沙河集水庫信息化系統(tǒng)建設實踐與分析

張 敏 謝慶躍

一、工程概況

沙河集水庫位于滁州市南譙區(qū)沙河鎮(zhèn)，壩址位于滁河支流清流河的大沙河上，距離滁州市18km，集水面積300km2，總庫容1.97 億m3，是一座以防洪、城市供水、灌溉等綜合利用的大（2）型水庫。水庫工程始建于1958 年，先后經(jīng)七期施工達到現(xiàn)狀規(guī)模。

水庫樞紐由主壩、副壩、溢洪道、非常溢洪道以及三座涵洞（南涵、北涵、北小涵）組成。主壩為均質(zhì)土壩，壩頂長705.0m，壩頂寬5.0m，壩頂高程44.4m，防浪墻墻頂高程45.6m，最大壩高26.4m，上游為混凝土護坡，下游為草皮護坡。副壩為均質(zhì)土壩，與主壩隔山而建，左壩頭與溢洪道泄洪閘右邊墻連接，壩頂長50.0m，壩頂寬5.0m，壩頂高程44.5m，最大壩高10.5m，上游為混凝土預制塊護坡，下游為草皮護坡。溢洪道為有閘控制，設兩級跌水，底板高程33.0m，布置5 孔，每孔凈寬10.0m，工作閘門為弧形鋼閘門。非常溢洪道緊鄰溢洪道左側(cè)，寬200.0m，擋水建筑物為滾水壩，壩頂高程42.58m。北涵位于左壩頭0+050 處，屬灌溉涵，洞身為鋼筋混凝土箱涵，斷面尺寸1.2m×1.8m（寬×高），涵底高程30.0m。南涵位于右壩頭0+680 處，為鋼筋混凝土箱涵結(jié)構，尺寸為2.0m×2.8m（寬×高），涵底高程29.0m。北小涵位于溢洪道左側(cè)，為預應力鋼筋混凝土圓涵，內(nèi)徑Φ0.4m，進口處安裝手動螺桿式啟閉機。

二、信息化現(xiàn)狀

沙河集水庫已建大壩滲流監(jiān)測、視頻監(jiān)視和閘門監(jiān)控等系統(tǒng)。隨著水庫管理標準化、精準化要求不斷提高，現(xiàn)有系統(tǒng)難以滿足水庫日常管理工作需求，存在以下不足：

（1）自動化程度低：表面變形采用人工觀測，工作量大；巡視檢查手段落后，工作不規(guī)范，巡視范圍無法保證；水雨情信息需從滁州市水文局獲取，實時性差。

（2）業(yè)務功能不全：僅有監(jiān)測資料整編與分析功能，缺少洪水預報與調(diào)度、洪水演進與風險分析和移動APP 等系統(tǒng)。

（3）業(yè)務協(xié)同不夠：視頻監(jiān)視與閘門控制、視頻監(jiān)視與巡視檢查之間信息沒有融合，系統(tǒng)沒有聯(lián)動。

（4）通信方式多樣：現(xiàn)有通信方式主要有光纜、通訊電纜、4G 等，通信設備類型較多，線纜易被挖斷，不利于維護和擴展。

三、系統(tǒng)框架

根據(jù)水庫日常管理工作需要，沙河集水庫信息化系統(tǒng)由基礎設施層、測控層、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)層、支撐層和應用層組成，系統(tǒng)框架見圖1。

圖1 系統(tǒng)框架圖

基礎設施層為系統(tǒng)提供運行條件，包括計算設備、存儲設備、網(wǎng)絡設備、安全設備等，這些設備均部署在沙河集水庫管理處監(jiān)控中心。

測控層包括水情測報、大壩安全監(jiān)測、視頻監(jiān)視、閘門監(jiān)控，其中大壩安全監(jiān)測包括表面變形監(jiān)測和滲流壓力監(jiān)測。

網(wǎng)絡層為系統(tǒng)提供統(tǒng)一的無線通信服務，由無線寬帶自組網(wǎng)構成。

數(shù)據(jù)層采用數(shù)據(jù)庫和文件方式存儲水庫基礎信息、水雨情信息、洪水預報與調(diào)度信息、大壩安全監(jiān)測信息、大壩安全分析預警信息、視頻圖像信息、閘門運行信息和洪水風險分析信息等。

