鄭 鵬,魏星燦,李 寧,李 強(qiáng),陳江攀

(1. 京創(chuàng)智慧科技有限責(zé)任公司,四川 成都 610052; 2. 中國(guó)電建成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都 610072)

我國(guó)西南地區(qū)水利資源十分豐富,是水電開發(fā)的重要區(qū)域,截至2021年10月,四川省水電裝機(jī)容量為8 596.79萬kW,占全國(guó)電力裝機(jī)總量的21.2%,占四川省78.21%。抽水蓄能電站是一種特殊形式的水電站,一般由上水庫、下水庫、輸水道、廠房及開關(guān)站等部分組成,其利用電力負(fù)荷低谷時(shí)的電能,將低處下水庫的水抽到高處上水庫中,待到電力負(fù)荷上升時(shí),再通過發(fā)電機(jī)組將上水庫的水放回下水庫,以補(bǔ)充電能的不足[1]。其具有調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相、儲(chǔ)能、系統(tǒng)備用和黑啟動(dòng)等功能,體現(xiàn)出超大容量、系統(tǒng)友好、經(jīng)濟(jì)可靠、生態(tài)環(huán)保等優(yōu)勢(shì),對(duì)于保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行、提升新能源消納水平和改善系統(tǒng)各環(huán)節(jié)性能具有重要支撐作用。四川省“十四五”規(guī)劃中將抽水蓄能作為重點(diǎn)實(shí)施項(xiàng)目,發(fā)揮其調(diào)峰填谷作用。

我國(guó)西南地區(qū)碳酸鹽巖具有分布面積廣、連續(xù)、集中等特征,出露面積約53.26萬km2,占土地面積的27.36%[2]。在碳酸鹽巖發(fā)育地區(qū)建設(shè)抽水蓄能電站面臨巖溶工程地質(zhì)問題,如巖溶塌陷、滲漏及洞室?guī)r溶涌水等[3],全面、快速、精準(zhǔn)地查明工程區(qū)內(nèi)巖溶問題將對(duì)工程建設(shè)有重要意義。傳統(tǒng)人工路線地質(zhì)調(diào)查方式效率低、危險(xiǎn)性高、控制精度有限,且對(duì)于高山峽谷地區(qū)具有局限性[4]。機(jī)載LiDAR技術(shù)可有效濾除地面植被的影響,獲取高精度的真實(shí)地表紋理信息,從而識(shí)別地表巖溶地質(zhì)現(xiàn)象,具有高效、全面等優(yōu)勢(shì)[5]。近年來,國(guó)內(nèi)已有學(xué)者將機(jī)載LiDAR技術(shù)應(yīng)用于抽水蓄能電站工程測(cè)量中,如文獻(xiàn)[6]將機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于抽水蓄能電站大比例尺地形圖測(cè)繪中;文獻(xiàn)[7—8]利用機(jī)載激光雷達(dá)攝影測(cè)量技術(shù)開展抽水蓄能電站測(cè)量工作,提高了作業(yè)效率;文獻(xiàn)[9]利用機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)獲取庫區(qū)三維地形數(shù)據(jù),通過DEM計(jì)算得到庫容曲線,體現(xiàn)了機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在庫容計(jì)算中的優(yōu)越性。此外,該技術(shù)還被廣泛應(yīng)用于林業(yè)調(diào)查[10]、礦山治理[11]、工程勘測(cè)[12-13]、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查[14-16]等領(lǐng)域。該技術(shù)在工程地質(zhì)行業(yè)仍具有廣闊的應(yīng)用前景,尤其在高植被復(fù)雜山區(qū)具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[17-18]。

本文基于機(jī)載LiDAR技術(shù),獲取四川省某抽水蓄能電站庫區(qū)激光點(diǎn)云和光學(xué)影像數(shù)據(jù),通過搭建三維解譯平臺(tái),開展巖溶遙感解譯工作;同時(shí)結(jié)合野外現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核,以查明庫區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育情況,并分析巖溶分布規(guī)律。

