中线工程开展北斗自动化变形监测技术应用试点 

 

       今年5月，习近平总书记视察中线工程，并主持召开推进南水北调后续工程高质量发展座谈会，为南水北调工程运行管理工作指明了方向，为后续工程高质量发展提供了根本遵循。 


       10月31日，南水北调中线一期工程2020～2021年度调水任务结束，年度向河南、河北、北京、天津四省市调水超90亿立方米，为水利部下达年度调水计划74.23亿立方米的121%，创历史新高。 


       通水近7年来，中线一期工程累计调水超430亿立方米，惠及工程沿线20多座大中城市、130个县，已成为京津冀豫沿线大中城市主供水源，受益人口连年攀升，直接受益人口达7900万人，其中北京市1300万人、天津市1200万人、河北省3000万人、河南省2400万人。工程从根本上改变了受水区供水格局，改善了用水水质，提高了供水保证率，为京津冀协同发展、雄安新区建设等国家战略实施提供了有力水安全保障。特别是河北省黑龙港地区500多万人告别了苦咸水和高氟水，人民群众的幸福感、安全感、获得感显著增强。 


       通水以来，中线一期工程持续向北方50余条河流进行生态补水，补水总量累计达69亿立方米，全面助力华北地下水超采综合治理和河湖生态环境复苏，部分区域地下水位止跌回升，生态环境得到有效改善，工程生态效益明显。 


       在党中央、国务院坚强领导下，在水利部和中国南水北调集团的统一指挥下，中线建管局党组深入学习贯彻习近平总书记关于南水北调的重要指示精神，克服了超强降雨、疫情反弹等重重困难，始终坚守在运行管理、应急抢险一线，以守护生命线的政治高度，确保了工程安全、供水安全、水质安全，向党和人民交出了一份满意的答卷。 


       一、中线工程是社会主义制度优越性的生动实践 


       作为国之大事，南水北调中线工程不仅加快了我国生态文明和美丽中国建设步伐，为实现中华民族伟大复兴的中国梦提供了有力的水资源支撑与保障，更是我国社会主义制度优越性的生动实践。 


       1.战略工程，集中力量办大事 


       南水北调工程总体规划涉及15个省市，近5亿人口受益。自2002年国务院批复工程总体规划19年后，南水北调中线一期工程用成功建设的实践和巨大的综合效益，诠释了缓解我国北方水资源严重短缺局面的重大战略性基础设施这一定义。战略工程的实施，集中体现了社会主义制度集中力量办大事的优势。 


       国家集中了人才、智力和资金优势。60多年来，工程经历了50年充分民主论证，近百次国家层面会议，50多个方案科学比选，24个国家科研设计单位和沿线44个地方主管部门联合研究，110多名院士献计献策。 


       中线一期工程面临许多世界级技术难题。从国家层面，国务院专门成立了南水北调工程建设委员会专家委员会，专家委员会全程参与工程技术难题的指导与决策。还集中了全国高校院所和科研单位的力量，把工程建设施工技术难题列为国家重点科研攻关项目，合力攻关，扫平了障碍。 


       通水近7年来，南水北调中线建管局广泛而深入地开展了工程管理制度化、规范化、标准化和信息化建设，逐步形成一套完整的制度体系，可以及时、快速、有效应对各种突发应急事件，确保了中线一期工程安全、水质安全和供水安全。 


       2.民生工程 以人民为中心 


       中线一期工程建成通水，为初步构筑我国南北调配、东西互济、四横三纵的国家水网格局划下了浓重的一笔，惠及范围之广，受益人口之多，前所未有。南水北调工程运行管理始终坚持以人民为中心，保障和改善民生，增强人民福祉，是名副其实的民生工程。 


       南水北调中线工程从根本上改变了受水区供水格局，提高了受水区多座大中城市供水保证率，逐步成为沿线城市生活用水的主供水源，有力保障了京津冀协同发展、雄安新区建设等重大国家战略的实施。北京、天津、石家庄等北方大中城市基本摆脱缺水制约。 


       南水北调工程不仅带动了工程沿线地区产业结构调整和优化升级，还促进了节水型社会的建设。按照“三先三后”原则，中线工程沿线各级地方政府加强用水定额管理，淘汰限制高耗水、高污染行业，提高了用水效率和效益。关停并转一大批污染企业，加快了产业结构调整的步伐。实行“两部制”水价，有力推动受水区水价改革。建立合理的水价机制，提升了人们节约用水意识。 


