1月3日，國(guó)網(wǎng)陜西省電力有限公司電力科學(xué)研究院化學(xué)與環(huán)保技術(shù)室主管雷磊利用基于超聲、光敏測(cè)量技術(shù)的水土保持在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，完成了2022年雅中—江西±800千伏特高壓直流工程14個(gè)水土保持在線監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)工作，并將監(jiān)測(cè)報(bào)告發(fā)送給相關(guān)單位。

基于超聲、光敏測(cè)量技術(shù)的水土保持在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是由國(guó)網(wǎng)陜西電力自主研發(fā)的。此前，該系統(tǒng)已用于青海—河南±800千伏特高壓直流輸電工程和張北—雄安1000千伏特高壓交流輸變電工程水土保持監(jiān)測(cè)工作，助力這兩項(xiàng)工程創(chuàng)建“國(guó)家水土保持示范工程”。

(資料圖片)

電網(wǎng)大規(guī)模建設(shè)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響受到社會(huì)關(guān)注，其中，水土保持是政府行政監(jiān)督的重點(diǎn)之一。開(kāi)展有效的水土保持監(jiān)測(cè)是做好電網(wǎng)工程水土保持工作、助力電網(wǎng)綠色建設(shè)的重中之重。國(guó)網(wǎng)陜西電力探索超聲、光敏探測(cè)原理相結(jié)合的監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)工程水土保持監(jiān)測(cè)從人工監(jiān)測(cè)到自動(dòng)監(jiān)測(cè)的轉(zhuǎn)變。

研發(fā)超聲波測(cè)釬傳感器

實(shí)現(xiàn)水土保持自動(dòng)監(jiān)測(cè)

陜西省位于黃河流域中段，北部黃土高原地區(qū)曾經(jīng)水土流失嚴(yán)重。陜北能源化工基地及眾多重要輸電通道都位于該區(qū)域。如何有效開(kāi)展水土保持監(jiān)測(cè)與水土流失治理，保護(hù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，是陜西電網(wǎng)建設(shè)面臨的難題之一。

國(guó)網(wǎng)陜西電力自2012年開(kāi)始研究相關(guān)問(wèn)題，逐步成立了由該公司科技與數(shù)字化部副主任吳健和雷磊牽頭的科研團(tuán)隊(duì)。實(shí)現(xiàn)全天候、精準(zhǔn)的水土保持監(jiān)測(cè)是科研團(tuán)隊(duì)首先要解決的問(wèn)題。

水土保持監(jiān)測(cè)的核心是測(cè)量地表土壤侵蝕厚度的變化。傳統(tǒng)的水土保持監(jiān)測(cè)方式是在監(jiān)測(cè)點(diǎn)地表按“田”字形插入9根標(biāo)有刻度的鋼釬，采用人工方式每月定期到現(xiàn)場(chǎng)查看刻度，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算土壤侵蝕厚度。這種監(jiān)測(cè)方法存在時(shí)效性不強(qiáng)、精度不高、受監(jiān)測(cè)人員工作經(jīng)驗(yàn)影響大等缺點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)全天候、高精度、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)是大勢(shì)所趨。

2016年7月，雷磊和團(tuán)隊(duì)成員對(duì)紅外線和超聲波等常見(jiàn)的自動(dòng)化測(cè)距方法進(jìn)行了試驗(yàn)比對(duì)。紅外線測(cè)距方法根據(jù)從紅外線發(fā)出到被接收的時(shí)間及紅外線傳播速度計(jì)算距離。這種方法易受外界溫度干擾，也易受地表局部起伏干擾，且裝置成本較高。超聲波測(cè)距方法是測(cè)量超聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來(lái)的時(shí)間，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差以及超聲波在空氣中的傳播速度計(jì)算發(fā)射點(diǎn)到障礙物之間的距離。超聲波不易受溫度、地表局部起伏干擾，裝置成本相對(duì)較低。由于兩種方法可達(dá)到的精度相近，科研團(tuán)隊(duì)最終選擇了超聲波測(cè)距方法。

在此基礎(chǔ)上，科研團(tuán)隊(duì)確定了使用超聲波的最優(yōu)幅值與頻率，研發(fā)了土壤侵蝕量超聲波測(cè)釬傳感器。該裝置由超聲波發(fā)射器、鋼釬和標(biāo)準(zhǔn)反射面三部分組成。超聲波發(fā)射器安裝在鋼釬頂部，標(biāo)準(zhǔn)反射面設(shè)置在鋼釬底部。傳感器、控制主桿和后臺(tái)水土保持在線監(jiān)測(cè)軟件組成水土保持在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。傳感器采集的數(shù)據(jù)通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)傳送至后臺(tái)，經(jīng)過(guò)篩查、分類存儲(chǔ)和分析，形成水土流失數(shù)據(jù)報(bào)表，供電網(wǎng)工程建設(shè)管理人員參考。

