行建模，可直觀、形象地反映表土的分布情況和總量，具有可操作性強(qiáng)、工作周期短的特點(diǎn)。建模結(jié)果可用于剖面分析、開挖量計(jì)算、專業(yè)設(shè)計(jì)圖件制作等。下面，以某工程項(xiàng)目區(qū)為例，詳細(xì)說明。

2.1 項(xiàng)目區(qū)地質(zhì)體制作

首先，對(duì)項(xiàng)目區(qū)CAD地形圖(圖1)進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，刪除地形圖上部分冗余信息，如標(biāo)注及說明文字、不帶高程信息的地物圖例等，只保留能反映現(xiàn)狀地面起伏變化的具有高程屬性的等高線和高程點(diǎn)，并檢查等高線及高程點(diǎn)的高程數(shù)據(jù)，對(duì)錯(cuò)誤和缺失的數(shù)據(jù)進(jìn)行修改完善，形成項(xiàng)目區(qū)高程圖，如圖2和圖3所示。其次，將CAD地形圖導(dǎo)入到GeoStation軟件，利用工具生成項(xiàng)目區(qū)地形MESH面，即地形面(圖4)。再次，利用項(xiàng)目區(qū)占地紅線制作項(xiàng)目區(qū)立方體。最后，利用制作好的MESH面(圖4)裁剪項(xiàng)目區(qū)立方體，形成項(xiàng)目區(qū)地表以下整體地質(zhì)體(圖5)。

圖1 項(xiàng)目區(qū)CAD地形圖

圖2 檢查等高線標(biāo)高屬性

圖3 檢查高程點(diǎn)高程屬性

圖4 項(xiàng)目區(qū)地形MESH面

圖5 項(xiàng)目區(qū)整體地質(zhì)體

2.2 表土模型制作

對(duì)項(xiàng)目區(qū)表土進(jìn)行地質(zhì)勘測(cè)，根據(jù)項(xiàng)目區(qū)不同用地類型，選擇鉆孔深度范圍為20～80 cm，鉆孔密度與地形起伏復(fù)雜程度及項(xiàng)目階段有關(guān)。項(xiàng)目可行性研究階段，用地類型單一的項(xiàng)目區(qū)鉆孔間距10～50 m，局部地形復(fù)雜區(qū)域可適當(dāng)加密。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘情況，記錄每個(gè)勘探孔位坐標(biāo)及表土厚度等數(shù)據(jù)(表1)，計(jì)算表土底高程，生成整個(gè)項(xiàng)目區(qū)表土底高程的分布圖(圖6)。將表土底高程分布圖導(dǎo)入GeoStation軟件，利用工具生成表土分布底界面(圖7)。利用圖7表土分布底界面裁剪圖5項(xiàng)目區(qū)整體地質(zhì)體，形成圖8所示的項(xiàng)目區(qū)表土分布圖。圖9為項(xiàng)目區(qū)表土建模結(jié)果，紅色區(qū)域?yàn)楸硗练植紖^(qū)域，從屬性表中可以查看表土總量，還可通過剖面來制作表土分布剖面圖，查看特定區(qū)域表土厚度，如圖10。

圖6 項(xiàng)目區(qū)統(tǒng)計(jì)表土分布點(diǎn)(表土底高程)

圖7 表土分布底界面

圖8 項(xiàng)目區(qū)表土分布

圖9 項(xiàng)目區(qū)表土總量

圖10 項(xiàng)目區(qū)表土剖面

表1 勘探孔位坐標(biāo)及表土厚度統(tǒng)計(jì)

3 表土建模技術(shù)的實(shí)用價(jià)值

依據(jù)工程勘察數(shù)據(jù)，利用GeoStation軟件進(jìn)行表土3D建模，可以更加全面、準(zhǔn)確地反映生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目區(qū)表土的平面分布、厚度和總量，使行業(yè)主管部門、建設(shè)單位和施工單位對(duì)項(xiàng)目區(qū)的表土資源有一個(gè)詳細(xì)了解。該技術(shù)的價(jià)值主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

(1)落實(shí)表土剝離工程資金。目前水土保持方案中的表土剝離工程量以估算為主，若估算方法缺乏科學(xué)性，估算結(jié)果與實(shí)際差異較大時(shí)，投資主管部門批復(fù)的投資可能無法滿足表土剝離要求，后期的綠化種植工程就需要外購種植土，這樣，同一個(gè)項(xiàng)目的表土資源不能得到充分利用，還會(huì)造成工程投資增加。利用測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行建模計(jì)算，可以輔助行業(yè)主管部門決策和投資審查，確定合理的工程量和投資，從而實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目資金的合理使用和表土的最大利用。

(2)優(yōu)化施工組織設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)階段，可以根據(jù)表土平面分布和總量，結(jié)合工程設(shè)計(jì)的種植土利用區(qū)域，優(yōu)化施工組織設(shè)計(jì)，縮短土方倒運(yùn)距離，減少倒運(yùn)過程中對(duì)表土資源的破壞，節(jié)約工程投資。

(3)為行業(yè)主管部門對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行監(jiān)管提供依據(jù)。本技術(shù)可以對(duì)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目區(qū)表土資源分布情況進(jìn)行建模，繪制表土平面圖及剖面圖等專題圖件，使行業(yè)主管部門在項(xiàng)目前期對(duì)擬建項(xiàng)目占地區(qū)的表土資源有比較直觀的了解。當(dāng)項(xiàng)目建設(shè)過程中發(fā)生表土資源毀壞情況時(shí)，建模成果可以為行業(yè)主管部門進(jìn)行項(xiàng)目監(jiān)管提供依據(jù)。

總之，在技術(shù)操作層面，可進(jìn)行多專業(yè)協(xié)同作業(yè)，有效降低設(shè)計(jì)人員的工作強(qiáng)度，提高工程效率，縮短設(shè)計(jì)周期。設(shè)計(jì)成果可提高項(xiàng)目區(qū)表土分布范圍和表土總量界定的準(zhǔn)確性，更好地保護(hù)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目區(qū)占地范圍內(nèi)的表土資源。