北美水利考察报告

美国水下机器人引进及加拿大水资源
管理考察报告
为提高我省水工建筑物水下结构安全隐患探测的能力，经申请，水利
部“948”项目管理办公室批复同意我厅引进美国生产的小型水下机器人系统仪器设备。

为掌握该系统的控测使用方法，我厅组团于2009 年2 月5
日至14 日进行了为期10 天的考察。

考察团先后访问了加拿大的尼亚加拉半岛保护局和美国的VideoRay 公司，考察内容主要涉及水下机器人开发与应用、洪水监测预报、湖岸管理、水资源保护、生态环境保护、流域规划和利用等。

1 美国VideoRay 公司考察情况
1.1VideoRay 公司简介
VideoRay 公司位于宾夕法尼亚州费城市Pheonixville 镇，成立于
1999 年。

公司最初的产品是面向游艇的一种水下玩具，后来随着经济的
多元化，产品发展也呈多样化和多功能化。

产品设计的基本概念是建造
一个水下遥控车，可发送到人们不便到达或有危险的水下区域，且便携、
可靠、廉价、易操作。

随着其用途的扩大，配置了定位系统、基本推力
器、多波束声纳以及其它专业测量和测试装置。

但这些装置大多是由专
业公司生产的。

目前，VideoRay 公司的产品已广泛应用于水上（下）旅
游、海岸警备、刑事侦查、水产养殖、油井钻探、港区作业、航道调查、
航运以及核电厂高温作业和水电检测等领域。

主要客户是政府有关部门、
油田等大企业及水上（下）游乐的富有阶层。

2007年公司生产的产品销售额约700万美元。

已销中国100多台
（套）。

一般是通过经销商与VideoRay公司联系商务和售后事宜。

耐人寻味的是，公司设有一间简单的陈列室，其物品却是几架简易
的小飞机和一台古老的汽车，意在表示公司产品与此有缘（关）。

这在一定程度上折射出了公司的创新文化和理念。

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1.2水下机器人简介
VideoRay 公司生产的小型遥控水下机器人( ROV )系统由水下潜器、脐带缆、水面控制台三部分组成。

水下潜器是水下摄像头、传感器、水下作业工具等的运动载体，脐带缆将水面的动力和控制命令下传给潜器，将潜器获得的视频、声纳以及其他传感器数据上传给控制台，水面控制台则可对潜器的运动、灯光、云台、焦距、搭载的传感器进行控制或调节并显示相应的观测数据或水下图像。

该水下机器人通过控制台上的多个旋钮即可控制机器人前进、后退、转弯、上升、下沉，灯光强弱和摄像头焦距，云台俯仰等。

可携带定位声纳、图像扫描声纳、多参数水质检测传感器(YSI) 、辐射传感器、机械手、金属测厚计等，并可实时进行水下视频检测和观测。

已广泛用于丢失物品的水下搜寻，水下锚、推进器、船底探查，犯罪物证搜索和涉水事故调查，海洋石油钻井平台等水下结构的检修，海上救助打捞，近海搜索，水下考古和水下沉船考察，水利水电行业的船闸、坝体、桥墩、排沙口、拦污栅、病险水库等水下检查，协助水下基础或结构的安装和日常检查检修、水下工程质量监控、海洋生物科学研究等。

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基本仪器装置
遥控水下机器人(ROV)系统是集机、光、电为一体的水下摄像系统。

在清水或无水情况下，能够在水下和地下环境中即时获取结构表面清晰图像，检查结构表面是否有裂缝、塌陷、破损等缺陷，可望用于水利水电行业的船闸、水库大坝坝体、桥墩、拦污栅、水闸闸墩、闸底板、消力池、护坡、护坦等水利工程结构的水下检查及水下工程质量监控。

