決口險情監測系統在防汛搶險中的應用

金志偉 馮登夷 張 旸 王智敏

（江蘇省防汛防旱搶險中心，南京 211500）

0 引 言

在防汛搶險任務中，決口封堵仍是亟待解決的難題。受持續強降雨和水庫泄洪影響，當河湖出現漫堤決口險情時，堤防決口處的水流能量面積平均值（NA）對決口封堵時機的選擇尤為重要。當NA＜10 t/（s·m）時開始封堵，防汛搶險成功概率更大；若在人力、物力和裝備尚未做好充分準備或者時機選擇不恰當的情況下強行封堵，容易導致決口封堵失敗[1-2]。

鑒于決口險情的全方位立體監測就顯得尤為重要，只有掌握決口險情的實時動態，前線指揮部才能準確做出決策，更高效地完成決口封堵任務[3]。目前，技術人員利用無人偵測船對決口處流速、流量等水情信息進行實時監測；空中采用偵測無人機實時傳輸畫面；地面采用全站儀實時測量距離；水上采用多波束無人偵測船不間斷對潰口水下地形進行探測[3-6]?？萍蓟O測裝備先進、監測技術成熟并引入科技手段封堵潰口，大大提高了救援效率[7]。

1 決口險情監測系統

1.1 監測系統概述

決口險情監測系統具有機動性強、反應速度快、偵查范圍全面、反應險情更直觀的特點，主要包括以下組成部分（圖1）：①RTK300無人機：對決口上下游、左右岸進行三維建模；②C120 無人船：對決口水下地形掃描，對水面高程、決口左右岸聲吶側掃；③電子浮標測流儀：測量決口水流流速；④手持電波流速儀：對決口同一位置水流流速進行測量；⑤水位尺：測量上下游水位差；⑥望遠鏡測距儀：測量決口寬度；⑦RTK測量儀：測量決口堤頂高程。

1.2 監測系統分述

1.2.1 RTK300無人機

RTK300 無人機將飛行參數、導航、障礙物地圖等多維度的關鍵信息整合至同一界面（圖2），在水利、測繪、救災等行業領域廣泛應用，賦予作業人員強大的態勢感知能力，是高效的空中生產力工具。RTK300無人機建圖航拍步驟：①在遙控器界面選擇航線飛行、選擇創建航線；②框選出需要建模的范圍；③設定飛行相關參數；④上傳航線，執行命令。建模流程：①二維建模。將照片數據導入大疆智圖軟件，在選擇任務類型中的重建類型欄中選取二維模型，新建二維重建任務；②三維建模。將照片數據導入大疆智圖軟件，在選擇任務類型中的重建類型欄中選取三維模型，新建三維重建任務；③建模完成后，可測量模型的位置、長度、面積、體積等數據[8]。

圖2 RTK300無人機操作界面

1.2.2 C120無人船

C120 型無人船搭載了單波束測深儀、側掃聲吶、船控系統。測深作業流程如下：①運用船控軟件對航線進行規劃；②無人船到達設置航點后，啟動測深儀，開始記錄測點水深；③無人船完成規劃航線后，停止測深作業，進行水深取樣，取樣時利用自動采樣裝置定量采樣；④數據改正，吃水改正設為0.12 m；⑤成果導出，根據所需數據進行導出處理[9]。

1.2.3 電子浮標測流儀

電子浮標測流儀是一種能夠在短時間內測量水流流速的電子儀器。浮標主體為不銹鋼材質，表層噴涂高耐磨防銹防污保護層，外側搭載維護平臺，便于用戶維護的同時，降低了浮標的重心，增強了抗惡劣環境的能力，在較平靜的水面和極端惡劣條件下均可使用。

1.2.4 手持電波流速儀

手持式雷達流速儀主要包括1 個平面雷達探頭，內部自帶傾角測量。該儀器利用多普勒原理制成，工作時向水面發出電磁波，電磁波遇到運動的水面會發生散射，并構成回波，由于接收到的回波頻率相對于發射頻率發生一定偏移，由多普勒頻率方程可求得水面流速。手持式雷達流速儀被廣泛應用于野外巡測、防洪防澇、污水監測等領域，其體積小、自動化程度高，尤其適用于汛期和突發狀況監測。此外，由于手持電波流速儀測速時候不受水面漂浮物、水質、水流狀態的影響，而且流速愈大，漂浮物愈多，其反射波愈強，將更有利于電波流速儀工作[10]。

