雷達測釬法在特高壓直流電網工程水土保持自動化監測中的應用

雷 磊，鄭樹海，萬 昊，吳 健，白曉春，王 良

[1.國網陜西省電力有限公司 電力科學研究院，陜西 西安 710100；2.國網(西安)環保技術中心有限公司，陜西 西安 710100； 3.國網特高壓建設分公司，北京 100052；4.國網陜西省電力有限公司，陜西 西安 710048]

水土保持監測是我國水土保持事業的重要組成部分和基礎性工作，監測內容主要有水土流失影響因子(雨量、氣壓、溫度、風速風向等)和水土流失狀況(水位、泥沙厚度、侵蝕溝寬度等)。國內主要采用人工現場監測法，但該方法耗時耗力，且測量數據不精確、不連續[1]。隨著計算機技術逐漸被引入作為輔助監測手段，監測效率大為提高，但目前適用于輸變電工程的水土流失自動監測裝置尚未有成熟的產品。輸電線路工程作為跨越區域多、途經地形復雜的點/線型工程，土壤侵蝕在不同區域分布極不均衡[2-3]，急需有效方法來滿足不同區域內輸電線路工程對水土保持監測的需求。本研究以青海—河南±800 kV特高壓直流電網工程為例，采用雷達測釬法實現水土保持自動化監測，從而為輸變電工程水土保持設施竣工驗收提供技術支持。

1 工程概況

青海—河南±800 kV特高壓直流電網工程起于青海省海南藏族自治州境內，途經甘肅、陜西等省，止于河南駐馬店，線路全長1 562.9 km，共計立塔3 019基，總投資約226億元，2018年年底開工，2020年7月建成投入運營。工程輸電電壓為±800 kV，輸送容量1 000萬kW。該項目的實施有力地推動了青海千萬千瓦級新能源基地集約化開發建設和能源大規模外送，提高了西北地區可再生能源整體消納、外送水平。工程水土流失防治責任范圍1 487.09 hm2，其中項目建設區面積1 023.10 hm2(永久占地175.62 hm2、臨時占地847.48 hm2)、直接影響區面積463.99 hm2。項目建設區占地中耕地286.68 hm2、林地344.80 hm2、園地12.11 hm2、草地301.88 hm2、水域及水利設施用地0.91 hm2、其他土地75.24 hm2、交通運輸用地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個監測點，分析不同地貌條件下土壤侵蝕的差異，并驗證雷達測釬法在輸電工程水土保持自動化監測中的應用效果。監測點概況見表1。監測點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。監測點2：共和縣地處青藏高原東北緣，是青藏高原的東門戶。監測點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。監測點4：隴南市西和縣位于甘肅省東南部，屬長江流域嘉陵江水系西漢水上游。

表1 監測點概況

3 雷達測釬法

測釬法是利用測釬測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，具有布設簡單、實施靈活、選材方便、成本低廉等優點，在生產建設項目土壤侵蝕監測領域應用廣泛。但是傳統測釬法應用中也存在一些問題，比如：無法對土壤侵蝕進行連續監測，測定周期人為設定，周期越短越耗時耗力；測定精度受人為因素影響大，監測點土壤侵蝕越小，人為誤差可能越大；受到的人為干擾較大，測定測釬長度時，不免擾動測釬陣列周圍區域，進而對監測結果造成影響；此外，人為測量限制了傳統測釬的布設區域，在測量人員不便進入工作的區域無法布設測釬。

3.1 自動監測原理

雷達測釬法是基于超聲測距原理自動監測水土流失數據，具備數據采集與存儲、傳輸、管理和統計分析等功能。數據采集與存儲功能：各參量傳感器與數據采集模塊之間通過RS485進行通信，實現定時數據采集，并將數據長期存儲于內置芯片中。數據傳輸功能：可采用USB數據線與計算機直接進行數據傳輸，也可通過特定數據格式傳送到無線傳輸模塊，實現數據遠傳。數據管理功能：通過數據管理軟件，定期從采集端讀取數據，并以曲線圖的形式顯示，可永久存儲于計算機中，以便隨時讀取和回放。數據統計分析功能：在數據管理軟件的基礎上增加統計分析功能，可直接獲取監測數據的平均值、最大值、最小值及其他相關數據。雷達測釬法自動監測原理過程示意見圖1。

