抽水蓄能电站测绘测量

抽水蓄能电站是一种特殊类型的水电站，它利用电力系统在低谷负荷时段（通常是夜间）将水从下水库通过水泵提升到上水库中储存起来。当电力需求高峰时，再将上水库中的水释放，驱动涡轮机发电，以满足电网的调峰需要。这种机制能够有效调节电网的供需平衡，提高能源利用率，并有助于稳定电力系统的频率和电压。

抽水蓄能技术起源于20世纪初的欧洲，随着可再生能源如风力、太阳能等不稳定电源接入电网的比例不断增加，抽水蓄能在现代电力系统中的作用愈发重要。截至2023年底，全球范围内已建成超过160座大型抽水蓄能电站，总装机容量超过150GW，其中中国是世界上最大的抽水蓄能市场之一，拥有包括丰宁等在内的多个世界级项目。

世界装机容量最大的抽水蓄能电站——国网新源河北丰宁抽水蓄能电站（图片来自河北日报）

01.工作原理与结构特点

工作模式：抽水蓄能电站具有两种基本运行模式——泵工况（充电）与发电机工况（放电）。在泵工况下，电动机带动水泵运转，将低位处的水体输送至上位水库；而转换至发电机工况后，则是高位水库内的水流经管道进入位于下方的涡轮室，推动涡轮旋转从而产生电能。

关键组成部分：

●上水库：用于存储被提升后的水资源。

● 下水库：作为水源地同时也是泄洪区。

● 水道系统：连接上下两库之间的输水管线网络。

●发电/泵送机组：集成了涡轮机和电动机的功能，根据实际需求切换操作状态。

● 控制及配电设施：负责整个电站的操作管理以及与外部电网的连接。

抽水蓄能电站运行原理示意图。汉 青制图（星球研究所）

02.主要优势与应用场景

●增强系统灵活性：通过快速响应电网指令调整输出功率的能力，帮助缓解由于风电、光伏等间歇性能源大规模并网带来的波动问题。

●提高经济效益：利用电价差进行套利交易，即低价购入多余电量储存在水库内，待市场价格上涨后再售出获利。

●促进节能减排：减少对化石燃料发电厂的需求，进而降低温室气体排放量。

●支持紧急备用：可在短时间内提供大量应急电力供应，在自然灾害或其他突发事件导致常规电源中断时发挥重要作用。

总之，抽水蓄能作为一种成熟且高效的储能解决方案，在当今复杂多变的电力市场环境中扮演着越来越重要的角色。接下来我们将深入探讨其建设过程中涉及的各种测量测绘技术及其应用情况。

03.抽水蓄能电站前期选址与规划阶段的测量测绘技术

在抽水蓄能电站项目的前期准备工作中，精确可靠的地理信息数据对于确保后续设计施工顺利开展至关重要。这不仅涉及到对拟建站点自然条件进行全面评估，还包括对周边环境影响预测等方面内容。因此，在这一阶段广泛应用了多种先进的测量测绘技术来获取详尽准确的空间位置及相关属性信息。

01.地形地貌调查

地形地貌调查是确定抽水蓄能电站最佳建设地点的第一步。通过使用卫星遥感图像分析结合地面实地考察的方式可以初步筛选出符合条件的目标区域。具体来说：

●卫星遥感技术：基于可见光、红外线或雷达波段成像原理获取地球表面特征影像资料，经过专业软件处理后能够生成数字高程模型(DEM)、土地覆盖类型分布图等产品，为了解研究区域内整体地势起伏状况提供了直观依据。

●无人机航拍摄影测量：相比于传统航空摄影而言，采用小型无人驾驶飞行器执行任务具有成本低廉、灵活度高、分辨率高等优点。通过搭载不同传感器设备（如RGB相机、热红外仪等），能够在较短时间内完成大面积范围内的精细化三维建模作业。

●激光扫描(LiDAR)：该方法利用激光脉冲反射时间计算距离值，结合GPS定位信息构建点云数据集，进而生成非常详细的地形表面模型。尤其适用于植被茂密或者地形复杂的山区地带，能够穿透树冠层直接捕捉地面真实形态。

这些手段相互补充配合使用，使得工程师们能够在项目启动初期就获得全面准确的基础地理空间数据支撑决策制定过程。

02.水文地质勘探

除了考虑地形因素外，还需要深入了解目标区域内地下水文循环规律以及岩石土壤物理化学性质等相关参数，这对于评估潜在工程风险、优化设计方案同样必不可少。主要采取以下几种方式进行：