但在工程检测中的实际应用较少，缺乏经验，特别是浑水或表面淤积条件下的使用受到很大限制，对工程结构内部缺陷的检测更是无能为力。

在实际应用中，还要增加部分专业装置，才能在水利工程水下结构安全隐患探测中发挥更大的作用。

(1)二维多波束成像声纳
便携式高分辨二维多波束图像声纳，用于港口巡查、潜水员探测跟踪、机器人导航、水下搜索等。

该声纳是世界上最小的二维多波束成像声纳，所成声图像清晰逼真。

但实际应用中将受到探测距离和分辨能力的限制。

(2 )小型遥控单功能机械手
小型遥控机械手用于打捞ROV 搜索到的水下小目标，在脐带缆的帮
助下可在水中可提起40 公斤的重物，机械手夹钳的开合通过水面进行操
作控制，机器人的摄像头可聚焦在机械手上以便于操作。

但实际应用中
的可提物重量及具体条件下的可操作性，有待实践检验或摸索。

3）激光尺度仪
用于测量或估计水下目标的尺寸、距离，由两束3A 级、平行的、
固定间距的激光束完成。

但水下复杂形体的尺寸和距离测量或估计，有
待实践检验或摸索。

2 加拿大尼亚加拉半岛保护局考察情况
2.1 加拿大水资源管理
加拿大位于北美洲北部，国土面积998.467 万平方公里，其中陆地面积909.3507 万平方公里，淡水覆盖面积89.1163 万平方公里。

人口
3309.12 万（2007 年），分布极不平衡, 2 / 5 的人口集中在魁北克和安大略两省, 89%的地区均无常住居民。

加拿大内陆河湖星罗棋布，境内河流
分属哈得逊湾、北冰洋、太平洋和大西洋等四大流域系统。

湖泊多属冰川湖，苏必利尔湖、休伦湖、安大略湖、伊利湖和呈弧状排列的温尼伯湖、阿萨巴斯卡湖、大奴湖、大熊湖等构成了世界最大的湖带，大湖带外散布着成千上万的小湖。

水资源非常丰富，淡水资源占世界的9% ，全国三分之二的电力来自于水力发电。

加拿大的水资源管理经历了水开发—水管理—可持续水管理三个发
展阶段，其水管理理念着眼于构筑支撑社会可持续发展的水系统。

在流
域管理上，基于对生态系统（空气、水、鱼、野生生物和人类）一体化的区域水资源与水环境综合管理方法。

在加拿大联邦和各省出台的一些改革措施中，将水与土地、环境、经济等要素结合起来加以综合考虑和对待。

为了科学地进行水管理，除了水量和水质等基本信息外，还需要整个生态系统的知识和专门技术，同时还包括经济和社会学方面的知识，为此联邦政府投入了大量的人力和物力，支持研究机构建设与水科学合作研究计划。

