關于小型水庫信息化設計的探討

唐永鵬

（甘肅水務節(jié)水科技發(fā)展有限責任公司，蘭州 730000）

0 引 言

我國現(xiàn)有小型水庫近10 萬座，其中77%的小型水庫建于20 世紀50～70 年代，由于運行時間長、設備設施老化、除險加固不徹底、遭遇超標準洪水等原因，以及維修養(yǎng)護不及時、不到位等問題，近年來時常出現(xiàn)險情，比如：永安水庫、新發(fā)水庫發(fā)生垮壩；郭家嘴水庫下游壩坡大范圍沖刷垮塌。2021 年3 月23 日《國務院辦公廳關于切實加強水庫除險加固和運行管護工作的通知》（國辦發(fā)〔2021〕8 號）和2021 年9 月22 日國務院常務會議均明確要求，加快推進水庫除險加固，加強雨水情和安全監(jiān)測預警設施建設，健全常態(tài)化管護機制，確保水庫安全長效運行。小型水庫監(jiān)測預警工作不充分，除了與監(jiān)測設施安裝率不足、損壞率偏高、自動化程度偏低等情況有關外，還受監(jiān)測儀器設施自身功能開發(fā)不完善等因素的制約[1]?，F(xiàn)有小型水庫監(jiān)測預警設施存在專業(yè)分散、設備零散、現(xiàn)地無顯示、傳輸方式單一、無法主動聯(lián)動告警、信息孤立等關鍵問題，這些問題限制了監(jiān)測信息匯集、顯示、傳輸、預警等功能發(fā)揮。

文章以西凡溝水庫為例，主要介紹其雨水情測報安全監(jiān)測的設計，并結合項目的施工情況，探討小型水庫雨水情測報安全監(jiān)測設計中的一些經驗，為小型水庫監(jiān)測系統(tǒng)完善和標準化提供參考。

1 水庫現(xiàn)狀與需求分析

1.1 水庫現(xiàn)狀

西凡溝水庫位于甘渭河右岸古城鄉(xiāng)古城村境內，壩址距縣城35km，地理坐標為E105°53'29″，N35°27'30''之間。壩址以上主溝道長約18km，控制流域面積44km2，流域自然地貌為黃土溝壑區(qū)，植被差，水土流失嚴重。西凡溝水庫建成于1978 年，2010 年進行了除險加固，是一座防洪兼灌溉功能的?。?）型水庫，水庫樞紐建筑物主要由大壩、泄洪洞兩部分組成。

主要建筑物4級，次要建筑物為5級，抗震設防烈度為Ⅷ度，設計灌溉面積1.5萬畝。最大壩高31m，壩頂寬7.7m，壩頂長268m，壩頂高程：1750.44m；壩體迎水面坡比為1:2.5，背水面坡比由壩頂至壩腳依次為1 : 2.0、1 : 2.5、1 : 3.0，并設置二級馬道。校核洪水位：1747.34m；正常蓄水位：1742.46m；總庫容：668萬m3；興利庫容：643.3萬m3；調洪庫容：381萬m3；死庫容：87.0萬m3；淤積庫容：170.7萬m3。

1.2 需求分析

1）西凡溝水庫建設較早，且重要性有增無減，現(xiàn)狀無任何安全監(jiān)測設備。隨著目前信息化、智能化技術的發(fā)展，水庫大壩從以往的人工巡視向自動化、信息化監(jiān)測方式轉變、有機結合的需求越來越迫切。

2）管理單位因壓縮編制，管理人員減少，汛期工作任務繁重，對于“少人值守、無人值守”的模式也亟需提上日程。

3）智能分析、自動預警、智慧決策已經成目前防洪工作的主流理念，利用信息化平臺對水庫運行監(jiān)管對保障水庫的安全運行和效益的長期發(fā)揮起著重要作用。

2 水雨情及安全監(jiān)測設計

2.1 總體設計

基于云平臺的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)采用Spring Boot 結合Dubbo 的微服務架構技術進行開發(fā)，主要由五層三體系構成（五層：感知層、傳輸層、平臺層、應用層和門戶層，三體系：標準規(guī)范體系、保障環(huán)境及安全體系），適合大規(guī)模應用場景，伸縮性強，能夠根據接入安全監(jiān)測工程的數(shù)量及規(guī)模，動態(tài)調整硬件及網絡資源，從而確保系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行，包括水雨情監(jiān)測系統(tǒng)、大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等[2]。

