南水北调东线工程防汛及运行管理新技术应用的探索研究

2023-11-10于茜

水电站机电技术 2023年9期

于茜

（中国南水北调集团东线有限公司，北京 100053）

1 东线工程应用新技术的必要性

南水北调东线工程作为复杂的跨流域跨区域多功能综合输水系统，点多线长、涉及的行政区域广，跨越长江、淮河、黄河、海河四大流域，除山东境内渠道工程外，大部分利用开放式河道输水，防汛管理工作复杂。近些年由于全球气候变化加剧，东线工程沿线洪水灾害防御形势异常严峻，汛期不仅突发性洪水总量大，而且极易遭受台风侵袭，安全度汛和运行管理工作面临严峻考验。

随着科学技术的进步，越来越多的新技术被应用到防汛抢险和运行管理工作中，不仅可以增强防汛保障能力，确保工程安全运行，更有利于在抢险过程中确保人员的生命安全[1，2]。

2 新技术的研究思路和目标

2.1 东线工程防汛及运行管理需求分析

东线工程防汛管理对新技术的主要需求是做好“事前”洪水灾害监测防范工作，和“事中”的突发事件应急处置工作，包括水情、气象监测，人员、物资输送，通信及应急指挥等，通过借助信息化手段，力求洪水灾害处于可控状态，确保工程安全度汛。运行管理对新技术的主要需求包括护坎及坝体、渠道及保护区、水下工程结构、水质的巡查需求，重要工程节点泵站和穿黄工程等的检修需求，以及运行管理信息化系统建设需求等。

2.2 研究思路

在确保“稳”的工作基础上，尝试摆脱水利专业的固有思维，结合航空、航天、测绘、遥感等其他领域新技术，借鉴电力巡线、石油管道巡检等其他行业经验，形成能落地、能推广的东线工程防汛及运行管理新方法。

2.3 研究目标

通过探究新技术、新手段、新装备在东线工程中的应用，借鉴其他行业先进运行管理方法和经验，提供防汛及工程运行管理建议，力求以更为可靠、高效的方式确保工程安全、供水安全和水质安全。

3 主要新技术应用分析

对于南水北调东线工程防汛工作来说，卫星云图是监视预报台风和暴雨发生、发展的强有力工具，尤其是监视台风的发生、发展，追踪其移动的路径轨迹；分析形成暴雨的天气尺度、云系特征及形成暴雨的各种条件，估计降雨强度；以及对局地生成的降雨云团进行跟踪、分析，判断其形成暴雨的可能性及其降雨范围。在南水北调东线工程中，主要应用气象卫星对汛期的气象态势整体监测，地球资源卫星对水体、水质进行监测。

对于南水北调东线工程运行管理工作来说，引入无人机平台搭载视频监视等新技术能够帮助确定排水不畅区域，搭载地质雷达对淤积情况进行监测；南水北调工程中应用巡检机器人可以帮助实现泵站机房运维的智慧化管理，减轻目前工作方式的劳动强度，提高泵站机房运维工作的稳定性和实时性，为机房安全运行及泵站安全提供更强有利的保障；同时采用巡检机器人与无人机配合对渠道及保护区的日常巡查，巡检机器人主要排查近距离的重点区域，可以提高巡查效率和准确性。

经分析研究，针对东线工程防汛及应急管理需求，可应用的新技术主要包括：3 个智能平台，分别为无人机、机器人、无人船；1 个专业体系，为航空应急救援体系；11 项新技术或新设备，分别为：遥感卫星、激光流量监测、气象观测站、地质雷达、激光雷达、合成孔径雷达、视频监控、无线图像传输、电子围栏、可见光相机装置、侧扫声呐和多波束探测等。

4 东线工程的新技术研究方案

经调研东线工程防汛和工程运行管理现状，重点针对工程关键节点、关键部位的安全运行、日常维护、检修、大修及应急处置等防汛及运行安全问题提出新技术应用建议，进一步提高防汛及工程运行管理水平、加强安全监管能力、提高日常管理和应急处置效率。研究方案充分考虑跨行业跨学科领域交叉，结合水利和航空先进技术，设计了“天空地立体协同监测”系统、机器人系统、通用航空应急救援系统以及综合数据中心系统。