       自2017年起，中线工程连续5年向沿线受水区50余条河道生态补水。沿线城市河湖、湿地面积明显扩大，大幅度改善了区域水生态环境。南四湖流域水质得到明显改善，生态和环境得到有效修复，区域生物种群数量和多样性明显恢复。

 
       3.生态工程 凝聚生态文明思想 


       建设生态文明，是关系人民福祉、关乎民族未来的长远大计。南水北调中线工程在修复生态环境，促进沿线生态文明建设中功不可没。 
       通水7年来，受水区生产生活供水量增加，大大缓解了城市生产生活用水挤占农业用水、超采地下水的局面，地下水水位逐步上升。其中，河南省受水区地下水水位平均回升1.2m，受水区中最为明显。         


       北京密云水库蓄水量自2000年以来首次突破35亿立方米，河北省12条天然河道得以阶段性恢复，并向白洋淀补水。河湖水量明显增加的背后，是党中央、国务院以南水北调中线工程治污为样本，大力推进生态文明建设，持续推进国家治理体系和治理能力现代化的意志体现。 


       中线工程水源地鄂豫陕三省联动协作，制定水污染治理和水土保持规划，推进高污染产业转型升级，探索生态补偿机制，夯实了水源地水质保护基础。中线一期工程带动了沿线生态带建设，中线工程沿线相继划定总干渠两侧水源保护区，形成了一条1200多公里长的生态景观带，宛如一条绿色走廊。 


       南水北调工程之所以取得这样显著的社会、经济和生态效益，除了工程建设期间建设者认真负责的南水北调精神，运行期的精细化工程管理，还有扎实的前期工作和科学的技术方案论证。科技是第一生产力，尤其是面对南水北调这一世界超级工程，应当说，科技创新贯穿了南水北调中线工程建设运行始终，为工程安全、运行安全和水质安全起到了保驾护航的重要作用。 


       二、中线工程是我国科技创新综合实力的集中体现 


       南水北调中线干线工程横穿4个流域带，影响众多地区，线路长，涉及面广，其规模及难度国内外均无先例，存在一系列没有解决或者没有工程实例的技术难关和项目管理难题需要通过科学研究解决。针对中线总干渠工程输水线路长，沿线地质条件复杂，工程穿过膨胀土、高填方、煤矿采空区等建设重点渠段多，沿线大型渡槽、隧洞、管涵等输水建筑物设计和施工技术难度高等一系列难题。工程建设期间，中线建管局在原国务院南水北调办领导下组织开展了一系列的技术攻关和科学研究。

 
       其中，由于部分课题技术难度大，被列入国家科技支撑计划，联合相关科研机构、高等院校、设计单位共同开展科研攻关。包括“十一五”国家科技支撑计划课题“复杂地质条件下中线穿黄隧洞工程关键技术研究”、“膨胀土地段渠道破坏机理及处理技术研究”、“大流量预应力渡槽设计和施工技术研究”、“超大口径PCCP结构安全与质量控制研究”、“中线工程输水能力与冰害防治技术研究”、“工程建设与调度管理决策支持技术研究”，以及“十二五”国家科技支撑计划应急启动项目“南水北调中线工程膨胀土和高填方渠道建设关键技术研究与示范”在内的数十项科技项目。 


       1.膨胀土关键技术研究 


       膨胀土（岩）的工程问题是工程地质领域的世界级技术难题，被称为“工程之癌”。膨胀土具有吸水膨胀、失水收缩的工程特性，易造成地基隆起、基础开裂、边坡失稳等一系列工程问题或事故。南水北调中线穿越膨胀土（岩）地段的渠道累计长约368km。从上世纪五十年代提出建设南水北调工程的设想以来，南水北调中线工程膨胀土问题一直是困扰工程建设者的主要技术难题。在工程总体可研阶段，膨胀土（岩）地段渠坡的主要处理措施是换填非膨胀性粘土，但在工程实施阶段这种处理方式有必要进一步优化和改进。大规模粘性土换填方案需大量取用非膨胀性粘土及大面积弃土，不但大量占用农田，还会引发环境和水土保持问题，而且膨胀土渠段经过的地区往往缺乏换填用的粘性土，远距离取土成本很高。 


       通过研究，提出了膨胀土改性、排水、阻滑等一系列技术措施、施工方法和控制指标，相关成果直接用于工程设计、方案优化、施工和质量控制，为顺利完成总干渠膨胀土（岩）渠道工程建设提供了技术保障。值得一提的是，通过研究，对单一换填非膨胀粘性土的方案进行了比较大的优化和调整，有效地减少了非膨胀土料的使用、减少了征地与移民，最大限度节约土地资源和降低工程成本，取得了明显的经济效益、社会效益和环境效益。 