2.2 分項設計

分項設計主要對水庫雨水情、滲流量、滲流壓力、表面變形、視頻監(jiān)視等內容進行系統(tǒng)性地、詳細地設計，并合理布置供電、防雷、通訊等設施。

2.2.1 雨水情測報

在水庫閘房頂設置1 座小型氣象站，配置雨量計、多要素百葉盒傳感器、風速風向傳感器等，并配備防雨數(shù)據采集箱，來實現(xiàn)對環(huán)境量的實時監(jiān)測。水位監(jiān)測設計采用自動化監(jiān)測+人工監(jiān)測相結合的方式，在閘房側壁上游處布設1 處庫水位自動化監(jiān)測站點（采用雷達水位計），并在閘房排架結構上安裝直立式水尺，采用球型攝像機人工測讀水位。水位監(jiān)測數(shù)據與環(huán)境量數(shù)據共用信息采集箱并通過布置壩頂?shù)墓饫|傳輸至MCU 總站。

2.2.2 滲流量監(jiān)測

根據現(xiàn)場實際情況，西凡溝水庫不存在繞壩滲流，大壩下游有滲漏水出逸，滲流主要集中在棱體排水后下游50m 的范圍內，滲流量＜70L/S，滲流量匯集較好，因此設計采用三角堰量水堰法，布置導滲溝，安裝量水堰計以監(jiān)測大壩滲流量。探頭的安裝要求發(fā)射面要對準水面，并且跟水面垂直。并安裝在上游一側，距堰板3 ～4 倍最大過堰水深處。通過布置于壩后坡的光纜傳輸至MCU 總站。式中：Q為滲流量，m3/s；H為堰上水投，m。

2.2.3 滲流壓力檢測

根據水庫及大壩現(xiàn)場實際情況，滲流位置基本處于最大壩高處，設計布置2 個滲流壓力監(jiān)測斷面，位于大壩樁號0+95m 處（最大壩高處）和0+183m處（放水涵洞右側），每個監(jiān)測斷面設3 條監(jiān)測線：第一條垂線位于壩頂下游側（距壩頂2m），鉆孔至基巖，埋設1 支滲壓計；第二、三條垂線分別位于下游馬道和排水體上游側，鉆孔至基巖，各埋設1 支振弦式滲壓計，監(jiān)測均質壩殼體內的浸潤線及滲流壓力。兩條斷面處均設置MCU 站點，并分別將數(shù)據通過布置壩頂?shù)墓饫|傳輸至MCU 總站。

2.2.4 表面變形監(jiān)測

目前GNSS 的精度還無法達到《土石壩安全監(jiān)測技術規(guī)范》SL551 中3mm 的變形量要求，但是GNSS 可全天候監(jiān)測，不受環(huán)境等影響，已經成為一種趨勢。一般可通過延長解算間隔來提高精度。因此，表面變形監(jiān)測設計采用采用自動化監(jiān)測（GNSS）+人工監(jiān)測（全站儀）相結合的方式，觀測大壩整體或局部的變形量。壩頂下游測2m 處設置一個變形監(jiān)測縱斷面，總共布置5 個監(jiān)測點和1 個基準站（位于壩外穩(wěn)定處）。通過后處理軟件解算出精確的大地坐標，當固定在結構物表面上的GNSS 天線發(fā)生位移的時候，通過后處理軟件解算出的大地坐標的前后對比，就能準確計算出GNSS 天線固定位置的水平位移和垂直位移的實際變形量。

2.2.5 工程視頻監(jiān)視

視頻監(jiān)控系統(tǒng)由前端監(jiān)控點、傳輸鏈路、監(jiān)控中心存儲、控制及顯示等部分構成。監(jiān)視部位包括水庫管理站、主壩、輸水洞等。設計共布置攝像機8臺，全部位于室外。系統(tǒng)監(jiān)視點詳細布置情況如下：

