抽水蓄能電站是一種特殊類型的水電站，它利用電力系統(tǒng)在低谷負荷時段（通常是夜間）將水從下水庫通過水泵提升到上水庫中儲存起來。當電力需求高峰時，再將上水庫中的水釋放，驅動渦輪機發(fā)電，以滿足電網的調峰需要。這種機制能夠有效調節(jié)電網的供需平衡，提高能源利用率，并有助于穩(wěn)定電力系統(tǒng)的頻率和電壓。

抽水蓄能技術起源于20世紀初的歐洲，隨著可再生能源如風力、太陽能等不穩(wěn)定電源接入電網的比例不斷增加，抽水蓄能在現代電力系統(tǒng)中的作用愈發(fā)重要。截至2023年底，全球范圍內已建成超過160座大型抽水蓄能電站，總裝機容量超過150GW，其中中國是世界上最大的抽水蓄能市場之一，擁有包括豐寧等在內的多個世界級項目。

世界裝機容量最大的抽水蓄能電站——國網新源河北豐寧抽水蓄能電站（圖片來自河北日報）

01.工作原理與結構特點

工作模式：抽水蓄能電站具有兩種基本運行模式——泵工況（充電）與發(fā)電機工況（放電）。在泵工況下，電動機帶動水泵運轉，將低位處的水體輸送至上位水庫；而轉換至發(fā)電機工況后，則是高位水庫內的水流經管道進入位于下方的渦輪室，推動渦輪旋轉從而產生電能。

關鍵組成部分：

●上水庫：用于存儲被提升后的水資源。

● 下水庫：作為水源地同時也是泄洪區(qū)。

● 水道系統(tǒng)：連接上下兩庫之間的輸水管線網絡。

●發(fā)電/泵送機組：集成了渦輪機和電動機的功能，根據實際需求切換操作狀態(tài)。

● 控制及配電設施：負責整個電站的操作管理以及與外部電網的連接。

抽水蓄能電站運行原理示意圖。漢 青制圖（星球研究所）

02.主要優(yōu)勢與應用場景

●增強系統(tǒng)靈活性：通過快速響應電網指令調整輸出功率的能力，幫助緩解由于風電、光伏等間歇性能源大規(guī)模并網帶來的波動問題。

●提高經濟效益：利用電價差進行套利交易，即低價購入多余電量儲存在水庫內，待市場價格上漲后再售出獲利。

●促進節(jié)能減排：減少對化石燃料發(fā)電廠的需求，進而降低溫室氣體排放量。

●支持緊急備用：可在短時間內提供大量應急電力供應，在自然災害或其他突發(fā)事件導致常規(guī)電源中斷時發(fā)揮重要作用。

總之，抽水蓄能作為一種成熟且高效的儲能解決方案，在當今復雜多變的電力市場環(huán)境中扮演著越來越重要的角色。接下來我們將深入探討其建設過程中涉及的各種測量測繪技術及其應用情況。

03.抽水蓄能電站前期選址與規(guī)劃階段的測量測繪技術

在抽水蓄能電站項目的前期準備工作中，精確可靠的地理信息數據對于確保后續(xù)設計施工順利開展至關重要。這不僅涉及到對擬建站點自然條件進行全面評估，還包括對周邊環(huán)境影響預測等方面內容。因此，在這一階段廣泛應用了多種先進的測量測繪技術來獲取詳盡準確的空間位置及相關屬性信息。

01.地形地貌調查

地形地貌調查是確定抽水蓄能電站最佳建設地點的第一步。通過使用衛(wèi)星遙感圖像分析結合地面實地考察的方式可以初步篩選出符合條件的目標區(qū)域。具體來說：

●衛(wèi)星遙感技術：基于可見光、紅外線或雷達波段成像原理獲取地球表面特征影像資料，經過專業(yè)軟件處理后能夠生成數字高程模型(DEM)、土地覆蓋類型分布圖等產品，為了解研究區(qū)域內整體地勢起伏狀況提供了直觀依據。

