基于氣象站監(jiān)測數(shù)據(jù)的特高壓輸變電工程水土流失監(jiān)測

雷 磊，王 良，吳 健，段建東，江 濤，王辰曦，劉 帆

(1.國網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院，陜西 西安 710199； 2.國網(wǎng)(西安)環(huán)保技術(shù)中心有限公司，陜西 西安 710100； 3.國網(wǎng)陜西省電力有限公司，陜西 西安 710199； 4.西安理工大學(xué)，陜西 西安 710048)

0 引言

特高壓輸電線路工程是我國電力系統(tǒng)中輸電環(huán)節(jié)的重要載體，也是關(guān)乎國民經(jīng)濟(jì)命脈的重要環(huán)節(jié)，其建設(shè)過程會影響地表生態(tài)結(jié)構(gòu)，對線路沿線植被、地貌等造成明顯影響，破壞植被后進(jìn)一步加重了水土流失，引起的土壤侵蝕強(qiáng)度往往會比自然侵蝕強(qiáng)度高出更多[1]。實(shí)際上，由于之前缺乏環(huán)保意識，因此在輸電線路的建設(shè)過程中較為隨意，讓土質(zhì)原本就比較脆弱的地區(qū)土壤流失進(jìn)一步嚴(yán)重。

目前已經(jīng)有許多學(xué)者致力于研究特高壓輸電線路工程施工對水土保持的監(jiān)測及其影響，以及風(fēng)電、光伏建設(shè)過程中水土保持的監(jiān)測。文獻(xiàn)[2] 對西北黃土丘陵區(qū)、南方紅壤丘陵區(qū)及青藏高原山地丘陵區(qū)典型架空輸電線路的土壤侵蝕進(jìn)行了資料與實(shí)地監(jiān)測相結(jié)合的研究，分析了架空輸電線路工程區(qū)土壤侵蝕類型、侵蝕強(qiáng)度以及防治措施等方面的差異。文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了水土保持超聲測釬裝置，并給出了表征水土流失的土壤侵蝕模數(shù)計(jì)算模型，將其應(yīng)用于實(shí)際工程中。文獻(xiàn)[4]介紹了水土流失的特點(diǎn)和危害，首先對水土流失進(jìn)行監(jiān)測，然后采取了防治措施并進(jìn)行效果評價(jià)。文獻(xiàn)[5-7]主要針對風(fēng)電、光伏發(fā)電項(xiàng)目中水土保持監(jiān)測的實(shí)施展開研究，并對輸電線路工程水土保持監(jiān)測樣點(diǎn)位置布設(shè)進(jìn)行探討。文獻(xiàn)[8]重點(diǎn)分析了水土保持監(jiān)測的內(nèi)容、方法等，對特高壓直流輸電工程的水土保持監(jiān)測進(jìn)行了研究。

實(shí)際上，水土流失和氣象狀況有很大關(guān)聯(lián)，風(fēng)力的大小會決定風(fēng)蝕的程度，降水等氣象現(xiàn)象也會顯著引起水土流失，目前關(guān)于氣象對水土流失的影響研究也很多。文獻(xiàn)[9]從影響水土流失的氣象因素分析入手，重點(diǎn)研究不同降水方式對水土流失的影響，對輸電工程中水土流失提供參考和啟發(fā)。文獻(xiàn)[10-12]研究降雨特征對山丘地區(qū)水土流失的影響，為水土流失的防治提供理論支撐。文獻(xiàn)[13]首先分析水土流失的特點(diǎn)，然后對實(shí)際工程項(xiàng)目的水土流失監(jiān)測進(jìn)行分析。

因此，從水土流失的特點(diǎn)出發(fā)，采用設(shè)備監(jiān)測氣象數(shù)據(jù)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，進(jìn)行水土流失的實(shí)時監(jiān)測，對特高壓輸電線路沿線水土流失防治以及地表恢復(fù)具有重要意義。

1 氣象站介紹

本文使用的氣象站采用了氣象傳感器技術(shù)，集成了大氣溫度、濕度、壓力、風(fēng)向、風(fēng)速、降雨量等氣象參數(shù)的監(jiān)測。同時，氣象站具有的諸多優(yōu)點(diǎn)契合野外環(huán)境監(jiān)測點(diǎn)的水土流失監(jiān)測。

1)長期穩(wěn)定的大氣溫、濕度測量技術(shù)。水土流失的重要特征是大面積的山丘裸露，植被稀少，導(dǎo)致氣候炎熱。因此，植被覆蓋與溫度有巨大的關(guān)系，也進(jìn)而影響著水土流失[14]。

2)采用精確的超聲技術(shù)測量風(fēng)速和風(fēng)向。風(fēng)速和風(fēng)向是風(fēng)重要的特征因子，風(fēng)的大小關(guān)系著當(dāng)?shù)刂脖坏母采w率以及風(fēng)蝕影響程度，對水土流失而言關(guān)系重大。

