無人機(jī)在水庫安全管理上的應(yīng)用

裘一鳴

(上海城投原水有限公司，上海 200949)

陳行水庫始建于1990年，兼具避咸蓄淡、避污蓄清雙重功能，是上海最早的民用水庫，也開創(chuàng)了上海原水“兩江并舉”的先河。陳行水庫位于長江下游羅涇段，其全貌如圖1所示，是典型的邊灘水庫，每天擔(dān)負(fù)著全上海三分之一的原水供應(yīng)量。因此，陳行水庫作為一項(xiàng)關(guān)鍵的基礎(chǔ)設(shè)施，對上海的發(fā)展以及社會(huì)的安穩(wěn)有著關(guān)鍵意義。根據(jù)水利部明確要求，應(yīng)高度重視水庫安全管理，牢固樹立以人為本、生命至上、安全發(fā)展的理念，把確保水庫安全作為各項(xiàng)工作的重中之重[1-2]。

目前水庫的安全管理主要包含運(yùn)行管理、日常巡視、應(yīng)急預(yù)案、安全監(jiān)測等多個(gè)方面，而多年來受到技術(shù)以及成本的限制，日常巡視和安全監(jiān)測大都局限于水庫平面，如人員巡視、沉降監(jiān)測、位移監(jiān)測、滲漏監(jiān)測等。近十年來，隨著水下超聲波探測技術(shù)的成熟和普及，陳行水庫又增加了水下地形動(dòng)態(tài)監(jiān)測手段，即利用船只搭載超聲波探測儀，對水面以下的地形進(jìn)行測量，可以直觀地展現(xiàn)水庫庫內(nèi)積泥情況以及水庫外側(cè)灘面水下河勢的發(fā)展變化情況，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測的目的，確保水庫安全?？v然如此，水庫管理中仍遇到了種種缺憾和發(fā)展瓶頸，尤其是遇到突發(fā)情況時(shí)，應(yīng)急手段局限或者監(jiān)控方式落后等仍然是主要問題。

圖1 陳行水庫航拍圖Fig.1 Aerial Photograph of the Chenhang Reservoir

1 無人機(jī)原理及發(fā)展前景

無人機(jī)(無人駕駛航空器，UAV)是利用無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機(jī)[3]。從技術(shù)角度可以分為：無人直升機(jī)、無人固定翼機(jī)、無人多旋翼飛行器、無人飛艇、無人傘翼機(jī)幾大類。無人機(jī)系統(tǒng)由飛機(jī)平臺(tái)系統(tǒng)、信息采集系統(tǒng)和地面控制系統(tǒng)組成，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、機(jī)動(dòng)性好、飛行時(shí)間長、成本低、便于隱蔽、無需機(jī)場跑道、可多次回收重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)。隨著信息技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等高新技術(shù)在航空領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用及現(xiàn)代戰(zhàn)爭的需要，民用無人駕駛航空器(也稱遙控駕駛航空器，簡稱無人機(jī))的應(yīng)用范圍和性能得到了不斷提高，其生產(chǎn)和應(yīng)用在國內(nèi)外得到了蓬勃發(fā)展。隨著無人機(jī)頻譜制定和試航標(biāo)準(zhǔn)等多項(xiàng)規(guī)范逐步落地，其在低空領(lǐng)域的自主性得到了大大提升，用戶學(xué)習(xí)成本下降，操作更簡單。目前，無人機(jī)已在森林防災(zāi)、氣象遙感、噴灑農(nóng)藥、電力巡線、地質(zhì)勘探、海洋勘測、警務(wù)執(zhí)法等方面有了廣泛應(yīng)用，具備較為可觀的市場前景，可大大減輕人力成本和工作強(qiáng)度。

2 無人機(jī)的應(yīng)用

目前陳行水庫安全巡檢主要采用小型無人機(jī)，其產(chǎn)品成熟、穩(wěn)定、成本低、易于操控，同時(shí)也能進(jìn)行簡單的二次開發(fā)。通過近幾年來無人機(jī)的應(yīng)用，水庫的巡檢和監(jiān)測從原有的平面化逐步轉(zhuǎn)為三維立體化，為水庫水域的流動(dòng)趨勢分析、庫內(nèi)水面及大堤外灘面巡檢、水樣采集、引水調(diào)度、藻類防控、鳥類魚類生態(tài)觀測、突發(fā)事件應(yīng)急處置等多種工作提供了重要依據(jù)。

