基于衛星定位的管道易水毀段預警技術*

白路遙 閆浩良 呂林林 施寧 李亮亮 張學鋒 隋楠

1國家管網北方管道公司管道科技研究中心

2中國石油天然氣股份有限公司天然氣銷售北方分公司

3中國石油天然氣股份有限公司青海油田分公司管道處

4國家管網山東天然氣管道有限公司

水毀是威脅長輸油氣管道安全的主要地質災害風險之一，與崩塌、滑坡、泥石流等管道地質災害相比，水毀災害數量最多，發育最廣泛[1-2]，尤其是穿越河溝道和沿河溝敷設的油氣管道受到的洪水威脅最大[3]。隨著我國長輸管道技術的快速發展，管道不可避免地穿越河溝道或沿河岸敷設，在河道演變和洪水沖刷的作用下，極易造成管道埋深不足、懸空甚至斷裂，尤其是在一些地形復雜的季節性洪水頻發地區管道受力狀態及載荷分布更加復雜[4-5]，受到的洪水威脅也更為嚴重[6]。因此，提高管道洪水災害監測預警水平，對于管道的安全運營至關重要。

針對管道水毀災害監測預警，各管道運營單位通常采用水文氣象預警平臺，對管道沿線的降雨量、河道的水位、流量等進行宏觀監測預警，為區域化管道洪水災害的早期預防提供了決策依據[7-8]。但是，該方法無法對管道與河床或河岸的相對位置關系進行局部監測預警，難以發現潛在的水毀風險。針對穿河管道河床沖刷，通常采用基于電磁法的水下管道埋深檢測技術。目前，該技術已在國內外得到廣泛應用，形成了如BPS 河流穿越管道探測系統、磁性多功能定位和跟蹤系統、One-Pass 河流穿越管道檢測系統、FieldSens 管道遙測檢測系統、GPS-RTK 水下管道檢測系統等一系列專用的水下管道埋深檢測系統，其檢測精度可達厘米級[9]，但是此類設備使用成本較高，一般每3～5 年檢測1次，無法對管道埋深進行實時監測預警。針對沿河管道河岸侵蝕，通常采用衛星遙感、無人機、遠程視頻監控等技術[10]，雖然能夠實現在無人值守狀態下水毀災害識別，但是在一些氣候環境惡劣、地形地貌復雜地區，相關設備容易受到毀滅性破壞，難以實現持續監測。

針對上述問題，在總結管道水毀風險管理經驗和相關成果的基礎上，從管道水毀災害的成災規律和分布特征入手，結合衛星定位技術，研制了一套安裝便捷、經濟成本低、簡便易行的穿河管道埋深與河岸侵蝕監測預警系統，為進一步提高管道水毀災害風險管理水平提供技術手段。

1 系統組成與原理

基于衛星定位的河溝道水毀監測預警系統主要由衛星定位浮球、衛星定位系統、移動通信系統、服務器、固定客戶端或手持客戶端、定位器監測平臺組成（圖1）。其中，定位浮球為該系統的核心組成部分，主要由定位器、防水外殼、電源等組成，為了保持定位浮球在水面漂浮姿態的穩定性，在浮球底部進行了配重設計（圖2）。定位器采用小型低功耗衛星定位終端，信號接收裝置與傳統車載和巡檢定位終端相同，均是通過衛星信號和移動通信基站信號的組合方式進行定位，定位精度一般小于5 m，滿足管道水毀定位浮球的使用需求。

圖1 河溝道水毀監測預警系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of river channel water damage monitoring and early warning system

對于穿河敷設的油氣管道，將定位浮球布設在河道穿越段上游河床和河道凹岸穿越一側的岸坡（圖3a）；對于沿河敷設的油氣管道，將定位浮球布設在河道凹岸沖刷區（圖3b）。將多個定位浮球埋設于河床或河岸內，當河床或河岸受到洪水沖刷后，定位浮球將漂浮在水面上并隨水流向下游移動，浮球內的衛星定位器將浮球的位置信息經通信基站遠程傳輸至客戶端，并通過監測平臺設置的電子圍欄實現定位浮球位置變化報警。用戶可根據定位浮球的位置變化判斷是否在定位浮球的埋設位置發生水毀和水毀點與管道的距離。此外，當定位浮球脫離初始位置后，可通過定位器監測平臺監測浮球的移動速度，間接判斷洪水的流速，為管道水毀災害的應急搶險提供初始水情信息。