圖1 雷達測釬法自動監測過程示意

3.2 測釬布設

本項目雷達測釬法測釬布設方法與傳統測釬法基本一致。在每個監測點布設9根測釬，采取3橫3縱設置。傳統測釬法相鄰測釬距離為1 m(為了防止測量人員干擾監測面)，采用雷達測釬法可根據監測點地形情況，適當增加測釬的布設間距。測釬垂直打入地面，通過雷達監測釬頂距離地面的高度，自動監測一定時期內的地表降低/增加厚度。

3.3 土壤侵蝕模數計算

9根測釬監測數據的平均值即為該監測點在某段時間內的土壤侵蝕厚度。在各監測點周圍用環刀取表層土樣，測定其容重。根據一定時間內的土壤侵蝕厚度和土壤容重，計算該監測點的土壤侵蝕模數。日、月土壤侵蝕模數計算公式分別為

(1)

(2)

式中：Dj為第j日土壤侵蝕模數，kg/m2；ρ為監測點土壤容重，g/cm3；hi為第i個測釬的日侵蝕深度，mm；Mk為k月土壤侵蝕模數，kg/m2；n為k月天數,d。

4 監測結果分析

選取2019年9、10月份4個監測點的監測數據(圖2)，驗證雷達測釬法在輸電線路工程水土保持自動化監測中的應用效果。對儀器進行檢測后，發現測量誤差為±3 mm，其有效測量范圍為300～700 mm[4]。對實際測量數據進行分析，探究測量結果是否符合現實情況。可見，處于青藏高原的監測點1、2、3在9月份的土壤侵蝕模數變化范圍小于10月份，這是因為青藏高原地區9—10月份降水稀少，但風速有所增加，風力侵蝕的變化增加了日土壤侵蝕模數的波動性。這說明雷達測釬法的測定結果規律是合理的。

圖2 各監測點土壤侵蝕模數

對比各監測點9、10月份的土壤侵蝕模數，發現位于青藏高原的3個監測點9月份土壤侵蝕模數遠低于位于黃土高原的監測點4，且監測點4在9月份的土壤侵蝕模數遠高于10月份(表2)。這源于兩地氣候條件及主導侵蝕方式的差異。9、10月份青藏高原受到水力侵蝕和風力侵蝕的雙重影響，而黃土高原地區則主要受到水力侵蝕的影響。青藏高原地區在9月份以后降水極少且風速不大，而黃土高原9月份的降水依然較多，故9月份監測點1、2、3的土壤侵蝕模數低于監測點4。進入10月份后，黃土高原地區降水明顯減少，土壤侵蝕模數也明顯下降。可見，雷達測釬法的測定結果也符合從氣候條件和侵蝕方式出發進行理論分析的結果。

表2 各監測點9、10月侵蝕模數 kg/m2

在具體應用中還發現在青海—河南±800 kV特高壓直流電網工程中采用雷達測釬法監測水土流失，能實現自動、定時監測，監測周期可縮短至1 h或1 d，得到較為連續的監測數據，且省時省力；雷達測距減少了人為誤差，結合連續監測數據能提高監測結果的準確性；僅在布設時對監測點造成一定干擾，后期無需到監測點進行測量工作，減少了對監測結果的人為干擾；可通過適當增加測釬距離，擴大測釬陣列的監測區域，將監測點布設到地形較為復雜的區域，使監測結果更具代表性；適用工程范圍較廣，其短周期的自動監測適用于各種監測時間段的工程。

5 結 論

雷達測釬法基于超聲測距原理，通過數據采集與存儲、傳輸、管理和統計分析等功能的集成，實現了輸電線路工程項目中水土流失的實時、自動化監測。由于雷達監測可對土壤侵蝕進行自動實時監測，后期無需人為測量，極大地擴展了測釬法的應用范圍。尤其對于監測時間較短、工程涉及區域地形較為復雜的生產建設工程，雷達測釬法的測定周期較短，可提高監測結果的準確性。此外，雷達測釬可布設至地形復雜區域，適用于那些常途經復雜地形的生產建設項目。在未來，雷達測釬法研究還需向測釬微型化、功能集成化，以及數據測定的精確性、數據傳輸的完整性、數據存貯的安全性和數據處理的便利性等方面努力，推動水土保持監測向更加自動化、智能化的方向發展，使其成為生產建設項目水土保持監測的有效手段。