白路遥 闫浩良 吕林林 施宁 李亮亮 张学锋 隋楠

1国家管网北方管道公司管道科技研究中心

2中国石油天然气股份有限公司天然气销售北方分公司

3中国石油天然气股份有限公司青海油田分公司管道处

4国家管网山东天然气管道有限公司

水毁是威胁长输油气管道安全的主要地质灾害风险之一，与崩塌、滑坡、泥石流等管道地质灾害相比，水毁灾害数量最多，发育最广泛[1-2]，尤其是穿越河沟道和沿河沟敷设的油气管道受到的洪水威胁最大[3]。随着我国长输管道技术的快速发展，管道不可避免地穿越河沟道或沿河岸敷设，在河道演变和洪水冲刷的作用下，极易造成管道埋深不足、悬空甚至断裂，尤其是在一些地形复杂的季节性洪水频发地区管道受力状态及载荷分布更加复杂[4-5]，受到的洪水威胁也更为严重[6]。因此，提高管道洪水灾害监测预警水平，对于管道的安全运营至关重要。

针对管道水毁灾害监测预警，各管道运营单位通常采用水文气象预警平台，对管道沿线的降雨量、河道的水位、流量等进行宏观监测预警，为区域化管道洪水灾害的早期预防提供了决策依据[7-8]。但是，该方法无法对管道与河床或河岸的相对位置关系进行局部监测预警，难以发现潜在的水毁风险。针对穿河管道河床冲刷，通常采用基于电磁法的水下管道埋深检测技术。目前，该技术已在国内外得到广泛应用，形成了如BPS 河流穿越管道探测系统、磁性多功能定位和跟踪系统、One-Pass 河流穿越管道检测系统、FieldSens 管道遥测检测系统、GPS-RTK 水下管道检测系统等一系列专用的水下管道埋深检测系统，其检测精度可达厘米级[9]，但是此类设备使用成本较高，一般每3～5 年检测1次，无法对管道埋深进行实时监测预警。针对沿河管道河岸侵蚀，通常采用卫星遥感、无人机、远程视频监控等技术[10]，虽然能够实现在无人值守状态下水毁灾害识别，但是在一些气候环境恶劣、地形地貌复杂地区，相关设备容易受到毁灭性破坏，难以实现持续监测。

针对上述问题，在总结管道水毁风险管理经验和相关成果的基础上，从管道水毁灾害的成灾规律和分布特征入手，结合卫星定位技术，研制了一套安装便捷、经济成本低、简便易行的穿河管道埋深与河岸侵蚀监测预警系统，为进一步提高管道水毁灾害风险管理水平提供技术手段。

1 系统组成与原理

基于卫星定位的河沟道水毁监测预警系统主要由卫星定位浮球、卫星定位系统、移动通信系统、服务器、固定客户端或手持客户端、定位器监测平台组成（图1）。其中，定位浮球为该系统的核心组成部分，主要由定位器、防水外壳、电源等组成，为了保持定位浮球在水面漂浮姿态的稳定性，在浮球底部进行了配重设计（图2）。定位器采用小型低功耗卫星定位终端，信号接收装置与传统车载和巡检定位终端相同，均是通过卫星信号和移动通信基站信号的组合方式进行定位，定位精度一般小于5 m，满足管道水毁定位浮球的使用需求。

图1 河沟道水毁监测预警系统示意图Fig.1 Schematic diagram of river channel water damage monitoring and early warning system

对于穿河敷设的油气管道，将定位浮球布设在河道穿越段上游河床和河道凹岸穿越一侧的岸坡（图3a）；对于沿河敷设的油气管道，将定位浮球布设在河道凹岸冲刷区（图3b）。将多个定位浮球埋设于河床或河岸内，当河床或河岸受到洪水冲刷后，定位浮球将漂浮在水面上并随水流向下游移动，浮球内的卫星定位器将浮球的位置信息经通信基站远程传输至客户端，并通过监测平台设置的电子围栏实现定位浮球位置变化报警。用户可根据定位浮球的位置变化判断是否在定位浮球的埋设位置发生水毁和水毁点与管道的距离。此外，当定位浮球脱离初始位置后，可通过定位器监测平台监测浮球的移动速度，间接判断洪水的流速，为管道水毁灾害的应急抢险提供初始水情信息。

