ArcGIS和奧維地圖在抽水蓄能電站前期規(guī)劃中的應(yīng)用

0 引言

隨著國家“碳達峰、碳中和”目標的推進，抽水蓄能電站在清潔能源并網(wǎng)中扮演著關(guān)鍵角色，承擔(dān)調(diào)峰填谷、調(diào)頻調(diào)相等任務(wù)[1-2]。根據(jù)中國《抽水蓄能中長期發(fā)展規(guī)劃（2021～2035年）》，到2030年國內(nèi)抽水蓄能規(guī)模將達到1.2億 kW^[3] 。因此，在選址時需綜合考慮電力系統(tǒng)布局、水源和地質(zhì)條件、施工和交通便利性、生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)避讓以及對周邊人口和耕地的影響，以確保工程順利推進并實現(xiàn)高質(zhì)量建設(shè)[4-5]

在抽水蓄能電站前期規(guī)劃階段，為了確保建設(shè)方案的經(jīng)濟合理性，移民專業(yè)需要配合上游專業(yè)開展多方案技術(shù)經(jīng)濟比選，由于工作周期緊、比選方案多且變動頻繁，探索科學(xué)、高效的移民安置規(guī)劃設(shè)計方法勢在必行[6。傳統(tǒng)的實物指標測算通常是依據(jù)地形地類圖和人工核查相結(jié)合的方式進行。然而，此類電站多位于偏遠山區(qū)，因地形起伏和附著物辨識度低，導(dǎo)致現(xiàn)場勘查受限，實物指標測算效率低[7]。相比而言，基于國土空間數(shù)據(jù)庫的ArcGIS技術(shù)能夠有效優(yōu)化土地調(diào)查工作，對地理數(shù)據(jù)進行快速查詢、分析和處理[8]，因此國內(nèi)各級測繪、國土、林業(yè)等部門多采用基于Arc-GIS的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)，存儲并管理大量的地理空間數(shù)據(jù)[9]。奧維地圖能夠為規(guī)劃設(shè)計提供常用的點、線、面等多種編輯工具，并且可以將編輯對象直接轉(zhuǎn)化為ArcGIS可讀取的矢量對象[10]

近年來，陳俊等[1o]利用Microstation軟件實現(xiàn)了抽水蓄能電站施工總布置設(shè)計圖在奧維地圖中的定位和展示，提升了勘察設(shè)計效率。然而，該方法無法實現(xiàn)土地利用現(xiàn)狀圖、生態(tài)紅線、永久基本農(nóng)田等shp文件的疊加和協(xié)同設(shè)計；何仕強等[1]使用ArcGIS軟件量算抽水蓄能電站建設(shè)征地面積和排查敏感因素，但在多方案比選時該方法效率較低且未結(jié)合衛(wèi)星影像地圖和地形圖進行分析，無法實現(xiàn)三維可視化。為此，本研究以新龍抽水蓄能電站為例，重點闡述基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理、空間轉(zhuǎn)換、疊加和投影、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和地圖可視化等詳細過程，探討了ArcGIS結(jié)合奧維地圖在抽水蓄能電站前期規(guī)劃階段實物指標匡算、正常蓄水位比選、施工總布置規(guī)劃等多方面的應(yīng)用，以期為抽水蓄能電站前期移民安置規(guī)劃提供參考。

1技術(shù)路線

1.1 基礎(chǔ)資料準備

根據(jù)抽水蓄能電站移民安置初步規(guī)劃階段工作目標及相應(yīng)的功能需求，系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)分為兩類： ① 研究區(qū)域基礎(chǔ)地形及衛(wèi)星影像圖數(shù)據(jù)，地形圖創(chuàng)建自ASTERGDEMV3全球數(shù)字高程模型（空間分辨率約30m ），衛(wèi)星影像圖來源于奧維四維地球衛(wèi)星影像圖數(shù)據(jù)（空間分辨率約 50m ）； ② 基于奧維的某抽水蓄能電站初步規(guī)劃設(shè)計圖及相應(yīng)區(qū)域1：2000土地利用現(xiàn)狀圖（第三次全國國土調(diào)查數(shù)據(jù)）。

1.2 空間轉(zhuǎn)換

地理空間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換主要包括二維數(shù)據(jù)的空間疊加以及衛(wèi)星影像圖在高程數(shù)據(jù)加持下的三維可視化?？臻g數(shù)據(jù)坐標系不同，可能導(dǎo)致定位、幾何計算結(jié)果出現(xiàn)偏差。

