南水北調東線工程防汛及運行管理新技術應用的探索研究

于 茜

（中國南水北調集團東線有限公司，北京 100053）

1 東線工程應用新技術的必要性

南水北調東線工程作為復雜的跨流域跨區域多功能綜合輸水系統，點多線長、涉及的行政區域廣，跨越長江、淮河、黃河、海河四大流域，除山東境內渠道工程外，大部分利用開放式河道輸水，防汛管理工作復雜。近些年由于全球氣候變化加劇，東線工程沿線洪水災害防御形勢異常嚴峻，汛期不僅突發性洪水總量大，而且極易遭受臺風侵襲，安全度汛和運行管理工作面臨嚴峻考驗。

隨著科學技術的進步，越來越多的新技術被應用到防汛搶險和運行管理工作中，不僅可以增強防汛保障能力，確保工程安全運行，更有利于在搶險過程中確保人員的生命安全[1，2]。

2 新技術的研究思路和目標

2.1 東線工程防汛及運行管理需求分析

東線工程防汛管理對新技術的主要需求是做好“事前”洪水災害監測防范工作，和“事中”的突發事件應急處置工作，包括水情、氣象監測，人員、物資輸送，通信及應急指揮等，通過借助信息化手段，力求洪水災害處于可控狀態，確保工程安全度汛。運行管理對新技術的主要需求包括護坎及壩體、渠道及保護區、水下工程結構、水質的巡查需求，重要工程節點泵站和穿黃工程等的檢修需求，以及運行管理信息化系統建設需求等。

2.2 研究思路

在確?！胺€”的工作基礎上，嘗試擺脫水利專業的固有思維，結合航空、航天、測繪、遙感等其他領域新技術，借鑒電力巡線、石油管道巡檢等其他行業經驗，形成能落地、能推廣的東線工程防汛及運行管理新方法。

2.3 研究目標

通過探究新技術、新手段、新裝備在東線工程中的應用，借鑒其他行業先進運行管理方法和經驗，提供防汛及工程運行管理建議，力求以更為可靠、高效的方式確保工程安全、供水安全和水質安全。

3 主要新技術應用分析

對于南水北調東線工程防汛工作來說，衛星云圖是監視預報臺風和暴雨發生、發展的強有力工具，尤其是監視臺風的發生、發展，追蹤其移動的路徑軌跡；分析形成暴雨的天氣尺度、云系特征及形成暴雨的各種條件，估計降雨強度；以及對局地生成的降雨云團進行跟蹤、分析，判斷其形成暴雨的可能性及其降雨范圍。在南水北調東線工程中，主要應用氣象衛星對汛期的氣象態勢整體監測，地球資源衛星對水體、水質進行監測。

對于南水北調東線工程運行管理工作來說，引入無人機平臺搭載視頻監視等新技術能夠幫助確定排水不暢區域，搭載地質雷達對淤積情況進行監測；南水北調工程中應用巡檢機器人可以幫助實現泵站機房運維的智慧化管理，減輕目前工作方式的勞動強度，提高泵站機房運維工作的穩定性和實時性，為機房安全運行及泵站安全提供更強有利的保障；同時采用巡檢機器人與無人機配合對渠道及保護區的日常巡查，巡檢機器人主要排查近距離的重點區域，可以提高巡查效率和準確性。

經分析研究，針對東線工程防汛及應急管理需求，可應用的新技術主要包括：3 個智能平臺，分別為無人機、機器人、無人船；1 個專業體系，為航空應急救援體系；11 項新技術或新設備，分別為：遙感衛星、激光流量監測、氣象觀測站、地質雷達、激光雷達、合成孔徑雷達、視頻監控、無線圖像傳輸、電子圍欄、可見光相機裝置、側掃聲吶和多波束探測等。

4 東線工程的新技術研究方案

經調研東線工程防汛和工程運行管理現狀，重點針對工程關鍵節點、關鍵部位的安全運行、日常維護、檢修、大修及應急處置等防汛及運行安全問題提出新技術應用建議，進一步提高防汛及工程運行管理水平、加強安全監管能力、提高日常管理和應急處置效率。研究方案充分考慮跨行業跨學科領域交叉，結合水利和航空先進技術，設計了“天空地立體協同監測”系統、機器人系統、通用航空應急救援系統以及綜合數據中心系統。

4.1 天空地立體協同監測系統

綜合考慮南水北調東線工程防汛及運行管理技術需求和新技術的現狀，設計了“天空地立體協同監測”系統。相比傳統監測手段，天空地互為補充，極大提高了監測的精確性和時效性。系統包括天基監測、空基監測、地基監測3 個部分，最后所有監測數據匯集到綜合數據中心，通過數據的融合處理分析，進行態勢分析、預警，為主管部門提供指揮決策輔助。

