張 濤
(新疆水發(fā)水務(wù)集團(tuán)有限公司,新疆 烏魯木齊 830057)
目前我國(guó)大多數(shù)地區(qū)都已經(jīng)開(kāi)始對(duì)水庫(kù)大壩實(shí)行自動(dòng)化監(jiān)控,這對(duì)于保障人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要意義[1-3]。運(yùn)用安全監(jiān)測(cè)技術(shù)于水庫(kù)大壩的安全管理中,不僅可實(shí)現(xiàn)對(duì)大壩的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),還可全面掌握其各方面情況,以避免事故的發(fā)生[4-6]。水庫(kù)大壩是現(xiàn)代社會(huì)中重要的水資源調(diào)控和利用工程,承擔(dān)著防洪、供水、灌溉等多種功能。然而,由于水庫(kù)大壩的特殊性質(zhì)和巨大的工程規(guī)模,其安全問(wèn)題一直備受關(guān)注。近年來(lái),隨著科技的進(jìn)步和信息化的發(fā)展,水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用和研究,為確保水庫(kù)大壩的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力支持[7-9]。
水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究與應(yīng)用涉及多個(gè)領(lǐng)域,包括結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)、地質(zhì)勘探、水文監(jiān)測(cè)、遙感技術(shù)、數(shù)據(jù)分析等。結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)是水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)的核心,通過(guò)安裝傳感器對(duì)大壩結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),獲取關(guān)鍵參數(shù)如位移、應(yīng)力、振動(dòng)等信息,從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患。地質(zhì)勘探技術(shù)則用于對(duì)水庫(kù)大壩周邊的地質(zhì)條件進(jìn)行詳細(xì)研究,以評(píng)估壩址的穩(wěn)定性和抗震性能[10]。水文監(jiān)測(cè)則通過(guò)對(duì)水庫(kù)水位、流量等指標(biāo)的連續(xù)監(jiān)測(cè),預(yù)測(cè)洪水來(lái)臨時(shí)水庫(kù)的應(yīng)對(duì)能力。遙感技術(shù)則通過(guò)衛(wèi)星影像和航空遙感數(shù)據(jù),提供水庫(kù)周邊環(huán)境變化的信息,以輔助監(jiān)測(cè)和預(yù)警。數(shù)據(jù)分析技術(shù)則通過(guò)對(duì)大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的收集、存儲(chǔ)和處理,提供對(duì)水庫(kù)大壩安全狀態(tài)的評(píng)估和預(yù)測(cè)。
盡管水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)取得了顯著進(jìn)展,但仍然存在一些問(wèn)題和挑戰(zhàn)。首先,水庫(kù)大壩的復(fù)雜性和巨大規(guī)模導(dǎo)致監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)維成本高昂。其次,監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的獲取、傳輸和處理存在一定技術(shù)難題,如數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和可靠性等方面的挑戰(zhàn)。此外,監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析和解讀也需要專(zhuān)業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn),需要建立科學(xué)的模型和算法,以實(shí)現(xiàn)對(duì)潛在風(fēng)險(xiǎn)的準(zhǔn)確評(píng)估和預(yù)測(cè),研究人員和工程師們正積極探索各種對(duì)策和應(yīng)用研究。一方面,通過(guò)引入新的傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)技術(shù),提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和可靠性。