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病險水庫監(jiān)測預(yù)警北斗應(yīng)用示范

　　“毫米級”監(jiān)測水庫大壩變形

　　受全球氣候變化影響，暴雨、臺風(fēng)、洪災(zāi)等極端天氣現(xiàn)象頻發(fā)，水庫大壩的安全風(fēng)險陡增，且潰壩潰堤事件時有發(fā)生。因此，應(yīng)用包括北斗技術(shù)在內(nèi)的信息化、數(shù)字化、智能化技術(shù)進(jìn)行雨水情監(jiān)測、工程安全監(jiān)測，是提高水庫大壩特別是病險水庫安全監(jiān)測預(yù)警和風(fēng)險防范能力的必然選擇。

　　北斗高精度定位的空天地一體化變形監(jiān)測和基于北斗短報文通訊的雨水情信息自動采集傳輸，在病險水庫監(jiān)測預(yù)警方面有著廣闊的應(yīng)用前景，“病險水庫監(jiān)測預(yù)警北斗應(yīng)用示范”對此進(jìn)行了大量探索。

　　我國大中型病險水庫安全監(jiān)測系統(tǒng)不完善、監(jiān)測自動化程度普遍較低，大量的小型病險水庫甚至沒有安全監(jiān)測設(shè)施。

　　變形是水庫大壩抵御庫水位等環(huán)境量荷載能力的綜合反映，變形監(jiān)測設(shè)施缺失不利于掌握水庫大壩的工作性態(tài)和安全狀況，嚴(yán)重影響大壩運(yùn)行風(fēng)險的預(yù)測預(yù)警。

　　傳統(tǒng)的人工監(jiān)測方式費(fèi)時費(fèi)力，且對操作人員的專業(yè)素養(yǎng)要求較高；傳統(tǒng)自動化監(jiān)測實(shí)施成本高，水利系統(tǒng)難以大范圍推廣實(shí)施。基于北斗高精度定位的空天地一體化變形監(jiān)測系統(tǒng)具有布設(shè)靈活、全自動、全天候、穩(wěn)定性高、精度高、運(yùn)行維護(hù)成本低等特點(diǎn)，實(shí)時觀測精度達(dá)到±3毫米以內(nèi)，能夠滿足規(guī)范要求的土石壩及高邊坡的觀測精度要求。尤其是通過技術(shù)攻關(guān)，技術(shù)人員研發(fā)出延時觀測精度達(dá)到±1毫米的高精度變形監(jiān)測設(shè)備，可進(jìn)一步保障水庫大壩安全。

　　水庫中的水位、降雨量等水文數(shù)據(jù)，是水利部門增加有效預(yù)見期、提前預(yù)警、實(shí)現(xiàn)水庫安全度汛的關(guān)鍵信息。據(jù)統(tǒng)計，我國水庫雨水情自動測報比例不到40%，有些縣區(qū)通訊網(wǎng)絡(luò)條件差，有線、無線、公共網(wǎng)絡(luò)無法覆蓋，水文數(shù)據(jù)的及時傳輸?shù)貌坏奖Ｕ稀?/p>

　　2021年7月17日至24日，河南遭遇特大暴雨洪災(zāi)，部分地區(qū)公網(wǎng)通訊和電力被破壞，除621處北斗衛(wèi)星雙發(fā)遙測站點(diǎn)外，其他監(jiān)測站全部中斷報汛。依靠北斗短報文通訊，救災(zāi)人員在8天時間內(nèi)共接收北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)87萬余份，為暴雨洪水預(yù)警、預(yù)報、調(diào)度和抗洪搶險提供了及時準(zhǔn)確的水文測報信息。

　　2022年3月，河南省板橋水庫開始實(shí)施病險水庫試點(diǎn)應(yīng)用。在水庫選擇多個位置進(jìn)行典型測點(diǎn)布置，埋設(shè)觀測墩并架設(shè)基于北斗三號的高精度變形監(jiān)測終端，同時選擇沉降穩(wěn)定位置布設(shè)參考站，實(shí)現(xiàn)實(shí)時三向位移采集并上傳至云端后臺服務(wù)器。目前該項(xiàng)工作進(jìn)展順利，試點(diǎn)成功后將會為大規(guī)模推廣奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

　　用導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)送“預(yù)警短信”

　　我國特殊的地形地貌條件、人口分布和降雨時空不均的特點(diǎn)導(dǎo)致了山洪災(zāi)害風(fēng)險長期存在，已建山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警體系和群測群防體系整體尚處于初級階段。山洪災(zāi)害防御仍面臨著防治能力與保障山丘區(qū)人民群眾生命安全和經(jīng)濟(jì)社會高質(zhì)量發(fā)展需求不匹配的矛盾。

　　以往山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警信息傳送難，大多存在山洪災(zāi)害重點(diǎn)部位的自動監(jiān)測站點(diǎn)缺少衛(wèi)星通信信道，地面網(wǎng)絡(luò)信號較弱甚至沒有地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋等問題。然而這些問題，應(yīng)用北斗可以迎刃而解。

　　北斗的短報文功能可以實(shí)現(xiàn)雙向通信，只要在服務(wù)范圍，就能夠?qū)ⅰ岸绦拧卑l(fā)到衛(wèi)星上。它主要面向普通移動通信信號不能覆蓋的地區(qū)（如無人區(qū)、荒漠、海洋、極地等）或通信基站遭受破壞的情況（如地震，洪水，臺風(fēng)等）。