●钻探取样测试：通过钻孔深入地下采集岩土样本，并带回实验室进行力学性能试验（如抗压强度、渗透系数等），以此判断是否适合建造大坝或者其他永久性构筑物。

●地球物理探测：借助重力场变化、磁异常现象等地质学理论基础，运用专门仪器（例如地震波探测器）沿预定路线布置测线实施连续监测记录，最终绘制出反映深层结构特征的地图。

●水文学研究：收集整理长期气象观测资料，建立流域降雨径流关系模型；同时安装自动水位计等在线监测装置实时跟踪记录河流流量变化趋势，为日后合理调度水资源奠定基础。

以上各项活动共同构成了抽水蓄能电站选址阶段不可或缺的技术支撑体系。

03.生态环境保护考量

考虑到任何大型基础设施建设项目都不可避免会对当地生态系统造成一定程度干扰破坏，所以在做出最终决定之前还需充分考虑如何最大限度减轻负面影响。为此通常会组织专家团队开展专项调研活动，涵盖但不限于以下几个方面：

●生物多样性评价：识别记录研究区内珍稀濒危物种种类数量分布情况，据此划定保护区边界范围，避免对其栖息地造成不可逆转损害。

●景观视觉效果模拟：利用计算机图形学技术预先展示建成后电站外观形象，帮助公众理解项目全貌的同时也为相关部门审批提供参考依据。

●社会经济影响分析：综合考量工程建设期间可能引发的土地征用补偿争议、劳动力就业机会增减变化等因素，提出相应对策建议保障各方利益均衡发展。

综上所述，科学合理的选址规划工作离不开先进测量测绘工具的支持，只有掌握了足够丰富详实的信息资源才能做出最有利于长远发展的选择。

04.抽水蓄能电站设计阶段的测量测绘技术

在抽水蓄能电站的设计阶段，测量测绘技术的应用变得更加精细和专业，旨在为具体的工程设计提供准确的数据支持。这一阶段的工作主要包括详细地形测量、地质结构分析、水文特性研究以及生态影响评估等多个方面。

01-详细地形测量

在确定了大致的建设地点之后，就需要对选定区域进行更为详尽的地形测量。这一步骤对于后续的坝址选择、库容设计、输水隧洞路径规划等都是至关重要的基础工作。常用的技术手段有：

●全站仪测量：这是一种集成光学、电子技术和微处理器于一体的高精度角度和距离测量仪器。通过设立控制点网络并采用极坐标法或导线法逐点测定目标物体的位置坐标，能够迅速高效地完成大范围地形图制作任务。

●RTK-GNSS定位：实时动态载波相位差分技术(RTK, Real-Time Kinematic)结合全球导航卫星系统(GNSS)，可以在野外环境下实现厘米级甚至毫米级精度的三维坐标解算，特别适合于复杂地形条件下快速获取大量离散点位信息。

●三维激光扫描：相比传统的二维平面图表达方式，三维激光扫描可以更加直观全面地展现地表细节特征。通过对扫描得到的海量点云数据进行处理分析，不仅可以生成逼真的实景模型，还能进一步提取诸如坡度、曲率等地形参数供设计人员参考。

这些方法结合起来使用，可以帮助设计师们建立起一个高度精准的数字地形模型(DTM)，以便于更好地理解和利用现场实际情况。

02-地质结构分析

良好的地质条件是保证抽水蓄能电站安全稳定运行的前提条件之一。因此，在设计阶段必须对拟建场地及其周围地区的岩石类型、断层裂隙发育程度等进行全面细致的研究。常用的地质勘查手段包括：

● 钻探取芯：通过垂直或倾斜方向打孔深入地下一定深度取出完整岩芯样品，然后带回实验室进行物理力学性质测试（如单轴抗压强度、弹性模量等），从而了解不同层次材料的基本特性。