1 測(cè)區(qū)概況

抽水蓄能電站庫區(qū)位于四川省東北部,地處前龍門山地與四川盆地西北部的結(jié)合地帶,屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候區(qū),雨量豐富,四季差異明顯,年平均降雨量為1300 mm。測(cè)區(qū)面積為10 km2,區(qū)內(nèi)相對(duì)高差最大為915 m,地形坡度較陡,一般在30°以上,植被茂密,為常綠闊葉林,林下灌木、草本茂密。區(qū)內(nèi)主要出露有泥盆上統(tǒng)茅壩組(D3m)、沙窩子組(D3s)、中泥盆上統(tǒng)觀霧山組(D2g)等碳酸鹽巖地層,巖溶發(fā)育強(qiáng)烈。其中,巖溶漏斗、巖溶洼地及落水洞等溶蝕問題(如圖1所示)成為抽水蓄能電站工程建設(shè)與運(yùn)營(yíng)安全的主要不利因素之一。

圖1 庫區(qū)內(nèi)溶蝕現(xiàn)象

2 數(shù)據(jù)獲取與處理

2.1 數(shù)據(jù)獲取

本文機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)獲取采用飛馬D20無人機(jī)平臺(tái),該飛行平臺(tái)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,任務(wù)載荷能力強(qiáng),具有載重大、航時(shí)長(zhǎng)的特點(diǎn),數(shù)據(jù)獲取現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。為滿足茂密植被區(qū)域大高差、高精度激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取要求,采用DV-LiDAR20激光雷達(dá)系統(tǒng),結(jié)合飛馬無人機(jī)管家軟件設(shè)計(jì)仿地飛行航線;同時(shí)采集激光點(diǎn)云和光學(xué)影像數(shù)據(jù),以保證區(qū)內(nèi)影像分辨率和點(diǎn)云密度的一致性。設(shè)計(jì)影像地面分辨率為6 cm,設(shè)計(jì)激光點(diǎn)云密度為60點(diǎn)/m2。航向重疊度為80%,旁向重疊度為70%,飛行時(shí)速為10 m/s,具體參數(shù)設(shè)置如圖3所示。

圖2 數(shù)據(jù)獲取現(xiàn)場(chǎng)

圖3 航攝參數(shù)

2.2 數(shù)據(jù)處理

對(duì)獲取的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行POS解算、航帶平差、去噪濾波、分類處理,得到地面點(diǎn)云與非地面點(diǎn)云數(shù)據(jù),采用TerraSolid軟件獲得DSM、DEM成果,格網(wǎng)間距為0.2 m;同時(shí)基于機(jī)載同步光學(xué)影像和POS數(shù)據(jù)生成DOM成果,影像分辨率為0.1 m,如圖4所示。

圖4 測(cè)區(qū)三維成果數(shù)據(jù)

3 機(jī)載LiDAR遙感解譯技術(shù)

3.1 解譯場(chǎng)景搭建

采用EarthSurvey軟件搭建多源遙感數(shù)據(jù)綜合解譯平臺(tái)。將LiDAR數(shù)據(jù)成果DOM、DEM、山體陰影(Hillshade)和其他基礎(chǔ)地質(zhì)數(shù)據(jù)導(dǎo)入平臺(tái),創(chuàng)建三維地質(zhì)解譯沙盤,建立巖溶解譯標(biāo)志,開展巖溶工程地質(zhì)問題的解譯工作。

3.2 解譯方法

基于測(cè)區(qū)水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)背景資料,結(jié)合碳酸鹽巖地層的巖溶地貌特征,采用三維模型、二維影像相結(jié)合的技術(shù)方法,建立巖溶遙感解譯標(biāo)志。以機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)成果為依據(jù)進(jìn)行初步解譯,在野外復(fù)核的過程中對(duì)解譯標(biāo)志和初步解譯成果進(jìn)行驗(yàn)證,并進(jìn)一步開展詳細(xì)解譯[19]。解譯技術(shù)流程如圖5所示。

圖5 解譯技術(shù)流程

4 解譯成果

4.1 巖體產(chǎn)狀解譯

在三維地質(zhì)解譯沙盤中,測(cè)區(qū)地層層狀紋理清晰,走向線性特征明顯,延伸穩(wěn)定(如圖6所示)?；贓arthSurvey三維解譯平臺(tái),通過“地災(zāi)分析”—“結(jié)構(gòu)面測(cè)量”模塊對(duì)巖層結(jié)構(gòu)面進(jìn)行識(shí)別和測(cè)量(如圖7所示),對(duì)比野外現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核成果可知,巖體結(jié)構(gòu)面測(cè)量與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量吻合程度高,具有較高的準(zhǔn)確性與可靠性。

