白路遙 閆浩良 呂林林 施寧 李亮亮 張學鋒 隋楠

1國家管網(wǎng)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(wǎng)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(zhì)災害風險之一，與崩塌、滑坡、泥石流等管道地質(zhì)災害相比，水毀災害數(shù)量最多，發(fā)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(fā)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(jié)性洪水頻發(fā)地區(qū)管道受力狀態(tài)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(jiān)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(jiān)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(jiān)測預警，為區(qū)域化管道洪水災害的早期預防提供了決策依據(jù)[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(jiān)測預警，難以發(fā)現(xiàn)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(nèi)外得到廣泛應用，形成了如BPS 河流穿越管道探測系統(tǒng)、磁性多功能定位和跟蹤系統(tǒng)、One-Pass 河流穿越管道檢測系統(tǒng)、FieldSens 管道遙測檢測系統(tǒng)、GPS-RTK 水下管道檢測系統(tǒng)等一系列專用的水下管道埋深檢測系統(tǒng)，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(jiān)測預警。針對沿河管道河岸侵蝕，通常采用衛(wèi)星遙感、無人機、遠程視頻監(jiān)控等技術[10]，雖然能夠實現(xiàn)在無人值守狀態(tài)下水毀災害識別，但是在一些氣候環(huán)境惡劣、地形地貌復雜地區(qū)，相關設備容易受到毀滅性破壞，難以實現(xiàn)持續(xù)監(jiān)測。

針對上述問題，在總結管道水毀風險管理經(jīng)驗和相關成果的基礎上，從管道水毀災害的成災規(guī)律和分布特征入手，結合衛(wèi)星定位技術，研制了一套安裝便捷、經(jīng)濟成本低、簡便易行的穿河管道埋深與河岸侵蝕監(jiān)測預警系統(tǒng)，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(tǒng)組成與原理

基于衛(wèi)星定位的河溝道水毀監(jiān)測預警系統(tǒng)主要由衛(wèi)星定位浮球、衛(wèi)星定位系統(tǒng)、移動通信系統(tǒng)、服務器、固定客戶端或手持客戶端、定位器監(jiān)測平臺組成（圖1）。其中，定位浮球為該系統(tǒng)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(tài)的穩(wěn)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(wèi)星定位終端，信號接收裝置與傳統(tǒng)車載和巡檢定位終端相同，均是通過衛(wèi)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(jiān)測預警系統(tǒng)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(qū)（圖3b）。將多個定位浮球埋設于河床或河岸內(nèi)，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(nèi)的衛(wèi)星定位器將浮球的位置信息經(jīng)通信基站遠程傳輸至客戶端，并通過監(jiān)測平臺設置的電子圍欄實現(xiàn)定位浮球位置變化報警。用戶可根據(jù)定位浮球的位置變化判斷是否在定位浮球的埋設位置發(fā)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(jiān)測平臺監(jiān)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(xiàn)的虛擬區(qū)域圍欄，可以在地圖上面規(guī)劃一個區(qū)域（如圓形、多邊形等），通過WEB 端以及APP 端將該區(qū)域與定位浮球的定位模塊ID 進行關聯(lián)，后臺記錄該區(qū)域的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)和相關聯(lián)的設備ID，設備在移動過程中會不斷向系統(tǒng)發(fā)送經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，實時進行計算，判斷當前的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)是否在該區(qū)域內(nèi)，如果不在區(qū)域內(nèi)將判斷設備移出圍欄并且觸發(fā)報警，同時記錄移出圍欄的時間，實現(xiàn)管道水毀定位浮球移動報警。

3 現(xiàn)場試驗

為了測試定位浮球的工作性能，在現(xiàn)場實際應用前對定位浮球的漂浮姿態(tài)穩(wěn)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(wèi)星定位終端，可待機1 年以上，支持北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)，定位浮球外殼采用直徑15 cm 的硬質(zhì)泡沫。

（1）漂浮姿態(tài)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(tài)落入水中，待裝置穩(wěn)定后檢查其漂浮姿態(tài)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(wěn)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(tài)穩(wěn)定在水面上。將該裝置浸入水中后，未發(fā)現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，密封性良好。

圖4 漂浮姿態(tài)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(tài)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(nèi)發(fā)出報警，符合現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)場如圖5 所示。因此，選擇該水毀風險區(qū)進行現(xiàn)場監(jiān)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(qū)，每處監(jiān)測點埋深1 m（圖6），各監(jiān)測點之間間距約3 m，各監(jiān)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(jiān)測平臺內(nèi)對各定位浮球進行統(tǒng)一管理。該監(jiān)測裝置安裝并經(jīng)歷一個汛期后，系統(tǒng)運行良好，能夠持續(xù)監(jiān)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(xiàn)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(fā)生后，管道位置與水毀點相對位置難以實時監(jiān)測預警的問題，研制了一套基于衛(wèi)星定位的穿河管道埋深與河岸侵蝕監(jiān)測預警系統(tǒng)，其具有安裝便捷、經(jīng)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(fā)區(qū)的油氣管道水毀災害監(jiān)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(fā)生大規(guī)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(jiān)測預警系統(tǒng)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(guī)模擴大。