航空热红外成像的经济效益

地下热力管网是城市基础设施的典型组成部分。多数城市的热力管网总长度达数百千米。莫斯科超过5 500 km（平均每1 km²城市面积具有超过4.2 km的双管热力管道）。热力管道直径为50 mm至1400 mm，埋深多数为1.5–2 m，少数为3–5 m或小于1.0 m。循环管网水总流量达数万m3/h。莫斯科的流量超过25万m³/h，而供暖季管网水总泄漏量为5000–6000 m³/h。

供热水流量大、温度高（70°–150°C）、压力高（最高1.5 · 106 Pa），使泄漏成为影响环境最强烈的来源之一，其影响表现为以下几种形式：

• 热影响——改变地下水、土壤及浅部地层的热状态；
• 机械影响——冲蚀与热力管道接触的地层，形成塌陷坑（人为潜蚀）；
• 化学影响——溶解可岩溶岩石，改变地下水化学成分；
• 水动力影响——改变地下水位。

管网长度大、运行与维护具有特殊性，使采用高效率状态检查方法成为现实需要。其主要任务并不限于发现事故管段。通常，热力干线破裂时，参数监控系统能够较快发现并迅速定位，随后采取相应措施。更重要的是预测事故的发展，以避免严重、甚至悲剧性的后果。众所周知，冬季供暖期间遇到严寒时，管网温度和压力达到最高值，因此严重腐蚀管段发生破裂的概率很高。结果是整栋建筑，甚至整个街区或城区（干线破裂时）失去供暖。长期持续泄漏尤其危险，它会冲蚀沥青路面下的地层，突然形成塌陷坑，设备常会陷入其中，甚至造成人员死亡。

自1992年以来，航空热红外成像（TIKAS）一直是成功用于诊断热力管网状态的遥感方法之一。其测量方法由GNPP Aerogeofizika于1982–1991年开发。航空热成像的主要优点是响应快、效率高，可在较短时间内检查大范围区域。

对面积不超过100 km2的城市进行测量，需要5–6个飞行小时。初步资料在测量次日交付委托方。

红外成像是指记录地表或不同物体在红外（IR）光谱区的电磁辐射，并将其转换为可见图像。其中，中红外（3–5 μm）和远红外（8–14 μm）波段成像尤为值得关注。在这些波段，红外辐射强度很大程度上取决于地表物体的热状态。因此，该测量称为热红外成像，这也反映了方法的本质。用于监测热力管道状态的热红外成像可以从地面开展，也可从航空器上开展。

热场具有极强的动态性。其形成受到多种人为和自然因素影响，包括气象条件（气温、云量、风、降水）、太阳在地平线以上的位置，以及下垫面和近地表土层的热物理性质与状态（首先是湿度）。

2000年在类似研讨会上提交的报告阐述了TIKAS的基本方法原则和所得资料的解译方法，并说明该方法适合用于地下热力管网状态的遥感监测。反馈表明，这些工作引起了直接负责热力管网运行与维修的专业人员的兴趣。
TIKAS适用于热力管网状态监测，源于所得资料可信度高，且可可靠用于制定工程和管理决策，最终决定了该方法的高经济效益。

按监测模式开展测量（每年两次，分别在供暖季开始和结束时）可显著提高热力管网状态遥感观测的信息价值。供暖季结束时的测量为制定维修计划提供不可替代的信息，有助于最合理地使用有限资金并缩短维修工期。供暖季开始时的测量则可客观评价运行部门即将带入冬季的管网状态。

自1992年以来，国家单一制企业Mosteploenergo全面实施热力管网状态的全范围监测，并利用TIKAS资料规划维修和预防性工作。无论依据Mosteploenergo数据还是Aerogeofizika资料，都可以确信，监测覆盖区内整个供热设施已形成整体状态持续改善的稳定过程。关于TIKAS经济效益最具代表性的资料，正是GNPP Aerogeofizika与国家单一制企业Mosteploenergo多年密切合作的结果。