       2.总干渠高填方渠道关键技术研究 


       中线工程填方高度超过6m的渠段共长约139.5km，全填方渠道长约66.3km，最大填方高度达23m。高填方渠道边坡一旦失稳，将危及渠道两岸人民群众生命财产的安全。规划设计阶段，我国尚无填方渠道设计规范，工程设计主要参照土石坝或堤防设计规范，但中线工程填方渠道设计工况与土石坝或堤防存在很大差别，使得渠道的安全风险大增；同时长距离线性工程沿线地质条件多变、填筑料源不一，加上填筑时间顺序先后差异，渠道差异沉降问题较突出；而且填方渠道风险源多，而现有的监测技术难以有效地对这样一个巨型的线性工程进行实时、连续的监控。

 
       通过研究，成功的解决了以上问题：一是优化了穿堤建筑物与渠道结合部位的设计与施工，控制了沉降差异；二是对渠段分段填筑所形成的缺口的回填料、施工工艺和措施等进行优化，缩短了工期；三是提出渠道预警预测指标体系及预警预测模型,进而提出中线工程自动化安全监控的支撑技术与建议方案；四是研制开发了高填方碾压施工质量实时监控技术，为高填方碾压施工质量的全过程、精细化在线控制提供新的途径。 


       3.采空区关键技术研究 


       南水北调中线总干渠沿线经过河南禹州、焦作及河北邯郸等大型煤矿采空区，涉及十余座煤矿。这些地段新老采空区交替并存，地质条件复杂，不确定因素较多，类似工程技术研究成果少，国内外缺乏成熟的技术处理手段和相关经验，也没有水利行业相关规范规程作为确定煤矿采空区注浆处理验收标准的依据，为工程建设带来了巨大的挑战。 


       通过研究，提出了大型输水渠道下煤矿采空区的基础处理措施及注浆处理的验收标准，成功应用于禹州采空区处理工程中。通过对采空区监测数据的有效管理与分析及渠道变形稳定标准研究，开发了禹州采空区沉陷预测预警系统。研究成果不但应用于南水北调中线采空区的设计施工，对于指导其它类似水利工程的采空区处理设计和施工具有十分重要的的参考及借鉴价值。 


       4.穿黄隧洞工程关键技术研究 


       穿黄工程是中线的关键性工程。在国内采用盾构方式穿越大江大河尚属首次，且穿黄河段为典型的游荡性河段，地质条件复杂。穿黄隧洞为大型有压水工隧洞，内水压力大于0.5兆帕，隧洞内径7m，外径8.7m，并需考虑地震的不利影响。工程建设期间，对穿黄隧洞、大型超深竖井的工作性态，抗震特性进行深入研究，并通过穿黄隧洞衬砌1∶1仿真试验研究，真实地模拟隧洞水土环境和受力条件，验证设计方案、提出优化措施，提供了试验依据。 


       穿黄工程盾构隧洞采用了拼装式管片环与预应力内衬组合的新型复合结构，为压力水工隧洞衬砌设计开辟了新途径。盾构始发井位于砂土地层、地下水位高，井深50.1m，地下连续墙深76.6m，为超深竖井，形成了一整套加固技术、防水措施，及先进施工技术与施工经验。 


       5.超大型渡槽关键技术研究 


       南水北调中线总干渠沿线布置有27座渡槽，其中梁式输水渡槽18座、涵洞式渡槽9座，形成了世界上最大的渡槽群。这些输水渡槽具有跨度大、流量大、体型大、自重大、荷载大、结构复杂等特点，是技术难度和工程建设管理难度最大的项目之一。 


       在研究中，系统地解决了南水北调中线工程上的大流量预应力渡槽设计和施工中的关键技术难题，为渡槽工程的建设及安全运行提供了科技支撑和技术保障。创新性的提出了独特的预应力薄壁U型结构，渡槽壁厚仅35cm；采用了槽上运槽的施工方式，提高了现场施工效率；研发的造槽机等重大装备填补了国内该方面的空白。创造了多项记录，如湍河渡槽设计流量350m3每秒，加大流量420m3每秒，单槽跨度40m，渡槽内径、单跨跨度、最大流量均为国内同类工程中最大的，也是目前世界上最大的U型渡槽工程。 


       6.总干渠供水调度方案研究 


       南水北调中线一期工程总干渠工程的供水调度研究在国内没有先例可考，如何保障如此规模宏大、输水过程状况复杂、控制节点多、技术要求高且渠道调蓄能力有限的总干渠运行安全是南水北调中线工程必须解决的重难点问题之一。

