天地一體化技術(shù)在平江抽水蓄能電站環(huán)水保超標(biāo)預(yù)警管控中的應(yīng)用研究

童慧 ，凌海濤 ，索飛，左程，鐘龍，李雷娟，劉新，宋盼盼，余蔚青

(1.湖南平江抽水蓄能有限公司，湖南 岳陽 414500；2.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京 100761；3.紫光軟件系統(tǒng)有限公司，北京 100084)

0 引言

抽水蓄能電站建設(shè)周期長，擾動(dòng)范圍廣，建設(shè)過程中將大量占壓、擾動(dòng)、破壞土地和植被，產(chǎn)生大量棄土棄渣，引起水土流失，造成水土資源損毀，破壞周圍生態(tài)環(huán)境。針對抽水蓄能電站施工擾動(dòng)監(jiān)管工作量大、工作要求高、支撐技術(shù)落后等問題，如何及時(shí)對施工擾動(dòng)范圍進(jìn)行管控，保護(hù)水土資源、生態(tài)環(huán)境是十分必要的。

在國家放管服政策實(shí)施下，生態(tài)環(huán)境部和水利部加強(qiáng)了重點(diǎn)工程事中事后監(jiān)管；為深化國家放管服改革工作，生態(tài)環(huán)境部和水利部提出強(qiáng)化科技支撐，構(gòu)建系統(tǒng)完善、科學(xué)規(guī)范、運(yùn)行高效的監(jiān)管體系。2015 年，水利部在全國啟動(dòng)了生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持“天地一體化”監(jiān)管示范，旨在深入開展監(jiān)管關(guān)鍵技術(shù)和方法的探索(姜德文等，2016)。2016 年，生態(tài)環(huán)境部編制印發(fā)了《全國生態(tài)保護(hù)“十三五”規(guī)劃綱要》，提出建設(shè)“天地一體化”的監(jiān)測體系和綜合監(jiān)管平臺(tái)，由被動(dòng)核查變?yōu)橹鲃?dòng)發(fā)現(xiàn)，提高生態(tài)保護(hù)的精細(xì)化和信息化水平。前人已將“天地一體化”體系引入到生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)管，并在實(shí)施方案(李智廣和王敬貴，2016)和技術(shù)(亢慶等，2016；姚赫和張勇，2017；黃穎偉等，2018；趙俊俠等，2019)上進(jìn)行了探討。隨著國家經(jīng)濟(jì)增長和建設(shè)進(jìn)程加快，天地一體化的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，已在水資源(桑國慶等，2020)、生態(tài)環(huán)境(姚宇平等，2017)、應(yīng)急通訊(郝昱文等，2016)、鐵路(馮濤等，2018)、礦區(qū)地表移動(dòng)(張凱等，2020)及尾礦庫排洪能力(李洪梁等，2019)等領(lǐng)域進(jìn)行了大量探索和推廣應(yīng)用。

湖南平江抽水蓄能電站(簡稱“平江電站”)位于湖南省岳陽市平江縣福壽山鎮(zhèn)境內(nèi)，屬中低山丘陵地貌，總體地勢東南高西北低，上、下水庫地表高差達(dá)700 m 以上。本工程總占地面積393.14 hm2，其中永久占地337.87 hm2、臨時(shí)占地55.27 hm2。工程建設(shè)涉及到福壽山-汨羅江國家級風(fēng)景名勝區(qū)和福壽山省級森林公園，平江電站因施工造成擾動(dòng)范圍超標(biāo)或溜坡溜渣，極易破壞周邊生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)，利用天地一體化開展平江電站環(huán)水保超標(biāo)預(yù)警管控是勢在必行的。

1 天地一體化監(jiān)測體系

天地一體化監(jiān)測體系由高空衛(wèi)星遙感監(jiān)測、低空無人機(jī)航空測量和現(xiàn)場人工監(jiān)測組成，包含數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)應(yīng)用分析模塊?；谛l(wèi)星遙感觀測范圍大，對抽水蓄能電站進(jìn)行全覆蓋監(jiān)測，查找環(huán)水保問題顯著區(qū)、易發(fā)水土流失區(qū)及超標(biāo)預(yù)警區(qū)；基于無人機(jī)機(jī)動(dòng)靈活，分辨率高，對環(huán)水保問題顯著區(qū)、易發(fā)水土流失區(qū)及超標(biāo)預(yù)警區(qū)進(jìn)行詳查，同時(shí)派遣專業(yè)人員進(jìn)行實(shí)地調(diào)查(黃來等，2020)。具體內(nèi)容如圖1 所示。