圖6 三維模型地層紋理

圖7 層理產(chǎn)狀測(cè)量

上水庫區(qū)共解譯出4組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面,層理面產(chǎn)狀:310°～350°∠35°～60°,節(jié)理面產(chǎn)狀:40°～80°∠20°～70°、220°～260°∠50°～75°、110°～150°∠20°～70°。輸水線路共解譯出4組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面,層理面產(chǎn)狀:310°～340°∠40°～65°,節(jié)理面產(chǎn)狀:25°～40°∠45°～65°、250°～270°∠40°～60°、145°～185°∠30°～70°。下水庫區(qū)共解譯出4組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面,層理面產(chǎn)狀:310°～340°∠45°～75°,節(jié)理面產(chǎn)狀:30°～85°∠40°～75°、100°～150°∠30°～55°、180°～230°∠30°～80°。

4.2 地層巖性解譯

工程區(qū)植被茂密,基巖裸露較少,從光學(xué)影像上對(duì)地層進(jìn)行直接辨識(shí)存在較大困難。從濾除植被的數(shù)字高程模型上,可根據(jù)形貌、紋理及發(fā)育特征有效識(shí)別第四系洪積物、坡洪積與崩積物等第四系松散堆積物。洪積物多分布于谷地、溝谷凸岸,順溝谷展布,部分被開墾作為耕地、梯田(如圖8(a)所示);坡洪積物多分布于斜坡支溝溝道及溝谷出口附近,多呈扇形展布(如圖8(b)所示);崩積物由巖土崩塌形成,堆積于陡坡下方,受地形限制,多呈錐形堆積,影像上表面紋理斑駁(如圖8(c)所示)。測(cè)區(qū)基巖地層巖性解譯主要參考區(qū)域地質(zhì)資料,結(jié)合巖層的影像特征,通過野外復(fù)核驗(yàn)證,對(duì)地層界線進(jìn)行了修正。

圖8 堆積物影像特征

4.3 地質(zhì)構(gòu)造解譯

基于EarthSurvey構(gòu)建的三維地質(zhì)解譯沙盤,提取工程區(qū)基巖地層的層面產(chǎn)狀,綜合分析區(qū)內(nèi)產(chǎn)狀變化特征,結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料與野外復(fù)核,電站工程區(qū)位于一同斜倒轉(zhuǎn)向斜褶皺核部,走向?yàn)楸睎|-南西。其中,南東正常翼產(chǎn)狀310°～330°∠50°～70°,北西倒轉(zhuǎn)翼產(chǎn)狀320°～340°∠30～50°,軸面產(chǎn)狀330°∠55°,北東端樞紐產(chǎn)狀220°∠18°～24°,南西端樞紐產(chǎn)狀50°∠30°,翼間夾角11°～20°,屬緊閉倒轉(zhuǎn)向斜,兩翼產(chǎn)狀近似。

4.4 巖溶解譯

基于機(jī)載LiDAR高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù),通過濾波處理去除地表植被的影響,獲取真實(shí)地表高程數(shù)據(jù),可精準(zhǔn)識(shí)別茂密植被下的巖溶微地貌,根據(jù)形態(tài)可劃分為巖溶漏斗、巖溶洼地及落水洞等3類。其中,巖溶漏斗根據(jù)其形成機(jī)理又細(xì)分為溶蝕漏斗及塌陷漏斗。結(jié)合室內(nèi)遙感解譯及野外復(fù)核成果,測(cè)區(qū)內(nèi)共解譯出巖溶漏斗259處(溶蝕漏斗232處、塌陷漏斗27處)、巖溶洼地7處及落水洞2處。其分布如圖9所示。

圖9 測(cè)區(qū)巖溶分布

經(jīng)野外復(fù)核驗(yàn)證,現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果與室內(nèi)解譯結(jié)果一致,表明該技術(shù)可有效識(shí)別茂密植被覆蓋下的巖溶特征。圖10為區(qū)內(nèi)溶蝕漏斗(a1—a3)、塌陷漏斗(b1—b3)及巖溶洼地(c1—c3)激光點(diǎn)云、數(shù)字高程模型與現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核影像的對(duì)比。