2.1 水庫水域流動(dòng)趨勢分析

陳行水庫長期擔(dān)負(fù)著避咸蓄淡、避污蓄清的任務(wù)，由于供水量逐年提高，庫容小的問題尤為突出，因此如何利用好水庫有限的庫容，充分發(fā)揮水庫的稀釋作用就顯得尤為重要了。陳行水庫投產(chǎn)運(yùn)行至今近30年，供水特點(diǎn)及水域流態(tài)都在發(fā)生變化，水庫的蓄水量調(diào)節(jié)主要憑著人為經(jīng)驗(yàn)，準(zhǔn)確率不高。因此，通過無人機(jī)的高空多角度、多時(shí)段跟蹤拍攝(圖2、圖3)，掌握水庫進(jìn)水時(shí)段的水流變化情況，對更加合理地、最大限度地利用水庫庫容發(fā)揮了重要作用。

圖2 水庫進(jìn)水時(shí)水流變化觀測圖(I)Fig.2 Observation Chart of Raw Water Inflow Change in the Reservoir(I)

圖3 水庫進(jìn)水時(shí)水流變化觀測圖(II)Fig.3 Observation Chart of Raw Water Inflow Change in the Reservoir(II)

由圖2、圖3的流態(tài)分析可知：區(qū)域①為取水泵站開泵后長江原水新入庫的水體流向，由于長江原水含沙量偏高，水體顏色偏黃且混濁，故而與區(qū)域②內(nèi)經(jīng)過沉淀的原水有色差，色差較為接近的區(qū)域就是新老原水混合區(qū)域。根據(jù)上述現(xiàn)象，可以了解水庫在引水期間，在開啟不同數(shù)量的水泵時(shí)，庫內(nèi)水體多種多樣的流態(tài)變化情況，從而為充分發(fā)揮水庫庫容，最大限度發(fā)揮水庫避污蓄清、避咸蓄淡的能力提供有力的依據(jù)。

2.2 水庫水面及大堤外灘面巡檢

陳行水庫雖然屬于小型水庫，但用船只對水面巡視，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且只能看到水庫的局部水面，難以分辨水庫水體的顏色變化。此外，大堤外灘面尤其是防浪墻外側(cè)是日常巡檢的觀測死角(圖4)，若是通過長江上租船巡視，由于過于靠近邊灘，船只極易擱淺，安全性難以保證。為此，充分利用無人機(jī)的定點(diǎn)定時(shí)航拍功能[4]，如大疆無人機(jī)的“軌跡飛行”功能或利用第三方合作軟件(如荔枝litchi航點(diǎn)規(guī)劃航拍軟件等)，事先在程序上規(guī)劃好無人機(jī)每次飛行的路線和拍攝位置然后通過一鍵起飛，就可以讓飛機(jī)沿著規(guī)劃好的路線進(jìn)行飛行和拍攝，拍攝的圖像既可以人工分析比對，也可以通過專業(yè)軟件進(jìn)行后臺(tái)分析，從而及時(shí)掌握水庫內(nèi)外側(cè)的變化情況，大大提高了工作效率，同時(shí)又解決了一直困擾著的巡視盲點(diǎn)問題。

圖4 水庫巡視范圍示意圖Fig.4 Schematic Diagram of Inspection Scope of the Reservoir

如圖5所示，利用大疆無人機(jī)自帶的“軌跡飛行”模式，讓無人機(jī)按照規(guī)劃好的水面巡檢路線進(jìn)行飛行，操作人員可以通過圖傳實(shí)時(shí)看到影像，對重點(diǎn)水域進(jìn)行針對性地拍攝或錄像[5]，不僅可以實(shí)時(shí)分析，還可用于后期研究。以前船只巡檢需要約2 h，而現(xiàn)在通過無人機(jī)巡視只需15 min就能完成，既提高了效率又降低了人員出船的安全風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 水庫水面巡視路線示意圖Fig.5 Schematic Diagram of Inspection Scope of the Reservoir

如圖6所示，當(dāng)長江低潮位時(shí)，可以清晰地看到水庫外灘面情況良好，未發(fā)現(xiàn)水庫有向外滲漏水的痕跡，同時(shí)也未發(fā)現(xiàn)長江水流沖刷給大堤帶來的安全隱患。通過對其他水庫大堤外灘面的分析(圖7)，可知圓圈內(nèi)部分就是水流沖刷出來的痕跡，若長江低潮位時(shí)，長時(shí)間有水流沿著該痕跡流出，則可以初步斷定，水庫大堤有滲漏水現(xiàn)象存在。

圖6 水庫外側(cè)灘面觀測圖Fig.6 Observation Chart of Outer Tidal Flats of the Reservoir

圖7 其他水庫外灘面觀測圖Fig.7 Observation Chart of Outer Tidal Flats of the Other Reservoir

2.3 水域水樣采集

水庫及周邊區(qū)域的水質(zhì)調(diào)研工作日趨繁重，尤其是對大型河道的水樣采集，長期存在弊端，諸如采樣人員只能取到河邊水，流動(dòng)性差、水樣代表性不強(qiáng)；若采用坐船取樣，則受限于船只較慢的航行速度和較高的成本，不適合長期且常態(tài)化的取樣工作。目前水樣采集的要求是取自水體流動(dòng)性較好的區(qū)域且水面以下0.5 m層的水樣，有機(jī)玻璃采樣器自重為1 kg，含水樣后的重量約2 kg。隨著無人機(jī)的專業(yè)化發(fā)展，如經(jīng)緯M 200、M 600等專業(yè)級(jí)行業(yè)應(yīng)用飛行平臺(tái)完全可以加載有一定重量的設(shè)備，包括一些其他品牌的專業(yè)飛行器也都能攜帶一定的重物。在野外巡檢和考察時(shí)，對無人機(jī)進(jìn)行掛載，懸吊采樣器(圖8)，可以隨時(shí)進(jìn)行水樣采集，方便快捷，安全高效。