●井下电视摄像：将带有摄像头的小型机器人放入钻孔内部沿着孔壁缓慢移动拍摄视频画面，便于观察识别存在的裂缝、溶洞等地质缺陷。

●声波测井：向井内发射特定频率的超声波信号，根据回波传播速度及衰减情况推断出围岩密度、孔隙度等信息。

●电阻率成像：利用电流通过不同介质时表现出的导电性差异绘制出地下结构轮廓图谱，有助于揭示潜在不良地质体分布规律。

通过对上述各种数据进行综合分析解读，可以为大坝基底加固处理措施的选择提供科学依据。

03-水文特性研究

为了确保抽水蓄能电站具备足够的蓄水能力和稳定的供水来源，必须对所在流域内的水文特征进行深入探讨。主要内容涉及：

●径流模拟：基于历史降水记录建立数学模型预测未来年份内月均降水量及其时空分布格局，据此估算可供开发利用的水资源总量。

●洪水频率分析：统计过去百年间发生的特大暴雨事件发生概率，确定防洪标准等级，指导溢洪道尺寸设定等工作。

●蒸发渗漏损失计算：考虑气温湿度风速等因素影响下的水面蒸发速率以及土壤含水量变化情况，修正入库水量预算结果。

●水质监测：定期采集上下游断面水样检测pH值、溶解氧含量、重金属浓度等指标，确保符合国家饮用水卫生标准要求。

通过上述一系列科学研究活动，能够为合理配置水库规模容量、优化调度规则制定提供强有力的技术支撑。

04-生态影响评估

最后但并非最不重要的一环就是生态环境保护议题。尽管抽水蓄能相对于其他形式的传统能源生产方式已经大大减少了碳足迹，但在具体实施过程中仍然需要注意防止对自然景观造成不必要的破坏。因此，在设计之初就应该充分考虑如何最小化负面效应：

●栖息地恢复计划：针对因修建大坝而导致部分动植物失去原有生活环境的问题，可以通过移植树木、营造人工湿地等方式创造新的适宜生存空间。

●鱼类洄游通道设置：如果存在洄游性鱼类种群，则应在适当位置预留过鱼设施，允许它们自由迁移繁殖。

●噪音振动控制：施工机械运作产生的噪声污染可能会干扰野生动物正常生活习性，故需采取隔音屏障、限制作业时间等措施加以抑制。

●景观美化方案：精心挑选合适植被种类栽植于裸露边坡之上，既美化了环境又起到了固土护坡的作用。

总而言之，在抽水蓄能电站的设计阶段，通过采用多样化的测量测绘技术，可以确保工程设计的科学性和合理性，同时兼顾环境保护的要求，为电站的建设和运营打下坚实的基础。

05.抽水蓄能电站施工阶段的测量测绘技术

抽水蓄能电站的施工阶段是一个极其复杂且耗时的过程，它涵盖了从土石方开挖到混凝土浇筑、再到机电设备安装调试等一系列步骤。在这个过程中，测量测绘技术扮演着至关重要的角色，不仅确保了施工的精确性，还提高了效率，降低了误差风险。以下是几个关键领域的应用实例：

01.施工控制网建立与维护

在正式开始施工之前，首要任务是在施工现场布设一套严密的平面和高程控制网。这套网络由若干个基准点组成，它们之间保持着严格的相对位置关系，为后续所有测量工作提供了统一的标准框架。常用的布设方法包括三角测量法、导线测量法以及GNSS静态观测法等。一旦控制网建成并通过验收，就需要定期对其进行复核校正，以应对由于外界因素（如地震、沉降等）引起的变动。

02.大坝坝体形状监控

无论是重力坝还是拱坝，在浇筑过程中都需要严格控制其几何尺寸和形状，以保证结构的安全稳定。为此，施工单位通常会采用全站仪或者RTK-GNSS接收机每隔一段时间就对正在形成的坝体轮廓进行一次全方位扫描，所得数据会被输入到专门开发的软件中进行比对分析，及时发现偏差并采取纠正措施。此外，还可以利用固定安装在特定位置上的激光测距仪持续跟踪监测某些关键部位的变化情况。

03.隧洞掘进导向

抽水蓄能电站往往需要建设较长距离的输水隧洞来连接上下两个水库。这些隧道一般埋藏于山体内，无法直接从外部观察到进展情况。此时，精密的测量技术就显得尤为重要了。一方面，可以通过设置临时导线点沿着预计线路向前延伸，引导掘进机按照预设轨迹前进；另一方面，则是借助陀螺经纬仪或惯性导航系统来确定当前掘进头的确切方位角和俯仰角，确保始终处于正确方向上。