圖10 巖溶遙感影像與現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核影像對(duì)比

5 巖溶發(fā)育分布規(guī)律

基于遙感解譯及野外復(fù)核獲取的巖溶分布數(shù)據(jù),分析測(cè)區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育分布與高程、坡度、坡向、構(gòu)造、地層及匯水區(qū)等因子(如圖11所示)的相關(guān)性。

圖11 巖溶分布規(guī)律分析因子

5.1 與高程的關(guān)系

高程與巖溶的發(fā)育有一定的相關(guān)性。不同高程區(qū)域,其氣候條件、植被類型、垂直分帶特征有一定差異。降水充沛、熱量適宜的地區(qū)有利于巖溶的發(fā)育。根據(jù)測(cè)區(qū)內(nèi)高程數(shù)據(jù),將區(qū)內(nèi)高程劃分為<800 m、(800,950]m、(950,1100]m、(1100,1250]m、(1250,1400]m及>1400 m 6個(gè)區(qū)間。分別統(tǒng)計(jì)各個(gè)高程區(qū)間內(nèi)巖溶分布數(shù)量。由統(tǒng)計(jì)信息可知,區(qū)內(nèi)巖溶主要分布在1250～1400 m高程區(qū)段,占總數(shù)的76.5%。

5.2 與坡度的關(guān)系

斜坡坡度是影響地表水徑流的重要因素,坡度的不同會(huì)導(dǎo)致地表與地下水交換及地下水徑流速度的差異,進(jìn)而影響巖溶的空間分布?；跈C(jī)載LiDAR獲取的高精度地形數(shù)據(jù),使用ArcGIS軟件空間分析工具提取坡度因子,將測(cè)區(qū)地形坡度劃分為(0,15°]、(15°,30°]、(30°,45°]、(45°,60°]、(60°,75°]及(75°,90°]6個(gè)區(qū)間,分別統(tǒng)計(jì)各個(gè)坡度區(qū)間內(nèi)巖溶分布數(shù)量。由統(tǒng)計(jì)信息可知,巖溶在各個(gè)坡度區(qū)間均有分布,相對(duì)集中分布于15°～60°坡度區(qū)間,占總數(shù)的69.4%。

5.3 與坡向的關(guān)系

坡向?qū)r溶的影響主要源于日照的差異,不同坡向的植被發(fā)育情況、水分蒸發(fā)強(qiáng)度及巖石風(fēng)化程度等不同,導(dǎo)致淺層巖體物理力學(xué)性質(zhì)的差異性分布,造成巖溶發(fā)育的空間分布不同。分析測(cè)區(qū)不同坡向的巖溶分布特征,將測(cè)區(qū)地形坡向劃分為(0,45°]、(45°,90°]、(90°,135°]、(135°,180°]、(180°,225°]、(225°,270°]、(270°,315°]、(315°,360°]8個(gè)區(qū)間,分別統(tǒng)計(jì)各個(gè)坡向區(qū)間內(nèi)巖溶分布數(shù)量。由統(tǒng)計(jì)信息可知,巖溶在各個(gè)坡向區(qū)間均有分布,但傾向北西-北東的斜坡相對(duì)較為集中。

5.4 與構(gòu)造的關(guān)系

在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈的地區(qū),巖層受斷裂構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈影響后變得破碎,距離斷層破碎帶越近,巖層越破碎,節(jié)理裂隙越發(fā)育,地下水交換和滲透能力越強(qiáng),不僅利于具有溶蝕能力的水的運(yùn)移,同時(shí)增大了可溶巖與水的接觸面積,利于巖溶的發(fā)育[20]。工程區(qū)位于向斜核部,將巖溶與核部距離劃分為(0,200]m、(200,400]m、(400,600]m、(600,800]m及大于800 m 5個(gè)區(qū)段,分別統(tǒng)計(jì)各個(gè)區(qū)段內(nèi)的巖溶數(shù)量。由統(tǒng)計(jì)信息可知,巖溶主要集中分布于距向斜核部400～600 m范圍內(nèi),占總數(shù)的43.7%,向斜核部600 m范圍內(nèi)的巖溶數(shù)量占到總數(shù)的78.4%,整體呈現(xiàn)由核部向兩翼逐漸減少的趨勢(shì)。