另一方面,結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)手段,建立更加智能化和自動(dòng)化的監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng),提升對(duì)潛在風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別和應(yīng)對(duì)能力。此外,加強(qiáng)跨學(xué)科的合作與交流,推動(dòng)水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用,也是提升水庫(kù)大壩安全的重要途徑。基于此,本文首先介紹了水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)建設(shè)意義及必要性,然后分析了目前我國(guó)水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)體系建設(shè)中所面臨的主要問(wèn)題,最后提出了相應(yīng)的解決對(duì)策。此外,借助安全監(jiān)測(cè)技術(shù),能夠高效地收集水庫(kù)運(yùn)行數(shù)據(jù),并在此基礎(chǔ)上制定出更加貼合實(shí)際的大壩維護(hù)方案,從而提升大壩運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。
水庫(kù)大壩在受到人類(lèi)活動(dòng)或其他因素的影響下,可能會(huì)發(fā)生多種地質(zhì)災(zāi)害。一旦這些問(wèn)題得不到有效解決,不僅會(huì)導(dǎo)致整個(gè)工程無(wú)法正常開(kāi)展,還會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)危害,需實(shí)施嚴(yán)格的運(yùn)行監(jiān)測(cè)措施。因此,研究如何運(yùn)用科學(xué)方法來(lái)提高水庫(kù)大壩安全監(jiān)控水平是十分有必要的。圖1所呈現(xiàn)的是水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用情況。為確保水庫(kù)大壩的安全穩(wěn)定運(yùn)行,除定期進(jìn)行修復(fù)和加固工作外,還需要實(shí)施嚴(yán)格的運(yùn)行監(jiān)測(cè)措施。因此,研究如何運(yùn)用科學(xué)方法來(lái)提高水庫(kù)大壩安全監(jiān)控水平十分必要。
圖1 水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)示意圖
水庫(kù)大壩安全管理工作中,自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備的配置存在缺陷,是普遍存在的難題。在目前水庫(kù)大壩安全管理中,由于自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備配備不全或使用不當(dāng)?shù)仍颍鶗?huì)出現(xiàn)一些故障現(xiàn)象。此外,還需要加強(qiáng)日常維護(hù)管理力度,確保自動(dòng)化監(jiān)控設(shè)施運(yùn)行穩(wěn)定。監(jiān)測(cè)設(shè)備的配置數(shù)量和位置與實(shí)際要求存在偏差,導(dǎo)致監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)缺乏全面性和代表性,從而對(duì)水庫(kù)大壩安全自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的質(zhì)量和效果產(chǎn)生負(fù)面影響。
目前,水庫(kù)大壩安全自動(dòng)化監(jiān)測(cè)工作所面臨的主要挑戰(zhàn)之一是缺乏多樣化的監(jiān)測(cè)模式。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的不斷提升,人們對(duì)于水庫(kù)大壩的運(yùn)行質(zhì)量要求越來(lái)越高,而傳統(tǒng)的水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)難以滿(mǎn)足當(dāng)前時(shí)代下水庫(kù)大壩運(yùn)行管理工作需求。
如果水庫(kù)大壩出現(xiàn)問(wèn)題,整個(gè)工程將面臨著嚴(yán)重的安全隱患。因此,一旦水庫(kù)大壩開(kāi)始使用,就必須對(duì)其各個(gè)方面進(jìn)行全面的安全監(jiān)測(cè),包括但不限于結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)在構(gòu)造損壞等問(wèn)題。同時(shí),在水庫(kù)大壩竣工之后還要定期地開(kāi)展內(nèi)部檢查工作,從而確保其整體質(zhì)量處于良好狀態(tài)下。在水庫(kù)大壩施工建設(shè)之初,相關(guān)人員可以運(yùn)用安全監(jiān)測(cè)技術(shù),將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝于大壩結(jié)構(gòu)內(nèi),以確保監(jiān)測(cè)過(guò)程的安全性。
