净水技术|裘一鸣：无人机在水库安全管理上的应用
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裘一鸣
(上海城投原水有限公司，上海 200949)
陈行水库始建于1990年，兼具避咸蓄淡，避污蓄清双重功能，是上海最早的民用水库，也开创了上海原水“两江并举”的先河。陈行水库位于长江下游罗泾段，其全貌如图1所示，是典型的边滩水库，每天担负着全上海三分之一的原水供应量。因此，陈行水库作为一项关键的基础设施，对上海的发展以及社会的安稳有着关键意义。根据水利部明确要求，应高度重视水库安全管理，牢固树立以人为本、生命至上、安全发展的理念，把确保水库安全作为各项工作的重中之重。
目前水库的安全管理主要包含运行管理、日常巡视、应急预案、安全监测等多个方面，而多年来受到技术以及成本的限制，日常巡视和安全监测大都局限于水库平面，如人员巡视、沉降监测、位移监测、渗漏监测等。近十年来，随着水下超声波探测技术的成熟和普及，陈行水库又增加了水下地形动态监测手段，即利用船只搭载超声波探测仪，对水面以下的地形进行测量，可以直观地展现水库库内积泥情况以及水库外侧滩面水下河势的发展变化情况，实现动态监测的目的，确保水库安全。纵然如此，水库管理中仍遇到了种种缺憾和发展瓶颈，尤其是遇到突发情况时，应急手段局限或者监控方式落后等仍然是主要问题。
图1 陈行水库航拍图
1
无人机原理及发展前景
无人机（无人驾驶航空器，UAV）是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。从技术角度可以分为：无人直升机、无人固定翼机、无人多旋翼飞行器、无人飞艇、无人伞翼机几大类。无人机系统由飞机平台系统、信息采集系统和地面控制系统组成，结构简单、体积小、重量轻、机动性好、飞行时间长、成本低、便于隐蔽、无需机场跑道、可多次回收重复使用，等。随着信息技术、电子技术、计算机技术等高新技术在航空领域的广泛应用及现代战争的需要，民用无人驾驶航空器（也称遥控驾驶航空器，简称无人机）的应用范围和性能得到了不断提高，其生产和应用在国内外得到了蓬勃发展。随着无人机频谱制定和试航标准等多项规范逐步落地，其在低空领域的自主性得到了大大提升，用户学习成本下降，操作更简单。目前，无人机已在森林防灾、气象遥感、喷洒农药、电力巡线、地质勘探、海洋勘测、警务执法等方面有了广泛应用，具备较为可观的市场前景，可大大减轻人力成本和工作强度。
2
无人机的应用
目前陈行水库安全巡检主要采用小型无人机，其产品成熟、稳定、成本低、易于操控，同时也能进行简单的二次开发。通过近几年来无人机的应用，水库的巡检和监测从原有的平面化逐步转为三维立体化，为水库水域的流动趋势分析、库内水面及大堤外滩面巡检、水样采集、引水调度、藻类防控、鸟类鱼类生态观测、突发事件应急处置等多种工作提供了重要依据。
2.1
水库水域流动趋势分析
陈行水库长期担负着避咸蓄淡、避污蓄清的任务，由于供水量逐年提高，库容小的问题尤为突出，因此如何利用好水库有限的库容，充分发挥水库的稀释作用就显得尤为重要了。陈行水库投产运行至今近30年，供水特点及水域流态都在发生变化，水库的蓄水量调节主要凭着人为经验，准确率不高。因此，通过无人机的高空多角度、多时段跟踪拍摄（图2、图3），掌握水库进水时段的水流变化情况，对更加合理地、最大限度地利用水库库容发挥了重要作用。
图2 水库进水时水流变化观测图（I）
图3 水库进水时水流变化观测图（II）
由图2、图3的流态分析可知：区域①所示为取水泵站开泵后长江原水新入库的水体流向，由于长江原水含沙量偏高，水体颜色偏黄且混浊，故而与区域②内经过沉淀的原水有色差，色差较为接近的区域就是新老原水混合区域。根据上述现象，可以了解水库在引水期间，在开启不同数量的水泵时，库内水体多种多样的流态变化情况，从而为充分发挥水库库容，最大限度发挥水库避污蓄清、避咸蓄淡的能力提供有力的依据。
2.2
水库水面及大堤外滩面巡检
陈行水库虽然属于小型水库，但用船只对水面巡视，费时费力，并且只能看到水库的局部水面，难以分辨出水库水体的颜色变化。此外，大堤外滩面尤其是防浪墙外侧是日常巡检的观测死角（图4），若是通过长江上租船巡视，由于过于靠近边滩，船只极易搁浅，安全性难以保证。为此，充分利用无人机的定点定时航拍功能，如大疆无人机的“轨迹飞行”功能或利用第三方合作软件（如荔枝litchi航点规划航拍软件等），事先在程序上规划好无人机每次飞行的路线和拍摄位置然后通过一键起飞，就可以让飞机沿着规划好的路线进行飞行和拍摄，拍摄的图像既可以人工分析比对，也可以通过专业软件进行后台分析，从而及时掌握水库内外侧的变化情况，大大提高了工作效率，同时又解决了一直困扰着的巡视盲点问题。