●無人機航拍攝影測量：相比于傳統(tǒng)航空攝影而言，采用小型無人駕駛飛行器執(zhí)行任務具有成本低廉、靈活度高、分辨率高等優(yōu)點。通過搭載不同傳感器設備（如RGB相機、熱紅外儀等），能夠在較短時間內完成大面積范圍內的精細化三維建模作業(yè)。

●激光掃描(LiDAR)：該方法利用激光脈沖反射時間計算距離值，結合GPS定位信息構建點云數據集，進而生成非常詳細的地形表面模型。尤其適用于植被茂密或者地形復雜的山區(qū)地帶，能夠穿透樹冠層直接捕捉地面真實形態(tài)。

這些手段相互補充配合使用，使得工程師們能夠在項目啟動初期就獲得全面準確的基礎地理空間數據支撐決策制定過程。

02.水文地質勘探

除了考慮地形因素外，還需要深入了解目標區(qū)域內地下水文循環(huán)規(guī)律以及巖石土壤物理化學性質等相關參數，這對于評估潛在工程風險、優(yōu)化設計方案同樣必不可少。主要采取以下幾種方式進行：

●鉆探取樣測試：通過鉆孔深入地下采集巖土樣本，并帶回實驗室進行力學性能試驗（如抗壓強度、滲透系數等），以此判斷是否適合建造大壩或者其他永久性構筑物。

●地球物理探測：借助重力場變化、磁異常現象等地質學理論基礎，運用專門儀器（例如地震波探測器）沿預定路線布置測線實施連續(xù)監(jiān)測記錄，最終繪制出反映深層結構特征的地圖。

●水文學研究：收集整理長期氣象觀測資料，建立流域降雨徑流關系模型；同時安裝自動水位計等在線監(jiān)測裝置實時跟蹤記錄河流流量變化趨勢，為日后合理調度水資源奠定基礎。

以上各項活動共同構成了抽水蓄能電站選址階段不可或缺的技術支撐體系。

03.生態(tài)環(huán)境保護考量

考慮到任何大型基礎設施建設項目都不可避免會對當地生態(tài)系統(tǒng)造成一定程度干擾破壞，所以在做出最終決定之前還需充分考慮如何最大限度減輕負面影響。為此通常會組織專家團隊開展專項調研活動，涵蓋但不限于以下幾個方面：

●生物多樣性評價：識別記錄研究區(qū)內珍稀瀕危物種種類數量分布情況，據此劃定保護區(qū)邊界范圍，避免對其棲息地造成不可逆轉損害。

●景觀視覺效果模擬：利用計算機圖形學技術預先展示建成后電站外觀形象，幫助公眾理解項目全貌的同時也為相關部門審批提供參考依據。

●社會經濟影響分析：綜合考量工程建設期間可能引發(fā)的土地征用補償爭議、勞動力就業(yè)機會增減變化等因素，提出相應對策建議保障各方利益均衡發(fā)展。

綜上所述，科學合理的選址規(guī)劃工作離不開先進測量測繪工具的支持，只有掌握了足夠豐富詳實的信息資源才能做出最有利于長遠發(fā)展的選擇。

04.抽水蓄能電站設計階段的測量測繪技術

在抽水蓄能電站的設計階段，測量測繪技術的應用變得更加精細和專業(yè)，旨在為具體的工程設計提供準確的數據支持。這一階段的工作主要包括詳細地形測量、地質結構分析、水文特性研究以及生態(tài)影響評估等多個方面。

01-詳細地形測量

在確定了大致的建設地點之后，就需要對選定區(qū)域進行更為詳盡的地形測量。這一步驟對于后續(xù)的壩址選擇、庫容設計、輸水隧洞路徑規(guī)劃等都是至關重要的基礎工作。常用的技術手段有：

●全站儀測量：這是一種集成光學、電子技術和微處理器于一體的高精度角度和距離測量儀器。通過設立控制點網絡并采用極坐標法或導線法逐點測定目標物體的位置坐標，能夠迅速高效地完成大范圍地形圖制作任務。

●RTK-GNSS定位：實時動態(tài)載波相位差分技術(RTK, Real-Time Kinematic)結合全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)，可以在野外環(huán)境下實現厘米級甚至毫米級精度的三維坐標解算，特別適合于復雜地形條件下快速獲取大量離散點位信息。