天基監測：主要利用氣象衛星和資源衛星，對東線工程全線整體氣象、水情和水質進行宏觀監測；如采用使用氣象衛星，對工程全域氣象進行預測，利用高光譜遙感衛星對河道流域進行態勢感知分析等。

空基監測：基于無人機的應用，采用無人機和人工相結合的方式開展工程巡檢工作，搭載激光雷達、合成孔徑雷達、可見光相機裝置、無線圖像傳輸等新設備，以提高日常養護運維工作效率，彌補人巡作業盲區，解決人工巡檢強度大、效率低等問題。

地基監測：在地面工程重要關注點處布設激光流量監測、氣象觀測站、視頻監控、電子圍欄、地質雷達等設備，對渠道既定區域進行更加精細、精準的監測。

4.2 機器人系統

東線工程的運行管理工作是復雜的系統工程，靠單一功能機器人無法滿足，結合對東線工程技術需求分析，提出多種機器人結合的方式輔助人工檢修工作，機器人負責前端感知與處置，包括巡檢機器人、安防機器人、管道機器人、無人船水域機器人等，獲取的數據信息直接或間接回傳到綜合數據中心，或者傳到監測管理人員的應用終端。

巡檢機器人針對泵站日常巡檢需求設計，通過對各類泵站設備狀態的巡查和檢視，能夠第一時間發現故障或故障隱患，并及時加以維修和防范，確保調水的安全和穩定。安防機器人針對保護區日常巡檢需求設計，能識別人員入侵、設施設備損壞，并能實時告警，通知管理人員及時處置。管道機器人針對泵站和穿黃工程涵洞不斷水檢修設計，利用視頻監測、聲納系統、圖傳軟件等新技術，對涵管裂縫、滲漏進行監測，并能進行簡單的修理。無人船水域機器人針對水下工程結構檢測設計，利用側掃聲吶、多波束探測等新技術，對渠道的水下淤積、渠道破壞、襯砌板裂縫及脫落、滲漏等情況進行監測。

4.3 通用航空應急救援系統

制定針對性的南水北調東線工程的通用航空應急管理制度，構建南水北調東線應急管理信息化平臺，搭建通用航空運行能力。在應急救援及應急處置情況下，理論結合實際、輔以信息化系統支持，由專業的通用航空運行團隊實施人員、物資運輸和通信應用，提高應急救援效率。

南水北調東線通用航空應急管理制度，以應急管理流程為主線，由預防階段、準備階段、響應階段和恢復階段組成閉環、動態、有機的管理模式。預防階段，包括安全評估、應急規劃、危險源管理、脆弱性管理、檢測監控、應急培訓、數據管理；準備階段，包括應急資源和預案管理、應急演練、應急能力評估、預測預警、災害危害模擬；響應階段，包括接警出警、輔助決策、指揮調度、應急資源調度及應急信息發布、聯動協同處置；恢復階段，包括災害損失統計與分析、事故調查、事故分析、案例管理、中介評估等。

南水北調東線應急管理信息化平臺，以安全科技和信息技術為支撐，構建信息系統、決策輔助系統、指揮系統、預案演練系統、可視化系統，最終實現通用航空應急體系的信息化、模塊化、智能化、可視化。

4.4 綜合數據中心系統

綜合數據中心深度融合處理天空地立體協同監測系統、機器人系統、通用航空應急救援系統的監測網絡數據，利用可視化監測、氣象水利、地理信息等先進技術，清晰準確的可視化數據展示平臺，實時顯示分析工程沿線氣象數據及河渠道水情變化、科學預警災情險情危機；通過專家知識庫和對大量實時、歷史數據的深度挖掘、評測與關聯性分析，提供氣象、水情、地質、水質的綜合態勢分析，為管理者決策提供充分的科學依據和輔助手段[3]。

5 結語

研究方案通過引進智能系統新技術，建立數據格式一致、數據處理高效、數據發布及時的數據管理體系，以此促使東線工作流程和制度進一步規范化、標準化，推進防汛及運行管理水平進一步提高。同時，利用智能化技術逐步替代人工，能有效增強工程的現代化管理水平。

方案提出結合航空、航天、遙感測繪、機器人等學科技術應用，既能促進交叉學科技術應用，又能滿足南水北調工程切實需求，可助力南水北調東線工程形成“水利+”格局，是綜合性、跨學科技術推進，探索高質量發展的新路徑。