一种固沟保塬工程效能评估方法

本发明涉及固沟保塬监测，尤其涉及一种固沟保塬工程效能评估方法。

背景技术：

1、在黄土高原固沟保塬工程实践中，对源（塬面）—沟（沟道）系统关键地貌单元（如塬面径流路径、沟道岸线）演化过程的精准监测与工程稳定性评价，一直是技术瓶颈与科研难点。传统方法主要依赖人工布设测针、径流小区或全站仪等离散点测量，存在人力依赖性强、空间覆盖不连续、难以捕捉侵蚀过程瞬时动态等固有缺陷。这些方法获取的数据呈现点状或小面状特征，难以准确重构塬面径流网络的空间拓扑结构，也无法对沟道岸线侧向侵蚀的时空异质性进行精细化刻画。因此，基于传统监测手段的评价往往滞后于地貌变化实际，对工程措施（如截排水沟、护坡工程）布设的精准定位与效能反馈支撑不足，导致工程设计与维护在一定程度上依赖经验判断，缺乏基于全过程、高精度地形演变数据的科学决策依据。

2、随着遥感与测绘技术的发展，如三维激光扫描（lidar）等，为获取大范围、高精度地形数据提供了新途径，在一定程度上提升了地貌监测能力。然而，此类技术应用于固沟保塬工程效能评估时，仍面临显著挑战。一方面，高精度测绘设备成本高昂，数据处理复杂，难以在工程实践中大规模、高频次推广应用；另一方面，现有技术方案多侧重于静态或稀疏时间序列的地形对比，侧重于最终侵蚀/沉积量的核算，对降雨驱动—径流汇集—泥沙输移—岸坡响应这一连续动态过程中的关键环节，如塬面径流路径与沟道特定岸段侵蚀之间的空间连通机制、侵蚀过程的瞬时速率与模式、以及工程措施对上述过程的调控机理等，缺乏有效的、可量化的观测与分析手段。这导致现有评估体系多停留在结果评价层面，难以深入揭示工程阻蚀稳沟的内在过程与效能短板，制约了固沟保塬工程从规范化建设向精准化、智能化维护管理的升级。

技术实现思路

1、本技术通过提供一种固沟保塬工程效能评估方法，为固沟保塬提供了从精准诊断、靶向治理到定量反馈的全链条、可操作的技术方案。

2、本技术提供了一种固沟保塬工程效能评估方法，包括：

3、s1，通过规则网格激光扫描构建塬面高分辨率数字地表模型，并基于d8算法进行水文分析以提取径流汇集路径网络；

4、s2，沿沟道双侧岸顶线布设高密度扫描点，采用激光三向同步测量技术获取各扫描点的三维坐标、岸坡倾角及沟道断面宽度，建立沟道形态基准；

5、s3，在单次降雨事件前后，对沟道双侧岸顶线进行重复激光扫描，通过坐标对比计算各岸段在水平面上垂直于沟道方向的位移量；

6、s4，将所述s1提取的塬面径流路径网络与所述s3计算的各岸段位移数据进行空间叠加分析，通过计算指向特定岸段的径流路径长度比例，定义径流－侵蚀连通系数；

7、s5，依据岸段位移量和所述径流－侵蚀连通系数设定阈值，识别高活动岸段并分类其主导驱动因素类型；

8、s6，综合岸段扩张宽度、径流－侵蚀连通系数、岸坡坡度、植被覆盖度与土壤黏粒含量五个参数，通过划分参数风险等级与制定判定规则，建立侧向扩张风险分级模型并生成风险分布图；

9、s7，根据所述风险分级结果，在识别出的高风险岸段及其对应上游子汇水区联合布设治理工程，并于工程后重复监测，通过对比工程实施前后数据，计算减蚀效率、连通系数下降幅度及高风险岸段减少比例三项核心评估指标。

10、优选地，所述s1，具体包括：在目标塬面区域，以预设间距布设规则的测量网格，确定每个网格交叉点为激光扫描节点；在每个扫描节点，激光测距装置垂直向下测量至地表的距离获得高程值，同时测量其到预先在测量区域x轴和y轴方向上布设的两个固定反光板的距离，解算该节点的平面坐标，从而获得所有节点的三维坐标；基于所有节点的三维坐标，通过空间插值生成塬面的高分辨率数字地表模型；基于所述数字地表模型，采用d8算法计算每个栅格单元的水流方向，并基于水流方向计算汇流累积量；将汇流累积量大于预设阈值的栅格连接，形成塬面径流汇集路径网络。

