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(wù)中，決口封堵仍是亟待解決的難題。受持續(xù)強(qiáng)降雨和水庫泄洪影響，當(dāng)河湖出現(xiàn)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(jī)的選擇尤為重要。當(dāng)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(zhǔn)備或者時機(jī)選擇不恰當(dāng)?shù)那闆r下強(qiáng)行封堵，容易導(dǎo)致決口封堵失敗[1-2]。

鑒于決口險情的全方位立體監(jiān)測就顯得尤為重要，只有掌握決口險情的實時動態(tài)，前線指揮部才能準(zhǔn)確做出決策，更高效地完成決口封堵任務(wù)[3]。目前，技術(shù)人員利用無人偵測船對決口處流速、流量等水情信息進(jìn)行實時監(jiān)測；空中采用偵測無人機(jī)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(jìn)行探測[3-6]。科技化監(jiān)測裝備先進(jìn)、監(jiān)測技術(shù)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(jiān)測系統(tǒng)

1.1 監(jiān)測系統(tǒng)概述

決口險情監(jiān)測系統(tǒng)具有機(jī)動性強(qiáng)、反應(yīng)速度快、偵查范圍全面、反應(yīng)險情更直觀的特點(diǎn)，主要包括以下組成部分（圖1）：①RTK300無人機(jī)：對決口上下游、左右岸進(jìn)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(cè)掃；③電子浮標(biāo)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(jìn)行測量；⑤水位尺：測量上下游水位差；⑥望遠(yuǎn)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(jiān)測系統(tǒng)分述

1.2.1 RTK300無人機(jī)

RTK300 無人機(jī)將飛行參數(shù)、導(dǎo)航、障礙物地圖等多維度的關(guān)鍵信息整合至同一界面（圖2），在水利、測繪、救災(zāi)等行業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，賦予作業(yè)人員強(qiáng)大的態(tài)勢感知能力，是高效的空中生產(chǎn)力工具。RTK300無人機(jī)建圖航拍步驟：①在遙控器界面選擇航線飛行、選擇創(chuàng)建航線；②框選出需要建模的范圍；③設(shè)定飛行相關(guān)參數(shù)；④上傳航線，執(zhí)行命令。建模流程：①二維建模。將照片數(shù)據(jù)導(dǎo)入大疆智圖軟件，在選擇任務(wù)類型中的重建類型欄中選取二維模型，新建二維重建任務(wù)；②三維建模。將照片數(shù)據(jù)導(dǎo)入大疆智圖軟件，在選擇任務(wù)類型中的重建類型欄中選取三維模型，新建三維重建任務(wù)；③建模完成后，可測量模型的位置、長度、面積、體積等數(shù)據(jù)[8]。

圖2 RTK300無人機(jī)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(cè)掃聲吶、船控系統(tǒng)。測深作業(yè)流程如下：①運(yùn)用船控軟件對航線進(jìn)行規(guī)劃；②無人船到達(dá)設(shè)置航點(diǎn)后，啟動測深儀，開始記錄測點(diǎn)水深；③無人船完成規(guī)劃航線后，停止測深作業(yè)，進(jìn)行水深取樣，取樣時利用自動采樣裝置定量采樣；④數(shù)據(jù)改正，吃水改正設(shè)為0.12 m；⑤成果導(dǎo)出，根據(jù)所需數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)出處理[9]。

1.2.3 電子浮標(biāo)測流儀

電子浮標(biāo)測流儀是一種能夠在短時間內(nèi)測量水流流速的電子儀器。浮標(biāo)主體為不銹鋼材質(zhì)，表層噴涂高耐磨防銹防污保護(hù)層，外側(cè)搭載維護(hù)平臺，便于用戶維護(hù)的同時，降低了浮標(biāo)的重心，增強(qiáng)了抗惡劣環(huán)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(dá)流速儀主要包括1 個平面雷達(dá)探頭，內(nèi)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(fā)出電磁波，電磁波遇到運(yùn)動的水面會發(fā)生散射，并構(gòu)成回波，由于接收到的回波頻率相對于發(fā)射頻率發(fā)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(dá)流速儀被廣泛應(yīng)用于野外巡測、防洪防澇、污水監(jiān)測等領(lǐng)域，其體積小、自動化程度高，尤其適用于汛期和突發(fā)狀況監(jiān)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(zhì)、水流狀態(tài)的影響，而且流速愈大，漂浮物愈多，其反射波愈強(qiáng)，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(shè)完畢調(diào)平后，將全站儀目鏡中間的十字對準(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)點(diǎn)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(zhǔn)點(diǎn)高差K算得水尺D的高程L，同理在另一端設(shè)立基準(zhǔn)點(diǎn)M然后算得水尺F的高程N(yùn)，即可算得水尺F的高程O，由兩水尺的讀數(shù)差減去水尺的高差即可測得水位差。