●三維激光掃描：相比傳統(tǒng)的二維平面圖表達方式，三維激光掃描可以更加直觀全面地展現地表細節(jié)特征。通過對掃描得到的海量點云數據進行處理分析，不僅可以生成逼真的實景模型，還能進一步提取諸如坡度、曲率等地形參數供設計人員參考。

這些方法結合起來使用，可以幫助設計師們建立起一個高度精準的數字地形模型(DTM)，以便于更好地理解和利用現場實際情況。

02-地質結構分析

良好的地質條件是保證抽水蓄能電站安全穩(wěn)定運行的前提條件之一。因此，在設計階段必須對擬建場地及其周圍地區(qū)的巖石類型、斷層裂隙發(fā)育程度等進行全面細致的研究。常用的地質勘查手段包括：

● 鉆探取芯：通過垂直或傾斜方向打孔深入地下一定深度取出完整巖芯樣品，然后帶回實驗室進行物理力學性質測試（如單軸抗壓強度、彈性模量等），從而了解不同層次材料的基本特性。

●井下電視攝像：將帶有攝像頭的小型機器人放入鉆孔內部沿著孔壁緩慢移動拍攝視頻畫面，便于觀察識別存在的裂縫、溶洞等地質缺陷。

●聲波測井：向井內發(fā)射特定頻率的超聲波信號，根據回波傳播速度及衰減情況推斷出圍巖密度、孔隙度等信息。

●電阻率成像：利用電流通過不同介質時表現出的導電性差異繪制出地下結構輪廓圖譜，有助于揭示潛在不良地質體分布規(guī)律。

通過對上述各種數據進行綜合分析解讀，可以為大壩基底加固處理措施的選擇提供科學依據。

03-水文特性研究

為了確保抽水蓄能電站具備足夠的蓄水能力和穩(wěn)定的供水來源，必須對所在流域內的水文特征進行深入探討。主要內容涉及：

●徑流模擬：基于歷史降水記錄建立數學模型預測未來年份內月均降水量及其時空分布格局，據此估算可供開發(fā)利用的水資源總量。

●洪水頻率分析：統(tǒng)計過去百年間發(fā)生的特大暴雨事件發(fā)生概率，確定防洪標準等級，指導溢洪道尺寸設定等工作。

●蒸發(fā)滲漏損失計算：考慮氣溫濕度風速等因素影響下的水面蒸發(fā)速率以及土壤含水量變化情況，修正入庫水量預算結果。

●水質監(jiān)測：定期采集上下游斷面水樣檢測pH值、溶解氧含量、重金屬濃度等指標，確保符合國家飲用水衛(wèi)生標準要求。

通過上述一系列科學研究活動，能夠為合理配置水庫規(guī)模容量、優(yōu)化調度規(guī)則制定提供強有力的技術支撐。

04-生態(tài)影響評估

最后但并非最不重要的一環(huán)就是生態(tài)環(huán)境保護議題。盡管抽水蓄能相對于其他形式的傳統(tǒng)能源生產方式已經大大減少了碳足跡，但在具體實施過程中仍然需要注意防止對自然景觀造成不必要的破壞。因此，在設計之初就應該充分考慮如何最小化負面效應：

●棲息地恢復計劃：針對因修建大壩而導致部分動植物失去原有生活環(huán)境的問題，可以通過移植樹木、營造人工濕地等方式創(chuàng)造新的適宜生存空間。

●魚類洄游通道設置：如果存在洄游性魚類種群，則應在適當位置預留過魚設施，允許它們自由遷移繁殖。

●噪音振動控制：施工機械運作產生的噪聲污染可能會干擾野生動物正常生活習性，故需采取隔音屏障、限制作業(yè)時間等措施加以抑制。

●景觀美化方案：精心挑選合適植被種類栽植于裸露邊坡之上，既美化了環(huán)境又起到了固土護坡的作用。

總而言之，在抽水蓄能電站的設計階段，通過采用多樣化的測量測繪技術，可以確保工程設計的科學性和合理性，同時兼顧環(huán)境保護的要求，為電站的建設和運營打下堅實的基礎。

