基于气象站监测数据的特高压输变电工程水土流失监测

雷 磊，王 良，吴 健，段建东，江 涛，王辰曦，刘 帆

(1.国网陕西省电力公司电力科学研究院，陕西 西安 710199； 2.国网(西安)环保技术中心有限公司，陕西 西安 710100； 3.国网陕西省电力有限公司，陕西 西安 710199； 4.西安理工大学，陕西 西安 710048)

0 引言

特高压输电线路工程是我国电力系统中输电环节的重要载体，也是关乎国民经济命脉的重要环节，其建设过程会影响地表生态结构，对线路沿线植被、地貌等造成明显影响，破坏植被后进一步加重了水土流失，引起的土壤侵蚀强度往往会比自然侵蚀强度高出更多[1]。实际上，由于之前缺乏环保意识，因此在输电线路的建设过程中较为随意，让土质原本就比较脆弱的地区土壤流失进一步严重。

目前已经有许多学者致力于研究特高压输电线路工程施工对水土保持的监测及其影响，以及风电、光伏建设过程中水土保持的监测。文献[2] 对西北黄土丘陵区、南方红壤丘陵区及青藏高原山地丘陵区典型架空输电线路的土壤侵蚀进行了资料与实地监测相结合的研究，分析了架空输电线路工程区土壤侵蚀类型、侵蚀强度以及防治措施等方面的差异。文献[3]设计了水土保持超声测钎装置，并给出了表征水土流失的土壤侵蚀模数计算模型，将其应用于实际工程中。文献[4]介绍了水土流失的特点和危害，首先对水土流失进行监测，然后采取了防治措施并进行效果评价。文献[5-7]主要针对风电、光伏发电项目中水土保持监测的实施展开研究，并对输电线路工程水土保持监测样点位置布设进行探讨。文献[8]重点分析了水土保持监测的内容、方法等，对特高压直流输电工程的水土保持监测进行了研究。

实际上，水土流失和气象状况有很大关联，风力的大小会决定风蚀的程度，降水等气象现象也会显著引起水土流失，目前关于气象对水土流失的影响研究也很多。文献[9]从影响水土流失的气象因素分析入手，重点研究不同降水方式对水土流失的影响，对输电工程中水土流失提供参考和启发。文献[10-12]研究降雨特征对山丘地区水土流失的影响，为水土流失的防治提供理论支撑。文献[13]首先分析水土流失的特点，然后对实际工程项目的水土流失监测进行分析。

因此，从水土流失的特点出发，采用设备监测气象数据，结合物联网技术，进行水土流失的实时监测，对特高压输电线路沿线水土流失防治以及地表恢复具有重要意义。

1 气象站介绍

本文使用的气象站采用了气象传感器技术，集成了大气温度、湿度、压力、风向、风速、降雨量等气象参数的监测。同时，气象站具有的诸多优点契合野外环境监测点的水土流失监测。

1)长期稳定的大气温、湿度测量技术。水土流失的重要特征是大面积的山丘裸露，植被稀少，导致气候炎热。因此，植被覆盖与温度有巨大的关系，也进而影响着水土流失[14]。

2)采用精确的超声技术测量风速和风向。风速和风向是风重要的特征因子，风的大小关系着当地植被的覆盖率以及风蚀影响程度，对水土流失而言关系重大。

3)精确的降雨量监测。当不同大小和数量的雨滴撞击光敏器件外表面时，可以获得光束强度的变化，而光束强度的变化会影响脉冲计数值的改变，进而反映雨量的大小。降雨量、降雨强度等降雨特征与降雨径流的形成有重大联系，因此，降雨类型与水土流失存在着不可忽视的关系[11]。

4)超低功耗(0.2 W)可以保证野外环境不可控的监测点设备正常运行。气象站还具有数据存储功能，保证了气象数据的完整性。WTS系列气象站的结构如图1所示，实物现场监测安装图如图2所示。

图1 WTS系列气象站尺寸结构Fig.1 Size and structure of WTS series meteorological stations

图2 气象站现场安装图Fig.2 Site installation drawing of Meteorological Station

2 监测方法与软件平台

2.1 水土流失监测方法

光敏测钎传感器在监测水土流失时具有测量迅速、误差小、布线简单等优点，相比传统的有线超声测钎传感器更为普适和经济。因此本文选用光敏测钎传感器对监测点的水土流失进行监测。

气象站采集监测点的主要气象参数，包括环境温度、大气湿度、风向、风速、降雨量以及PM2.5等信息。采集监测点采用光伏供电。为了监测布设点的动植物环境与设备破坏情况，还在气象站下方增设了摄像头。图3为某特高压输电线路水土保持监测的现场布设图。

图3 水土保持监测现场布设图Fig.3 Site layout of soil and water conservation monitoring

2.2 软件平台

软件系统采用无线光纤传感器采集现场环境和土壤流失数据，数据通过4G路由器远程传输到透传云平台上。然后，通过有人串口将透传云平台上的数据传输至监测软件上，最终进行显示，实现设备之间、设备与终端之间正常的数据通信。

图4是陕西—湖北±800 kV特高压直流输电工程水土保持监测系统软件V3.3.8版本首页图。软件可以实现以下功能:实时数据和历史数据的监测显示；配置线路监测点的信息与参数；管理显示线路相关新闻；周报表、月报表、季报表、运行报告等文件管理。