图3 定位浮球平面布置示意图Fig.3 Layout diagram of positioning floating ball

2 预警机理

管道水毁预警定位浮球采用电子围栏技术，它是一种利用GIS 空间算法实现的虚拟区域围栏，可以在地图上面规划一个区域（如圆形、多边形等），通过WEB 端以及APP 端将该区域与定位浮球的定位模块ID 进行关联，后台记录该区域的经纬度数据和相关联的设备ID，设备在移动过程中会不断向系统发送经纬度数据，实时进行计算，判断当前的经纬度数据是否在该区域内，如果不在区域内将判断设备移出围栏并且触发报警，同时记录移出围栏的时间，实现管道水毁定位浮球移动报警。

3 现场试验

为了测试定位浮球的工作性能，在现场实际应用前对定位浮球的漂浮姿态稳定性、防水性能、定位精度、电子围栏报警功能进行了逐一测试。定位器采用便携式卫星定位终端，可待机1 年以上，支持北斗卫星定位系统，定位浮球外壳采用直径15 cm 的硬质泡沫。

（1）漂浮姿态及防水性能测试。定位浮球组装完毕后，分别以多种不同姿态落入水中，待装置稳定后检查其漂浮姿态是否一致，然后将定位浮球浸入水中，检查其防水性能。测试结果表明，该定位浮球能够稳定漂浮在水面上，水面以上体积达2/3 以上（图4），对该装置进行转动及落水后，均能以同样姿态稳定在水面上。将该装置浸入水中后，未发现渗漏现象，密封性良好。

图4 漂浮姿态及防水测试Fig.4 Floating attitude and waterproof test

（2）电子围栏报警测试。在该装置静止状态下设置矩形电子围栏（15 m×10 m），报警模式设置为“出围栏报警”模式，保存设置后将该定位装置移出围栏。测试结果表明，定位装置移出围栏后能够在5 min内发出报警，符合现场应用需求。

定位装置模拟测试后，选择了沧州至淄博天然气管道黄河穿越段进行现场应用。由于受黄河上游小浪底水库泄洪影响，管道穿越段受冲刷影响严重，曾导致黄河北岸滩地段管道露管悬空，悬空最长达37.9 m，现场如图5 所示。因此，选择该水毁风险区进行现场监测试验意义重大。首先，将定位浮球组装完成后，埋入河漫滩穿越处管道正上方以及管道两侧的冲刷影响范围区，每处监测点埋深1 m（图6），各监测点之间间距约3 m，各监测点布置如图7 所示。定位浮球布置完毕后，分别对各定位浮球的定位模式、电子围栏进行了设置，并在监测平台内对各定位浮球进行统一管理。该监测装置安装并经历一个汛期后，系统运行良好，能够持续监测该管道黄河穿越段滩地水毁。

图5 沧淄线黄河穿越段水毁现场Fig.5 Water damage scence of the Yellow River crossing section of Cangzhou-Zibo Piplline

4 结论与建议

（1）针对河沟道水毁发生后，管道位置与水毁点相对位置难以实时监测预警的问题，研制了一套基于卫星定位的穿河管道埋深与河岸侵蚀监测预警系统，其具有安装便捷、经济成本低、简便易行、定位精度高的特点，可广泛应用于地形复杂、洪水易发区的油气管道水毁灾害监测预警，能够在管道露管前判断水毁点与管道的相对位置关系，为管道防洪抢险提供早期预警信息。

（2）管道发生大规模冲刷造成管道悬空后，管道抢修极为困难，严重时往往需要耗巨资进行防护，应以预防措施为主，提前做好汛前风险排查，对高风险段建议采用管道水毁监测预警系统并加强水工保护，以便在管道与河岸距离不足时及时采取防护措施，避免管道水毁规模扩大。