　　示范項(xiàng)目組采用前端北斗短報文、北斗高精度定位技術(shù)，后端采用人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)、2D/3D GIS可視化技術(shù)等，利用北斗水利小型巡檢/調(diào)查終端、北斗高精度基準(zhǔn)站等，搭建山洪災(zāi)害監(jiān)測設(shè)備升級改造應(yīng)用場景和山洪災(zāi)害調(diào)查應(yīng)用場景，完成對全國重點(diǎn)部位的自動監(jiān)測站點(diǎn)增加衛(wèi)星通信信道、利用國產(chǎn)化的終端設(shè)備支撐全國山洪災(zāi)害補(bǔ)充調(diào)查評價等。

　　目前，根據(jù)基層群測群防工作要求和實(shí)際情況，設(shè)計了一款具有實(shí)用性的“北斗+4G”山洪災(zāi)害群測群防調(diào)查終端，在提高山洪災(zāi)害群測群防員的巡查監(jiān)管、預(yù)警信息上傳下達(dá)等能力水平的同時，保障在極端天氣情況下群測群防員的人身安全。在山洪災(zāi)害北斗示范應(yīng)用系統(tǒng)中，運(yùn)用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)回傳的調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)以及其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)接入的數(shù)據(jù)，構(gòu)建起山洪災(zāi)害監(jiān)測設(shè)備升級改造應(yīng)用、群測群防員山洪災(zāi)害隱患巡查兩個場景的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，集成到國家山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報預(yù)警平臺，提升山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警能力。今年6月，將在河北、河南、廣東、湖南、四川、寧夏、廣西等地進(jìn)行推廣應(yīng)用。

　　工程建設(shè)細(xì)節(jié)盡收眼底

　　在水利水電工程建設(shè)管理過程中，大力推動北斗規(guī)模化深度應(yīng)用，對于推動行業(yè)科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、提高生產(chǎn)效率等具有重要作用。

　　具體到特高壩和高邊坡工程，采用地基增強(qiáng)服務(wù)，北斗系統(tǒng)的毫米級定位可應(yīng)用于工程表面變形的自動化在線高精度監(jiān)測。同時，基于北斗高精度定位技術(shù)，可實(shí)時獲取碾壓施工機(jī)具的位置，并應(yīng)用專門開發(fā)的施工質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，可對碾壓遍數(shù)、行車速度、搭接條帶、層間間隔等進(jìn)行綜合管控，對車輛駕駛員進(jìn)行引導(dǎo)和預(yù)警，實(shí)現(xiàn)施工過程的全方位、立體化、多層次、精細(xì)化監(jiān)管，降低人工和材料成本投入，從而大幅度提升施工的效率和質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)全過程管理信息化。

　　目前，已研制開發(fā)基于北斗三號的高精度變形監(jiān)測終端，兼容多星多頻，在搜星能力、信號采集、星座篩選等方面取得明顯提升，優(yōu)化解算算法，滿足了水利水電工程高精密監(jiān)測的技術(shù)要求。

　　東莊水利樞紐工程是黃河重要防洪骨干工程和大型水源工程，工程擬建混凝土雙曲拱壩高230米，總庫容30多億立方米，是典型的特高壩、高邊坡工程。為保證圍堰施工質(zhì)量，工程采用了基于北斗技術(shù)的碾壓施工質(zhì)量智能監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時獲取倉面施工的振動碾位置坐標(biāo)，對振動碾碾壓軌跡、運(yùn)動方向、振動碾振動狀態(tài)等進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。并根據(jù)相關(guān)施工技術(shù)規(guī)范和工藝要求，對振動碾碾壓軌跡、碾壓速度等進(jìn)行監(jiān)控分析，發(fā)現(xiàn)漏碾、欠碾、超速等問題及時報警反饋施工，有效保障了碾壓施工質(zhì)量。碾壓施工質(zhì)量智能監(jiān)控系統(tǒng)克服了圍堰兩側(cè)山體高陡、衛(wèi)星信號遮擋嚴(yán)重、定位條件差等難題，取得了預(yù)期示范效果。

　　填補(bǔ)特殊水域基礎(chǔ)資料空白

　　我國特殊區(qū)域河流眾多，特殊區(qū)域河流大多地處邊遠(yuǎn)、自然環(huán)境復(fù)雜、基礎(chǔ)設(shè)施差、基礎(chǔ)資料獲取困難，以北斗導(dǎo)航定位、衛(wèi)星遙感技術(shù)相結(jié)合的通導(dǎo)遙一體化監(jiān)測手段成為流域基礎(chǔ)資料獲取、信息傳輸?shù)谋厝贿x擇。

　　示范項(xiàng)目組為了更好推動特殊區(qū)域北斗應(yīng)用效果，開展了基于北斗的水位高精度監(jiān)測終端研制，研發(fā)了北斗水位監(jiān)測預(yù)警軟件系統(tǒng)。目前已在北京懷柔水庫進(jìn)行場景測試，能夠?qū)崿F(xiàn)水文變化監(jiān)測和自動預(yù)警，并具備實(shí)時回傳數(shù)據(jù)的功能。此外，項(xiàng)目組還研制了小型便攜式巡檢定位終端，完成了冰湖、堰塞湖等通導(dǎo)遙一體化動態(tài)監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)和缺資料地區(qū)水文信息北斗監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)框架設(shè)計，為特殊區(qū)域水安全監(jiān)測奠定了堅實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

　　來源：中國水利報 2022年5月26日