圖3 定位浮球平面布置示意圖Fig.3 Layout diagram of positioning floating ball

2 預警機理

管道水毀預警定位浮球采用電子圍欄技術，它是一種利用GIS 空間算法實現的虛擬區域圍欄，可以在地圖上面規劃一個區域（如圓形、多邊形等），通過WEB 端以及APP 端將該區域與定位浮球的定位模塊ID 進行關聯，后臺記錄該區域的經緯度數據和相關聯的設備ID，設備在移動過程中會不斷向系統發送經緯度數據，實時進行計算，判斷當前的經緯度數據是否在該區域內，如果不在區域內將判斷設備移出圍欄并且觸發報警，同時記錄移出圍欄的時間，實現管道水毀定位浮球移動報警。

3 現場試驗

為了測試定位浮球的工作性能，在現場實際應用前對定位浮球的漂浮姿態穩定性、防水性能、定位精度、電子圍欄報警功能進行了逐一測試。定位器采用便攜式衛星定位終端，可待機1 年以上，支持北斗衛星定位系統，定位浮球外殼采用直徑15 cm 的硬質泡沫。

（1）漂浮姿態及防水性能測試。定位浮球組裝完畢后，分別以多種不同姿態落入水中，待裝置穩定后檢查其漂浮姿態是否一致，然后將定位浮球浸入水中，檢查其防水性能。測試結果表明，該定位浮球能夠穩定漂浮在水面上，水面以上體積達2/3 以上（圖4），對該裝置進行轉動及落水后，均能以同樣姿態穩定在水面上。將該裝置浸入水中后，未發現滲漏現象，密封性良好。

圖4 漂浮姿態及防水測試Fig.4 Floating attitude and waterproof test

（2）電子圍欄報警測試。在該裝置靜止狀態下設置矩形電子圍欄（15 m×10 m），報警模式設置為“出圍欄報警”模式，保存設置后將該定位裝置移出圍欄。測試結果表明，定位裝置移出圍欄后能夠在5 min內發出報警，符合現場應用需求。

定位裝置模擬測試后，選擇了滄州至淄博天然氣管道黃河穿越段進行現場應用。由于受黃河上游小浪底水庫泄洪影響，管道穿越段受沖刷影響嚴重，曾導致黃河北岸灘地段管道露管懸空，懸空最長達37.9 m，現場如圖5 所示。因此，選擇該水毀風險區進行現場監測試驗意義重大。首先，將定位浮球組裝完成后，埋入河漫灘穿越處管道正上方以及管道兩側的沖刷影響范圍區，每處監測點埋深1 m（圖6），各監測點之間間距約3 m，各監測點布置如圖7 所示。定位浮球布置完畢后，分別對各定位浮球的定位模式、電子圍欄進行了設置，并在監測平臺內對各定位浮球進行統一管理。該監測裝置安裝并經歷一個汛期后，系統運行良好，能夠持續監測該管道黃河穿越段灘地水毀。

圖5 滄淄線黃河穿越段水毀現場Fig.5 Water damage scence of the Yellow River crossing section of Cangzhou-Zibo Piplline

4 結論與建議

（1）針對河溝道水毀發生后，管道位置與水毀點相對位置難以實時監測預警的問題，研制了一套基于衛星定位的穿河管道埋深與河岸侵蝕監測預警系統，其具有安裝便捷、經濟成本低、簡便易行、定位精度高的特點，可廣泛應用于地形復雜、洪水易發區的油氣管道水毀災害監測預警，能夠在管道露管前判斷水毀點與管道的相對位置關系，為管道防洪搶險提供早期預警信息。

（2）管道發生大規模沖刷造成管道懸空后，管道搶修極為困難，嚴重時往往需要耗巨資進行防護，應以預防措施為主，提前做好汛前風險排查，對高風險段建議采用管道水毀監測預警系統并加強水工保護，以便在管道與河岸距離不足時及時采取防護措施，避免管道水毀規模擴大。