支撐層為應用層提供必要的軟件支撐，包括應用服務中間件、消息中間件、圖表工具、GIS 服務、三維引擎和用戶管理。應用服務中間件提供Web 應用服務，消息中間件提供消息在應用系統(tǒng)內(nèi)同步和異步傳輸，圖表工具為應用系統(tǒng)繪圖提供繪圖方法，GIS 服務為應用系統(tǒng)提供地圖服務，以便信息在地圖上展現(xiàn)，三維引擎為應用系統(tǒng)提供三維場景渲染。

應用層為用戶提供業(yè)務應用服務，包括綜合信息管理、巡視檢查、洪水預報與調(diào)度、大壩安全分析預警、洪水演進與風險分析和移動APP 等。

四、系統(tǒng)組成

（一）水情測報系統(tǒng)

現(xiàn)有水情測報系統(tǒng)包括8 個雨量站和2 個水位雨量站，遙測站通過4G 將水雨情數(shù)據(jù)報送至滁州市水文局。

水情測報系統(tǒng)升級改造內(nèi)容：在遙測站上增加通信模塊，采用一站多發(fā)方式，通過無線寬帶自組網(wǎng)，同時將水雨情數(shù)據(jù)發(fā)送至沙河集水庫。監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)接收軟件將水雨情數(shù)據(jù)存儲至數(shù)據(jù)庫。

（二）大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)

大壩安全監(jiān)測包括滲流壓力監(jiān)測和表面變形監(jiān)測，滲流壓力監(jiān)測已實現(xiàn)自動化。

現(xiàn)有滲流壓力監(jiān)測系統(tǒng)包括5 個大壩監(jiān)測斷面、1 個北涵監(jiān)測斷面、1 個南涵監(jiān)測斷面和繞壩監(jiān)測斷面，共32 個測點，數(shù)據(jù)采集裝置通過光纜，采用RS-485 協(xié)議，將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心。

滲流壓力監(jiān)測系統(tǒng)升級改造內(nèi)容：數(shù)據(jù)采集裝置采用以太網(wǎng)，通過無線寬帶自組網(wǎng)，將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控中心，數(shù)據(jù)接收軟件與水情測報系統(tǒng)共用。

新建表面變形GNSS（Global Navigation Satellite System，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）監(jiān)測系統(tǒng)，包括2 個基準站和15 個監(jiān)測站，基準站設在主壩兩端，監(jiān)測站分布在5 個斷面，每個斷面3 個。基準站和監(jiān)測站通過無線寬帶自組網(wǎng)，將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控中心，經(jīng)過GNSS 解算軟件計算，得到垂直位移和水平位移。

（三）視頻監(jiān)視系統(tǒng)

現(xiàn)有視頻監(jiān)視系統(tǒng)包括15 個紅外球機、3 個球機、4 個變焦半球機、5 個槍機，覆蓋大壩、溢洪道、南涵、北涵和辦公區(qū)，視頻信號通過光纜傳輸至監(jiān)控中心的硬盤錄像機。

視頻監(jiān)視系統(tǒng)升級改造內(nèi)容：攝像機采用無線寬帶自組網(wǎng)，將視頻信號傳輸至監(jiān)控中心的硬盤錄像機。升級視頻管理軟件，增加圖像智能識別功能，能夠識別水面漂浮物、水尺以及裂縫、沉陷、滲水、散浸、管涌等大壩安全隱患。

（四）閘門監(jiān)控系統(tǒng)

現(xiàn)有閘門監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)σ绾榈? 孔閘門、北涵閘門、南涵閘門進行監(jiān)測和控制，監(jiān)控中心的閘門監(jiān)控主機通過光纜與現(xiàn)地控制柜通信，實現(xiàn)閘門遠程測控。

閘門監(jiān)控系統(tǒng)升級改造內(nèi)容：閘門監(jiān)控主機通過無線寬帶自組網(wǎng)與現(xiàn)地控制柜通信；升級閘門監(jiān)控軟件，與視頻監(jiān)視系統(tǒng)進行聯(lián)動，閘門動作時，自動選擇附近攝像機，調(diào)整攝像機方向，顯示閘門動作部位圖像。

（五）無線寬帶自組網(wǎng)

新建無線寬帶自組網(wǎng)，根據(jù)距離遠近，在庫區(qū)和水庫樞紐布設不同功率的無線寬帶自組網(wǎng)站點，將無線寬帶網(wǎng)絡覆蓋整個水庫，電源可采用市電和太陽能。無線寬帶自組網(wǎng)具有智能組網(wǎng)快、部署制約小、適用時空廣、融合互聯(lián)便、抗毀能力強、傳輸質(zhì)效高、系統(tǒng)功耗低、設備體積小等優(yōu)點，無線寬帶自組網(wǎng)建成后，沙河集水庫已有和未來的信息化系統(tǒng)，只要支持以太網(wǎng)，就可以直接使用該網(wǎng)絡。