图4 水土保持监测系统软件界面图Fig.4 Software interface diagram of soil and water conservation monitoring system

图5是监测系统软件的线路监测点信息图。图中显示了线路各监测点的位置信息和监测信息。其中，监测信息主要包括气象站所监测的温度、适度、风速、风向、余量、噪声、PM2.5等气象信息以及光敏测钎所监测的9根测钎值。在打开有人串口之前，默认监测信息为0。图6是软件平台的新闻管理界面图。

图5 水土保持监测系统软件的线路监测点信息图Fig.5 Line monitoring point information diagram

图6 新闻管理界面图Fig.6 News management

3 监测结果分析

本文所提方法实际应用于陕西—湖北±800 kV特高压直流输电工程的水土流失监测，线路各监测点分布如图7所示。下面以此线路实际监测数据进行分析。

图7 陕西—湖北±800 kV特高压水土保持在线监测站点

3.1 降雨量与水土流失量

图8是洛阳市汝阳县监测点的降雨量和水土流失数据图。此外，还可以设置软件显示温度、PM2.5、风速、噪声、湿度、风向和水土流失量的相关结果。从图中可以看出，汝阳县9月的降雨量偏多，这与2021年9月河南省降雨偏多符合，进一步对照历史天气可以知道，使用气象站监测天气的结果是准确的。

对比分析图8，可以看出当降雨出现时，水土流失量会近乎同步地变化，例如9月19日左右出现一次降雨，对应的水土流失量也有所增加。但整体来看，水土流失量稍延迟于降雨出现，这是因为需要达到一定的降雨强度，然后形成地表径流，进而才会发生水土流失。当没有降雨时，例如图中的9月9日—9月19日没有降雨，因此水土流失量就很小，甚至会出现土壤量的增加。这也符合实际的降雨与水土流失之间的作用关系。

图8 洛阳市汝阳县监测点数据

事实上，雨水和土壤侵蚀之间有着密切的关系。高强度降雨会造成地表径流迅速形成，进而造成严重的水土流失。应该指出的是，降雨强度必须大于某一特定值，否则的话，不管下多少雨，都不可能导致水土流失的形成。这是因为降雨强度过小时，就不会形成地表径流，那么土壤就不会被侵蚀掉。

3.2 风速与水土流失量

除了降雨，风速大小也是造成水土流失的一个不可忽视的因素。图9是榆林市佳县监测点的风速和水土流失数据图。

图9 榆林市佳县监测点数据Fig.9 Data of monitoring points in Jiaxian County，Yulin City

位于黄土高原地区的榆林市，本就千沟万壑，气候较为干旱。图9是9月份的数据，时值中秋，风力不是特别大，而且水土流失不仅仅取决于风速，还有降雨、温度等其他因素的共同作用，因此图中风速对水土流失的影响不甚明显，但也可从其中看出一些规律。从图中来看，9月3日、9月7日的风力较大，因此对应的水土流失较多。从9月7日—9月17日风速都较大，因此在此期间水土流失较多，17日之后一段时间风速减小，因此出现了土壤的增加。总体来讲，风速增大时，会增加水土流失；风速减小时，水土流失会减小。此外，风速和水土流失也呈现近似相关的波动性趋势。

3.3 其他气象因素与水土流失量

气象站监测所得的其余因素，包括温度、湿度、PM2.5、噪声等也会对水土流失造成影响，具体数据可通过软件平台获得，进而分析之间的关联性。

3.4 各站点水土流失量差异分析

图10是8个站点在2021年1—4月的水土流失柱状图。

图10 2021年各站点月土壤流失量Fig.10 Monthly soil loss of each station in 2021

可以看出，月土壤流失量比较大，且各个站点的地域差别明显，这是因为1—4月是冬春季，相比冬季的降雨量更大一些，导致整体上的流失量有所提升。1站点最大月土壤流失量出现在4月，2站点最大月土壤流失量出现在2月，3站点最大月土壤流失量出现在3月，4站点最大月土壤流失量出现在3月，这与1—4月降雨量、风速、温度等气象因素以及各监测点的地貌特征有一定关系。1、2站点的平均土壤流失量较为类似，这是因为2个站点离得比较近，地貌特征类似。3、4站点的月土壤流失量整体上略呈递减趋势。5、6站点的流失量在这4个月比较均衡和类似，7、8站点的流失量也比较相似。可以看出，相邻2个站点的土壤流失量差不多，这也符合一个地域地质特征与气象特征相同的实际情况。

4 结语

特高压输电线路工程建设过程会影响地表生态结构，加重了水土流失。本文提出一种水土流失监测方法，使用气象站来监测输电线路周围地区的气象变化，然后基于透传云平台和有人串口建立数据通信链接，在水土保持监测软件上可以观测到气象因素和水土流失量的监测结果。本文所提方法实际应用于陕西—湖北±800 kV特高压直流输电工程的水土流失监测，使用以来监测效果显著。以降雨量、风速和水土流失量的数据为例，分析验证了降雨量和风速对水土流失量的影响比较大，为减少因特高压输变电工程引起的水土流失现象提供了参考，也验证了本文应用气象站监测水土流失的正确性和对实际工程应用的指导意义。