05.抽水蓄能電站施工階段的測量測繪技術

抽水蓄能電站的施工階段是一個極其復雜且耗時的過程，它涵蓋了從土石方開挖到混凝土澆筑、再到機電設備安裝調試等一系列步驟。在這個過程中，測量測繪技術扮演著至關重要的角色，不僅確保了施工的精確性，還提高了效率，降低了誤差風險。以下是幾個關鍵領域的應用實例：

01.施工控制網建立與維護

在正式開始施工之前，首要任務是在施工現場布設一套嚴密的平面和高程控制網。這套網絡由若干個基準點組成，它們之間保持著嚴格的相對位置關系，為后續(xù)所有測量工作提供了統(tǒng)一的標準框架。常用的布設方法包括三角測量法、導線測量法以及GNSS靜態(tài)觀測法等。一旦控制網建成并通過驗收，就需要定期對其進行復核校正，以應對由于外界因素（如地震、沉降等）引起的變動。

02.大壩壩體形狀監(jiān)控

無論是重力壩還是拱壩，在澆筑過程中都需要嚴格控制其幾何尺寸和形狀，以保證結構的安全穩(wěn)定。為此，施工單位通常會采用全站儀或者RTK-GNSS接收機每隔一段時間就對正在形成的壩體輪廓進行一次全方位掃描，所得數據會被輸入到專門開發(fā)的軟件中進行比對分析，及時發(fā)現偏差并采取糾正措施。此外，還可以利用固定安裝在特定位置上的激光測距儀持續(xù)跟蹤監(jiān)測某些關鍵部位的變化情況。

03.隧洞掘進導向

抽水蓄能電站往往需要建設較長距離的輸水隧洞來連接上下兩個水庫。這些隧道一般埋藏于山體內，無法直接從外部觀察到進展情況。此時，精密的測量技術就顯得尤為重要了。一方面，可以通過設置臨時導線點沿著預計線路向前延伸，引導掘進機按照預設軌跡前進；另一方面，則是借助陀螺經緯儀或慣性導航系統(tǒng)來確定當前掘進頭的確切方位角和俯仰角，確保始終處于正確方向上。

04.機械設備定位

在安裝大型機械設備如發(fā)電機、變壓器等重型組件時，哪怕是最細微的位置偏移也可能導致嚴重的后果。因此，在這類操作中往往會用到更高精度級別的測量工具，比如激光跟蹤儀。這種設備能夠發(fā)射出一束細長的激光束鎖定住目標物體表面上的一個小反射鏡，隨后通過內置的光電探測器捕獲返回光線的時間延遲信息，從而計算出兩者之間的絕對距離以及相對姿態(tài)角。這樣一來，即使面對數噸乃至數十噸重量級別的物件也能夠輕松實現毫米級甚至亞毫米級的精確定位。

05.環(huán)境監(jiān)測與安全管理

除了直接服務于工程建設本身之外，測量測繪技術還在保障工地安全、預防事故發(fā)生方面發(fā)揮了重要作用。例如，通過部署自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)可以全天候不間斷地監(jiān)視邊坡穩(wěn)定性，一旦檢測到異常跡象立即觸發(fā)警報通知相關人員撤離危險區(qū)域；又或者是利用無人機搭載熱成像相機巡視施工現場，查找可能存在火災隱患的熱點區(qū)域。另外，還可以結合GIS平臺整合各類傳感器采集回來的環(huán)境參數（溫度、濕度、粉塵濃度等），形成可視化報表供管理者參考決策。

總結起來，在抽水蓄能電站施工階段，測量測繪技術貫穿始終，為整個項目提供了強有力的技術支持。通過不斷地技術創(chuàng)新與發(fā)展，未來的測量測繪工作將會變得更加智能高效，進一步推動此類清潔能源設施建設向著更高水平邁進。