3)精確的降雨量監(jiān)測。當(dāng)不同大小和數(shù)量的雨滴撞擊光敏器件外表面時，可以獲得光束強(qiáng)度的變化，而光束強(qiáng)度的變化會影響脈沖計(jì)數(shù)值的改變，進(jìn)而反映雨量的大小。降雨量、降雨強(qiáng)度等降雨特征與降雨徑流的形成有重大聯(lián)系，因此，降雨類型與水土流失存在著不可忽視的關(guān)系[11]。

4)超低功耗(0.2 W)可以保證野外環(huán)境不可控的監(jiān)測點(diǎn)設(shè)備正常運(yùn)行。氣象站還具有數(shù)據(jù)存儲功能，保證了氣象數(shù)據(jù)的完整性。WTS系列氣象站的結(jié)構(gòu)如圖1所示，實(shí)物現(xiàn)場監(jiān)測安裝圖如圖2所示。

圖1 WTS系列氣象站尺寸結(jié)構(gòu)Fig.1 Size and structure of WTS series meteorological stations

圖2 氣象站現(xiàn)場安裝圖Fig.2 Site installation drawing of Meteorological Station

2 監(jiān)測方法與軟件平臺

2.1 水土流失監(jiān)測方法

光敏測釬傳感器在監(jiān)測水土流失時具有測量迅速、誤差小、布線簡單等優(yōu)點(diǎn)，相比傳統(tǒng)的有線超聲測釬傳感器更為普適和經(jīng)濟(jì)。因此本文選用光敏測釬傳感器對監(jiān)測點(diǎn)的水土流失進(jìn)行監(jiān)測。

氣象站采集監(jiān)測點(diǎn)的主要?dú)庀髤?shù)，包括環(huán)境溫度、大氣濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、降雨量以及PM2.5等信息。采集監(jiān)測點(diǎn)采用光伏供電。為了監(jiān)測布設(shè)點(diǎn)的動植物環(huán)境與設(shè)備破壞情況，還在氣象站下方增設(shè)了攝像頭。圖3為某特高壓輸電線路水土保持監(jiān)測的現(xiàn)場布設(shè)圖。

圖3 水土保持監(jiān)測現(xiàn)場布設(shè)圖Fig.3 Site layout of soil and water conservation monitoring

2.2 軟件平臺

軟件系統(tǒng)采用無線光纖傳感器采集現(xiàn)場環(huán)境和土壤流失數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過4G路由器遠(yuǎn)程傳輸?shù)酵競髟破脚_上。然后，通過有人串口將透傳云平臺上的數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測軟件上，最終進(jìn)行顯示，實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間、設(shè)備與終端之間正常的數(shù)據(jù)通信。

圖4是陜西—湖北±800 kV特高壓直流輸電工程水土保持監(jiān)測系統(tǒng)軟件V3.3.8版本首頁圖。軟件可以實(shí)現(xiàn)以下功能:實(shí)時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的監(jiān)測顯示；配置線路監(jiān)測點(diǎn)的信息與參數(shù)；管理顯示線路相關(guān)新聞；周報(bào)表、月報(bào)表、季報(bào)表、運(yùn)行報(bào)告等文件管理。

圖4 水土保持監(jiān)測系統(tǒng)軟件界面圖Fig.4 Software interface diagram of soil and water conservation monitoring system

圖5是監(jiān)測系統(tǒng)軟件的線路監(jiān)測點(diǎn)信息圖。圖中顯示了線路各監(jiān)測點(diǎn)的位置信息和監(jiān)測信息。其中，監(jiān)測信息主要包括氣象站所監(jiān)測的溫度、適度、風(fēng)速、風(fēng)向、余量、噪聲、PM2.5等氣象信息以及光敏測釬所監(jiān)測的9根測釬值。在打開有人串口之前，默認(rèn)監(jiān)測信息為0。圖6是軟件平臺的新聞管理界面圖。

圖5 水土保持監(jiān)測系統(tǒng)軟件的線路監(jiān)測點(diǎn)信息圖Fig.5 Line monitoring point information diagram

圖6 新聞管理界面圖Fig.6 News management

3 監(jiān)測結(jié)果分析

本文所提方法實(shí)際應(yīng)用于陜西—湖北±800 kV特高壓直流輸電工程的水土流失監(jiān)測，線路各監(jiān)測點(diǎn)分布如圖7所示。下面以此線路實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖7 陜西—湖北±800 kV特高壓水土保持在線監(jiān)測站點(diǎn)

3.1 降雨量與水土流失量

圖8是洛陽市汝陽縣監(jiān)測點(diǎn)的降雨量和水土流失數(shù)據(jù)圖。此外，還可以設(shè)置軟件顯示溫度、PM2.5、風(fēng)速、噪聲、濕度、風(fēng)向和水土流失量的相關(guān)結(jié)果。從圖中可以看出，汝陽縣9月的降雨量偏多，這與2021年9月河南省降雨偏多符合，進(jìn)一步對照歷史天氣可以知道，使用氣象站監(jiān)測天氣的結(jié)果是準(zhǔn)確的。