 
       通过研究建立的供水计划生成模型、冰期输水调度模型、总干渠水力学模型等是中线总干渠运行调度的技术基础，已充分应用到工程调度运行中，还为调度应急预案提供了技术支撑。 


       三、科技创新是中线工程安全运行的助力器 


       中线干线工程自2014年通水运行以来，已连续经历了7个供水年度。期间经历了强降雨、严寒等极端天气影响，中线工程依然实现了2500多天的不间断供水，工程安全、供水安全、水质安全得到了有力保障，这些都离不开科技创新的强大支撑。 


       1.全方位的工程安全监测体系 


       南水北调中线工程跨越地域广、建筑物多，工程运用条件复杂，运行管理难度大。为及时掌握工程运行状态，中线建立了规模庞大的安全监测系统，设置了9万多个安全监测点，近千座自动化监测站点，配备了专业的监测队伍，涵盖了位移、内部变形、渗压、应力应变及温度等监测项目。所有监测数据均上传至中线自动化系统进行分析，实现了对工程状态的“望、闻、问、切”，并通过对监测异常数据的研判，及时发出预警并采取相应处理措施。 


       与此同时，中线工程开展了北斗自动化变形监测技术应用试点、基于insar技术的渠道边坡变形监测研究、基于无人机的高精度渠坡变形巡测系统建设、柔性测斜仪应用研究等新技术应用探索，努力打造中线干线工程“空天地”全方位监测系统，进一步提升工程安全监测水平。 


       2.不断深入的水下修复技术研究 


       由于受水区日益增长的用水需求，至2021年11月15日，中线工程已实现2500多天的不间断供水。但是工程沿线无调蓄水库，且无法实现停水检修，运行中出现的衬砌板损坏等问题一直得不得彻底解决。如何在保证工程平稳运行的前提下，实现对工程的不停水检修一直是中线运行管理者关注的问题。“南水北调工程应急抢险和快速修复关键技术与装备研究”项目列入了“十三五”重点研发计划。同时中线建管局先后开展了复杂条件下长距离地下有压箱涵不断水渗水修复技术研究、韭山桥水下衬砌修复试验、杨庄沟水下修复试点、磁县预制衬砌板修复现场试验等工作，开展了扶坡廊道式钢结构装配围堰、小型钢围堰、大型棚式钢围堰、自动控制水平钻孔设备和灌浆设备等装备研究。 


       相关研究成果在现场得到了应用，效果显著。尤其是预制混凝土衬砌板修复技术的应用，不仅实现在不停水修复的目标，更提高了施工效率，已经在沿线多处水下衬砌修复中得到推广应用。目前，根据不同水下缺陷的特点，中线工程沿线形成了现浇不分散混凝土、预制混凝土衬砌板、钢围堰干地施工、箱涵渗水外部堵漏工法等一系列的修复施工方法和施工工艺，初步形成了一整套修复施工技术体系。

 
       3.持续的水下检测装备研发 


       工程通水运行近7年来，先后采用潜水员、水下电视等常规手段对工程水下状况进行检测，随着不断实践，这些手段已不能满足需要。中线建管局一直积极探索更加有效的水下检测方式方法，随着水下机器人在各行业的成功应用，组织了相关科研攻关，并联合国内多家大学、科研院（所）和设备生产厂商，开展了水下机器人探测设备的研究。结合中线工程不同建筑物的特点和水流流态等情况的水下检测需要，提出了操作灵活、多元组织导航精准定位、高精度声呐快速扫描识别、高清水下摄像、零浮力缆线和本体、抗高流速、大直径洞体全断面扫描和长距离航行等关键技术指标。 


       经过各参研单位的共同努力，灵活快速的1m每秒流速400m缆水下机器人、适用于穿黄隧洞长距离检测的4.5km缆水下机器人和适用于2m每秒流速1km缆水下机器人先后研发成功并投入现场使用，提升了中线水下检测技术水平，检测效率得到充分提升。 


       4.数字化的中线工程时空信息云平台建设 


       为提升工程信息化水平，中线建管局开发了工程时空信息云平台。云平台基于数字孪生理念，以中线一张图为抓手，打破信息条块分割，将中线工程信息、专题业务信息、实时运行信息、BIM信息、基础空间信息、遥感及无人机实景信息一张图的形式进行融合发布，构建全数据汇聚、全业务支撑、一键式访问、一体化展示的中线工程，为业务和决策提供全面数据支撑。 