圖8 水樣采集Fig.8 Water Sampling

2.4 生態(tài)觀測

陳行水庫每年都會(huì)投放一定數(shù)量的魚類，用于水庫生態(tài)治理，防止夏季藻類暴發(fā)而引起的水質(zhì)事件，而水庫周邊的鳥類也是水庫的一個(gè)重要的生態(tài)系統(tǒng)。魚類和鳥類的大量繁殖和遷徙活動(dòng)，也預(yù)示著陳行水庫是一個(gè)充滿活力、生機(jī)盎然的水域，然而人類的活動(dòng)，哪怕是極其慢速的活動(dòng)都會(huì)對動(dòng)物造成干擾。通過無人機(jī)的飛行，能夠在不打擾魚類或者鳥類等動(dòng)物的情況下，更安全地、近距離地觀測魚類和鳥類的群體活動(dòng)(圖9)，為后期的科學(xué)分析提供詳盡的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖9 水庫鳳頭潛鴨棲息圖Fig.9 Reservoir Morillon Habitat Map

2.5 突發(fā)事件應(yīng)急處置監(jiān)控

陳行水庫地處長江入海口主航道的南岸，來往船只眾多，每年因船只碰撞發(fā)生數(shù)起油污染事件，對原水取水安全影響較大。傳統(tǒng)手段是當(dāng)班人員通過望遠(yuǎn)鏡觀察取水口情況。由于取水口距離取水泵站約600 m，根據(jù)勾股定理可知，觀察人員幾乎是平視水面，故而觀察效果不理想。因此，充分利用無人機(jī)的優(yōu)勢，當(dāng)油污染發(fā)生時(shí)，無人機(jī)可以懸停于取水口上方，由上往下俯視拍攝，實(shí)時(shí)發(fā)回視頻信息，了解油污帶的流動(dòng)趨勢，江面取水口的水面情況一覽無余，并可以結(jié)合長江漲落潮的趨勢分析，為水庫應(yīng)急搶水提供直接指導(dǎo)，嚴(yán)格確保取水水質(zhì)的安全和可靠。如圖10所示，反光區(qū)域?yàn)橛臀蹘А?/p>

圖10 長江突發(fā)油污帶Fig.10 Burst Oil Pollution Belt in Yangtze River

3 結(jié)語

陳行水庫的安全管理包含運(yùn)行管理、日常巡視、防臺(tái)防汛、專業(yè)檢測等多個(gè)方面，目前無人機(jī)在水庫安全管理上的作用主要集中在航拍方面，它可以充分彌補(bǔ)人工巡檢時(shí)的不足之處；此外無人機(jī)的水質(zhì)采樣功能也已成熟，正在逐步應(yīng)用中。從長遠(yuǎn)來看，隨著無人機(jī)的功能越來越強(qiáng)大，無人機(jī)將來可以在水庫安全管理的更多領(lǐng)域進(jìn)行嘗試和探索[6-7]，為科學(xué)地管理水庫提供強(qiáng)有力的理論依據(jù)和技術(shù)保障，為水庫長期地、可靠地運(yùn)行奠定基礎(chǔ)，同時(shí)也為其他同類型水庫的管理工作提供借鑒。

[1]葉舟.水庫安全管理[M].北京:水利水電出版社,2012.

[2]方衛(wèi)華.國內(nèi)外水庫安全管理與大壩安全監(jiān)測現(xiàn)狀與展望[J].水利水文自動(dòng)化,2008,26(4):5-10.

[3]賀在華,段嘉宣,謝家宸,等.2018～2022年中國無人機(jī)行業(yè)深度調(diào)研及投資前景預(yù)測報(bào)告[R].2015.

[4]彭向陽,陳馳,饒章權(quán).大型無人機(jī)電力線路巡檢作業(yè)及智能診斷技術(shù)[M].北京:中國電力出版社,2015.

[5]程遠(yuǎn)航.無人機(jī)航空遙感圖像拼接技術(shù)研究[M].北京:清華大學(xué)出版社,2016.

[6]埃里克·程.無人機(jī)航拍從入門到精通[M].北京:人民郵電出版社,2016.

[7]符長青,曹兵.多旋翼無人機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2016.