04.机械设备定位

在安装大型机械设备如发电机、变压器等重型组件时，哪怕是最细微的位置偏移也可能导致严重的后果。因此，在这类操作中往往会用到更高精度级别的测量工具，比如激光跟踪仪。这种设备能够发射出一束细长的激光束锁定住目标物体表面上的一个小反射镜，随后通过内置的光电探测器捕获返回光线的时间延迟信息，从而计算出两者之间的绝对距离以及相对姿态角。这样一来，即使面对数吨乃至数十吨重量级别的物件也能够轻松实现毫米级甚至亚毫米级的精确定位。

05.环境监测与安全管理

除了直接服务于工程建设本身之外，测量测绘技术还在保障工地安全、预防事故发生方面发挥了重要作用。例如，通过部署自动化变形监测系统可以全天候不间断地监视边坡稳定性，一旦检测到异常迹象立即触发警报通知相关人员撤离危险区域；又或者是利用无人机搭载热成像相机巡视施工现场，查找可能存在火灾隐患的热点区域。另外，还可以结合GIS平台整合各类传感器采集回来的环境参数（温度、湿度、粉尘浓度等），形成可视化报表供管理者参考决策。

总结起来，在抽水蓄能电站施工阶段，测量测绘技术贯穿始终，为整个项目提供了强有力的技术支持。通过不断地技术创新与发展，未来的测量测绘工作将会变得更加智能高效，进一步推动此类清洁能源设施建设向着更高水平迈进。

06.抽水蓄能电站运营维护阶段的测量测绘技术

抽水蓄能电站在投入运行之后，虽然不像建设阶段那样面临频繁的大规模施工活动，但是日常的运维管理工作同样需要依赖于先进的测量测绘技术支持，以确保电站长期稳定可靠地发挥作用。这一阶段的主要关注点包括但不限于以下几个方面：

01-结构健康监测

随着时间推移，大坝及其他相关建筑物会受到自然老化、气候侵蚀、地质灾害等多种因素的影响而逐渐发生变化。因此，建立一套完善的结构健康监测系统显得尤为必要。该系统通常由分布在各关键部位的传感器节点构成，这些节点能够实时采集诸如位移、应变、温度、湿度等参数，并通过无线通信网络传输给中央处理器进行数据分析处理。基于此，运维人员可以及时掌握结构当前的状态信息，评估潜在风险，并制定相应的维修保养计划。

02-水库容量管理

抽水蓄能电站的核心功能在于通过调节上下两个水库之间的水量分配来实现能量存储与释放。为了最大化利用现有设施条件同时避免出现溢洪等问题，必须密切监控实际库容变化情况。这通常依靠安装在进水口、泄水口以及库岸边的液位计来完成，它们能够准确感知水面高度并将读数发送给控制系统。结合气象预报数据以及上游来水量预测模型，就可以提前做好调度安排，确保无论是在干旱季节还是暴雨时期都能保持理想的水位水平。

03-机电设备状态诊断

作为电站的心脏部分，发电机、水泵、开关站等电气机械设备的正常运转直接关系到整个系统的效能表现。为此，除了常规的人工巡检外，越来越多地采用了远程监控技术来进行辅助管理。例如，振动传感器可以安装在转子轴承附近，用来检测异常震动幅度及频率特征；油品分析仪则负责定期抽取润滑油样本检查其粘度、杂质含量等指标；红外热像仪更是能够无接触式地测量发热部件表面温度分布，帮助定位故障源。所有这些信息都将汇总到云端数据库中，方便技术人员随时查阅历史记录并作出趋势分析。

04-环境影响跟踪

尽管抽水蓄能被认为是一种较为环保的发电方式，但也不能忽视其可能对周围生态系统造成的不利影响。特别是在一些敏感地区，比如靠近野生动植物保护区或者历史文化遗址的地方，更应该加强对外部环境变化的关注。常见的做法包括利用卫星遥感定期更新土地覆被地图，观察是否有非法占地行为发生；设置空气质量监测站检测二氧化硫、氮氧化物等污染物排放量是否超标；以及开展生物多样性普查活动，记录物种种类数量变动趋势等。通过这些手段，既可以验证原有环保措施的有效性，也能为进一步改善提供依据。

