决口险情监测系统在防汛抢险中的应用.pdf

中国防汛抗旱CHINA FLOOD&DROUGHT MANAGEMENTFeb.2024 NO.2 VOL.342024年2月 第2期 第34卷工作交流EXPERIENCE EXCHANGE决口险情监测系统RTK300无人机C120无人船电子浮标测流仪手持电波流速仪水位尺望远镜测距仪RTK测量仪图1 系统组成结构图决口险情监测系统在防汛抢险中的应用金志伟 冯登夷 张旸 王智敏（江苏省防汛防旱抢险中心，南京211500）摘要：近年来受强降雨等天气影响，河流湖泊长时间高水位运行，河湖堤防易发生决口险情。为及时进行险情防汛预警，以江苏省防汛抢险训练中心演练区决口险情监测为例，采用决口险情监测系统进行防汛监测模拟演练。结果表明，该决口险情监测系统能有效采集并传输监测数据，为防汛指挥部提供决策依据。系统可操作性强、准确性高，可进一步推广应用至类似防汛应急部署工作中。关键词：防汛抢险；决口险情；监测系统；预警中图分类号：TV87文献标识码：A文章编号：1673-9264（2024）02-87-04DOI:10.16867/j.issn.1673-9264.2023029金志伟，冯登夷，张旸，等.决口险情监测系统在防汛抢险中的应用J.中国防汛抗旱，2024，34（2）：87-90.JIN Zhiwei，FENG Dengyi，ZHANG Yang，et al.Application of breachmonitoring system in flood control and rescueJ.China Flood&Drought Management，2024，34（2）：87-90.（in Chinese）收稿日期：2023-02-06第一作者信息：金志伟，男，工程师，E-mail：。0 引言在防汛抢险任务中，决口封堵仍是亟待解决的难题。受持续强降雨和水库泄洪影响，当河湖出现漫堤决口险情时，堤防决口处的水流能量面积平均值（NA）对决口封堵时机的选择尤为重要。当NA10 t/（sm）时开始封堵，防汛抢险成功概率更大；若在人力、物力和装备尚未做好充分准备或者时机选择不恰当的情况下强行封堵，容易导致决口封堵失败1-2。鉴于决口险情的全方位立体监测就显得尤为重要，只有掌握决口险情的实时动态，前线指挥部才能准确做出决策，更高效地完成决口封堵任务3。目前，技术人员利用无人侦测船对决口处流速、流量等水情信息进行实时监测；空中采用侦测无人机实时传输画面；地面采用全站仪实时测量距离；水上采用多波束无人侦测船不间断对溃口水下地形进行探测3-6。科技化监测装备先进、监测技术成熟并引入科技手段封堵溃口，大大提高了救援效率7。1 决口险情监测系统1.1 监测系统概述决口险情监测系统具有机动性强、反应速度快、侦查范围全面、反应险情更直观的特点，主要包括以下组成部分（图1）：RTK300无人机：对决口上下游、左右岸进行三维建模；C120无人船：对决口水下地形扫描，对水面高程、决口左右岸声呐侧扫；电子浮标测流仪：测量决口水流流速；手持电波流速仪：对决口同一位置水流流速进行测量；水位尺：测量上下游水位差；望远镜测距仪：测量决口宽度；RTK测量仪：测量决口堤顶高程。87CHINA FLOOD&DROUGHT MANAGEMENT中国防汛抗旱Feb.2024 NO.2 VOL.342024年2月 第2期 第34卷工作交流EXPERIENCE EXCHANGE1.2 监测系统分述1.2.1 RTK300无人机RTK300无人机将飞行参数、导航、障碍物地图等多维度的关键信息整合至同一界面（图2），在水利、测绘、救灾等行业领域广泛应用，赋予作业人员强大的态势感知能力，是高效的空中生产力工具。RTK300无人机建图航拍步骤：在遥控器界面选择航线飞行、选择创建航线；框选出需要建模的范围；设定飞行相关参数；上传航线，执行命令。建模流程：二维建模。将照片数据导入大疆智图软件，在选择任务类型中的重建类型栏中选取二维模型，新建二维重建任务；三维建模。将照片数据导入大疆智图软件，在选择任务类型中的重建类型栏中选取三维模型，新建三维重建任务；建模完成后，可测量模型的位置、长度、面积、体积等数据8。1.2.2 C120无人船C120型无人船搭载了单波束测深仪、侧扫声呐、船控系统。测深作业流程如下：运用船控软件对航线进行规划；无人船到达设置航点后，启动测深仪，开始记录测点水深；无人船完成规划航线后，停止测深作业，进行水深取样，取样时利用自动采样装置定量采样；数据改正，吃水改正设为0.12 m；成果导出，根据所需数据进行导出处理9。1.2.3 电子浮标测流仪电子浮标测流仪是一种能够在短时间内测量水流流速的电子仪器。浮标主体为不锈钢材质，表层喷涂高耐磨防锈防污保护层，外侧搭载维护平台，便于用户维护的同时，降低了浮标的重心，增强了抗恶劣环境的能力，在较平静的水面和极端恶劣条件下均可使用。1.2.4 手持电波流速仪手持式雷达流速仪主要包括1个平面雷达探头，内部自带倾角测量。该仪器利用多普勒原理制成，工作时向水面发出电磁波，电磁波遇到运动的水面会发生散射，并构成回波，由于接收到的回波频率相对于发射频率发生一定偏移，由多普勒频率方程可求得水面流速。