病险水库监测预警北斗应用示范

　　“毫米级”监测水库大坝变形

　　受全球气候变化影响，暴雨、台风、洪灾等极端天气现象频发，水库大坝的安全风险陡增，且溃坝溃堤事件时有发生。因此，应用包括北斗技术在内的信息化、数字化、智能化技术进行雨水情监测、工程安全监测，是提高水库大坝特别是病险水库安全监测预警和风险防范能力的必然选择。

　　北斗高精度定位的空天地一体化变形监测和基于北斗短报文通讯的雨水情信息自动采集传输，在病险水库监测预警方面有着广阔的应用前景，“病险水库监测预警北斗应用示范”对此进行了大量探索。

　　我国大中型病险水库安全监测系统不完善、监测自动化程度普遍较低，大量的小型病险水库甚至没有安全监测设施。

　　变形是水库大坝抵御库水位等环境量荷载能力的综合反映，变形监测设施缺失不利于掌握水库大坝的工作性态和安全状况，严重影响大坝运行风险的预测预警。

　　传统的人工监测方式费时费力，且对操作人员的专业素养要求较高；传统自动化监测实施成本高，水利系统难以大范围推广实施。基于北斗高精度定位的空天地一体化变形监测系统具有布设灵活、全自动、全天候、稳定性高、精度高、运行维护成本低等特点，实时观测精度达到±3毫米以内，能够满足规范要求的土石坝及高边坡的观测精度要求。尤其是通过技术攻关，技术人员研发出延时观测精度达到±1毫米的高精度变形监测设备，可进一步保障水库大坝安全。

　　水库中的水位、降雨量等水文数据，是水利部门增加有效预见期、提前预警、实现水库安全度汛的关键信息。据统计，我国水库雨水情自动测报比例不到40%，有些县区通讯网络条件差，有线、无线、公共网络无法覆盖，水文数据的及时传输得不到保障。

　　2021年7月17日至24日，河南遭遇特大暴雨洪灾，部分地区公网通讯和电力被破坏，除621处北斗卫星双发遥测站点外，其他监测站全部中断报汛。依靠北斗短报文通讯，救灾人员在8天时间内共接收北斗卫星数据87万余份，为暴雨洪水预警、预报、调度和抗洪抢险提供了及时准确的水文测报信息。

　　2022年3月，河南省板桥水库开始实施病险水库试点应用。在水库选择多个位置进行典型测点布置，埋设观测墩并架设基于北斗三号的高精度变形监测终端，同时选择沉降稳定位置布设参考站，实现实时三向位移采集并上传至云端后台服务器。目前该项工作进展顺利，试点成功后将会为大规模推广奠定技术基础。

　　用导航卫星发送“预警短信”

　　我国特殊的地形地貌条件、人口分布和降雨时空不均的特点导致了山洪灾害风险长期存在，已建山洪灾害监测预警体系和群测群防体系整体尚处于初级阶段。山洪灾害防御仍面临着防治能力与保障山丘区人民群众生命安全和经济社会高质量发展需求不匹配的矛盾。

　　以往山洪灾害监测预警信息传送难，大多存在山洪灾害重点部位的自动监测站点缺少卫星通信信道，地面网络信号较弱甚至没有地面网络覆盖等问题。然而这些问题，应用北斗可以迎刃而解。

　　北斗的短报文功能可以实现双向通信，只要在服务范围，就能够将“短信”发到卫星上。它主要面向普通移动通信信号不能覆盖的地区（如无人区、荒漠、海洋、极地等）或通信基站遭受破坏的情况（如地震，洪水，台风等）。

　　示范项目组采用前端北斗短报文、北斗高精度定位技术，后端采用人工智能、大数据技术、2D/3D GIS可视化技术等，利用北斗水利小型巡检/调查终端、北斗高精度基准站等，搭建山洪灾害监测设备升级改造应用场景和山洪灾害调查应用场景，完成对全国重点部位的自动监测站点增加卫星通信信道、利用国产化的终端设备支撑全国山洪灾害补充调查评价等。

　　目前，根据基层群测群防工作要求和实际情况，设计了一款具有实用性的“北斗+4G”山洪灾害群测群防调查终端，在提高山洪灾害群测群防员的巡查监管、预警信息上传下达等能力水平的同时，保障在极端天气情况下群测群防员的人身安全。在山洪灾害北斗示范应用系统中，运用北斗卫星系统回传的调查监测数据以及其他业务系统接入的数据，构建起山洪灾害监测设备升级改造应用、群测群防员山洪灾害隐患巡查两个场景的业务系统，集成到国家山洪灾害监测预报预警平台，提升山洪灾害监测预警能力。今年6月，将在河北、河南、广东、湖南、四川、宁夏、广西等地进行推广应用。

　　工程建设细节尽收眼底

　　在水利水电工程建设管理过程中，大力推动北斗规模化深度应用，对于推动行业科学技术创新、促进产业结构调整、提高生产效率等具有重要作用。

　　具体到特高坝和高边坡工程，采用地基增强服务，北斗系统的毫米级定位可应用于工程表面变形的自动化在线高精度监测。同时，基于北斗高精度定位技术，可实时获取碾压施工机具的位置，并应用专门开发的施工质量监控系统，可对碾压遍数、行车速度、搭接条带、层间间隔等进行综合管控，对车辆驾驶员进行引导和预警，实现施工过程的全方位、立体化、多层次、精细化监管，降低人工和材料成本投入，从而大幅度提升施工的效率和质量，实现工程建设全过程管理信息化。

　　目前，已研制开发基于北斗三号的高精度变形监测终端，兼容多星多频，在搜星能力、信号采集、星座筛选等方面取得明显提升，优化解算算法，满足了水利水电工程高精密监测的技术要求。

　　东庄水利枢纽工程是黄河重要防洪骨干工程和大型水源工程，工程拟建混凝土双曲拱坝高230米，总库容30多亿立方米，是典型的特高坝、高边坡工程。为保证围堰施工质量，工程采用了基于北斗技术的碾压施工质量智能监控系统，实时获取仓面施工的振动碾位置坐标，对振动碾碾压轨迹、运动方向、振动碾振动状态等进行实时监控。并根据相关施工技术规范和工艺要求，对振动碾碾压轨迹、碾压速度等进行监控分析，发现漏碾、欠碾、超速等问题及时报警反馈施工，有效保障了碾压施工质量。碾压施工质量智能监控系统克服了围堰两侧山体高陡、卫星信号遮挡严重、定位条件差等难题，取得了预期示范效果。

　　填补特殊水域基础资料空白

　　我国特殊区域河流众多，特殊区域河流大多地处边远、自然环境复杂、基础设施差、基础资料获取困难，以北斗导航定位、卫星遥感技术相结合的通导遥一体化监测手段成为流域基础资料获取、信息传输的必然选择。

　　示范项目组为了更好推动特殊区域北斗应用效果，开展了基于北斗的水位高精度监测终端研制，研发了北斗水位监测预警软件系统。目前已在北京怀柔水库进行场景测试，能够实现水文变化监测和自动预警，并具备实时回传数据的功能。此外，项目组还研制了小型便携式巡检定位终端，完成了冰湖、堰塞湖等通导遥一体化动态监测与预警系统和缺资料地区水文信息北斗监测预警系统框架设计，为特殊区域水安全监测奠定了坚实的技术基础。

　　来源：中国水利报 2022年5月26日