（六）業(yè)務應用系統(tǒng)

業(yè)務應用系統(tǒng)包括綜合信息管理系統(tǒng)、巡視檢查信息管理系統(tǒng)、洪水預報與調(diào)度系統(tǒng)、大壩安全分析預警系統(tǒng)、洪水演進與風險分析系統(tǒng)和移動APP，主要功能結(jié)構見圖2。

圖2 功能結(jié)構圖

綜合信息管理系統(tǒng)能夠在地圖上顯示當前氣象、水雨情、大壩安全監(jiān)測、視頻、閘門運行等信息；實時顯示來自水雨情、洪水預報、大壩安全分析、視頻監(jiān)視圖像、巡視檢查圖像和閘門監(jiān)控的預警信息；對水庫基礎信息、水雨情信息、大壩安全監(jiān)測信息、視頻圖像信息、閘門運行信息進行增刪改。

巡視檢查信息管理系統(tǒng)能夠根據(jù)沙河集水庫實際情況，設置巡檢點、巡檢部位和巡檢線路；編制巡檢計劃，根據(jù)巡檢計劃生成巡檢任務，向移動APP 提供巡檢任務下載，接收來自移動APP 的巡檢記錄，查詢巡檢記錄，統(tǒng)計巡檢進度。

洪水預報與調(diào)度系統(tǒng)能夠自動定時預報，顯示預報結(jié)果；進行已知雨量分布預報、已知未來降水預報、人工交互經(jīng)驗預報、相似洪水預報等人工干預預報；查詢預報場次、預報結(jié)果、預報精度；顯示水位泄流關系，進行泄流量控制調(diào)度、規(guī)則調(diào)度、開度調(diào)度，生成防汛調(diào)度預案。

大壩安全分析預警系統(tǒng)能夠進行監(jiān)測資料整編，繪制各種專業(yè)圖形，生成報表；針對變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立統(tǒng)計模型，進行趨勢分析、沉降率分析、橫斷面裂縫分析、縱斷面裂縫分析；針對滲流壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立統(tǒng)計模型，進行滯后時間分析、趨勢分析、浸潤線分析、位勢分析、抗?jié)B能力分析，采用有限元法進行滲流場分析；采用瑞典圓弧法和畢肖普法對大壩進行結(jié)構穩(wěn)定分析；在上述分析基礎上，對大壩安全進行綜合診斷，給出大壩安全性態(tài)；根據(jù)預警指標，對實時監(jiān)測信息進行研判，發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)或監(jiān)測數(shù)據(jù)超安全閾值時，進行實時預警。

洪水演進與風險分析系統(tǒng)能夠在地圖上劃定沙河集水庫下游風險區(qū)，對風險區(qū)圖層進行處理，查詢圖層上自然要素、水利要素等；計算溢洪道泄洪量和潰壩洪水，在地圖上進行二維洪水演進，采用三維引擎進行三維洪水演進；分析各時段洪水，對下游洪水進行剖面分析，計算水面線；計算下游淹沒范圍和淹沒水深，分析下游淹沒損失。

移動APP 安裝在手機上，能夠在地圖上顯示當前氣象、水雨情、大壩監(jiān)測、視頻、閘門運行等信息；實時顯示來自水雨情、洪水預報、大壩安全分析、視頻監(jiān)視圖像、巡視檢查圖像和閘門監(jiān)控的預警信息；從服務端下載巡檢任務，執(zhí)行巡檢路線提示、巡檢點到位確認、巡檢部位拍照、圖像智能識別、巡檢軌跡記錄、巡檢結(jié)論填寫等巡檢任務，上傳巡檢記錄。

五、結(jié)語

沙河集水庫信息化系統(tǒng)是指導沙河集水庫運行管理的重要非工程措施，是確保水庫安全運行和充分發(fā)揮水庫效益的重要保障，因此，建設沙河集水庫信息化系統(tǒng)意義重大。信息化系統(tǒng)建設可根據(jù)投資情況分期進行，并根據(jù)信息化技術發(fā)展，適時調(diào)整建設內(nèi)容。系統(tǒng)建設過程中應預留相關接口，便于后期系統(tǒng)的接入和擴展。在重視系統(tǒng)建設的同時，也應注重系統(tǒng)運維人員的培養(yǎng)，落實維護經(jīng)費，確保系統(tǒng)長期有效運行■