圖1 天地一體化監(jiān)測體系

1.1 衛(wèi)星遙感普查

基于衛(wèi)星遙感觀測范圍大、重訪周期短、不受地域限制等特點(diǎn)，利用衛(wèi)星遙感獲取平江電站施工區(qū)域全覆蓋遙感影像。利用遙感影像進(jìn)行解譯，及時(shí)獲取施工現(xiàn)場環(huán)水保信息，如查找環(huán)水保問題顯著區(qū)、易發(fā)水土流失區(qū)及超標(biāo)預(yù)警區(qū)，然后結(jié)合水土保持方案、環(huán)境影響報(bào)告書等設(shè)計(jì)資料，重點(diǎn)分析施工擾動(dòng)范圍合規(guī)性、總體施工擾動(dòng)是否超標(biāo)、是否存在溜坡溜渣現(xiàn)象，全面了解掌握平江電站環(huán)水保信息。

數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量好壞決定著監(jiān)測成效，不同工程，對數(shù)據(jù)采集的精度和時(shí)效性要求不同。隨著國家衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，更高精度、時(shí)效的遙感影像的出現(xiàn)，雖然能夠滿足管控要求，但其成本也隨之增加，因此，數(shù)據(jù)采集的基本原則是:首先滿足精度要求，其次考慮時(shí)效和成本。常用衛(wèi)星遙感有高分一號(hào)系列(曾毓燕，2020)、高分二號(hào)(陳凱等，2016；王天宇等，2020)、高分六號(hào)(吉長東和康仲林，2020)及國外World View、Quick Bird 等影像數(shù)據(jù)，針對平江電站每月一次的監(jiān)測頻次，考慮到影像重訪周期和成本，本文主要采用高分一號(hào)系列、高分二號(hào)及World View 遙感組合形式進(jìn)行施工擾動(dòng)監(jiān)測。

數(shù)據(jù)處理的原則是處理快速并獲取高質(zhì)量影像。因數(shù)據(jù)采集傳感器的不同，不同來源數(shù)據(jù)處理方法也不相同。衛(wèi)星遙感因?yàn)樘鞖狻鞲衅?、地形等因素的不同，得到的影像存在著傳感器誤差、幾何畸變和坐標(biāo)誤差等一系列問題，需要經(jīng)過輻射校正、大氣校正、正射校正、圖像融合、影像裁剪等處理后，才可以進(jìn)行應(yīng)用(陳岳和宋盼盼，2019)。

1.2 無人機(jī)詳查與專業(yè)人員核查

無人機(jī)具有機(jī)動(dòng)靈活、空間分辨率高等特點(diǎn)，可對衛(wèi)星遙感普查結(jié)果進(jìn)行詳查，詳查施工擾動(dòng)范圍、溜坡溜渣及擋土墻、苫蓋、護(hù)坡、臨時(shí)攔擋等環(huán)水保措施。

目前市面上常用無人機(jī)主要為固定翼與多旋翼無人機(jī)，由于多旋翼無人機(jī)拍攝范圍小，應(yīng)用時(shí)間短，不適合平江電站環(huán)水保詳查，因此本文主要采用固定翼無人機(jī)進(jìn)行平江電站環(huán)水保詳查。

無人機(jī)航飛主要經(jīng)過航線規(guī)劃設(shè)計(jì)、安全應(yīng)急預(yù)案、航前檢查、飛行監(jiān)控及航后檢查等過程，獲得航飛數(shù)據(jù)。由于天氣、云霧等客觀因素影響，或者數(shù)碼相機(jī)本身原因，使得無人機(jī)航片之間、航帶之間存在顏色、明暗等差異，需要經(jīng)過影像勻色、影像校正等處理消除誤差，最終獲得DOM 數(shù)據(jù)(數(shù)字正射影像圖)(圖2)。

圖2 無人機(jī)數(shù)據(jù)處理過程

在無人機(jī)詳查的同時(shí)派遣專業(yè)環(huán)水保人員進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查，對衛(wèi)星普查與無人機(jī)詳查結(jié)果進(jìn)行核查，并同時(shí)提出整改意見，指導(dǎo)施工單位進(jìn)行整改，順利完成環(huán)水保驗(yàn)收。

1.3 環(huán)水保信息提取

平江電站環(huán)水保信息主要包含施工擾動(dòng)范圍、施工溜坡溜渣及環(huán)水保措施實(shí)施情況等，針對處理好的影像，利用自動(dòng)解譯和人機(jī)交互目視解譯進(jìn)行施工擾動(dòng)范圍、溜坡溜渣、環(huán)水保措施等信息的獲取，并結(jié)合征地紅線范圍，利用GIS 幾何計(jì)算功能，獲取擾動(dòng)面積及施工擾動(dòng)超標(biāo)等相關(guān)數(shù)據(jù)(李嵐斌等，2019；洪倩等，2019)。

2 應(yīng)用分析

本文以平江電站為依托，將天地一體化監(jiān)測體系應(yīng)用到平江電站環(huán)水保監(jiān)管工作中，以施工擾動(dòng)范圍、施工溜坡溜渣、環(huán)水保措施為監(jiān)管對象，并結(jié)合水保方案要求、征地紅線與臨時(shí)用地紅線范圍進(jìn)行對比分析。

