安徽省小型水庫(kù)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

劉 超

（安徽省·水利部淮河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究院 合肥 230000）

1 引言

安徽省小型水庫(kù)點(diǎn)多面廣，主要分布在大別山區(qū)、皖南山區(qū)及淮河以南地區(qū)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全省在冊(cè)登記水庫(kù)共有5965 座，其中大型水庫(kù)15 座、中型水庫(kù)110 座、小型水庫(kù)5840 多座。但2019年以前，建有自動(dòng)測(cè)報(bào)的小型水庫(kù)僅有1600 余座，大部分小型水庫(kù)都是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的方式人工報(bào)送水位信息到指揮中心，不僅精準(zhǔn)度低、時(shí)效性差，而且人力成本高昂，一旦有險(xiǎn)情發(fā)生，很難在最快的時(shí)間內(nèi)組織搶險(xiǎn)和進(jìn)行人員轉(zhuǎn)移，嚴(yán)重威脅了水庫(kù)下游的群眾生命財(cái)產(chǎn)安全。

安徽省小型水庫(kù)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)建成后，大大提高了安徽省小型水庫(kù)監(jiān)測(cè)預(yù)警預(yù)報(bào)水平，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、精準(zhǔn)預(yù)警、科學(xué)決策、及時(shí)發(fā)布和應(yīng)急響應(yīng)。本文總結(jié)了系統(tǒng)的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)系統(tǒng)的總體框架、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)傳輸流程、自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)技術(shù)要求和預(yù)警發(fā)布流程等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，以期對(duì)全國(guó)小型水庫(kù)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)起到積極的示范和推動(dòng)作用。

2 總體框架設(shè)計(jì)

根據(jù)水利部水利信息化頂層設(shè)計(jì)，安徽省小型水庫(kù)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的總體框架采用松耦合的分層架構(gòu)，由業(yè)務(wù)功能、應(yīng)用支撐、數(shù)據(jù)資源、硬件資源、安全防護(hù)體系、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系等幾部分組成，見(jiàn)圖1。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)每層功能相對(duì)集中和獨(dú)立，能夠?yàn)樯弦粚犹峁┖芎玫闹畏?wù)，層與層之間具有明確的邊界劃分，松耦合的結(jié)構(gòu)易于未來(lái)軟硬件及應(yīng)用服務(wù)的調(diào)整與擴(kuò)展。

圖1 系統(tǒng)總體框架圖

2.1 業(yè)務(wù)功能

安徽省小型水庫(kù)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)主要功能包括實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)警處理、設(shè)施監(jiān)視、責(zé)任人管理、基礎(chǔ)信息等。

2.2 應(yīng)用支撐

包括應(yīng)用服務(wù)、基礎(chǔ)服務(wù)和系統(tǒng)資源服務(wù)等內(nèi)容。應(yīng)用服務(wù)提供工作流程、用戶管理、告警預(yù)警、智能表單?；A(chǔ)服務(wù)提供消息服務(wù)、模型服務(wù)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理等服務(wù)。系統(tǒng)資源服務(wù)提供數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)字典等服務(wù)。系統(tǒng)完成了水利“一張圖”、水雨情采集、通訊錄、匯集平臺(tái)等應(yīng)用支撐系統(tǒng)建設(shè)，并對(duì)現(xiàn)有短信網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)、電信、聯(lián)通的三網(wǎng)融合。

2.3 傳輸網(wǎng)絡(luò)

通過(guò)租用水利專網(wǎng)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)并優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)小型水庫(kù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)采集信息的可靠穩(wěn)定傳輸，以及省、市、縣、鄉(xiāng)各級(jí)用戶對(duì)安徽省小型水庫(kù)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的訪問(wèn)。

2.4 信息采集

包括自動(dòng)采集數(shù)據(jù)和收集整編數(shù)據(jù)。自動(dòng)采集數(shù)據(jù)包括水位、雨量、視頻以及安全監(jiān)測(cè)信息等，收集整編數(shù)據(jù)主要包括水庫(kù)水文數(shù)據(jù)、工程數(shù)據(jù)、責(zé)任人數(shù)據(jù)以及相關(guān)應(yīng)急預(yù)案等。

3 網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)傳輸流程

3.1 網(wǎng)絡(luò)通信

安徽省水利通信骨干網(wǎng)已覆蓋省水利廳、16 個(gè)市水利局、17 個(gè)廳直單位、99 個(gè)縣（區(qū)）水利局區(qū)和全省水文系統(tǒng)，接入水利部、淮河水利委員會(huì)、長(zhǎng)江水利委員會(huì)骨干網(wǎng)，省電子政務(wù)外網(wǎng)。其中一級(jí)節(jié)點(diǎn)是省水利廳，二級(jí)節(jié)點(diǎn)包括市水利局、市水情分中心，三級(jí)節(jié)點(diǎn)是縣水利局（見(jiàn)圖2）。實(shí)現(xiàn)了水利專網(wǎng)水文系統(tǒng)縱向網(wǎng)與水利部門專網(wǎng)互聯(lián)互通，為水利各類信息交換傳輸提供了快捷可靠的通信平臺(tái)。

