无人机技术解决水环境工作中的难点问题

刘彦乔，欧阳凯，许 健

（北京市京密引水管理处，北京 101400）

早在“十三五”规划中就提到了水利系统建设的信息化，但实际应用还处于探索阶段。京密引水渠是北京市重要的水利工程，引渠经密云、怀柔、顺义、昌平、海淀五个区至团城湖供水枢纽，全长100多公里，肩负着正、反向输供水的重要任务[1]。为了保障水源安全，水环境管理工作就显得尤为重要，故此，探索使用无人机技术解决水环境管理工作中的难点问题，从而为社会大众营造良好的水事秩序。

1 京密引水渠水环境的基本情况

近年来，京密引水渠水环境治理情况受到社会大众的普遍关注，水务部门按照“科学决策、突出重点、综合治理、着重实效”的工作方针，不断加大水环境管护力度，近些年沿渠安装了约210km的防护网，实现了渠道的封闭式管理，有效减少了游泳、钓鱼等违法涉水行为，为引渠水环境保护工作提供了较好的基础[2]。但渠道还有部分区域受各种社会因素的影响较大，成为水环境管理工作中的难点问题，通过对京密引水渠水环境现况的研究发现，目前难点问题主要有违规倾倒垃圾渣土、违法涉水行为、水质检测不及时、违章建筑存在安全隐患等问题。

2 水环境管理中的难点问题

2.1 违规倾倒垃圾渣土

京密引水渠渠道较长，引渠两岸村镇、企业较多，且紧邻交通要道，渠道周边游玩人员较多，部分外来游玩人员素质不高，乱扔垃圾现象时有发生。随着城镇化的推进、平原造林工程的落实，渠道周边时常发现违规倾倒垃圾渣土的现象，且堆放地点多为日常巡视的死角。近四年来，每年平均出动保洁人员8 000多人次、保洁车辆约600台班、清理垃圾渣土1 337m3、打捞水面漂浮物619m3、打捞水草220m3。如图1所示。

图1 垃圾渣土情况信息图

2.2 违法涉水行为存在

引渠内游泳、钓鱼等违法涉水行为屡禁不止，特别时春、夏、秋三个季节，违法涉水行为达到全年总量的八成以上。管理人员进行劝阻时，违法涉水人员经常沿着挡墙逃走，而后翻越护网逃窜，为避免意外情况的发生，管理人员不敢深追。过去违法取证的手段主要是执法人员依靠携带的执法记录仪进行摄像取证，但由于执法人员有一定的辨识度（比如车辆、衣服的标识等），会被当事人提前察觉逃跑，难以抓到现行，取证立案就成了难题。近四年来，平均每年出动巡视人员2 000多人次、巡视车辆670多车次、劝阻制止游泳、钓鱼等违法行为240 余人次。如图2所示。

图2 违法涉水情况图

2.3 水质检测不及时

京密引水渠主要以明渠的方式进行输供水，因外界因素导致水体受到污染，水质将会受到严重影响。当巡视人员发现水质因污染出现明显的现象（如气味、颜色、浑浊度等现象），上报领导，安排人员取水样，送检测公司检验水质，会消耗大量的时间，且因为时间差关系无法准确反映水质情况。

2.4 违章建筑存在安全隐患

由于历史遗留问题，京密引水渠管理范围内还存在部分违章建筑，有的已经拆除，有的才拆除一部分。这些建筑存在安全隐患，管理人员查看时存在安全风险，但由于工作的需要，又要进入建筑物内拍照、测量，以便上报存档。如果有更好更安全的方式方便拍照测量，可以降低工作人员的安全风险程度。

3 无人机在水环境管理工作中的应用优势

3.1 安全系数高

在水环境管理工作中可以利用无人机的各项功能来完成危险系数较高的工作，这样降低了工作人员的安全风险，提高了安全性。比如，水样采集人员不必乘船在水面上采样，只需要在安全的地点操控无人机就可以完成采样工作。这种方式所面临的风险较小，管理人员可以在安全的环境下采集水样，提高了工作的安全性[3]。

3.2 提高工作效率

在水环境管理工作中运用无人机进行巡视检查，可以克服地形和地势方面的困难，以直线的路径到达想要检查的区域，为水环境管理工作节省大量时间的同时，也可以检查到一些平常巡视中难以觉察到的死角，从而有效提高水环境管理工作的效率。另外，当无人机将水样采取完毕后，降落在岸边，直接收取无人机和水样就可以离开，减少了通常情况下船只返回停靠点并固定的时间。

3.3 避免出现污染

在水样采集工作中，船只一般以柴油为动力，船只在行驶过程中会产生废气及其他有毒物质，如果船只出现漏油现象，油污会漂浮在水面上，会对水源及水环境造成非常严重的影响。而无人机以电能为能源，只要使用过程中操作得当，就不会对水环境造成污染，相比之下，使用无人机非常环保。