同時(shí),在大壩竣工之后,特別是對(duì)于那些容易發(fā)生形變的區(qū)域,應(yīng)盡快安裝相應(yīng)的監(jiān)測(cè)設(shè)備,以確保其穩(wěn)定性和安全性。對(duì)于一些較為薄弱部位,也可根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)地調(diào)整或加固,從而確保大壩的穩(wěn)定與正常使用。在大壩的安裝過(guò)程中,需要對(duì)其進(jìn)行垂直和水平方向的監(jiān)測(cè),以確保其安全可靠。對(duì)于大壩的整體穩(wěn)定性來(lái)說(shuō),這其中最為重要的一個(gè)方面就是壩體內(nèi)部的水位變化情況。監(jiān)測(cè)水庫(kù)大壩時(shí),相關(guān)人員應(yīng)基于大壩在橫向和縱向方向上的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,以確定是否存在任何位移等問(wèn)題。通過(guò)這樣的方式能夠及時(shí)有效地發(fā)現(xiàn)水庫(kù)大壩可能存在的隱患,并采取適當(dāng)措施加以控制和處理。
對(duì)水庫(kù)大壩位移的監(jiān)測(cè)目前尚未得到廣泛推廣,因?yàn)槟壳按蠖鄶?shù)大型水利工程都是通過(guò)人工方式進(jìn)行操作完成,而由于受人為因素影響較大,使得其工作質(zhì)量很難得到保障。在這種情況下,即使小型水庫(kù)大壩出現(xiàn)位移問(wèn)題,也很難及時(shí)發(fā)現(xiàn),將導(dǎo)致水庫(kù)遭受?chē)?yán)重經(jīng)濟(jì)損失。另外,對(duì)于一些大型水庫(kù)而言,其自身壩體高度較高,而且受到外界因素影響較大,因而極易發(fā)生變形或者是裂縫等現(xiàn)象。因此,在所有的水庫(kù)大壩中,必須根據(jù)實(shí)際情況,每隔約50m設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn),以確保對(duì)水庫(kù)大壩的所有結(jié)構(gòu)和構(gòu)造進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)測(cè)。此外,還要不斷提高工作人員對(duì)于監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用的重視程度,并通過(guò)各種方式提升技術(shù)人員自身專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)和技術(shù)水平,這樣才可以為整個(gè)工程提供更好地支持和幫助。
在對(duì)水庫(kù)大壩進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)的過(guò)程中,除對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)外,還須對(duì)大壩實(shí)時(shí)滲透狀態(tài)進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)測(cè)。由于水庫(kù)大壩本身具有較多因素影響其自身安全性,因此在進(jìn)行水庫(kù)大壩建設(shè)時(shí),必須要保證各項(xiàng)指標(biāo)符合相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),這樣才能確保大壩的質(zhì)量和穩(wěn)定性。由于我國(guó)大多數(shù)水庫(kù)大壩屬于中小型水利工程,且其運(yùn)行年限較長(zhǎng),這就使得這些小型水庫(kù)大壩存在著諸多安全隱患問(wèn)題,其中較為突出的就是滲漏現(xiàn)象。因此,政府有必要為那些經(jīng)濟(jì)狀況較為困難的企業(yè)提供必要的支持,以使其能夠在大壩工程中采用更為精準(zhǔn)的滲流器,從而更加準(zhǔn)確地對(duì)水庫(kù)大壩在不同時(shí)間段內(nèi)的滲流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。
此外,為了更好地保障水庫(kù)大壩的運(yùn)行安全性,工作人員還應(yīng)該根據(jù)當(dāng)?shù)鼐唧w環(huán)境以及條件來(lái)合理選擇適合于該區(qū)域內(nèi)的滲流器。通過(guò)這樣的方式,不僅可以顯著提升滲流量測(cè)試人員的工作效率,同時(shí)也能夠進(jìn)一步確保各地區(qū)滲流量監(jiān)測(cè)的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。同時(shí),工作人員還應(yīng)該通過(guò)科學(xué)的方法對(duì)水位等重要信息進(jìn)行記錄和管理。同時(shí),經(jīng)過(guò)及時(shí)的數(shù)據(jù)分析,相關(guān)人員能夠更加迅速地掌握當(dāng)前地下水流量的狀態(tài)。