遗憾的是，城市供热管理体系中市政机构的部门分割，严重妨碍了TIKAS资料的大规模综合应用。例如，莫斯科热力管网分别由国家单一制企业Mosteploenergo、MOSENERGO股份公司的“热力管网”分公司、国家单一制企业Mosgorteplo与Teploremontnaladka，以及数十家拥有自有供热设施的工业企业管理。研究区配置不合理，因而降低了测量和解释过程本身的经济效益。

正如我们在前一份报告中所述，我们按四个等级评价热力管网状态。这自然属于定性评价，因为原则上无法通过遥感测量绝对热力学温度。

我们采用以下热力管网状态等级：

• 标准热损失（管线状况正常，保温层完整且干燥）；
• 热泄漏增大（保温层潮湿或损坏，腐蚀过程加剧）；
• 严重热泄漏（存在小穿孔泄漏，保温层损坏且潮湿）；
• 事故状态（供热管道破裂，热媒外泄）。

实践表明，采用上述等级可以较全面地描述管网状态。必要时可使用中间等级或增加新等级。
汇总表1直观展示了测量与解释过程的有效性：

表1。
1995–2001年航空热红外测量资料核查结果
（据国家单一制企业Mosteploenergo资料）

分析上述资料可知，监测区平均每1 km²存在2–3个热量泄漏严重的管段。平均每轮测量在全区圈定约800个此类管段。2000年*的测量是例外，因管制原因仅完成了部分区域（17%）的测量。

国家单一制企业Mosteploenergo所属企业开展的地面验证资料表明，热力管道状态与其热场表现之间的因果联系在绝大多数情况下得到证实，比例为65–96%（平均79%）。高热量泄漏往往由地下水或邻近公用管线漏水淹没管沟所致（15至34%）。这些管段腐蚀加速。12至20%的异常对应热力管线浅埋地段。

最值得关注的自然是出现针孔的管段，即腐蚀已使管壁减薄至临界厚度并形成直径1–2 mm贯穿性损伤的管段。此处热媒泄漏量小，因而参数监控系统无法记录。但由于泄漏持续发生，其总量可与平均地下径流量相比。据V. M. Lipovskikh与N. A. Voronkova（MOSENERGO股份公司）资料，城市范围内平均持续泄漏量为每1 km²每小时7.2 m³，而在公用管线附近则达到地下径流模数的5倍。因此，补水量在很大程度上取决于持续小量泄漏的存在。尤其危险的是，在冬季供暖负荷增大时，管壁减薄地段最可能发生破裂。

在所有热量泄漏管段中，针孔占14至27%。早期发现并消除针孔，可预防供暖期间的重大事故。及时修复航空热成像发现的缺陷，可使补水量平均减少标准值的10%，对国家单一制企业Mosteploenergo所属企业而言相当于60 m³/h。热损失平均减少标准值的5%。

单次航空热红外测量的成本为每平方千米城市面积4–5千卢布。偏远城市因运输费用（直升机转场、人员运输）而使作业成本显著增加，但在任何情况下，TIKAS的应用收益均数倍于所产生的费用。

国家单一制企业Mosteploenergo的经济测算表明，将航空热成像资料与地面声学方法结合使用，在350 km²区域内每轮测量可节省2000–3000万卢布。

依据梁赞市1997年的测量资料及时开展的维修，节省了约200万卢布，而测量费用为40万卢布（按币值调整后的价格）。还应考虑，这一金额不包括若未预防潜在事故、为处理事故后果所不可避免的支出。

需要指出，由于技术文件不完整且分散、众所周知的保密限制以及维修工作的高度复杂性，俄罗斯许多城市的运行单位往往缺乏关于热力管网平面位置的可靠资料。热成像测量资料可用于修正和细化这些信息，也可重新编制热力管网布置图，这是一项极为迫切的任务。

归根结底，TIKAS在热力管网遥感诊断中的经济效益，取决于委托方消化所得信息并将其转化为工程和管理决策的能力。我们在俄罗斯不同地区（阿尔汉格尔斯克、梁赞、图拉、卡卢加、利佩茨克、旧奥斯科尔、古布金、秋明以及莫斯科州大多数城市）的工作经验表明，专业人员和管理人员存在明显的思维惯性。克服这种惯性，是显著提高投资效益的关键，也是安全、平稳的