       云平台实现空间位置和属性全数据汇聚和一键式访问。对中线复杂数据访问简化为一次搜索、一次点击，检索结果智能分类显示、联动定位，简化复杂GIS应用，构建中线各级运行管理人员的专属地图。平台通过数据和功能服务的统一组织和发布，解决所有用户和业务系统的数据服务需求，避免重复建设，做到统一标准，实现时空信息的全业务支撑。未来，基于时空信息服务平台会衍生出更丰富的时空数据和功能服务，将大大提升中线工程信息化水平。 


       随着新技术的不断探索和应用，不仅提升了中线科技创新水平，更保障了工程安全平稳运行，为圆满并超额完成历年工程调水任务，提供了有力科技保障。 


       四、写在最后 


       南水北调工程事关战略全局、事关长远发展、事关人民福祉。构建以骨干水网为基础的国家水资源供应和水安全保障体系，打造国际一流跨流域供水工程开发运营集团化企业，是未来中国南水北调集团公司的发展方向。作为集团公司下属企业，南水北调中线建管局始终以科技创新为目标，坚持问题导向、立足于生产一线、服务运行管理，近三年来先后开展了50余项科技专项研究及现场试验，累计科研投入超1.3亿元，有关科技成果的应用为中线工程安全平稳运行提供了有力的保障和强大的科技支撑。 


       未来，南水北调中线建管局将在水利部和中国南水北调集团公司的指导下，持续加大科技创新力度，加强与科研院校合作，全面总结和提炼南水北调中线工程在建设和运行管理中的相关技术成果，把科技创新转化为生产力，持续应用到南水北调后续工程高质量发展中去。

 

       作者简介： 
       程德虎，教授级高级工程师，南水北调中线干线工程建设管理局党组成员、总工程师。中国水利学会水工结构专业委员会第九届委员会副主任委员，中国大坝工程学会水工混凝土建筑物检测与修补加固专业委员会第一届委员会副主任委员，南水北调工程专家委员会委员，全国中文核心期刊《南水北调与水利科技》编委。

 

 

 

藻类水生态人工智能模式识别 水生态自动化监测取得新突破

 

湖北日报讯 （记者胡弦）继水质监测实现自动化后，我国水生态自动化监测取得新突破。近日，记者从生态环境部长江流域生态环境监督管理局（简称长江局）获悉，历经3年攻关，该局监测科研中心成功研发浮游藻类AI识别系统，计划今年应用于南水北调中线工程。

“目前的水体监测指标能指示污染状况，而水体是否健康，还要看其中的生物是否健康。”长江局监测科研中心总工程师王英才介绍，上世纪90年代以来，各地水华事件频发，水生态监测和藻类研究逐渐起步。浮游藻类属低等植物，大小不一，形状多样，需要借助显微镜观察识别。虽然微小，但它们数量较多，在水生态系统中非常重要，能很好指示水体健康状况。

据介绍，目前我国水生态监测仍以人工为主，如浮游植物、浮游动物、底栖动物等，均采用传统人工镜检法，专业技术人员需要3年以上培养和实践才能胜任。“本科毕业生难以直接上岗，相关专业的研究生又极其有限，使得短期内我国水生生物监测人才较为缺乏。”

随着人脸识别技术的成熟，一个全新设想诞生了：用AI技术识别浮游藻类，进而实现我国水生态自动监测“弯道超车”！“浮游藻类多达4万余种，形状千奇百怪，群体组成复杂，是水生生物自动监测中最具挑战性的难题。”王英才认为，浮游藻类AI识别技术一旦突破，意味着水生态自动监测啃下“最硬的骨头”。

2017年，在国家《南水北调中线输水水质预警与业务化管理平台建设》重大专项的支持下，长江局监测科研中心联合南水北调中线干线工程建设管理局、睿克环境科技（中国）有限公司等单位，开展了浮游藻类AI识别研究。如今，技术团队已在浮游藻类自动进样技术、多景深显微拍摄与图片处理技术、AI识别模型研发等方面取得重大进步，能在无人值守条件下实现藻类种类、比例、藻密度等指标自动分析输出。

睿克环境科技（中国）有限公司CEO刘浩兵介绍，目前浮游藻类AI识别系统已完成丹江口水库及南水北调总干渠常见藻类的学习和识别，首台仪器近期将用于南水北调中线工程水生态监测。未来，浮游藻类AI识别系统有望在全国江河湖泊推广，提高藻类水华预警效率，其技术还可拓展至浮游动物、鱼类等水生生物的自动识别，为我国水生态自动化监测奠定坚实基础。

南水北调工程管理司 《南水北调：全面通水七周年 筑牢“四条生命线”》