手持式雷达流速仪被广泛应用于野外巡测、防洪防涝、污水监测等领域，其体积小、自动化程度高，尤其适用于汛期和突发状况监测。此外，由于手持电波流速仪测速时候不受水面漂浮物、水质、水流状态的影响，而且流速愈大，漂浮物愈多，其反射波愈强，将更有利于电波流速仪工作10。1.2.5 水位尺水位尺用于测量水位差，若两水位尺距离比较近则不需要移动全站仪，全站仪架设完毕调平后，将全站仪目镜中间的十字对准水尺D与水面交汇处，按测量键测得全站仪与水尺D的高差E，再将全站仪目镜中间的十字对准另一个水尺F与水面交汇处，测得高差G，则水位差H=E-G；若需要移动全站仪则需要使用RTK测量仪测量一个基准点的高程I，测量全站仪到水尺D顶端高差J，再测量全站仪到基准点高差K算得水尺D的高程L，同理在另一端设立基准点M然后算得水尺F的高程N，即可算得水尺F的高程O，由两水尺的读数差减去水尺的高差即可测得水位差。1.2.6 望远镜测距仪望远镜测距仪一般采用脉冲法来测量距离。脉冲法测距的过程如下：测距仪发射出的激光经被测量物体的反射后又被测距仪接收，测距仪同时记录激光往返的时间；光速和往返时间的乘积的一半即为测距仪和被测量物体之间的距离。脉冲法测量距离的精度一般在1 m左右。1.2.7 RTK测量仪RTK 测量仪可接收卫星信号实现高精度定位，定位精度可达厘米级。在GPS测量中，静态、快速静态、动态测量都需要在测量后进行解算才能获得厘米级的精度，而采用 RTK测量仪进行测量，不仅能减少人力工作强度并节省费用，而且能够大幅提高工作效率。2 实例应用分析2.1 实例概况研究实例位于江苏省防汛抢险训练中心演练区二次溃坝处。将训练水池注满水后，利用倒坝对二次溃坝处形成水流冲击的方式模拟决口险情现场并用决口险图2 RTK300无人机操作界面88中国防汛抗旱CHINA FLOOD&DROUGHT MANAGEMENTFeb.2024 NO.2 VOL.342024年2月 第2期 第34卷工作交流EXPERIENCE EXCHANGE0.791.541.552.052.062.512.522.902.913.49等深线/m深度/m北图例情监测系统对其进行监测。2.2 决口险情监测系统应用（1）决口险情监测小组接到抢险指令后，立即携带设备赶赴决口险情现场。到达现场后，现场负责人向指挥部汇报险情并按照指令展开作业。使用无人机对决口上下游50 m，左右岸100 m的范围进行三维建图航拍。使用无人船对决口范围进行水下地形扫描，并完成数据处理，为水上挖机作业提供数据支撑，决口上游水下地形如图3所示。水上挖机在不增加附加浮筒时，水深不能超过1.50 m，增加附加浮筒时，作业水深不能超过4.00 m。水上挖机操作人员可根据无人船提供的位置信息和深度信息判断能否作业或作业方式。（2）一组人工测量队用手持电波流速仪测量决口处水流流速，用望远镜式激光测距仪测量决口宽度，并将数据汇报给现场负责人，现场负责人将数据汇报给前线指挥部；另一组人工测量队架设上下游水位尺、RTK测量仪，完成水位差和堤顶高程等参数的测量，测量结果见表1。（3）人工测绘组运用无人机建模，对现场测量数据进行标记，使前线指挥部更加直观地了解决口险情现场情况，决口现场实景如图4所示。（4）决口处流速、水位差、NA值随时间变化情况如图5所示。工作组对决口宽度、流速、水位差、NA值每10 min进行1次测报，使指挥部24 h实时掌握决口险情动态。（5）无人机小组运用大疆M600pro无人机抛投电子浮标，对决口上下游水流流速进行测量。电子浮标记录了测量时间、经纬度和水流速度，如表2所示。RTK300无人机通过4G单兵图传终端将决口险情实时画面传送给前线指挥部。通过无人船对决口左右岸进行声呐侧扫作业，巡查其他管涌、漏洞、裂缝等隐患。图3 决口上游水下地形图序号123456项目决口流速/（ms-1）上下游水位差/mNA/（ts-1m-1）决口宽度/m决口流量/（m3s-1）决口堤顶高程/m测量结果3.810.31.14310.6640.618.12表1 决口险情监测数据测报表注：监测时间为2022年4月26日15：10；每10 min进行一次测报。图4 决口现场实景图4.03.53.02.52.01.51.00.50流速水位差NA15：1015：2015：3015：40测量时间（时：分）流速/（ms-1）水位差/mNA/（ts-1m-1）图5 决口险情监测过程线定位时间（时：分：秒）15:11:4815:11:5215:11:5615:12:0015:12:0415:12:0815:12:1215:12:1615:12:2015:12:2415:12:2815:12:32经度/（）118.932 67118.932 70118.932 88118.933 11118.933 43118.933 66118.933 76118.933 89118.933 98118.934 07118.934 12118.934 15纬度/（）32.246 9832.247 0332.247 0632.247 0432.247 0332.247 0632.247 0932.247 1132.247 1432.247 1632.247 1832.247 20软件计算速度/（ms-1）0.7502.9005.3506.2008.4506.4172.4253.1002.4002.0001.8830.700表2 2022年4月26日决口险情监测数据测报表上下游水位差0.30 m堤顶高程8.12 m决口堤顶宽度10.66 m流量40.61 m3/s堤岸垂直高度1.90 m流速3.81 m/s89CHINA FLOOD&DROUGHT MANAGEMENT中国防汛抗旱Feb.2024 NO.2 VOL.342024年2月 第2期 第34卷工作交流EXPERIENCE EXCHANGE3 结语决口险情监测系统对灾情研判、封堵决策、人员转移等具有重要意义。