06.抽水蓄能電站運營維護階段的測量測繪技術

抽水蓄能電站在投入運行之后，雖然不像建設階段那樣面臨頻繁的大規(guī)模施工活動，但是日常的運維管理工作同樣需要依賴于先進的測量測繪技術支持，以確保電站長期穩(wěn)定可靠地發(fā)揮作用。這一階段的主要關注點包括但不限于以下幾個方面：

01-結構健康監(jiān)測

隨著時間推移，大壩及其他相關建筑物會受到自然老化、氣候侵蝕、地質災害等多種因素的影響而逐漸發(fā)生變化。因此，建立一套完善的結構健康監(jiān)測系統(tǒng)顯得尤為必要。該系統(tǒng)通常由分布在各關鍵部位的傳感器節(jié)點構成，這些節(jié)點能夠實時采集諸如位移、應變、溫度、濕度等參數，并通過無線通信網絡傳輸給中央處理器進行數據分析處理。基于此，運維人員可以及時掌握結構當前的狀態(tài)信息，評估潛在風險，并制定相應的維修保養(yǎng)計劃。

02-水庫容量管理

抽水蓄能電站的核心功能在于通過調節(jié)上下兩個水庫之間的水量分配來實現能量存儲與釋放。為了最大化利用現有設施條件同時避免出現溢洪等問題，必須密切監(jiān)控實際庫容變化情況。這通常依靠安裝在進水口、泄水口以及庫岸邊的液位計來完成，它們能夠準確感知水面高度并將讀數發(fā)送給控制系統(tǒng)。結合氣象預報數據以及上游來水量預測模型，就可以提前做好調度安排，確保無論是在干旱季節(jié)還是暴雨時期都能保持理想的水位水平。

03-機電設備狀態(tài)診斷

作為電站的心臟部分，發(fā)電機、水泵、開關站等電氣機械設備的正常運轉直接關系到整個系統(tǒng)的效能表現。為此，除了常規(guī)的人工巡檢外，越來越多地采用了遠程監(jiān)控技術來進行輔助管理。例如，振動傳感器可以安裝在轉子軸承附近，用來檢測異常震動幅度及頻率特征；油品分析儀則負責定期抽取潤滑油樣本檢查其粘度、雜質含量等指標；紅外熱像儀更是能夠無接觸式地測量發(fā)熱部件表面溫度分布，幫助定位故障源。所有這些信息都將匯總到云端數據庫中，方便技術人員隨時查閱歷史記錄并作出趨勢分析。

04-環(huán)境影響跟蹤

盡管抽水蓄能被認為是一種較為環(huán)保的發(fā)電方式，但也不能忽視其可能對周圍生態(tài)系統(tǒng)造成的不利影響。特別是在一些敏感地區(qū)，比如靠近野生動植物保護區(qū)或者歷史文化遺址的地方，更應該加強對外部環(huán)境變化的關注。常見的做法包括利用衛(wèi)星遙感定期更新土地覆被地圖，觀察是否有非法占地行為發(fā)生；設置空氣質量監(jiān)測站檢測二氧化硫、氮氧化物等污染物排放量是否超標；以及開展生物多樣性普查活動，記錄物種種類數量變動趨勢等。通過這些手段，既可以驗證原有環(huán)保措施的有效性，也能為進一步改善提供依據。

05-應急響應準備

鑒于自然災害頻發(fā)且難以完全預見的特點，建立健全應急預案對于保障抽水蓄能電站安全至關重要。在這方面，測量測繪技術同樣能夠發(fā)揮積極作用。例如，可以通過LIDAR技術快速生成災區(qū)三維地形模型，為救援隊伍提供直觀的行動指南；利用無人機攜帶高清攝像機飛越受災區(qū)域拍攝受損情況，輔助評估損失程度；甚至還可以部署移動式氣象站收集現場風速、降雨量等實時數據，支持指揮中心做出科學決策。

總之，在抽水蓄能電站的運營維護階段，測量測繪技術仍然是不可或缺的重要工具之一。它不僅有助于提高工作效率降低成本支出，更重要的是能夠顯著增強系統(tǒng)的安全性與可靠性，為我國乃至全球范圍內的清潔能源事業(yè)貢獻一份力量。

