无人机测验系统在水文监测中的应用探索

陈 晨，荣佳伟，乔铂纯

（松辽委水文局黑龙江中游水文水资源中心，黑龙江佳木斯156400）

黑龙江无论是流域面积大小、总长度还是多年平均径流量，均为世界前十。汛期时，黑龙江干流中游段的水文监测工作任务尤为繁重，随着经济、科技及工业的高速发展，各类行业先进技术纷纷应用于水文监测中。通过无人机测验系统，能够有效提高黑龙江干流中游段水文监测的质量，保证水文数据的准确性、时效性和科学性。

1 黑龙江干流中游段水文监测概况

黑龙江干流可分为3 段，洛古河至黑河附近的结雅河口为上游，结雅河口至乌苏里江河口为中游，乌苏里江河口以下至入海口为下游，属平原性河流。水文工作是为国民经济建设、防汛抗旱、水资源开发利用和水环境保护提供科学依据的重要基础工作，也是一项传统的专业性工作。水文监测是水文计算、水文预报、水资源分析等各项水文工作的基础。认识水文现象，探索水文规律，首要任务是开展水文监测工作。除了水位、水温、降水和蒸发等日常水文观测内容之外，黑龙江干流中游段的水文监测工作还包括畅流期流量测验、泥沙测验、封冻期流量测验工作。根据汛情，有时还会开展应急监测工作。

随着我国综合国力的不断提升和科技水平的逐步发展，水文监测方式发生了很大的改变，水文测验仪器设备的先进程度和利用率也有了显著提高。在北方，畅流期已基本实现了水文测验现代化。

黑龙江干流中游段畅流期流量测验通常采用ADCP（声学多普勒流速剖面仪）走航式流量测验方式，即使用水文测验用船垂直水面固定ADCP的水下换能器，通过沿测验断面航行，采集水深、河宽、流量、流速等数据。ADCP 通常装载在厂家配置的小型测船内，再将小型测船固定在水文测验船船侧，通过“大船带小船”的方式走航式开展流量测验。这种测验方式相较于传统的架设缆道使用旋桨式流速仪开展流量测验，更加高效和便捷。但是按照规定，测验船上江开展测量，不仅需要配备专职船舶驾驶员，包括测验技术员在内的船上所有人员，都必须持有船员适任证书和船员服务簿方能开展工作。船只运行维护成本较高，单次测验时间周期较长。综上所述，目前黑龙江畅流期水文监测工作采取的ADCP 走航式流量测验方式，在工作效率和成本上仍有一定的提升空间。

2 应用探索

2.1 无人机的特点与应用概况

目前，中国是全球民用无人机最主要的产业基地，民用无人机最大的市场在于政府公共服务的提供，如警用、消防、测绘、植保、巡检、气象等，占到总需求的80%。近5 年来，中国民用消费级及工业无人机都取得了高速发展，逐渐成为全球无人机行业重要的板块之一。在民用无人机领域，中国已经走在世界前列，以大疆为代表的中国民用无人机研发生产企业发展迅速，并在国际市场上占据了较好的竞争地位。

无人机具有便携、高效等诸多特点，以目前某民用工业级无人机行业领先品牌旗舰机型为例，使用温度-20～50 ℃，最大载重6.0 kg，最大通讯距离5 km，最大可承受风速8 m/s（劲风标准），最大水平飞行速度65 km/h，无负载悬停时间32 min，满负载6 kg悬停时间16 min。这些参数满足包括黑龙江在内的多数大江大河的测验环境条件。

2.2 无人机测验系统在黑龙江干流中游段水文监测中的应用探索

目前行业常见的无人机测验系统多为通过多旋翼无人机装载非接触式雷达多普勒测流设备和激光3D 扫描设备采集水文数据，无人机按照设置好的测验断面航行路线，每间隔适当距离，将无人机悬停并进行测验，悬停高度保持在30 m 左右，直至按航线完成测验断面的流量测验工作。畅流期的测沙与采样工作，也可以使用无人机悬停测量、采样方式进行，无需“大船带小船”的测验模式，降低了单次流量测验成本，提高了工作效率。大洪水时期，开展应急监测同样可以采用此种流量测验方式。

到了开江和封江的重要时段，无人机的使用，不仅可以对测验断面的流冰疏密度有一个直观的判断，还可以充分发挥其机动性强的特点，掌握上下游冰清，为实时预测预报提供依据。

3 改进方向

研究提及的某品牌旗舰型号工业级无人机可承受最大风速为8 m/s，黑龙江干流中游段江面宽阔，如遇到风浪较大情况，无人机不仅很难顶风沿测验断面直线飞行、悬停完成测验工作，同时对续航能力也有很大考验。因此，应避免在5 级以上强风天气下开展测量，测验前准备好足够数量的备用电池。工作出发之前，应当了解当地限制飞行政策，飞行前提前与有关部门申请报备。

此外，还要结合黑龙江干流中游段实际情况，参考干流各水文站水文监测资料，通过率定和对比测量，不断提高无人机测验系统测量河道断面流量的测验精度。

4 结语

无人机测验系统的应用，能够有效提高黑龙江干流中游段水文监测的质量，节省人力物力，缩短单次测验时间，提高作业效率；与新时代水文测验的现代化、机械化、自动化程度相适应。

技术人员应当考虑黑龙江干流中游段的独特性，进一步改进、优化无人机测验系统，提升水文测验现代化的能力和水平，保证水文数据的准确性、时效性和科学性。