1）在管理站的屋頂布置1 臺智能球形攝像機，用于監(jiān)視管理站院內情況，大門處布置1 臺槍式攝像機，監(jiān)控管理站進出情況；

2）在大壩壩頂根據需要布置1 臺智能球形攝像機，位于樁號0+90 壩頂上游處，用于監(jiān)視大壩上游情況；

3）在主壩壩頂根據需要布置2 臺槍式攝像機，位于樁號0+90 壩頂下游處，用于監(jiān)視大壩壩頂左右兩側情況；

4）在水庫左岸輸水洞進口處布置1 臺球形攝像機，用于監(jiān)視水尺及監(jiān)視輸水洞情況；

5）溢洪道處布置1 臺球形攝像機，主要監(jiān)測進水段有無阻水漂浮物或泄洪造成的沖刷、剝落等現(xiàn)象。

前段攝像機在選擇配置時，選擇圖像真實清晰、晝夜成像、前端控制、適應復雜環(huán)境、主動抓拍、跟蹤等功能，可以結合喇叭進行自動播放語音告警等。

2.2.6 防雷及供電

本項目現(xiàn)場條件具備市電供電，因此選擇市電供電，并配置UPS電源，確保在出現(xiàn)斷電情況時監(jiān)測設備仍能正常供電3d以上。同時安裝防雷與接地設施（避雷針與接地體，接地電阻≤4Ω），避雷針接閃器與立桿共桿，接地引下線可直接利用金屬桿本身或選用截面≥8mm的鍍鋅圓鋼，沿桿引上攝像機終端的電源線、信號線需穿金屬管屏蔽，并在每條線路上加裝合適的避雷器，所有用電設備與桿體之間需設置絕緣體進行隔離。接地系統(tǒng)需與現(xiàn)場所有需要接地的設備可靠連接。

3 平臺應用

通過軟件平臺對感知設備的監(jiān)測數(shù)據進行自動采集和處理，從而實現(xiàn)綜合展示、自動化監(jiān)測、智能分析評價，實現(xiàn)自動告警，輔助調度決策。

3.1 綜合展示

基于“一張圖”實時加載GIS 底圖，根據項目坐標標注圖標并展示項目狀態(tài)、水庫位置及形態(tài)、監(jiān)測點位標注、設備正常/異常狀態(tài)、告警信息等內容。通過加載，可以實時展示測點當前狀態(tài)、測點統(tǒng)計、告警數(shù)量等信息。

3.2 綜合監(jiān)測

綜合監(jiān)測展示各類實時監(jiān)測數(shù)據、視頻圖像、水位庫容曲線等信息。支持導入水位庫容數(shù)據功能，展示水位庫容曲線，并根據特征值，標注相應位置。具有展示不同監(jiān)測類型測點的數(shù)據曲線、數(shù)據列表、測點信息等信息的功能，管理單位可自主選擇不同測點、不同測值分量、不同時段，綜合展示數(shù)據曲線。

可根據大壩結構信息和監(jiān)測數(shù)據繪制浸潤線剖面圖。視頻監(jiān)視可提供信息查詢、瀏覽、實時監(jiān)視功能，包括視頻紀錄查看、實時視頻信息查看等模塊，可實時監(jiān)控水利工程關鍵節(jié)點部位的安全運行情況，為水利工程管理人員及時直觀的了解誰開的運行狀態(tài)，使管理人員能及時發(fā)現(xiàn)異常和險情并指導處理，預防事故擴大，減少損失。

3.3 智能化評價

針對大壩監(jiān)測數(shù)據，采用灰色系統(tǒng)理論和過程突變理論，建立監(jiān)測數(shù)據在線檢驗模型，建立適用于西凡溝水庫大壩的安全評價大數(shù)據庫。依據大數(shù)據分析，可以在不同工況下或者不同降雨下，模擬洪水過程，進而制定防洪調度方案。根據防洪預演、結合監(jiān)測信息、閾值管理，可智能告警，輔助調度決策，更大程度地延長洪水預見期，提前避險轉移。

4 結 語

1）小型水庫的雨水情測報和大壩安全監(jiān)測設計主要從雨水情測報、大壩安全監(jiān)測、平臺功能等幾個方面入手，涉及設備選型、功能配置、接口數(shù)量、供電及防雷、通訊模式選擇，軟件架構及功能等，合理設計對于水庫防汛、災害預警起著很重要的作用。

2）統(tǒng)一接口標準，實現(xiàn)數(shù)據資源共享，形成省、市、縣三級業(yè)務應用的交互協(xié)同。同時與防洪、安全等部門共享數(shù)據資源，推動信息共享與利用達到新高度。