2.1 施工擾動(dòng)范圍合規(guī)性分析

平江電站占地范圍大，施工擾動(dòng)分區(qū)多，各個(gè)分區(qū)擾動(dòng)范圍在水保方案中有明確規(guī)定。通過自動(dòng)提取與人機(jī)交互解譯方法提取施工擾動(dòng)范圍(圖3)，并與水土流失防治責(zé)任范圍進(jìn)行對比分析，確定施工擾動(dòng)范圍是否合規(guī)。若施工擾動(dòng)范圍超出水土流失防治責(zé)任范圍，需要施工單位對超出區(qū)域及時(shí)進(jìn)行水土保持恢復(fù)工作，保障項(xiàng)目順利驗(yàn)收。

圖3 平江電站施工擾動(dòng)范圍影像圖

由表1 可知，平江電站分區(qū)施工擾動(dòng)面積未超出水土流失防治責(zé)任范圍，符合水保方案施工要求。但隨著施工的推進(jìn)，業(yè)主營地、施工營地、1＃渣場等施工擾動(dòng)范圍在擴(kuò)大，施工單位在施工過程中需引起注意，以防施工范圍的擴(kuò)大造成周邊水土流失，造成工程無法順利完成驗(yàn)收。

表1 分區(qū)施工擾動(dòng)面積合規(guī)分析表

2.2 施工擾動(dòng)范圍超標(biāo)管控

平江電站工程建設(shè)過程中涉及到福壽山-汨羅江國家級風(fēng)景名勝區(qū)和福壽山省級森林公園，若施工擾動(dòng)范圍超標(biāo)不加以管控，極易引起周圍生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)的毀滅性破壞，因此利用天地一體化獲取平江電站施工擾動(dòng)范圍，對工程順利完成驗(yàn)收、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、減少水土流失是十分必要的。將衛(wèi)星遙感提取的施工擾動(dòng)范圍與征地紅線和臨時(shí)用地范圍疊加分析，核查超標(biāo)預(yù)警區(qū)；然后利用無人機(jī)和專業(yè)人員對超標(biāo)預(yù)警區(qū)進(jìn)行詳細(xì)核查，查找超標(biāo)原因，并提出整改建議。擾動(dòng)面積超標(biāo)預(yù)警區(qū)見圖4。

由圖4 可知，Q2 變電站施工便道施工范圍已超出征地紅線與臨時(shí)用地范圍，超出距離由25 m 擴(kuò)充到27 m，說明施工區(qū)域在繼續(xù)外擴(kuò)。將監(jiān)測結(jié)果告知施工單位，提醒施工單位在此處施工時(shí)需加強(qiáng)關(guān)注，避免水土流失情況的發(fā)生。

圖4 平江電站施工擾動(dòng)范圍超標(biāo)預(yù)警區(qū)

2.3 施工溜坡溜渣預(yù)警管控

平江電站在施工過程中若環(huán)水保措施采取不及時(shí)或不到位，易造成溜坡溜渣，引發(fā)水土流失，造成水土資源損毀，生態(tài)環(huán)境的破壞。對已經(jīng)出現(xiàn)的重大溜坡溜渣應(yīng)當(dāng)予以特別關(guān)注，督促整改，以免擾動(dòng)加劇。利用衛(wèi)星遙感對平江電站進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)某施工區(qū)域(見圖5a 藍(lán)框處)向低地勢延伸，疑似溜坡溜渣；然后利用無人機(jī)與專業(yè)人員現(xiàn)場核查，確認(rèn)該區(qū)域溜坡。溜坡溜渣區(qū)域在施工完成后應(yīng)及時(shí)完成植被恢復(fù)，保障項(xiàng)目的順利驗(yàn)收。溜坡溜渣區(qū)域如圖5b～c 所示。

圖5 平江電站施工溜坡溜渣影像圖

3 結(jié)論

本文基于衛(wèi)星遙感、無人機(jī)及現(xiàn)場核查優(yōu)勢，將天地一體化監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于平江抽水蓄能電站施工階段環(huán)水保超標(biāo)預(yù)警管控，實(shí)現(xiàn)了施工擾動(dòng)范圍合規(guī)性分析、施工擾動(dòng)范圍超標(biāo)管控及溜坡溜渣預(yù)警管控。結(jié)果表明，天地一體化監(jiān)測體系相對于傳統(tǒng)管控方式具有技術(shù)先進(jìn)性和業(yè)務(wù)前瞻性，形成了“發(fā)現(xiàn)-確認(rèn)-整改”完整管控體系，確保獲取環(huán)水保信息的可靠性，實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場問題及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決，有效減少施工單位、管理部門工作壓力，達(dá)到減少水土流失，保護(hù)生態(tài)環(huán)境的目的。