05-应急响应准备

鉴于自然灾害频发且难以完全预见的特点，建立健全应急预案对于保障抽水蓄能电站安全至关重要。在这方面，测量测绘技术同样能够发挥积极作用。例如，可以通过LIDAR技术快速生成灾区三维地形模型，为救援队伍提供直观的行动指南；利用无人机携带高清摄像机飞越受灾区域拍摄受损情况，辅助评估损失程度；甚至还可以部署移动式气象站收集现场风速、降雨量等实时数据，支持指挥中心做出科学决策。

总之，在抽水蓄能电站的运营维护阶段，测量测绘技术仍然是不可或缺的重要工具之一。它不仅有助于提高工作效率降低成本支出，更重要的是能够显著增强系统的安全性与可靠性，为我国乃至全球范围内的清洁能源事业贡献一份力量。

07.测量测绘技术的发展趋势与挑战

随着科技的进步和社会需求的变化，测量测绘技术也在不断发展创新，以适应日益增长的精确度、效率和智能化要求。特别是对于抽水蓄能这样的大型工程项目而言，未来的测量测绘领域将呈现出以下几个显著的趋势：

1.自动化与无人化

近年来，随着人工智能(AI)算法的不断成熟以及硬件成本的下降，越来越多的自动化解决方案被引入到了测量测绘行业当中。例如，基于SLAM(Simultaneous Localization and Mapping)技术的自主导航机器人已经能够在未知环境中自行探索并构建环境地图；而无人机集群则可以协同工作完成大面积区域的快速测绘任务。这些新技术不仅极大地提升了工作效率，还减少了人为干预所带来的误差可能性。然而，如何确保机器学习模型训练数据的质量以及算法本身的鲁棒性仍然是亟待解决的问题之一。

2.高精度定位服务

随着北斗三号全球卫星导航系统的全面建成投入使用，我国在全球范围内拥有了独立自主的高精度时空信息服务能力。这意味着今后无论是陆地还是海洋甚至是太空中的对象都能够享受到厘米级甚至毫米级精度的定位服务。这对于提高抽水蓄能电站建设过程中各项工作的准确性无疑具有重要意义。不过，要想充分发挥这项技术的优势，还需要克服信号遮挡、多路径效应等诸多技术难题。

3.数据融合与云计算

随着物联网(IoT)概念深入人心，各行各业都在积极探索如何打破信息孤岛实现跨平台互联互通。在测量测绘领域也不例外，通过将来自不同类型传感器（如GNSS接收机、激光雷达、温湿度计等）的数据进行深度融合处理，并借助强大的云计算平台进行高效运算，可以为用户提供更加丰富多元的服务内容。比如，结合历史天气资料和实时气象观测结果预测未来一段时间内某区域内的降雨概率；或者基于大数据分析挖掘隐藏在海量原始记录背后的规律性知识。当然，随之而来的是如何妥善处理好隐私保护与数据共享之间的平衡关系。

4.可视化与虚拟现实

随着用户界面友好性的不断提高，现在的测量测绘成果不再局限于枯燥乏味的文字报告或二维图纸形式，而是越来越倾向于采用直观生动的三维可视化手段呈现出来。尤其是VR(Virtual Reality)/AR(Augmented Reality)技术的兴起，使得人们能够在虚拟环境中身临其境般地体验到真实世界的场景。这对于培训新手员工熟悉复杂操作流程、向非专业人士解释专业技术问题等方面都极具价值。但与此同时，这也对软硬件兼容性提出了更高的要求。

5.绿色低碳理念

面对气候变化带来的严峻挑战，绿色低碳已经成为全社会共同追求的目标。测量测绘行业也不例外，正在积极寻求减少碳足迹的方法途径。比如推广使用太阳能供电的便携式设备替代传统电池供电方案；开发轻量化材料制造新型仪器外壳以减轻运输过程中的能耗负担；以及提倡采用数字化文档代替纸质文件等等。尽管这些举措看似微不足道，但如果能够在整个行业内普及开来的话，累积起来的效果将是相当可观的。

总之，未来的测量测绘技术将继续朝着更加智能、精准、便捷的方向发展。而对于抽水蓄能电站这样的重大项目来说，紧跟时代潮流拥抱科技创新无疑是提升竞争力的关键所在。同时我们也应该清醒地认识到，任何新兴事物的成长壮大都不是一蹴而就的事情，其间必然伴随着种种困难和障碍。只有通过不断实践积累经验教训，才能真正推动整个行业的健康发展。