區(qū)內(nèi)巖層多呈高角度,沿走向及傾向有一定相變,透水性也變得相應(yīng)復(fù)雜。下水庫區(qū)為橫向河谷,導(dǎo)致切層地下水水力聯(lián)系較差,而上水庫區(qū)多順層發(fā)育溝谷或沖溝,水力聯(lián)系較好[21],巖溶發(fā)育強(qiáng)烈。

5.5 與地層的關(guān)系

可溶性巖石是巖溶發(fā)育的基礎(chǔ),測(cè)區(qū)地層以碳酸鹽地層為主,且組合發(fā)育有泥頁巖、細(xì)粉砂巖、石英砂巖等,各層巖石透水性具有差異,在巖溶水的溶蝕作用下,發(fā)育成各種巖溶形態(tài)?；跍y(cè)區(qū)地層解譯成果,分別統(tǒng)計(jì)各個(gè)地層內(nèi)巖溶分布數(shù)量。由統(tǒng)計(jì)信息可知,巖溶集中分布在泥盆系上統(tǒng)沙窩子組中,巖性為薄～中厚層白云質(zhì)灰?guī)r、薄層灰?guī)r,占總數(shù)的66%。

5.6 與匯水區(qū)的關(guān)系

水是巖溶作用發(fā)生的介質(zhì),水的流動(dòng)性和溶解性是巖溶發(fā)育的重要條件。基于機(jī)載LiDAR獲取的高精度地形數(shù)據(jù),開展匯水分析,提取測(cè)區(qū)匯水通道因子,分析巖溶分布與匯水通道的關(guān)系。結(jié)果表明,區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育于易于匯水的區(qū)域。巖溶洼地表現(xiàn)為地表負(fù)地形,位于多條匯水通道的聚集處,其匯水通道呈輻射狀向四周展布(如圖12所示),落水洞位于溝谷底部,其位于匯水通道的一端(如圖13所示),巖溶漏斗多發(fā)育于匯水通道中斷處或兩端(如圖14所示)。

表1 巖溶發(fā)育分布統(tǒng)計(jì)

圖12 巖溶洼地匯水通道

圖13 落水洞匯水通道

圖14 巖溶漏斗匯水通道

6 結(jié) 語

本文將機(jī)載LiDAR技術(shù)應(yīng)用于抽水蓄能電站勘察選址的巖溶工程地質(zhì)問題識(shí)別。通過室內(nèi)解譯與現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核,獲取了工程區(qū)地形地貌、地層、構(gòu)造、巖層結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀及地表水系發(fā)育特征等信息,查明了區(qū)內(nèi)巖溶洼地、巖溶漏斗及落水洞的空間分布特征。

基于無人機(jī)機(jī)載LiDAR獲取的高精度地形數(shù)據(jù),提取高程、坡度、坡向、構(gòu)造、地層及匯水區(qū)等因子,分析巖溶發(fā)育分布規(guī)律。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明,區(qū)內(nèi)巖溶集中分布在高程1250～1400 m,坡度15°～60°。巖溶多發(fā)育在地形低洼、易于匯水的區(qū)域,且沿結(jié)構(gòu)面走向呈“串珠狀”分布,巖溶與地層巖性聯(lián)系緊密,主要分布在泥盆系上統(tǒng)沙窩子組灰?guī)r夾白云質(zhì)灰?guī)r中,并呈現(xiàn)出沿向斜核部向兩翼逐漸減少的特點(diǎn),上水庫區(qū)多順層發(fā)育溝谷或沖溝,水力聯(lián)系較好,巖溶發(fā)育強(qiáng)烈。

實(shí)踐表明,無人機(jī)機(jī)載LiDAR技術(shù)可精準(zhǔn)快速識(shí)別抽水蓄能電站庫區(qū)巖溶分布特征,極大提高了作業(yè)效率,為抽水蓄能電站工程前期勘察設(shè)計(jì)提供了新的技術(shù)手段。