（1）將所有shp文件、柵格數(shù)據(jù)等投影于GCGS2000坐標系。具體方法：利用ArcToolbox投影和變換工具，在研究區(qū)地理坐標系統(tǒng)基礎(chǔ)上，使用投影算法將要素進行批量投影。參照研究區(qū)域經(jīng)度范圍確定中央經(jīng)線，基于地理坐標系CGCS2000以 3^° 分帶采用高斯-克呂格方法進行投影。

（2）由于實物指標統(tǒng)計功能僅針對上、下水庫淹沒范圍，需要將土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)信息通過標識依次疊加到具體的研究區(qū)域內(nèi)。具體方法：通過ArcTool-box疊加分析-標識分析工具將土地利用現(xiàn)狀圖數(shù)據(jù)分別疊加至上、下水庫淹沒范圍面文件中。

（3）對于研究區(qū)三維場景的擬合，則以衛(wèi)星影像圖作為底圖，疊加數(shù)字高程DEM數(shù)據(jù)。具體方法：將衛(wèi)星影像圖表面高度設(shè)定為在自定義表面浮動，并選擇相應(yīng)的DEM數(shù)據(jù)路徑。最后，以轉(zhuǎn)換后的空間數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用ArcMap和ArcScene執(zhí)行實物指標測算及水庫淹沒模擬等操作。

1.3 實物指標分類測算

建設(shè)征地涉及實物指標是工程規(guī)模確定、工程方案比選、移民安置投資匡算等的基礎(chǔ)。因此，需要對實物指標分類、分項地進行統(tǒng)計和匯總。具體來說，將地類空間信息通過標識疊加至具體的研究區(qū)域后，再對實物指標進行分析和幾何計算。具體方法：利用“幾何計算-計算面積\"指令對各地類面積進行計算，通過DLMC字段對面積分地類進行匯總。需要注意的是，對于耕地、林草地等土地，應(yīng)換算為畝面積;對于農(nóng)村道路、公路等專項設(shè)施，應(yīng)轉(zhuǎn)換為公里長度。由于道路寬度相對較短，在選址規(guī)劃階段可忽略不計，因此本研究采用計算周長的1/2來進行估算，研究技術(shù)路線如圖1所示。

2 實例應(yīng)用

2.1 研究區(qū)概況

結(jié)合研究區(qū)域水文、地質(zhì)資料，經(jīng)初步分析，工程區(qū)未見較大規(guī)模崩塌、滑坡、泥石流等不良地質(zhì)體發(fā)育。上、下水庫庫周邊坡整體穩(wěn)定，庫盆封閉條件較好，均具備成庫的地形地質(zhì)條件。同時，淹沒區(qū)水源條件較好，能夠滿足該電站水庫初期蓄水和正常運行期水量的需求。如圖2（a）所示，下庫庫周交通條件較為便利。相比而言，上庫未見交通運輸線路，因而需要對不滿足運輸需求的鄉(xiāng)道和進場道路進行擴建或改造（圖2（c））。

由于地表附著物種類繁多且辨識度較低，僅依靠衛(wèi)星影像地圖通常難以辨認地物種類及面積。因此，本研究在ArcGIS中通過標識工具將土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)信息依次疊加到上、下水庫相應(yīng)的研究區(qū)域內(nèi)。如圖2所示，ArcGIS中各地類范圍與奧維衛(wèi)星影像圖重合度較高，從統(tǒng)計結(jié)果來看，上、下水庫淹沒區(qū)涉及實物指標主要為林地（包括灌木和喬木林地），共計613.58畝 （40.9hm² ），占比達到 93.13% 。另外涉及45.15畝 （3.01hm² ）天然牧草地和極少量的旱地。相比而言，下水庫正常蓄水位 3500m 方案淹沒區(qū)還涉及 1.01km 的公路，而上水庫則不涉及此類專項。綜上所述，上、下庫淹沒區(qū)涉及實物指標種類較為單一，且均不涉及人口、房屋及重大專項設(shè)施，從建設(shè)征地與移民安置的角度來說，工程規(guī)劃與選址是合理且可行的。然而，由于涉及大量的林地，需要進一步明確其是否為國家一級公益林或二級公益林中的有林地。同時，對于涉及的少量耕地和天然牧草地，也需要進一步核實其是否為永久基本農(nóng)田或基本草原。