3.4 降低工作成本

由于京密引水渠渠道相对较长，在巡视检查工作中，会使用较多车辆，且水样采集工作中会应用到船只。无论是车辆还是船只，都需要燃料方能运转行驶，这就会增加管理工作的成本，而无人机的广泛使用，可以用相对便宜的电能代替燃料，降低了燃料的消耗，减少了水环境管理工作的成本。

4 应用无人机解决难点问题

4.1 针对违规倾倒垃圾渣土的问题

基于现实情况，管理人员不可能实时关注渠道每个角落，但针对违规倾倒垃圾渣土的问题，可以操作搭载有高分辨率摄像机的无人机，使之悬浮于空中，从俯视的角度查看渠道情况，确定垃圾渣土的堆放位置，以便运维单位进行清理。这样的方式与徒步检查形成“人机交互，立体交叉”的管理方式，使管理人员更易发现堆放在死角处的垃圾渣土，更好地解决垃圾渣土问题。

4.2 针对违法涉水行为存在的问题

水环境治理本身并不是以惩罚违法涉水人员为目的，而是以减少甚至杜绝违法涉水行为的发生为目标，因此将游泳、钓鱼等违法涉水人员劝走即可，不必冒着生命安全进行驱赶。无人机搭载播音装置对游泳、钓鱼人员劝阻的方式在部分地区已有实施，效果显著。无人机也可以搭载高清摄像头用于拍照，工作人员就不必亲自到达现场，可以在不被违法涉水人员发现的同时完成拍照取证工作。

4.3 针对水质检测不及时的问题

无人机进行水质检测工作有管理人员即可完成，应用搭载光谱传感器的高性能无人机，光谱传感器可以选择Mica Sense Red Edge传感器，此款多光谱传感器能提供蓝、绿、红、红边及近红外5个光谱带的数据，对水体进行图像采集，以便于对水质进行实时分析。这种方法与人工取水送检测公司相比，全部都由管理人员完成，更加经济实惠，同时不会对水源及水环境造成二次污染。

4.4 针对违章建筑存在安全隐患的问题

部分违建大门紧锁，使得管理人员难以进入其中了解实时信息，由于工作需要进入违建房内拍照、测量时，还要注意自身安全。使用无人机完成拍照检查工作，管理人员在建筑物周边就可以完成相关工作，不必亲自进入违建内，保障了人身安全。

5 无人机其他方面的使用情况

5.1 巡视检查方面

京密引水渠周边部分地区还是土路，夏季一旦降雨，道路泥泞难行，而无人机可以无视道路泥泞，直达想要检查的区域，完成水环境检查工作。如图3所示，此山洪桥常年有积水，车辆行驶在上面易打滑；巡视人员徒步巡视时会弄湿衣服、冬天容易滑栽，使用无人机飞过桥梁，即可清晰地观测到山洪桥上面的情况，保障安全的同时提高了工作效率。

图3 某山洪桥俯视图

5.2 测绘方面

京密引水渠已有五、六十年的历史，部分建筑物与原有设计方案的位置可能出现变化，考虑到部分无人机具有航拍测绘功能（比如大疆精灵4），可以使用无人机对渠道进行测绘，确定渠道现有水工建筑物的实际位置情况。采用无人机低空摄影测量技术，快速高效地获取研究区域的正射影像及堤防影像，再通过相应的软件合成渠道的影像，完成测绘。

5.3 宣传方面

水环境保护工作其中一个非常重要的方面就是宣传工作，通过各种方式，向社会大众宣传水法及保护水源的重要性，提高民众的参与度，使社会大众树立河湖保护意识，形成重视水环境的社会氛围。而无人机配备语音播报装置进行播报就是一个很好的方向，管理人员操作无人机在渠道管理范围内人员密集的区域宣传水法知识、宣传保护水环境的重要性，也是无人机的应用方式之一。

6 无人机在水环境管理工作中的应用要点

无人机在实际工作中具有非常优良的效果，相关单位应当在引进无人机的同时制定相关程序，使其在水环境管理工作中发挥正面作用。使用无人机应当结合属地实际情况，在允许的情况下使用无人机，不要因为盲目使用无人机而违反相关法律法规。

水环境管理工作是一个由多个部分组成的相对复杂的工作，应当根据实际情况使用无人机执行不同的工作任务，还要考虑无人机的飞行距离、高度及电量损耗，对无人机的航行轨迹进行有效的规划，防止意外情况发生，从而更好地完成水环境管理工作。

7 结束语

无人机在水环境管理工作中的应用前景是非常可观的，管理人员使用无人机时，要充分发挥其优势，解决水环境管理工作中的难点问题，同时也要重视无人机的劣势，科学合理地预设无人机的飞行轨迹保，保障安全，使无人机成为水环境管理工作的重要辅助工具，进而为水利工作的信息化添砖加瓦。