雷達(dá)測(cè)釬法在特高壓直流電網(wǎng)工程水土保持自動(dòng)化監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

雷 磊，鄭樹海，萬 昊，吳 健，白曉春，王 良

[1.國(guó)網(wǎng)陜西省電力有限公司 電力科學(xué)研究院，陜西 西安 710100；2.國(guó)網(wǎng)(西安)環(huán)保技術(shù)中心有限公司，陜西 西安 710100； 3.國(guó)網(wǎng)特高壓建設(shè)分公司，北京 100052；4.國(guó)網(wǎng)陜西省電力有限公司，陜西 西安 710048]

水土保持監(jiān)測(cè)是我國(guó)水土保持事業(yè)的重要組成部分和基礎(chǔ)性工作，監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要有水土流失影響因子(雨量、氣壓、溫度、風(fēng)速風(fēng)向等)和水土流失狀況(水位、泥沙厚度、侵蝕溝寬度等)。國(guó)內(nèi)主要采用人工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)法，但該方法耗時(shí)耗力，且測(cè)量數(shù)據(jù)不精確、不連續(xù)[1]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)逐漸被引入作為輔助監(jiān)測(cè)手段，監(jiān)測(cè)效率大為提高，但目前適用于輸變電工程的水土流失自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置尚未有成熟的產(chǎn)品。輸電線路工程作為跨越區(qū)域多、途經(jīng)地形復(fù)雜的點(diǎn)/線型工程，土壤侵蝕在不同區(qū)域分布極不均衡[2-3]，急需有效方法來滿足不同區(qū)域內(nèi)輸電線路工程對(duì)水土保持監(jiān)測(cè)的需求。本研究以青?！幽稀?00 kV特高壓直流電網(wǎng)工程為例，采用雷達(dá)測(cè)釬法實(shí)現(xiàn)水土保持自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，從而為輸變電工程水土保持設(shè)施竣工驗(yàn)收提供技術(shù)支持。

1 工程概況

青?！幽稀?00 kV特高壓直流電網(wǎng)工程起于青海省海南藏族自治州境內(nèi)，途經(jīng)甘肅、陜西等省，止于河南駐馬店，線路全長(zhǎng)1 562.9 km，共計(jì)立塔3 019基，總投資約226億元，2018年年底開工，2020年7月建成投入運(yùn)營(yíng)。工程輸電電壓為±800 kV，輸送容量1 000萬kW。該項(xiàng)目的實(shí)施有力地推動(dòng)了青海千萬千瓦級(jí)新能源基地集約化開發(fā)建設(shè)和能源大規(guī)模外送，提高了西北地區(qū)可再生能源整體消納、外送水平。工程水土流失防治責(zé)任范圍1 487.09 hm2，其中項(xiàng)目建設(shè)區(qū)面積1 023.10 hm2(永久占地175.62 hm2、臨時(shí)占地847.48 hm2)、直接影響區(qū)面積463.99 hm2。項(xiàng)目建設(shè)區(qū)占地中耕地286.68 hm2、林地344.80 hm2、園地12.11 hm2、草地301.88 hm2、水域及水利設(shè)施用地0.91 hm2、其他土地75.24 hm2、交通運(yùn)輸用地1.48 hm2。

2 研究方法

為了掌握工程沿線水土流失情況，選擇青海至甘肅段的4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分析不同地貌條件下土壤侵蝕的差異，并驗(yàn)證雷達(dá)測(cè)釬法在輸電工程水土保持自動(dòng)化監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用效果。監(jiān)測(cè)點(diǎn)概況見表1。監(jiān)測(cè)點(diǎn)1：貴南縣位于青藏高原東北部，地處西青山與黃河之間，處于祁連山邊緣至昆侖山的過渡地帶。監(jiān)測(cè)點(diǎn)2：共和縣地處青藏高原東北緣，是青藏高原的東門戶。監(jiān)測(cè)點(diǎn)3：卓尼縣地處青藏高原東部，位于甘肅省甘南藏族自治州東南部。監(jiān)測(cè)點(diǎn)4：隴南市西和縣位于甘肅省東南部，屬長(zhǎng)江流域嘉陵江水系西漢水上游。