决口险情监测系统实现了对汛情信息的实时采集、传输和管理，给防汛指挥决策提供了科学可靠的险情分析支持，保证了城市防汛指挥调度工作的及时性和有效性。但该系统对工作环境有一定要求，当遇到下雨或风力大于7级的天气情况时，无人机将无法工作；当水体有渔网或杂物较多时会影响无人船的探测，导致获取的决口断面水下信息缺乏准确性，此时流量只能通过估算得出。如遇上述问题，无人机需重新选择适宜环境开展工作，无人船则需选取无杂物水域区开展工作。系统其余设备基本无使用限制条件，后续系统应用有待进一步深入探索，并不断解决突破应用过程中存在的难点。参考文献1 丁晓磊，房媛.安徽省基层防汛预警平台的设计与开发J.中国防汛抗旱，2022，32（10）：48-52.2 魏向阳，祝杰，朱玉坤，等.黄河流域防汛智能化探讨J.中国防汛抗旱，2022，32（3）：41-46，72.3 赵唱白.浅谈测绘技术在防汛抢险中的应用J.江淮水利科技，2021，94（4）：9-10.4 臧力永，孙金凤，尹若燕.沭阳县岔流新开河桐槐树水文站防汛特征水位复核研究J.江苏水利，2022，315（12）：27-29，38.5 马冬冬，沈炜皓，周文彬，等.新形势下防汛抗旱及水旱灾害防御信息化建设探讨J.江苏水利，2022，310（S1）：37-39，49.6 龚祥.长江同马大堤宿松段防汛薄弱环节分析及建议J.江淮水利科技，2021，92（2）：37-38.7 张祖杰.长兴岛防汛堤防工后水平位移监测技术总结J.城市道桥与防洪，2022（11）：199-201，24.8 周洁，邵银霞，王沛丰，等.基于数字孪生流域的防汛“四预”平台设计J.水利信息化，2022（5）：1-7.9 孟迎.济宁市水利信息化智慧防汛系统应用技术研究J.水利技术监督，2021（8）：46-48，98.10陈胜，姜晓明，赵丽平，等.江西省小流域智慧防汛系统的应用技术研究J.水利信息化，2020（3）：34-38.Application of breach monitoring system in flood control and rescueJIN Zhiwei,FENG Dengyi,ZHANG Yang,WANG Zhimin(Jiangsu Provincial Flood and Drought Relief Center,Nanjing 211500)Abstract:In recent years,under the influence of heavy rainfall and other weather conditions,rivers and lakes run for a long timewith high water level,and river and lake dikes are prone to breach danger.In order to give timely warning of flood control,thispaper first introduces the breach monitoring system.Accordingly,taking the dam break in the drill area of Jiangsu Flood Controland Rescue Training Center as an example,the flood control monitoring simulation drill is carried out with the breach monitoringsystem.The results show that:The breach monitoring system can effectively collect and transmit monitoring data,which providesa solid basis for the flood control headquarters to make decisions.The system has strong operability and high accuracy,and canbe further applied to similar emergency deployment of flood control.Keywords:flood control and rescue;breach danger;monitoring system;early warning编辑 姚力玮 张心怡90