圖2 安徽省水利通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

3.2 數(shù)據(jù)傳輸流程

安徽省小型水庫(kù)自動(dòng)測(cè)報(bào)站點(diǎn)信息采集采用集中接收模式，信息接收地點(diǎn)在安徽省水文局，落地后通過(guò)交換軟件與安徽省水利廳進(jìn)行共享交換。自動(dòng)測(cè)報(bào)站與省水文局信息采集平臺(tái)的通信方式優(yōu)先采用無(wú)線公網(wǎng)，包括4G、GPRS 等，無(wú)線公網(wǎng)不能覆蓋的地區(qū)或有特殊要求的站點(diǎn)選用衛(wèi)星等通訊方式，數(shù)據(jù)傳輸流程見(jiàn)圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)傳輸流程圖

4 站點(diǎn)建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

4.1 站點(diǎn)布設(shè)

水庫(kù)自動(dòng)測(cè)報(bào)站點(diǎn)的布設(shè)應(yīng)設(shè)置在岸邊順直、水位代表性好且不易淤積的位置，而且須避開放水涵、放水閘等水工建筑物泄流的紊流區(qū)，避免浮子與平衡錘間鋼繩纏繞，導(dǎo)致水位測(cè)量失效。如果確因條件限制只能依附于放水涵閘，水位井的井管底部需改為L(zhǎng) 型聯(lián)通管，讓水平進(jìn)水管口避開泄流的紊流區(qū)。

雨量筒周邊應(yīng)避開障礙物，無(wú)法避開時(shí)，障礙物到雨量筒的距離與障礙物的高度比不得小于兩倍，周邊20m 范圍內(nèi)不得有高桿作物、樹木等。除此之外，每個(gè)自動(dòng)測(cè)報(bào)站點(diǎn)需增設(shè)水尺樁或直讀式水尺，用于在現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)水位，并在水尺樁附近設(shè)置校核水準(zhǔn)點(diǎn)2 個(gè)。

4.2 斷面勘測(cè)

斷面勘測(cè)是水庫(kù)水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)量程確定的前期條件，水庫(kù)的斷面勘測(cè)有別于河道大斷面，側(cè)重于監(jiān)測(cè)井位置的高程與既有放水涵閘底部高程、水庫(kù)大壩壩頂高程、溢洪道堰頂高程以及水庫(kù)特征水位之間的關(guān)系。斷面勘測(cè)的跡線視情分兩種：

（1）當(dāng)井管依附于放水涵構(gòu)筑物時(shí)，以放水涵棧橋方向?yàn)檑E線（一般垂直于水庫(kù)大壩軸線），從壩頂開始到水下，并勘測(cè)壩頂高程、溢洪道堰頂高程、放水涵底高程，同步標(biāo)注歷史最低水位、死水位。放水涵無(wú)棧橋時(shí)，以井管位置與大壩軸線垂直投影為跡線。

（2）當(dāng)建設(shè)棧橋式時(shí)，直接以棧橋方向?yàn)檑E線，斷面跡線未與大壩軸線相交時(shí)，圖中仍需標(biāo)注大壩壩頂高程、溢洪道堰頂高程、放水涵底高程，同步標(biāo)注歷史最低水位、死水位。

4.3 量程確定

在對(duì)水庫(kù)進(jìn)行水位監(jiān)測(cè)時(shí)，需要測(cè)量到水庫(kù)死水位的情況。水位計(jì)最低可測(cè)水位需在死水位以下0.1～1.0m；當(dāng)歷史最低水位低于死水位時(shí)，水位計(jì)最低可測(cè)水位需在歷史最低水位以下0.1m；水位計(jì)最高可測(cè)水位為水庫(kù)壩高以上0.2m。

自動(dòng)測(cè)報(bào)站浮子式水位計(jì)碼盤上浮子與平衡錘之間的循環(huán)鋼繩長(zhǎng)度L=H+2h+0.3。循環(huán)鋼繩的長(zhǎng)度設(shè)置的原則是：水位為最低可測(cè)水位時(shí)，浮子不擱淺，平衡錘上沿不受限；水位為最高可測(cè)水位時(shí)，平衡錘不擱淺，浮子上沿不受限。

4.4 數(shù)據(jù)報(bào)送

小型水庫(kù)自動(dòng)測(cè)報(bào)站點(diǎn)數(shù)據(jù)報(bào)送體制采用自報(bào)式與召測(cè)兩種。

（1）自報(bào)式：根據(jù)量級(jí)和需求由數(shù)據(jù)采集中心設(shè)定自報(bào)時(shí)間，在自動(dòng)監(jiān)測(cè)站設(shè)備控制下采用增量自報(bào)、定時(shí)自報(bào)及限時(shí)自報(bào)三種方式。