07.測量測繪技術的發(fā)展趨勢與挑戰(zhàn)

隨著科技的進步和社會需求的變化，測量測繪技術也在不斷發(fā)展創(chuàng)新，以適應日益增長的精確度、效率和智能化要求。特別是對于抽水蓄能這樣的大型工程項目而言，未來的測量測繪領域將呈現出以下幾個顯著的趨勢：

1.自動化與無人化

近年來，隨著人工智能(AI)算法的不斷成熟以及硬件成本的下降，越來越多的自動化解決方案被引入到了測量測繪行業(yè)當中。例如，基于SLAM(Simultaneous Localization and Mapping)技術的自主導航機器人已經能夠在未知環(huán)境中自行探索并構建環(huán)境地圖；而無人機集群則可以協(xié)同工作完成大面積區(qū)域的快速測繪任務。這些新技術不僅極大地提升了工作效率，還減少了人為干預所帶來的誤差可能性。然而，如何確保機器學習模型訓練數據的質量以及算法本身的魯棒性仍然是亟待解決的問題之一。

2.高精度定位服務

隨著北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的全面建成投入使用，我國在全球范圍內擁有了獨立自主的高精度時空信息服務能力。這意味著今后無論是陸地還是海洋甚至是太空中的對象都能夠享受到厘米級甚至毫米級精度的定位服務。這對于提高抽水蓄能電站建設過程中各項工作的準確性無疑具有重要意義。不過，要想充分發(fā)揮這項技術的優(yōu)勢，還需要克服信號遮擋、多路徑效應等諸多技術難題。

3.數據融合與云計算

隨著物聯(lián)網(IoT)概念深入人心，各行各業(yè)都在積極探索如何打破信息孤島實現跨平臺互聯(lián)互通。在測量測繪領域也不例外，通過將來自不同類型傳感器（如GNSS接收機、激光雷達、溫濕度計等）的數據進行深度融合處理，并借助強大的云計算平臺進行高效運算，可以為用戶提供更加豐富多元的服務內容。比如，結合歷史天氣資料和實時氣象觀測結果預測未來一段時間內某區(qū)域內的降雨概率；或者基于大數據分析挖掘隱藏在海量原始記錄背后的規(guī)律性知識。當然，隨之而來的是如何妥善處理好隱私保護與數據共享之間的平衡關系。

4.可視化與虛擬現實

隨著用戶界面友好性的不斷提高，現在的測量測繪成果不再局限于枯燥乏味的文字報告或二維圖紙形式，而是越來越傾向于采用直觀生動的三維可視化手段呈現出來。尤其是VR(Virtual Reality)/AR(Augmented Reality)技術的興起，使得人們能夠在虛擬環(huán)境中身臨其境般地體驗到真實世界的場景。這對于培訓新手員工熟悉復雜操作流程、向非專業(yè)人士解釋專業(yè)技術問題等方面都極具價值。但與此同時，這也對軟硬件兼容性提出了更高的要求。

5.綠色低碳理念

面對氣候變化帶來的嚴峻挑戰(zhàn)，綠色低碳已經成為全社會共同追求的目標。測量測繪行業(yè)也不例外，正在積極尋求減少碳足跡的方法途徑。比如推廣使用太陽能供電的便攜式設備替代傳統(tǒng)電池供電方案；開發(fā)輕量化材料制造新型儀器外殼以減輕運輸過程中的能耗負擔；以及提倡采用數字化文檔代替紙質文件等等。盡管這些舉措看似微不足道，但如果能夠在整個行業(yè)內普及開來的話，累積起來的效果將是相當可觀的。

總之，未來的測量測繪技術將繼續(xù)朝著更加智能、精準、便捷的方向發(fā)展。而對于抽水蓄能電站這樣的重大項目來說，緊跟時代潮流擁抱科技創(chuàng)新無疑是提升競爭力的關鍵所在。同時我們也應該清醒地認識到，任何新興事物的成長壯大都不是一蹴而就的事情，其間必然伴隨著種種困難和障礙。只有通過不斷實踐積累經驗教訓，才能真正推動整個行業(yè)的健康發(fā)展。