2.2 方案比選

在站址選定的基礎(chǔ)上，需要通過比選進一步論證不同蓄水位或施工布置方案對建設(shè)征地涉及實物指標和敏感因素等的影響，從而為電站正常蓄水位和施工布置的初步選擇提供參考依據(jù)。以下庫 3470～3500m （圖3（a））以及上庫 4110～4140m （圖3（c））正常蓄水位為例，通過ArcGIS批量標識與匯總統(tǒng)計功能計算出不同水位涉及的實物指標種類及數(shù)量。如圖3（b）所示，隨著下水庫正常蓄水位從 3 470m 上升至3 490m ，水庫淹沒涉及實物指標種類不變，但數(shù)量逐漸增加。從變化幅度看，當(dāng)水位從 3 470m 上升至3480m 時，實物指標量的增長率最高，公路、灌木及喬木林地數(shù)量分別提升了28. 99% ，44. 06% 和24.57% 。其中，灌木林地提升幅度最大，這主要是由于庫周灌木林地資源更為豐富。然而，隨著下庫正常蓄水位繼續(xù)上升至 3500m ，實物指標量增長速率減緩，同時開始涉及少量耕地。這是由于隨著水位抬升，右側(cè)岸坡地形趨于平緩，并逐步淹沒寬緩臺地上的梯田。相比而言，上庫正常蓄水位在 4120～4130m 區(qū)間時，實物指標量的增速最快，灌木、喬木林地及天然牧草地數(shù)量增長率分別達到了 23.97% ， 35.41% 和18.01% （圖3（d））?？傮w來說，上、下庫初擬的正常蓄水位方案在涉及的實物指標種類上幾乎一致，數(shù)量均隨著水位上升而呈現(xiàn)不同幅度的增加，除了下庫3500m 方案外，其余均未涉及耕地、人口、房屋等潛在敏感因素。因此，建設(shè)征地與移民安置不制約正常蓄水位方案的比選，但下水庫正常蓄水位控制在 3500m 以下較優(yōu)。

2.3 三維設(shè)計

為了對研究區(qū)域地形地貌、施工布置等條件有更加直觀的認識，本研究以衛(wèi)星影像圖作為底圖，疊加DEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)，并以墻體形式對三維曲面進行拉伸，最終呈現(xiàn)出近似于研究區(qū)現(xiàn)狀的三維可視化地圖。如圖4（a）所示，下水庫溝谷底部高程 3400m ，地形平緩，兩側(cè)谷坡較為陡峭，有梯田分布，溝谷內(nèi)植被較為發(fā)育，頂部高程可達 3771m ，右岸可見少量房屋；上水庫溝谷底部高程 4 012m ，地形平緩，兩側(cè)谷坡較為陡峭，溝谷內(nèi)植被較為發(fā)育（圖4（c））。總體來看，工程區(qū)地形較為陡峭，不利于施工場地的布置，施工布置條件一般。

由于移民、環(huán)保等問題對工程建設(shè)可能存在影響，在規(guī)劃階段應(yīng)重點查明，以確保工程建設(shè)按期推進。特別是對于自然保護區(qū)、森林公園、永久基本農(nóng)田、基本草原、國家一級公益林、人口聚居地等敏感因素，應(yīng)在規(guī)劃階段重點予以識別。因此，本研究以相應(yīng)數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，按屬性篩選出上述敏感區(qū)域的地理空間信息，在高程數(shù)據(jù)的加持下覆蓋于三維地圖表層。如圖4（b）所示，下庫研究區(qū)域右側(cè)谷坡處分散分布多處永久基本農(nóng)田，并且隨著高程上升，其分布逐漸趨于密集。特別是在右側(cè)坡岸處可見大量永久基本農(nóng)田及宅基地，由此推測附近片區(qū)為人口聚居地，規(guī)劃階段應(yīng)密切關(guān)注水庫淹沒的影響。相比而言，上庫研究區(qū)域內(nèi)不涉及人口、房屋、專項及基本農(nóng)田等實物指標（圖4（d））。因此，經(jīng)過綜合分析，上、下水庫研究區(qū)均不涉及自然保護區(qū)、森林公園、國家一級公益林地和基本草原，但上庫谷坡及坡岸處分布有較多永久基本農(nóng)田及房屋，且研究區(qū)內(nèi)林地以國家二級公益林中的有林地為主（占比69.60% ），草地均為天然牧草地。