1.2.5 水位尺

水位尺用于測量水位差，若兩水位尺距離比較近則不需要移動全站儀，全站儀架設完畢調平后，將全站儀目鏡中間的十字對準水尺D 與水面交匯處，按測量鍵測得全站儀與水尺D的高差E，再將全站儀目鏡中間的十字對準另一個水尺F與水面交匯處，測得高差G，則水位差H=E-G；若需要移動全站儀則需要使用RTK測量儀測量一個基準點的高程I，測量全站儀到水尺D頂端高差J，再測量全站儀到基準點高差K算得水尺D的高程L，同理在另一端設立基準點M然后算得水尺F的高程N，即可算得水尺F的高程O，由兩水尺的讀數差減去水尺的高差即可測得水位差。

1.2.6 望遠鏡測距儀

望遠鏡測距儀一般采用脈沖法來測量距離。脈沖法測距的過程如下：測距儀發射出的激光經被測量物體的反射后又被測距儀接收，測距儀同時記錄激光往返的時間；光速和往返時間的乘積的一半即為測距儀和被測量物體之間的距離。脈沖法測量距離的精度一般在±1 m左右。

1.2.7 RTK測量儀

RTK 測量儀可接收衛星信號實現高精度定位，定位精度可達厘米級。在GPS 測量中，靜態、快速靜態、動態測量都需要在測量后進行解算才能獲得厘米級的精度，而采用RTK 測量儀進行測量，不僅能減少人力工作強度并節省費用，而且能夠大幅提高工作效率。

2 實例應用分析

2.1 實例概況

研究實例位于江蘇省防汛搶險訓練中心演練區二次潰壩處。將訓練水池注滿水后，利用倒壩對二次潰壩處形成水流沖擊的方式模擬決口險情現場并用決口險情監測系統對其進行監測。

2.2 決口險情監測系統應用

（1）決口險情監測小組接到搶險指令后，立即攜帶設備趕赴決口險情現場。到達現場后，現場負責人向指揮部匯報險情并按照指令展開作業。使用無人機對決口上下游50 m，左右岸100 m 的范圍進行三維建圖航拍。使用無人船對決口范圍進行水下地形掃描，并完成數據處理，為水上挖機作業提供數據支撐，決口上游水下地形如圖3所示。水上挖機在不增加附加浮筒時，水深不能超過1.50 m，增加附加浮筒時，作業水深不能超過4.00 m。水上挖機操作人員可根據無人船提供的位置信息和深度信息判斷能否作業或作業方式。

圖3 決口上游水下地形圖

（2）一組人工測量隊用手持電波流速儀測量決口處水流流速，用望遠鏡式激光測距儀測量決口寬度，并將數據匯報給現場負責人，現場負責人將數據匯報給前線指揮部；另一組人工測量隊架設上下游水位尺、RTK 測量儀，完成水位差和堤頂高程等參數的測量，測量結果見表1。

表1 決口險情監測數據測報表

（3）人工測繪組運用無人機建模，對現場測量數據進行標記，使前線指揮部更加直觀地了解決口險情現場情況，決口現場實景如圖4所示。

圖4 決口現場實景圖

（4）決口處流速、水位差、NA值隨時間變化情況如圖5 所示。工作組對決口寬度、流速、水位差、NA值每10 min進行1次測報，使指揮部24 h實時掌握決口險情動態。

圖5 決口險情監測過程線

（5）無人機小組運用大疆M600pro 無人機拋投電子浮標，對決口上下游水流流速進行測量。電子浮標記錄了測量時間、經緯度和水流速度，如表2 所示。RTK300 無人機通過4G 單兵圖傳終端將決口險情實時畫面傳送給前線指揮部。通過無人船對決口左右岸進行聲吶側掃作業，巡查其他管涌、漏洞、裂縫等隱患。

3 結 語

決口險情監測系統對災情研判、封堵決策、人員轉移等具有重要意義。決口險情監測系統實現了對汛情信息的實時采集、傳輸和管理，給防汛指揮決策提供了科學可靠的險情分析支持，保證了城市防汛指揮調度工作的及時性和有效性。但該系統對工作環境有一定要求，當遇到下雨或風力大于7級的天氣情況時，無人機將無法工作；當水體有漁網或雜物較多時會影響無人船的探測，導致獲取的決口斷面水下信息缺乏準確性，此時流量只能通過估算得出。如遇上述問題，無人機需重新選擇適宜環境開展工作，無人船則需選取無雜物水域區開展工作。系統其余設備基本無使用限制條件，后續系統應用有待進一步深入探索，并不斷解決突破應用過程中存在的難點。