4.1 天空地立体协同监测系统

综合考虑南水北调东线工程防汛及运行管理技术需求和新技术的现状，设计了“天空地立体协同监测”系统。相比传统监测手段，天空地互为补充，极大提高了监测的精确性和时效性。系统包括天基监测、空基监测、地基监测3 个部分，最后所有监测数据汇集到综合数据中心，通过数据的融合处理分析，进行态势分析、预警，为主管部门提供指挥决策辅助。

天基监测：主要利用气象卫星和资源卫星，对东线工程全线整体气象、水情和水质进行宏观监测；如采用使用气象卫星，对工程全域气象进行预测，利用高光谱遥感卫星对河道流域进行态势感知分析等。

空基监测：基于无人机的应用，采用无人机和人工相结合的方式开展工程巡检工作，搭载激光雷达、合成孔径雷达、可见光相机装置、无线图像传输等新设备，以提高日常养护运维工作效率，弥补人巡作业盲区，解决人工巡检强度大、效率低等问题。

地基监测：在地面工程重要关注点处布设激光流量监测、气象观测站、视频监控、电子围栏、地质雷达等设备，对渠道既定区域进行更加精细、精准的监测。

4.2 机器人系统

东线工程的运行管理工作是复杂的系统工程，靠单一功能机器人无法满足，结合对东线工程技术需求分析，提出多种机器人结合的方式辅助人工检修工作，机器人负责前端感知与处置，包括巡检机器人、安防机器人、管道机器人、无人船水域机器人等，获取的数据信息直接或间接回传到综合数据中心，或者传到监测管理人员的应用终端。

巡检机器人针对泵站日常巡检需求设计，通过对各类泵站设备状态的巡查和检视，能够第一时间发现故障或故障隐患，并及时加以维修和防范，确保调水的安全和稳定。安防机器人针对保护区日常巡检需求设计，能识别人员入侵、设施设备损坏，并能实时告警，通知管理人员及时处置。管道机器人针对泵站和穿黄工程涵洞不断水检修设计，利用视频监测、声纳系统、图传软件等新技术，对涵管裂缝、渗漏进行监测，并能进行简单的修理。无人船水域机器人针对水下工程结构检测设计，利用侧扫声呐、多波束探测等新技术，对渠道的水下淤积、渠道破坏、衬砌板裂缝及脱落、渗漏等情况进行监测。

4.3 通用航空应急救援系统

制定针对性的南水北调东线工程的通用航空应急管理制度，构建南水北调东线应急管理信息化平台，搭建通用航空运行能力。在应急救援及应急处置情况下，理论结合实际、辅以信息化系统支持，由专业的通用航空运行团队实施人员、物资运输和通信应用，提高应急救援效率。

南水北调东线通用航空应急管理制度，以应急管理流程为主线，由预防阶段、准备阶段、响应阶段和恢复阶段组成闭环、动态、有机的管理模式。预防阶段，包括安全评估、应急规划、危险源管理、脆弱性管理、检测监控、应急培训、数据管理；准备阶段，包括应急资源和预案管理、应急演练、应急能力评估、预测预警、灾害危害模拟；响应阶段，包括接警出警、辅助决策、指挥调度、应急资源调度及应急信息发布、联动协同处置；恢复阶段，包括灾害损失统计与分析、事故调查、事故分析、案例管理、中介评估等。

南水北调东线应急管理信息化平台，以安全科技和信息技术为支撑，构建信息系统、决策辅助系统、指挥系统、预案演练系统、可视化系统，最终实现通用航空应急体系的信息化、模块化、智能化、可视化。

4.4 综合数据中心系统

综合数据中心深度融合处理天空地立体协同监测系统、机器人系统、通用航空应急救援系统的监测网络数据，利用可视化监测、气象水利、地理信息等先进技术，清晰准确的可视化数据展示平台，实时显示分析工程沿线气象数据及河渠道水情变化、科学预警灾情险情危机；通过专家知识库和对大量实时、历史数据的深度挖掘、评测与关联性分析，提供气象、水情、地质、水质的综合态势分析，为管理者决策提供充分的科学依据和辅助手段[3]。