（2）召測(cè)：當(dāng)監(jiān)測(cè)站接收到數(shù)據(jù)采集中心的召測(cè)命令時(shí)，自動(dòng)響應(yīng)將相應(yīng)數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)采集中心。

5 預(yù)警發(fā)布流程

根據(jù)安徽省水旱災(zāi)害防御機(jī)制體制，小型水庫(kù)防汛責(zé)任主體在基層地方政府，省、市級(jí)水行政主管部門負(fù)責(zé)對(duì)轄內(nèi)小型水庫(kù)防汛工作進(jìn)行業(yè)務(wù)指導(dǎo)和技術(shù)支撐。結(jié)合工作實(shí)際，安徽省小型水庫(kù)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)將預(yù)警業(yè)務(wù)流程劃分為預(yù)警發(fā)起、內(nèi)部預(yù)警、預(yù)警研判和外部預(yù)警四個(gè)階段，見(jiàn)圖4。四個(gè)階段主要工作在縣級(jí)執(zhí)行，省、市兩級(jí)通過(guò)系統(tǒng)對(duì)轄內(nèi)實(shí)時(shí)預(yù)警進(jìn)行總覽、對(duì)預(yù)警處置的及時(shí)性進(jìn)行督辦。

圖4 預(yù)警發(fā)布流程圖

5.1 預(yù)警發(fā)起

當(dāng)水庫(kù)雨水情自動(dòng)測(cè)報(bào)站點(diǎn)回傳的水位信息超過(guò)設(shè)定的預(yù)警指標(biāo)后自動(dòng)發(fā)起預(yù)警，預(yù)警由水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)推送至基層防汛預(yù)警平臺(tái)，預(yù)警指標(biāo)為水庫(kù)的特征水位，包括汛限水位、設(shè)計(jì)水位、校核水位和壩頂高程等。

5.2 內(nèi)部預(yù)警

系統(tǒng)觸發(fā)內(nèi)部預(yù)警后，會(huì)自動(dòng)調(diào)用短信網(wǎng)關(guān)，發(fā)送給縣級(jí)水旱災(zāi)害防御責(zé)任人（水利局分管局長(zhǎng)、相關(guān)工作人員），同時(shí)從安全角度出發(fā)，抄發(fā)水庫(kù)三個(gè)責(zé)任人（行政、技術(shù)、巡查）。系統(tǒng)預(yù)置了全省各級(jí)水旱災(zāi)害防御責(zé)任人以及全省5965 座水庫(kù)的行政、技術(shù)、巡查責(zé)任人、聯(lián)系電話等信息，并在每年汛前通過(guò)系統(tǒng)進(jìn)行更新。如果預(yù)警在一定時(shí)限內(nèi)責(zé)任人未進(jìn)行處置，上級(jí)主管部門可以通過(guò)系統(tǒng)給預(yù)警所在單位發(fā)送督辦短信，并納入年度考核。

5.3 預(yù)警研判

收到內(nèi)部預(yù)警短信后，縣級(jí)水旱災(zāi)害防御責(zé)任人登錄系統(tǒng)查看相關(guān)信息并進(jìn)行研判，根據(jù)研判結(jié)果有解除預(yù)警、啟動(dòng)外部預(yù)警兩種處置措施。當(dāng)研判發(fā)現(xiàn)降雨已經(jīng)停止或者預(yù)警是由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備故障導(dǎo)致的假預(yù)警，可以對(duì)預(yù)警進(jìn)行解除并填寫解除原因，當(dāng)前預(yù)警流程結(jié)束；當(dāng)研判發(fā)現(xiàn)降雨還在持續(xù)，預(yù)警可能要發(fā)生災(zāi)害，可以通過(guò)系統(tǒng)啟動(dòng)外部預(yù)警。

5.4 外部預(yù)警

啟動(dòng)外部預(yù)警后，縣級(jí)水旱災(zāi)害防御部門通過(guò)平臺(tái)向水庫(kù)三個(gè)責(zé)任人（行政責(zé)任人、技術(shù)責(zé)任人、巡查責(zé)任人）發(fā)出“加強(qiáng)巡查，必要時(shí)組織轉(zhuǎn)移”的預(yù)警提醒。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)開展安徽省小型水庫(kù)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)的研究，解決了遙測(cè)站站點(diǎn)選址、斷面勘測(cè)、設(shè)施安裝、數(shù)據(jù)報(bào)送、網(wǎng)絡(luò)通信以及預(yù)警發(fā)布等技術(shù)方面的難題，為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、項(xiàng)目實(shí)施奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，使得項(xiàng)目建設(shè)進(jìn)展順利，縮短了項(xiàng)目建設(shè)工期。該系統(tǒng)集信息自動(dòng)采集、數(shù)據(jù)管理、業(yè)務(wù)展示、預(yù)報(bào)預(yù)警、分析決策。自2019年建成以來(lái)，系統(tǒng)歷經(jīng)了兩個(gè)汛期的應(yīng)用，為全省小型水庫(kù)在安全運(yùn)行、防汛調(diào)度等方面發(fā)揮了重要的作用，取得了很好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益■