表1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)概況

3 雷達(dá)測(cè)釬法

測(cè)釬法是利用測(cè)釬測(cè)量坡面土壤侵蝕厚度，適用于各種地形條件下的土壤流失觀測(cè)，具有布設(shè)簡(jiǎn)單、實(shí)施靈活、選材方便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，在生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目土壤侵蝕監(jiān)測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。但是傳統(tǒng)測(cè)釬法應(yīng)用中也存在一些問題，比如：無法對(duì)土壤侵蝕進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，測(cè)定周期人為設(shè)定，周期越短越耗時(shí)耗力；測(cè)定精度受人為因素影響大，監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壤侵蝕越小，人為誤差可能越大；受到的人為干擾較大，測(cè)定測(cè)釬長(zhǎng)度時(shí)，不免擾動(dòng)測(cè)釬陣列周圍區(qū)域，進(jìn)而對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果造成影響；此外，人為測(cè)量限制了傳統(tǒng)測(cè)釬的布設(shè)區(qū)域，在測(cè)量人員不便進(jìn)入工作的區(qū)域無法布設(shè)測(cè)釬。

3.1 自動(dòng)監(jiān)測(cè)原理

雷達(dá)測(cè)釬法是基于超聲測(cè)距原理自動(dòng)監(jiān)測(cè)水土流失數(shù)據(jù)，具備數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)、傳輸、管理和統(tǒng)計(jì)分析等功能。數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)功能：各參量傳感器與數(shù)據(jù)采集模塊之間通過RS485進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)定時(shí)數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)長(zhǎng)期存儲(chǔ)于內(nèi)置芯片中。數(shù)據(jù)傳輸功能：可采用USB數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，也可通過特定數(shù)據(jù)格式傳送到無線傳輸模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳。數(shù)據(jù)管理功能：通過數(shù)據(jù)管理軟件，定期從采集端讀取數(shù)據(jù)，并以曲線圖的形式顯示，可永久存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中，以便隨時(shí)讀取和回放。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析功能：在數(shù)據(jù)管理軟件的基礎(chǔ)上增加統(tǒng)計(jì)分析功能，可直接獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的平均值、最大值、最小值及其他相關(guān)數(shù)據(jù)。雷達(dá)測(cè)釬法自動(dòng)監(jiān)測(cè)原理過程示意見圖1。

圖1 雷達(dá)測(cè)釬法自動(dòng)監(jiān)測(cè)過程示意

3.2 測(cè)釬布設(shè)

本項(xiàng)目雷達(dá)測(cè)釬法測(cè)釬布設(shè)方法與傳統(tǒng)測(cè)釬法基本一致。在每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)9根測(cè)釬，采取3橫3縱設(shè)置。傳統(tǒng)測(cè)釬法相鄰測(cè)釬距離為1 m(為了防止測(cè)量人員干擾監(jiān)測(cè)面)，采用雷達(dá)測(cè)釬法可根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)地形情況，適當(dāng)增加測(cè)釬的布設(shè)間距。測(cè)釬垂直打入地面，通過雷達(dá)監(jiān)測(cè)釬頂距離地面的高度，自動(dòng)監(jiān)測(cè)一定時(shí)期內(nèi)的地表降低/增加厚度。

3.3 土壤侵蝕模數(shù)計(jì)算

9根測(cè)釬監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的平均值即為該監(jiān)測(cè)點(diǎn)在某段時(shí)間內(nèi)的土壤侵蝕厚度。在各監(jiān)測(cè)點(diǎn)周圍用環(huán)刀取表層土樣，測(cè)定其容重。根據(jù)一定時(shí)間內(nèi)的土壤侵蝕厚度和土壤容重，計(jì)算該監(jiān)測(cè)點(diǎn)的土壤侵蝕模數(shù)。日、月土壤侵蝕模數(shù)計(jì)算公式分別為

(1)

(2)

式中：Dj為第j日土壤侵蝕模數(shù)，kg/m2；ρ為監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壤容重，g/cm3；hi為第i個(gè)測(cè)釬的日侵蝕深度，mm；Mk為k月土壤侵蝕模數(shù)，kg/m2；n為k月天數(shù),d。