1.2.6 望遠(yuǎn)鏡測距儀

望遠(yuǎn)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(fā)射出的激光經(jīng)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(wèi)星信號實現(xiàn)高精度定位，定位精度可達(dá)厘米級。在GPS 測量中，靜態(tài)、快速靜態(tài)、動態(tài)測量都需要在測量后進(jìn)行解算才能獲得厘米級的精度，而采用RTK 測量儀進(jìn)行測量，不僅能減少人力工作強(qiáng)度并節(jié)省費(fèi)用，而且能夠大幅提高工作效率。

2 實例應(yīng)用分析

2.1 實例概況

研究實例位于江蘇省防汛搶險訓(xùn)練中心演練區(qū)二次潰壩處。將訓(xùn)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(xiàn)場并用決口險情監(jiān)測系統(tǒng)對其進(jìn)行監(jiān)測。

2.2 決口險情監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用

（1）決口險情監(jiān)測小組接到搶險指令后，立即攜帶設(shè)備趕赴決口險情現(xiàn)場。到達(dá)現(xiàn)場后，現(xiàn)場負(fù)責(zé)人向指揮部匯報險情并按照指令展開作業(yè)。使用無人機(jī)對決口上下游50 m，左右岸100 m 的范圍進(jìn)行三維建圖航拍。使用無人船對決口范圍進(jìn)行水下地形掃描，并完成數(shù)據(jù)處理，為水上挖機(jī)作業(yè)提供數(shù)據(jù)支撐，決口上游水下地形如圖3所示。水上挖機(jī)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(yè)水深不能超過4.00 m。水上挖機(jī)操作人員可根據(jù)無人船提供的位置信息和深度信息判斷能否作業(yè)或作業(yè)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(yuǎn)鏡式激光測距儀測量決口寬度，并將數(shù)據(jù)匯報給現(xiàn)場負(fù)責(zé)人，現(xiàn)場負(fù)責(zé)人將數(shù)據(jù)匯報給前線指揮部；另一組人工測量隊架設(shè)上下游水位尺、RTK 測量儀，完成水位差和堤頂高程等參數(shù)的測量，測量結(jié)果見表1。

表1 決口險情監(jiān)測數(shù)據(jù)測報表

（3）人工測繪組運(yùn)用無人機(jī)建模，對現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)記，使前線指揮部更加直觀地了解決口險情現(xiàn)場情況，決口現(xiàn)場實景如圖4所示。

圖4 決口現(xiàn)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(jìn)行1次測報，使指揮部24 h實時掌握決口險情動態(tài)。

圖5 決口險情監(jiān)測過程線

（5）無人機(jī)小組運(yùn)用大疆M600pro 無人機(jī)拋投電子浮標(biāo)，對決口上下游水流流速進(jìn)行測量。電子浮標(biāo)記錄了測量時間、經(jīng)緯度和水流速度，如表2 所示。RTK300 無人機(jī)通過4G 單兵圖傳終端將決口險情實時畫面?zhèn)魉徒o前線指揮部。通過無人船對決口左右岸進(jìn)行聲吶側(cè)掃作業(yè)，巡查其他管涌、漏洞、裂縫等隱患。

3 結(jié) 語

決口險情監(jiān)測系統(tǒng)對災(zāi)情研判、封堵決策、人員轉(zhuǎn)移等具有重要意義。決口險情監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)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(xué)可靠的險情分析支持，保證了城市防汛指揮調(diào)度工作的及時性和有效性。但該系統(tǒng)對工作環(huán)境有一定要求，當(dāng)遇到下雨或風(fēng)力大于7級的天氣情況時，無人機(jī)將無法工作；當(dāng)水體有漁網(wǎng)或雜物較多時會影響無人船的探測，導(dǎo)致獲取的決口斷面水下信息缺乏準(zhǔn)確性，此時流量只能通過估算得出。如遇上述問題，無人機(jī)需重新選擇適宜環(huán)境開展工作，無人船則需選取無雜物水域區(qū)開展工作。系統(tǒng)其余設(shè)備基本無使用限制條件，后續(xù)系統(tǒng)應(yīng)用有待進(jìn)一步深入探索，并不斷解決突破應(yīng)用過程中存在的難點(diǎn)。