为满足可持续水资源管理的需要，联邦政府、省政府及地方政府的水资源管理机构进行了较大规模的改革，其中省级政府是承上启下的机构。

一项重要的措施是成立专门水资源管理机构，将原来分布于政府诸多机构的水资源管理权集中于一个或少数几个机构。

加拿大的防洪管理基本采取联邦政府与地方管理相结合的方式。

国家防洪主要由环境部管理，负责制定防洪法律，编制全国防洪规划，确定洪水警报级别，发布洪水信息与警报。

省政府负责区域内防洪工程运用，确定河道警戒水位并向社会发布。

负责洪水信息的采集和发布，并组织区内居民实施抗洪抢险。

洪水管理主要是风险管理。

然而，加拿大水资源总量分布是不平衡的，部分地区面临着遭受旱灾和洪灾侵袭的威胁。

虽然加拿大的水资源量比较丰富，且其人均用水量在世界上是很高的，但各种用水之间也有冲突。

此外，加拿大的水质虽然总体较好，但一些地区的水质仍受到污染。

加拿大政府正在制定政策和措施以应对这些挑战。

2.2尼亚加拉半岛区域水系分布
所谓尼亚加拉半岛，是指连接伊利湖与安大略湖的地峡。

而尼亚加
拉河则源于伊利湖最南端，下接安大略湖。

尼亚加拉河（Niagara River ）位于北美洲的五大湖区，自伊利湖流注安大略湖，全长约56公里，为美国纽约州与加拿大安大略省的界河。

集水面积包括苏必略湖、密西根湖、休伦湖和伊利湖水系，总计约67.3
万平方公里。

河流上游伊利湖的湖平面海拔为174米，下游安大略湖的湖
平面海拔为75米，两湖高差99米。

尼亚加拉河流到中部，被山羊岛分流，发生了一个近似直角的拐弯，形成3个独立的瀑布组：一个是横跨于美、
加边境的马蹄瀑布（也叫加拿大瀑布）；一个是美国境内的美国瀑布（也叫彩虹瀑）；另一个是在美国瀑布附近，从山羊岛东侧缓缓流出的规模较小的瀑布，叫做新
娘面纱瀑布（又称月光瀑布）。

瀑布连线作为上游河流的横断面竟然平行于下游河流的河岸，即尼亚加拉瀑布断面与上游岸线近于垂直，而与下游岸线近于平行。

尼亚加拉河以河道短、水量充沛、泥沙含量低、水力资源与旅游资源丰富为特征。

美国和加拿大分别于纽约州的路易斯顿及安大略省的昆斯敦建成水力发电厂，从瀑布上方将水导入隧道及渠道引向下游电厂，电力除供两岸需要之外，多余部分向外地输送。

尼亚加拉河自伊利湖口至急流的上游一段可以通航，但最重要的航线是绕开瀑布沟通伊利湖与安大略湖的威兰运河。

为了保护尼亚加拉河水资源和尼亚加拉河瀑布的景观，两国相互合作充分利用尼亚加拉河的
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尼亚加拉河大弯曲
水资源，并保护好尼亚加拉河的自然景观，为此必须保证河流具有足够的流量。

可用于发电的水资源由美国和加拿大平均分配。

可见，尼亚加拉河是北美水力资源最丰富的水道之一，其旅游资源和水力资源的有效开发，使它成为全球单位长度河流创造财富最多的河流之一。

而尼亚加拉半岛区域正处于尼亚加拉河、伊利湖、安大略湖、威兰运河等河湖水系的交汇区，以及尼亚加拉河瀑布、昆斯敦水电站等旅游、水能、水运的集聚带。

伊利湖(Erie Lake )是北美洲五大湖之一，为美国和加拿大共有, 东、西、南面为美国的密西根州、俄亥俄州、宾夕法尼亚州和纽约州等州，北面为加拿大安大略省。

湖区呈西西南-东东北向，东西长388 公里，最宽92 公里，面积2.57 万平方公里，湖面海拔174 米，比休伦湖低3
米，比安大略湖高99 米。

伊利湖接纳休伦、雷辛、莫米等河流，流域面积5.88 万平方公里(不包括湖面积)。

西经底特律河—圣克莱尔湖—
圣克莱尔河接纳苏必利尔湖、密歇根湖、休伦湖的湖水，东经尼亚加拉河的尼亚加拉瀑布注入安大略湖，通过威兰运河和纽约州巴吉运河分别与安大略湖和哈得孙河相通。

安大略湖( Ontario River )位于美国与加拿大之间，是北美洲五大湖中最东和最小的一个。

湖区略呈东西延伸，大致成椭圆形，东西长311
公里,南北最宽处85公里,面积1.95万平方公里，湖面海拔75米，比伊
利湖低99 米，流域面积约7 万平方公里(不包括湖面积)。

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亚加拉大瀑布即上接伊利湖，下灌安大略湖。

安大略湖西南经威兰运河避开尼亚加拉瀑布）与伊利湖相连。

威兰运河（Welland Canal ）开凿于1829年〜1932年，是加拿大南安大略的水道，它使南方的伊利湖和北方的安大略湖之间能通航大船，并成为圣罗伦斯航路的重要纽带。