4 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

選取2019年9、10月份4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(圖2)，驗(yàn)證雷達(dá)測(cè)釬法在輸電線路工程水土保持自動(dòng)化監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用效果。對(duì)儀器進(jìn)行檢測(cè)后，發(fā)現(xiàn)測(cè)量誤差為±3 mm，其有效測(cè)量范圍為300～700 mm[4]。對(duì)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，探究測(cè)量結(jié)果是否符合現(xiàn)實(shí)情況?？梢?，處于青藏高原的監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、2、3在9月份的土壤侵蝕模數(shù)變化范圍小于10月份，這是因?yàn)榍嗖馗咴貐^(qū)9—10月份降水稀少，但風(fēng)速有所增加，風(fēng)力侵蝕的變化增加了日土壤侵蝕模數(shù)的波動(dòng)性。這說明雷達(dá)測(cè)釬法的測(cè)定結(jié)果規(guī)律是合理的。

圖2 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壤侵蝕模數(shù)

對(duì)比各監(jiān)測(cè)點(diǎn)9、10月份的土壤侵蝕模數(shù)，發(fā)現(xiàn)位于青藏高原的3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)9月份土壤侵蝕模數(shù)遠(yuǎn)低于位于黃土高原的監(jiān)測(cè)點(diǎn)4，且監(jiān)測(cè)點(diǎn)4在9月份的土壤侵蝕模數(shù)遠(yuǎn)高于10月份(表2)。這源于兩地氣候條件及主導(dǎo)侵蝕方式的差異。9、10月份青藏高原受到水力侵蝕和風(fēng)力侵蝕的雙重影響，而黃土高原地區(qū)則主要受到水力侵蝕的影響。青藏高原地區(qū)在9月份以后降水極少且風(fēng)速不大，而黃土高原9月份的降水依然較多，故9月份監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、2、3的土壤侵蝕模數(shù)低于監(jiān)測(cè)點(diǎn)4。進(jìn)入10月份后，黃土高原地區(qū)降水明顯減少，土壤侵蝕模數(shù)也明顯下降?？梢姡走_(dá)測(cè)釬法的測(cè)定結(jié)果也符合從氣候條件和侵蝕方式出發(fā)進(jìn)行理論分析的結(jié)果。

表2 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)9、10月侵蝕模數(shù) kg/m2

在具體應(yīng)用中還發(fā)現(xiàn)在青?！幽稀?00 kV特高壓直流電網(wǎng)工程中采用雷達(dá)測(cè)釬法監(jiān)測(cè)水土流失，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、定時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)周期可縮短至1 h或1 d，得到較為連續(xù)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，且省時(shí)省力；雷達(dá)測(cè)距減少了人為誤差，結(jié)合連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能提高監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性；僅在布設(shè)時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)造成一定干擾，后期無需到監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量工作，減少了對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的人為干擾；可通過適當(dāng)增加測(cè)釬距離，擴(kuò)大測(cè)釬陣列的監(jiān)測(cè)區(qū)域，將監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)到地形較為復(fù)雜的區(qū)域，使監(jiān)測(cè)結(jié)果更具代表性；適用工程范圍較廣，其短周期的自動(dòng)監(jiān)測(cè)適用于各種監(jiān)測(cè)時(shí)間段的工程。

5 結(jié) 論

雷達(dá)測(cè)釬法基于超聲測(cè)距原理，通過數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)、傳輸、管理和統(tǒng)計(jì)分析等功能的集成，實(shí)現(xiàn)了輸電線路工程項(xiàng)目中水土流失的實(shí)時(shí)、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。由于雷達(dá)監(jiān)測(cè)可對(duì)土壤侵蝕進(jìn)行自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，后期無需人為測(cè)量，極大地?cái)U(kuò)展了測(cè)釬法的應(yīng)用范圍。尤其對(duì)于監(jiān)測(cè)時(shí)間較短、工程涉及區(qū)域地形較為復(fù)雜的生產(chǎn)建設(shè)工程，雷達(dá)測(cè)釬法的測(cè)定周期較短，可提高監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。此外，雷達(dá)測(cè)釬可布設(shè)至地形復(fù)雜區(qū)域，適用于那些常途經(jīng)復(fù)雜地形的生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目。在未來，雷達(dá)測(cè)釬法研究還需向測(cè)釬微型化、功能集成化，以及數(shù)據(jù)測(cè)定的精確性、數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?、?shù)據(jù)存貯的安全性和數(shù)據(jù)處理的便利性等方面努力，推動(dòng)水土保持監(jiān)測(cè)向更加自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展，使其成為生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)的有效手段。