11、优选地，所述s2中，采用激光三向同步测量技术，具体包括：在每个扫描点，激光测距装置依次执行三个方向的测量：垂直射向岸坡坡面测量距离，垂直向上或向下测量以获取绝对高程，水平对准对岸固定反光板测量沟道宽度；结合所述绝对高程与通过定位系统获得的平面坐标，确定该点的三维坐标；利用垂直射向坡面的距离与相关高差计算岸坡倾角；记录所测沟道宽度作为该断面的形态参数。

12、优选地，所述s3，具体包括：在降雨事件前，对沟道双侧岸顶线进行首次激光扫描，获取基准坐标；在降雨事件结束且沟道稳定后，采用相同设备与方法进行重复扫描；将重复扫描获得的各点坐标与基准坐标对比，计算每个扫描点在水平面内、垂直于沟道延伸方向的位移量；基于相邻扫描点的位移量，计算各岸段的平均扩张宽度、最大扩张位置及描述扩张形态。

13、优选地，所述s4中，定义径流－侵蚀连通系数，具体包括：针对每一个岸段，以其为出水口划定对应的上游塬面子汇水区；计算该子汇水区内所有径流路径的总长度，以及其中出口端点指向该岸段的径流路径长度；所述径流－侵蚀连通系数等于指向该岸段的径流路径长度除以总径流路径长度。

14、优选地，所述s4，还包括：获取所述岸段对应的子汇水区面积a及该岸段的扩张宽度δw；计算该岸段的单位径流侵蚀强度i，计算公式为：。

15、优选地，所述s5，具体包括：计算所有岸段扩张宽度的平均值，将扩张宽度大于该平均值预设倍数的岸段标记为高活动岸段；在高活动岸段中，将径流－侵蚀连通系数大于或等于第一阈值（例如0.7）的岸段分类为径流驱动型高活动岸段；将径流－侵蚀连通系数小于或等于第二阈值的岸段分类为非径流驱动型高活动岸段。

16、优选地，所述s6，具体包括：分别将扩张宽度、径流－侵蚀连通系数、岸坡坡度、植被覆盖度、土壤黏粒含量五个参数的实测值范围划分为低、中、高三个风险等级；制定综合判定规则，依据所述规则对所有岸段进行综合风险等级判定；将判定结果与空间位置关联，生成侧向扩张风险分布图。

17、优选地，所述s7中，计算三项核心评估指标，具体包括：针对治理岸段，计算工程前扩张宽度减去工程后扩张宽度与工程前扩张宽度的百分比；针对治理岸段，计算工程前后径流－侵蚀连通系数的差值；计算工程前高风险岸段数量减去工程后高风险岸段数量与工程前高风险岸段数量的百分比。

18、优选地，在所述s3进行前后两次扫描的监测周期内，对选定的沟头及毗邻坡面治理工程影响区，同步执行高频次动态过程监测，该监测包括：

19、s31，在工程措施实施后，按高密度间距布设激光扫描网格，采用与s1相同的测量基准获取各节点三维坐标，构建工程初始超高分辨率数字地表模型，并在监测区下游出口布设集沙装置；

20、s32，在降雨事件过程中，以固定时间间隔对所述监测区域进行自动化重复激光扫描，每次扫描后立即计算每个网格单元相对于初始基准的高程变化值；

21、s33，基于每次扫描的高程变化图，识别并聚类出高程变化值为正值的网格形成暂态微沉积区，提取其面积、厚度、中心坐标参数，并在时间序列上追踪其演变，将其动态过程分类为持续增长型、稳定型或消亡型；

22、s34，针对消亡型沉积区，计算其再侵蚀速率，并提取其上游坡度、自身形态长宽比环境参数，通过统计分析识别触发再侵蚀的临界条件组合；

23、s35，基于动态监测数据，计算沉积面积占比随时间的变化曲线、暂态沉积的平均滞留时间以及再侵蚀贡献率三项过程评估指标，所述再侵蚀贡献率通过估算的沉积区二次侵蚀泥沙总量与下游集沙装置收集的总泥沙量的比值得到。

24、本技术中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

25、通过高精度动态监测与空间分析，实现了对沟道侧向扩张风险的精准识别、驱动因素的定量解耦及工程效能的科学评估，克服了传统方法依赖经验、无法关联源-沟关系、评估指标单一的不足，为固沟保塬提供了从精准诊断、靶向治理到定量反馈的全链条、可操作的技术方案。

26、通过高密度网格和高频次动态扫描，实现了对侵蚀－沉积－再侵蚀全过程的分钟级连续观测，可精准量化暂态沉积的滞留时间、二次侵蚀贡献及高风险区域，从而揭示传统方法无法捕捉的瞬时泥沙输移动力学，为工程措施的稳定性和长效性评估提供了关键过程证据与优化依据。