威兰运河的开凿缘于连接伊利湖和安大略湖的尼加拉河有瀑布和急流，无法通行，所以需要有一条运河。

威兰运河长44.4 公里，深8 米，宽61 米。

两湖之间水位差约100 米，用8道水闸来调节，可通行约70 米长的船。

2.3尼亚加拉半岛水资源水环境保护
尼亚加拉半岛保护区内有2424 平方公里水系，包含整个尼亚加拉地区、
21 ％的Hemiltong 市和25％的Haldimand 县，区内人口约50 万。

水系流域主要包括Welland 河、Lwelve Mile 溪、Tilewenty Mile 溪和Forty
Mile 溪及系列流入Ontario 湖和Erie 湖的水道。

土地用途主要是农业（特别是水果类）。

尼亚加拉半岛的旅游业和农业（特别是水果类）发达，对水资源和环境要求很大。

早在1946 年，出于基本生活需要，防治水资源和环境被污染，安大略省通过了自然资源保护法。

1959 年正式成立安大略省和市级地方政府的协调发展机构—尼亚加拉半岛保护局（The
Niagara Peninsula Conservation Authority （NPCA ））（现总部设在威兰市），来保护、恢复、开发和管理本流域的资源和环境。

保护局有一支由高层次工程师和规划师、计算机专家、生物学家等组成的科技团队。

期间，1954 年多伦多地区受飓风袭击而致使半岛区遭受洪水危害，这一现实自然灾害加快了机构成立并赋予其更大的责任和权力，即：
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办公楼外观
除了改善环境外，还承担防灾减灾（防洪防旱）任务。

尼亚加拉半岛保护局采用董事会管理制度，董事由各市长担任。

这些董事和市议员共同决策各项保护计划和其它有关事务。

1969年，尼亚加拉半岛保护基金会注册成立，其宗旨是筹集补充资金，以支持和资助各种环境保护项目，维护和恢复自然环境，造福当代和子孙后代。

基金会由志愿者董事会管理。

尼亚加拉半岛的水资源水环境保护和管理主要包括几个方面:
（1）流域调节：主要负责河道、峡谷和湿地管理，防洪设施维修,
流量监测和洪水警报，洪泛区和防洪标准确定，水土保持控制。

管理和操作洪水预警系统，以减少生命和财产造成河流和海岸洪水，是半岛保护管理局的主要职能之一。

其中一项重要的工作是根据不同频率下洪水可能淹没或影响的区域帮助洪水风险图，并结合社会经济和人口防爆等数据库，采用不同防御措施和预警等级。

据介绍，尼亚加拉半岛区的防洪标准为100年一遇，主要是根据1954年和1989年飓风引发的强降
雨量为基础而分析推算确定的，其中1989年飓风引发的最大降雨量达
到了每12小时330mm。