目前,智能傳感器在水庫(kù)大壩中廣泛應(yīng)用,其中包括測(cè)量位移的傳感器和監(jiān)測(cè)地下水的傳感器。其中,水位傳感器屬于一種較為先進(jìn)且常用的監(jiān)測(cè)技術(shù)。監(jiān)測(cè)大壩位移狀況的位移傳感器,可為相關(guān)監(jiān)測(cè)人員提供判斷大壩使用壽命的有力支持。同時(shí)也可以將大壩發(fā)生形變情況及時(shí)反饋給工作人員進(jìn)行分析與處理。然而,在利用該設(shè)備進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的過(guò)程中,獲取監(jiān)測(cè)結(jié)果的速度并不盡如人意。因此,需要將一些特殊的技術(shù)運(yùn)用其中,以達(dá)到更好的效果。盡管其對(duì)監(jiān)測(cè)環(huán)境的要求并不苛刻。為了解決這一問(wèn)題,就需要采用一種新型的監(jiān)測(cè)技術(shù)——遠(yuǎn)程監(jiān)控傳感設(shè)備,以保證整個(gè)監(jiān)測(cè)工作可以順利展開(kāi),從而確保大壩運(yùn)行穩(wěn)定性。
隨著科技的不斷進(jìn)步,智能傳感技術(shù)在水庫(kù)大壩中的應(yīng)用前景日益廣闊,其核心在于將大壩的安全監(jiān)測(cè)技術(shù)與人工智能技術(shù)有機(jī)融合,從而實(shí)現(xiàn)更加高效的大壩監(jiān)測(cè)。在我國(guó)現(xiàn)階段水庫(kù)大壩之中,運(yùn)用到的最多的一種便是智能化監(jiān)控系統(tǒng),可以對(duì)各種信息進(jìn)行收集和處理。在水庫(kù)大壩中,智能傳感是由多個(gè)傳感器協(xié)同作用而成的,這些傳感器需要對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析,而人工智能在這一過(guò)程中具有顯著的優(yōu)越性。
從目前來(lái)看,我國(guó)大多數(shù)水庫(kù)大壩都已經(jīng)開(kāi)始使用智能化設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)工作,但是由于這些智能化設(shè)備并沒(méi)有真正運(yùn)用起來(lái),導(dǎo)致其無(wú)法充分發(fā)揮出應(yīng)有的效果。因此,為了提高水庫(kù)大壩的自動(dòng)化水平,必須深入挖掘其安全監(jiān)測(cè)技術(shù)與人工智能之間的內(nèi)在聯(lián)系,并結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行優(yōu)化。另外,在智能化程度逐漸提升的背景下,也會(huì)使得水庫(kù)大壩運(yùn)行起來(lái)更具有穩(wěn)定性和安全性。同時(shí),將人工智能技術(shù)充分應(yīng)用于水庫(kù)大壩,有望進(jìn)一步促進(jìn)其整體發(fā)展,從而實(shí)現(xiàn)水庫(kù)大壩人工成本的顯著降低。
以某縣水庫(kù)大壩為背景,在工程建設(shè)過(guò)程中,將進(jìn)行雨水情測(cè)報(bào)、工程視頻監(jiān)控、大壩安全監(jiān)測(cè)以及監(jiān)測(cè)平臺(tái)等多項(xiàng)工作。建設(shè)單位在前期設(shè)計(jì)中充分考慮了雨洪管理需求,將水文與防汛抗旱工作緊密結(jié)合,建成集觀測(cè)、預(yù)警預(yù)報(bào)、信息服務(wù)于一體的現(xiàn)代化水文氣象綜合服務(wù)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)“天人”互動(dòng)和資源共享。
按要求,小(1)型水庫(kù)應(yīng)設(shè)壩上自動(dòng)雨量監(jiān)測(cè)站1座,流域面積20km2以上可設(shè)流域自動(dòng)雨量監(jiān)測(cè)站1座,小(2)型水庫(kù)應(yīng)設(shè)壩上自動(dòng)雨量監(jiān)測(cè)站1座。在山區(qū)中小河流及支流布設(shè)自動(dòng)雨量計(jì)時(shí)應(yīng)注意測(cè)流斷面選擇、測(cè)點(diǎn)布置等問(wèn)題。目前,全國(guó)已建成運(yùn)行的中小型水庫(kù)中,有相當(dāng)一部分已經(jīng)建立了自動(dòng)化雨量站系統(tǒng),部分地區(qū)還將新建或改建自動(dòng)雨量站系統(tǒng)。在洋縣,水庫(kù)均已完成雨水情一體化監(jiān)測(cè)站的建設(shè),以實(shí)現(xiàn)對(duì)庫(kù)區(qū)的降雨量和庫(kù)水位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過(guò)布設(shè)測(cè)報(bào)設(shè)備、建立遙測(cè)系統(tǒng)以及與雨量器相結(jié)合等手段提高了數(shù)據(jù)采集精度,為防汛指揮決策提供科學(xué)依據(jù)。該監(jiān)測(cè)站位于大壩迎水坡,采用立桿和支臂相結(jié)合的安裝方式,以實(shí)現(xiàn)水位和雨量的一體化監(jiān)控。