對比分析圖8，可以看出當(dāng)降雨出現(xiàn)時，水土流失量會近乎同步地變化，例如9月19日左右出現(xiàn)一次降雨，對應(yīng)的水土流失量也有所增加。但整體來看，水土流失量稍延遲于降雨出現(xiàn)，這是因?yàn)樾枰_(dá)到一定的降雨強(qiáng)度，然后形成地表徑流，進(jìn)而才會發(fā)生水土流失。當(dāng)沒有降雨時，例如圖中的9月9日—9月19日沒有降雨，因此水土流失量就很小，甚至?xí)霈F(xiàn)土壤量的增加。這也符合實(shí)際的降雨與水土流失之間的作用關(guān)系。

圖8 洛陽市汝陽縣監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)

事實(shí)上，雨水和土壤侵蝕之間有著密切的關(guān)系。高強(qiáng)度降雨會造成地表徑流迅速形成，進(jìn)而造成嚴(yán)重的水土流失。應(yīng)該指出的是，降雨強(qiáng)度必須大于某一特定值，否則的話，不管下多少雨，都不可能導(dǎo)致水土流失的形成。這是因?yàn)榻涤陱?qiáng)度過小時，就不會形成地表徑流，那么土壤就不會被侵蝕掉。

3.2 風(fēng)速與水土流失量

除了降雨，風(fēng)速大小也是造成水土流失的一個不可忽視的因素。圖9是榆林市佳縣監(jiān)測點(diǎn)的風(fēng)速和水土流失數(shù)據(jù)圖。

圖9 榆林市佳縣監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)Fig.9 Data of monitoring points in Jiaxian County，Yulin City

位于黃土高原地區(qū)的榆林市，本就千溝萬壑，氣候較為干旱。圖9是9月份的數(shù)據(jù)，時值中秋，風(fēng)力不是特別大，而且水土流失不僅僅取決于風(fēng)速，還有降雨、溫度等其他因素的共同作用，因此圖中風(fēng)速對水土流失的影響不甚明顯，但也可從其中看出一些規(guī)律。從圖中來看，9月3日、9月7日的風(fēng)力較大，因此對應(yīng)的水土流失較多。從9月7日—9月17日風(fēng)速都較大，因此在此期間水土流失較多，17日之后一段時間風(fēng)速減小，因此出現(xiàn)了土壤的增加。總體來講，風(fēng)速增大時，會增加水土流失；風(fēng)速減小時，水土流失會減小。此外，風(fēng)速和水土流失也呈現(xiàn)近似相關(guān)的波動性趨勢。

3.3 其他氣象因素與水土流失量

氣象站監(jiān)測所得的其余因素，包括溫度、濕度、PM2.5、噪聲等也會對水土流失造成影響，具體數(shù)據(jù)可通過軟件平臺獲得，進(jìn)而分析之間的關(guān)聯(lián)性。

3.4 各站點(diǎn)水土流失量差異分析

圖10是8個站點(diǎn)在2021年1—4月的水土流失柱狀圖。

圖10 2021年各站點(diǎn)月土壤流失量Fig.10 Monthly soil loss of each station in 2021

可以看出，月土壤流失量比較大，且各個站點(diǎn)的地域差別明顯，這是因?yàn)?—4月是冬春季，相比冬季的降雨量更大一些，導(dǎo)致整體上的流失量有所提升。1站點(diǎn)最大月土壤流失量出現(xiàn)在4月，2站點(diǎn)最大月土壤流失量出現(xiàn)在2月，3站點(diǎn)最大月土壤流失量出現(xiàn)在3月，4站點(diǎn)最大月土壤流失量出現(xiàn)在3月，這與1—4月降雨量、風(fēng)速、溫度等氣象因素以及各監(jiān)測點(diǎn)的地貌特征有一定關(guān)系。1、2站點(diǎn)的平均土壤流失量較為類似，這是因?yàn)?個站點(diǎn)離得比較近，地貌特征類似。3、4站點(diǎn)的月土壤流失量整體上略呈遞減趨勢。5、6站點(diǎn)的流失量在這4個月比較均衡和類似，7、8站點(diǎn)的流失量也比較相似。可以看出，相鄰2個站點(diǎn)的土壤流失量差不多，這也符合一個地域地質(zhì)特征與氣象特征相同的實(shí)際情況。

4 結(jié)語

特高壓輸電線路工程建設(shè)過程會影響地表生態(tài)結(jié)構(gòu)，加重了水土流失。本文提出一種水土流失監(jiān)測方法，使用氣象站來監(jiān)測輸電線路周圍地區(qū)的氣象變化，然后基于透傳云平臺和有人串口建立數(shù)據(jù)通信鏈接，在水土保持監(jiān)測軟件上可以觀測到氣象因素和水土流失量的監(jiān)測結(jié)果。本文所提方法實(shí)際應(yīng)用于陜西—湖北±800 kV特高壓直流輸電工程的水土流失監(jiān)測，使用以來監(jiān)測效果顯著。以降雨量、風(fēng)速和水土流失量的數(shù)據(jù)為例，分析驗(yàn)證了降雨量和風(fēng)速對水土流失量的影響比較大，為減少因特高壓輸變電工程引起的水土流失現(xiàn)象提供了參考，也驗(yàn)證了本文應(yīng)用氣象站監(jiān)測水土流失的正確性和對實(shí)際工程應(yīng)用的指導(dǎo)意義。