半岛保护局在整个流域的多个地点监测水流和降雨，以及其他现有的气象资料，并传播到总部进行分析。

当流域可能出现对公众安全或财产损失风险时（如重型春季径流/融雪事件、极端降水事件、冰塞湖和强台风），半岛保护局将发布咨文或发出警告。

半岛保护局主要采用3种方式作预警:
①公告一一指一般性的通知，适合于存在威胁人身安全潜在条件时, 主要面向学校和媒体。

②咨询——防洪咨询适合于不远的将来发生洪水时，其依据是气象监测信息，通知对象主要是市政府及应急机构，以便采取应急措施。

洪水通告应根据天气和水流条件而变化。

根据洪水风险图及气象监测信息和河流、海岸线状况，当
洪水即将或正在发生时，迅速通知市政府及应急机构，采取应急措施。

随着天气和水流条件，应及时分布信息，直至取消警告。

按照相关机关的职能划分，保护局只负责预警，疏散、撤离和转移等由消防和警务部门负责。

2）流域规划：主要负责计划审查，流域计划编制和自然保护区调
查。

3）流域恢复：主要负责流域恢复、保护和开发计划，计划实施建
议，水质和生境多样性保护，重新造林，土地还垦，生物工程技术实现，保持一个健康和可持续的环境。

实施的计划中包括收购土地建立保护保护区，供公众参观区内独特的自然遗产和资源，寓教于乐。

4）水源保护：主要负责执行省政府水源保护措施，水质监测和其
它相关项目倡议。

5）地理信息系统服务：主要责任是提供信息管理，包括空间分析、
数字化测图、地理数据的制作、数据库管理和自定义应用程序开发等先进技术支持和服务。

基本信息是地形、自然资源和环境、社会经济情况和人口分布。

保护局的许多关键计划有赖于地理信息系统的数据管理、绘图和强大的分析能力。

此外，将要实施旨在改善湖河系统水质的补救行动计划。

目前，每年编制流域水质监测报告与计划。

综观所有各项工作，由于水是人们生活的重要组成部分，尼亚加拉半岛保护局着重保护和改善这一重要资源，以实现和维持一个健康和可持续的环境。

恢复计划侧重于实现和维护人居中心的目标。

开展的项目包括：湿地保护和康复，重新造林（包括河岸种植等），水产品恢复和控制水土流失。

这些项目有助于改善当地的水质以及保护野生动物栖息地和物种多样性。

保护区水质监测开始于2001 年夏天。

此前，保护区开展了一系列有关水质监测的计划，但没有一个专门的监测规划。

现已建立了广泛的监测站网络，覆盖了整个保护区，用于长期收集地下和地表水的质量数据。

该网络代表了Niegara 半岛最大和最综合性的水质检测规划。

保护区检测网络由Onlario 环境保护部、Niegara 市和Hamiltan
县共同参与操作。

保护区水质检测规划的主要目的是通过化学和生物检测来评估局部水系的水质量。

在尼亚加拉半岛，洪泛区内的相关建设计划都要到半岛保护局报批，洪泛区内不能有新的建筑。

保护局有权对相关规划进行干预，可通过法律行为干涉深挖河道、改变河道方向等人为活动，督促其恢复原状，或支付相应的工程实施费用。

在湖岸线管理中，必须做好人类工程活动和水生态环境的综合协调与保护，离岸线
30 米范围内不能建房。

由于有相关的立法保障，保护区的水资源水环境规划与其它规划可取得高度协调，省内各市县纳入统一规划，各级政府和相关部门能统一行动、联合
执法。

更可贵的是，保护局的工作没有停留在书面条文上，而是切实付
诸持之以恒的行动中。

半岛保护局近几年的年均经费约900万加元，但
省政府只提供大公益项目所需的经费，更多靠自筹资金，包括谁受益谁出钱、半岛保护基金会项目收益及旅游等其它创收。

3考察效果及启示
在加拿大尼亚加拉半岛保护局，考察团受到了高度重视和热情服务, 本届理事长亲自致欢迎词，并简单介绍了机构情况。

主题报告由水资源专家Steve Miller 主讲，并专门制作了多媒体材料。

整个考察交流过程
中，保护局领导、科技交流接待人员及科学家和专业工程师都认真讲解、
耐心回答问题并坦诚阐述和交流观点。

在美国VideoRay公司，有关负
责人和技术人员作了详细介绍，并进行了仪器演示，耐心回答我方团员的提问。

本次考察的邀请方和接待方均提供了相关资料和图片，我团也向邀请方和接待方赠送了介绍浙江水利建设情况的英文图文册。