图4 水库巡视范围示意图
如图5所示，利用大疆无人机自带的“轨迹飞行”模式，让无人机按照规划好的水面巡检路线进行飞行，操作人员可以通过图传实时看到影像，对重点水域进行针对性地拍摄或者录像[5]，不仅可以实时分析，还可用于后期研究。以前船只巡检需要约2 h，而现在通过无人机巡视只需15 min就能完成，既提高了效率又降低了人员出船的安全风险。
图5 水库水面巡视路线示意图
如图6所示，当长江低潮位时，可以清晰看到水库外滩面情况良好，未发现水库有向外渗漏水的痕迹，同时也未发现长江水流冲刷给大堤带来的安全隐患。通过对其它水库大堤外滩面的分析（图7），可知红色圆圈内的所示部分就是水流冲刷出来的痕迹，若长江低潮位时，长时间有水流沿着该痕迹流出，则可以初步断定，水库大堤有渗漏水现象存在。
图6 水库外侧滩面观测图
图7 其它水库外滩面观测图
2.3
水域水样采集
水库及周边区域的水质调研工作日趋繁重，尤其对于大型河道的水样采集长期存在弊端，诸如采样人员只能取到河边水，流动性差、水样代表性不强；若采用坐船取样，则受限于船只较慢的航行速度和较高的成本，不适合长期且常态化的取样工作。目前水样采集的要求是取自于水体流动性较好的区域且水面以下0.5 m层的水样，有机玻璃采样器自重为1 kg，含水样后的重量约2 kg。随着无人机的专业化发展，如经纬M 200、M 600等专业级行业应用飞行平台完全可以加载有一定重量的设备，包括一些其他品牌的专业飞行器也都能携带一定的重物。在野外巡检和考察时，对无人机进行挂载，悬吊采样器（图8），可以随时进行水样采集，方便快捷，安全高效。
图8 水样采集
2.4
生态观测
陈行水库每年都会投放一定数量的鱼类，用于水库生态治理，防止夏季藻类爆发而引起的水质事件，而水库周边的鸟类也是水库的一个重要的生态系统。鱼类和鸟类的大量繁殖和迁徙活动，也预示着陈行水库是一个充满活力、生机盎然的水域，然而人类的活动，哪怕是极其慢速的活动都会对动物造成干扰。通过无人机的飞行，能够在不打扰鱼类或者鸟类等动物的情况下，更安全地、近距离地观测鱼类和鸟类的群体活动（图9），为后期的科学分析带去详尽的数据基础。
图9 水库凤头潜鸭栖息图
2.5
突发事件应急处置监控
陈行水库地处长江入海口主航道的南岸，来往船只众多，每年因船只碰撞发生数起油污染事件，对原水取水安全影响较大。传统手段是当班人员通过望远镜观察取水口情况。由于取水口距离取水泵站约600 m，根据勾股定理可知，观察人员几乎是平视水面，故而观察效果不理想。因此，充分利用无人机的优势，当油污染发生时，无人机可以悬停于取水口上方，由上往下俯视拍摄，实时发回视频信息，了解油污带的流动趋势，江面取水口的水面情况一览无余，并可以结合长江涨落潮的趋势分析，为水库应急抢水提供直接指导，严格确保取水水质的安全和可靠。如图10所示，反光区域为油污带。
图10 长江突发油污带
3
结语
陈行水库的安全管理包含运行管理、日常巡视、防台防汛、专业检测等多个方面，目前无人机在水库安全管理上的作用主要集中在航拍方面，它可以充分弥补人工巡检时的不足之处；此外无人机的水质采样功能也已成熟，正在逐步应用中。从长远来看，随着无人机的功能越来越强大，无人机将来可以在水库安全管理的更多领域进行尝试和探索，为科学地管理水库提供了强有力的理论依据和技术保障，为水库的长期地、可靠地运行奠定基础，同时也给其他同类型水库的管理工作起到了一定的借鉴意义。
推荐参考
裘一鸣. 无人机在水库安全管理上的应用[J].净水技术,2018,37(6):119 -122 .
Qiu Yiming. Application of unmanned aerial vehicle（UAV） in safety management for water supply reservoir [J]. Water Purification Technology, 2018,37(6):119 -122 .
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