在ArcScene中設(shè)定關(guān)鍵幀及水位面運動軌跡，通過切片法模擬水位的上升和消落。如圖4（b）所示，下庫 3500m 水位觸及右側(cè)谷坡少量永久基本農(nóng)田。然而，當(dāng)水位消落至 3 497m 時，水庫淹沒將能避免涉及此處永久基本農(nóng)田。從水庫淹沒對人口聚居地的影響來說，由于農(nóng)村宅基地分布高程均在 3623m 以上，距離庫區(qū)垂直高度在 123m 以上，其對于右岸居民的淹沒影響較弱。值得注意的是，上、下水庫涉及林地大多為二級公益林中的有林地，然而，按照相關(guān)規(guī)定，料場在選址時不能占用此類林地[8]。因此，從三維視角分析，下水庫 3 497m 以下、上水庫 4140m 正常蓄水位方案不涉及永久基本農(nóng)田及其他敏感因素，水庫淹沒對人口聚居地影響較小。但由于工程區(qū)地形陡峭且涉及有林地比例較大，在料場選擇及施工布置時應(yīng)尤其注意合理避讓。

3結(jié)論

本研究結(jié)合ArcGIS與奧維衛(wèi)星影像地圖，從征地移民角度對新龍抽水蓄能電站初步規(guī)劃站址進行了可行性分析及論證。結(jié)果表明，工程選址區(qū)具備合適的地形地質(zhì)、水源、交通條件，淹沒區(qū)涉及實物指標種類較為單一，且均不涉及人口、房屋及重大專項設(shè)施。上、下庫初擬的正常蓄水位方案之間在涉及的實物指標種類上幾乎一致，數(shù)量均隨著水位上升而呈現(xiàn)不同幅度的增加。結(jié)合水庫淹沒三維模擬成果，建議采用下庫 3497m 及上庫 4140m 以下正常蓄水位方案，從而避讓永久基本農(nóng)田及其他敏感區(qū)域。由于工程區(qū)地形較為陡峭，臨近永久基本農(nóng)田和人口聚居地，且涉及大量Ⅱ級公益林中的有林地，在料場選址及施工布置時建議合理避讓相關(guān)敏感區(qū)域，優(yōu)化工程布局。根據(jù)新龍抽水蓄能電站實踐應(yīng)用情況，ArcGIS在抽水蓄能電站前期規(guī)劃中能夠有效規(guī)避征地移民敏感因素，快速評估比選方案實物指標量，為正常蓄水位和施工布置選擇提供理論依據(jù)。

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（編輯：李晗）

Application of ArcGIS and Ovitalmap in pre - planning of pumped storage power stations

ZHANG Yu，DAI Lei，WU Qifan，CHENJing，GAN Shangwei （POWERCHINA Chengdu Engineering Corporation Limited，Chengdu ，China）

Abstract：Inordertosolvetheproblemsofheavyworkload，loweffciency，anddifficultyinidentifyinglandfeaturesin traditional pumped storage siteselection methods，we proposed a physical index clasification calculation method based onArcGIS and Ovitalmap，andrealized functions suchas normal waterlevelcomparisonand three-dimensional simulationof reservoir inundation areas.Taking the Xinlong Pumped Storage Power Stationas anexample for experimentalverification，theresultsshowed that： ① The physical indicators involved in the submerged area were mainly forest land，and would not involve population，houses，or major special facilities. ② The types of physical indicators involved in the proposed normal waterlevel schemes forthe upper and lower reservoirs were consistent，and thequantity increases to varying degrees as the water level rises. ③ The normal water level schemes for the lower reservoir at 3 497 m and the upper reservoir at414O mcanavoid permanent basic farmlandand other sensitive areas，and the impactof reservoir inundation on the populationsetlementsonthe slope bank was weak.Weutilized the Ovital satelite image maps and ArcGIS geographic analysis，calculation，andvisualization toeficientlyutilizeandtransformgeographic spatialdata.Itnotonlyenablesthe comparisonand selectionof physicalindicators ivolved invarious planningschemes，butalsoprovidereferences forthe preliminary selection of normal water level and construction layout，greatly improving the eficiencyof siteselection and planning work.

Key Words： pumped storage power stations；ArcGIS； Ovitalmap；satelite image maps；land expropriation migrants