加拿大是一个水资源十分丰富的国家，人均水资源占有量居世界前列，但却十分重视水资源的管理和保护。

尼亚加拉半岛地处尼亚加拉河、伊利湖、安大略湖、威兰运河等河湖水系的交汇区，湖水清澈、环境优美，农业和交通运输业发达，旅游资源和水力资源丰富。

这是一个河湖体系复杂，水利水电开发建设、水资源利用、旅游等人类活动频繁，人类文明和创造性集中体现的地区。

半岛保护区的水资源管理、生态环境保护和防灾减灾任务很重，在管理和研究实践中已取得了巨
大成效和丰富经验。

美国VideoRay公司规模不大、历史很短，却自主
研究开发出了特色产品，在世界某些地区占有一些市场。

该产品在水利
水电工程检测和防灾减灾中的应用，值得实践摸索。

因此，本次考察和交流对我省(特别是流域的)水资源管理、生态环境保护、防灾减灾以及科学研究和自主创新具有启示和借鉴意义。

(1)重视立法工作，运用法律来规范流域河道管理，强化水资源
开发利用和保护。

如尼亚加拉流域在1946年就通过安大略省立法，颁
布实施了自然资源保护法，规定了流域水资源管理和保护的体制，对水资源的开发利用、水环境水生态保护及防洪保安等都作了规定，使流域水系管理有法可依，有序开展。

(2)流域管理有一支由高层次的工程师、规划师、计算机专家、
生物学家等组成的科技团队，持之以恒地从事相关的管理和研究工作。

制定了水资源保护和开发规划，加强了水生物的监测，做好水文监测和洪水预报，绘制流域洪水风险图，严格监管涉及水域的各类建设和排污情况，使流域管理工作不断向精细化、科学化方向推进。

立法和规划必须在广泛调研的基础上协调集中，执法和实施行动必须联合统一。

尤其要协调好各地方之间和各部门之间的职能和关系。

在流域管理中，可通过协调，相对超脱于行政区划、部门分割，最终也会回馈给各地方和部门。

(3)水质的科学监测工作是尼亚加拉半岛水资源水环境管理和保
护的主要内容和特色。

除了常规、传统的理化监测外，开展了水生态监测工作，包括藻类、鱼类、两栖动物监测，以及流域周边的植物种群监测。

4）严格执法、照章办事。

为了切实依法实施对流域河道、水生
态的保护，对涉及河道水域的建设项目均实行严格的审批制度，一般都要经过论证、听证等法律程序。

保护河道、水域安全已成为社会公众的共识。

违法占河，破坏水环境的事件基本杜绝。

5）防洪管理工作扎实。

流域水系的水文监测设施齐全，洪水预
报精度较高，主要行洪河道绘有洪水风险图，当流域可能出现对公众安全或财产损失风险时（包括洪水、强台风和冰塞湖等），及时向社会分布预警信息，并通过政府及应急机构帮助受威胁人员及时转移撤离。

据介绍，洪水风险图要根据社会经济变化和水工程改造等情况及时调整修改，以符合实际情况。

6）在省和市之间通过立法建立协调一致的办事机制。

为了流域
的整体利益，可通过协调超脱于治河各市的行政管理和部门分工，使流域管理机构可在水资源管理和保护上发挥更大作用。

同时，在河道治理方面明确流域管理与行
政区划管理的责任，贯彻谁受益、谁付出，谁破坏、谁负责的方针。

7）水下机器人系统可望在我省的水利建设、查险、抢险等工作
中发挥一定的作用。

8）资源管理和保护中强化大循环和大系统观念，真正做到资源环境）开发利用和保护的良性循环及可持续发展。

9）科学研究和技术开发需要创新文化，要有自主创业和创新精
神。

4 建议
我省经济发达、人类活动强烈，资源紧张、环境压力大，水系发育、
洪涝灾害频繁，行政区划细、流域跨度大。

水资源管理、水生态环境保护和防灾减灾的任务很重。

根据本次考察交流的体会和启示，建议：
1）在钱塘江、瓯江等流域或重要支流，建立水资源管理、生
态环境保护和防灾减灾的示范区。

通过示范活动，再现绿水清山、生态和谐。

同时，探索出一种新的跨行政区划和部门的水资源管理和保护的模式，增强流域管理的有效性和协调性，并开展有关立法的调研。

2）选择典型领域和工程，开展水下机器人系统的试验和研究，
特别是在工程检测和查险中应用试验研究。

3）在我省水利工作的一些重要领域，如水资源管理、河道管理
等，应重视多学科团队的建设，特别是多学科协同管理队伍建设和人才培养。

2）在钱塘江、瓯江等重要江河开展水生物的监测试点，为改
善水生态环境逐步积累资料。