按要求設(shè)置小(1)型水庫(kù)視頻監(jiān)視點(diǎn)1~3個(gè),小(2)型水庫(kù)視頻監(jiān)視點(diǎn)1~2個(gè),壩長(zhǎng)1km以上可以增加視頻監(jiān)視點(diǎn)。視頻監(jiān)視點(diǎn)要有固定位置和數(shù)量。為了滿(mǎn)足實(shí)時(shí)查看的需求,視頻圖像必須具備每日至少一次上傳的能力,即使無(wú)法實(shí)時(shí)查看也不能例外。對(duì)監(jiān)控內(nèi)容和范圍有特殊要求時(shí),可以考慮通過(guò)人工巡查或遠(yuǎn)程遙控等手段來(lái)完成。視頻監(jiān)視應(yīng)該是自動(dòng)連續(xù)循環(huán)存儲(chǔ)的,視頻存儲(chǔ)時(shí)間不低于15d。
為方便遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè),視頻監(jiān)控系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)連接,以覆蓋庫(kù)區(qū)壩面的監(jiān)視范圍,監(jiān)測(cè)人員通過(guò)手機(jī)、平板電腦等終端對(duì)攝像頭拍攝的現(xiàn)場(chǎng)視頻數(shù)據(jù)和圖片資料進(jìn)行處理分析。大壩迎水坡上的視頻監(jiān)控站站,采用立桿方式進(jìn)行安裝。
根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,對(duì)壩體的整體穩(wěn)定性做出評(píng)價(jià)。在大壩的迎水坡上,我們采用了立桿的安裝方式。
該綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供了兩種電子地圖,分別為二維和三維,涵蓋了水庫(kù)、水情、雨情、工情和視頻監(jiān)測(cè)等5個(gè)主要方面。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并傳輸?shù)椒?wù)器,由服務(wù)器端軟件將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)格式后發(fā)送給手機(jī)客戶(hù)端,供用戶(hù)查看或下載。在監(jiān)控中心可對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)并顯示其變化狀況,實(shí)現(xiàn)了多要素全方位自動(dòng)監(jiān)視與控制。水庫(kù)管理APP與監(jiān)測(cè)平臺(tái)相輔相成,為用戶(hù)提供實(shí)時(shí)預(yù)警接收和處置等全方位服務(wù)。
截至2022年9月底,某縣卡房水庫(kù)工程建設(shè)已圓滿(mǎn)完成,平臺(tái)已成功上線運(yùn)行,34座中小型水庫(kù)的監(jiān)測(cè)場(chǎng)景數(shù)據(jù)展示、統(tǒng)計(jì)分析以及智能感知監(jiān)測(cè)預(yù)警服務(wù)也已圓滿(mǎn)完成。
水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)是維護(hù)水資源安全和社會(huì)穩(wěn)定的重要任務(wù)。技術(shù)創(chuàng)新可以提高水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)的精確度和實(shí)時(shí)性,為風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警提供有力支持。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)觀測(cè)周期短,能及時(shí)顯示水庫(kù)大壩變形情況,具有實(shí)現(xiàn)大壩安全信息化管理,安全快速分析以及遠(yuǎn)程管理與咨詢(xún)的價(jià)值體現(xiàn),可大大提高水庫(kù)大壩安全管理質(zhì)量與水平。在新時(shí)代的背景下,水庫(kù)管理部門(mén)應(yīng)當(dāng)通過(guò)優(yōu)化自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能、科學(xué)配置自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備、完善創(chuàng)新自動(dòng)化監(jiān)測(cè)模式等策略,以全面提升水庫(kù)大壩安全自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的質(zhì)量和水平??傊?,水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)是一個(gè)復(fù)雜而重要的領(lǐng)域,需要多方面的努力和創(chuàng)新,以確保水庫(kù)大壩的安全運(yùn)營(yíng),維護(hù)社會(huì)的和諧與穩(wěn)定。