超聲波與光敏技術(shù)相結(jié)合

提升監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性

2018年3月，水土保持在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在西安北750千伏輸變電工程中試點(diǎn)應(yīng)用，支撐了該工程水土保持監(jiān)測(cè)報(bào)告的編制。然而，在隨后的運(yùn)行中，科研團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)問(wèn)題——由于受外界聲環(huán)境、地表震動(dòng)的干擾，傳感器在植被恢復(fù)階段監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)存在失真情況。

“科研不可能一帆風(fēng)順，發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題就去解決問(wèn)題。”吳健對(duì)團(tuán)隊(duì)成員說(shuō)，大家又開(kāi)始研究新測(cè)量方案。2018年10月，科研團(tuán)隊(duì)確定了使用土壤侵蝕量光敏測(cè)釬傳感器的新技術(shù)方案。這種方式是根據(jù)太陽(yáng)光波長(zhǎng)及分布選擇探測(cè)頻率最合適的光敏元件，在鋼釬上布設(shè)光陣列，通過(guò)多排差分算法計(jì)算土壤厚度變化量。它的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)發(fā)射元件，不易受外界聲環(huán)境、地表震動(dòng)的干擾，且功耗低、可靠性高。2019年6月，土壤侵蝕量光敏測(cè)釬傳感器研發(fā)成功，并在陜北—關(guān)中750千伏第二通道輸變電工程建設(shè)中試點(diǎn)應(yīng)用。

考慮到光敏元件夜晚無(wú)法工作，科研團(tuán)隊(duì)研究確定了超聲波、光敏兩種測(cè)釬傳感器交叉復(fù)合布置的技術(shù)方案，并在數(shù)據(jù)處理中引入卡爾曼濾波算法，將兩種數(shù)據(jù)有機(jī)融合，實(shí)現(xiàn)兩種數(shù)據(jù)相互印證、互為補(bǔ)充。2020年7月，該技術(shù)方案在雅中—江西±800千伏特高壓直流工程14個(gè)水土保持在線監(jiān)測(cè)點(diǎn)試點(diǎn)應(yīng)用。實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，與采用單一測(cè)釬傳感器相比，該技術(shù)方案大幅提升了測(cè)量的準(zhǔn)確性、可靠性。

監(jiān)測(cè)精度達(dá)毫米級(jí)

降成本助環(huán)保

2021年2月24日，以超聲、光敏測(cè)量技術(shù)為核心的水土保持在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)科技鑒定委員會(huì)的鑒定，得到相關(guān)專家的高度認(rèn)可。該技術(shù)監(jiān)測(cè)精度達(dá)毫米級(jí)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量較人工方式提高600倍、成本節(jié)約97%。

2021年9月8日至10日，地處秦嶺生態(tài)脆弱區(qū)的漢中市鎮(zhèn)巴縣鹽場(chǎng)鎮(zhèn)發(fā)生強(qiáng)降雨天氣，連續(xù)3天日降雨量達(dá)到20毫米以上，其中9月9日達(dá)26.5毫米。青海—河南±800千伏特高壓直流工程經(jīng)過(guò)該地，沿線塔基周圍存在發(fā)生水土流失及次生災(zāi)害的可能。團(tuán)隊(duì)成員利用水土保持在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)查看現(xiàn)場(chǎng)情況，連續(xù)3天監(jiān)測(cè)到水土流失量超過(guò)15千克。團(tuán)隊(duì)成員判斷存在地面形成沖蝕溝的隱患，第一時(shí)間聯(lián)系建管單位消除了安全隱患，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)預(yù)警。隨后，在建設(shè)單位組織人員播撒草籽、建設(shè)塔基護(hù)坡?lián)跬翂团潘疁虾螅瑘F(tuán)隊(duì)成員利用在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)植物措施、工程措施成效進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，確保塔基區(qū)域水土流失治理到位，在保障電網(wǎng)安全的同時(shí)助力生態(tài)保護(hù)。

基于超聲、光敏測(cè)量技術(shù)的水土保持在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已應(yīng)用于6項(xiàng)特高壓工程、閩粵聯(lián)網(wǎng)工程及陜西省內(nèi)多項(xiàng)輸變電工程，支撐了電網(wǎng)工程水土保持監(jiān)測(cè)工作。目前，科研團(tuán)隊(duì)已獲國(guó)家專利授權(quán)10項(xiàng)、軟件著作權(quán)18項(xiàng)，發(fā)表核心期刊論文26篇。該成果獲得中國(guó)電力科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、陜西省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)等獎(jiǎng)項(xiàng)。（陳維 白曉春 萬(wàn)昊）

標(biāo)簽： 水土保持 在線監(jiān)測(cè) 土壤侵蝕