小型水庫群安全風險感知及預警平臺研究

章麗娟 ，楊浩東 ，何 淇

（1. 水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012；2. 河海大學水利水電學院，江蘇 南京 210098）

0 引言

我國現有小型水庫 9.8 萬余座，其中絕大多數為小型水庫。小型水庫在灌溉、供水、改善生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮了巨大作用，效益顯著，是水利基礎設施的重要組成部分。但是小型水庫多建于 20 世紀50—70 年代，工程標準低、質量較差，運行維修養(yǎng)護經費投入不足，管理待完善。據統計，我國小型水庫平均病險比例高達 53.3%[1]，目前仍有數千座小型水庫管護主體尚未落實，部分小型水庫存在管理機構缺失、管護人員不到位等問題。隨著經濟和科技條件的改善，加大對小型水庫安全管理的科技投入，利用傳感器、數據庫和網絡技術構建小型水庫群安全風險感知和預警平臺已具備可行性。

張宗強[2]以某小型水電站系統改造為背景，設計并實現一個基于 J2EE 平臺的大壩遠程、實時監(jiān)測系統。周召梅等[3]針對中小型水庫土壩特點，在分析傳統大壩安全監(jiān)測系統局限性的基礎上，在系統結構、傳感器、數據采集模塊、電源自動管理、遠距離傳送、軟件系統幾個方面進行了創(chuàng)新與改進，研發(fā)出一套適用于中小型水庫土壩的安全自動監(jiān)測及管理數字系統。韓哲[4]首先針對傳統大壩監(jiān)測系統的缺陷進行改進，從系統結構、傳感器、數據采集模塊、電源自動管理技術、遠距離傳送、軟件系統幾個方面對傳統大壩安全監(jiān)測系統進行創(chuàng)新與改進，開發(fā)出一套實用的“中小型水庫土壩安全監(jiān)測系統”。徐耀等[5]給出了一種簡易水庫大壩風險等級評估方法并在實際工程中加以應用。李丹[6]從洪水預報的角度出發(fā)，建立了水庫預警平臺，給出系統軟件框架，并著重闡述了洪水預報功能的實現。王喆[7]主要以下游防洪預警為目標，從系統組成、設備數量、布置原則、預警聯動等方面建立了水庫下游預警系統，并在廣西某水庫得到應用，減輕了泄洪對下游的影響。程海云[8]總結了近年來洪水預報系統發(fā)展狀況、技術難點、關鍵技術和工程應用，給出了洪水預報系統未來發(fā)展的建設性意見。金有杰等[9]在分析小型水庫安全監(jiān)管特點和要點的基礎上，創(chuàng)造性地提出了小型水庫安全分級監(jiān)管模式，并充分利用現代信息技術構建了適用于小型水庫的安全分級監(jiān)管云平臺，解決了小型水庫安全監(jiān)管的顯存問題。何向陽等[10]針對我國水庫點多面廣量大存在的管理難題，運用云計算、物聯網等技術，采用 IaaS，PaaS 和 SaaS 這 3 層結構，研究提出了一種基于云平臺的水庫大壩安全管理信息化解決方案，為我國區(qū)域性水庫主管部門的信息化建設提供了借鑒。這些研究都是從管理模式上針對單一水庫或小型水庫進行研究，沒有同小型水庫的特點進行結合，更沒有考慮充分利用多平臺網絡獲取資源及建立定量預警方法。本研究將在分析小型水庫群安全風險和特點的基礎上，對小型水庫群風險感知及預警平臺進行研究。

1 安全風險特征及感知預警要求

1.1 失事實例

1954 年迄今全國潰壩 3 500 多座，其中絕大多數是小型水庫。典型失事成因如下：

1）水文氣象典型實例包括破沖口、英德爾和茶山坑等水庫都是由于連降特大暴雨，降雨量超過設計標準從而導致漫頂等事故發(fā)生。

2）材料結構滲流典型實例包括石堡子混凝土面板堆石壩受壩體沉降變形影響，防浪墻整體變形嚴重，出現裂縫、分縫錯位。

3）運行監(jiān)管典型實例包括溝后、大河、七仙湖、李家咀水庫潰壩等都是由于缺乏有效監(jiān)測設施或反應不及時引起。

1.2 安全風險特征分析

通過失事工程實例分析不難發(fā)現，小型水庫失事主要是因為對水庫安全風險的認知不夠全面深入，有些水庫甚至缺乏最基本的風險感知措施，更談不上預警平臺了。同時由于小型水庫往往存在數量多（1 個縣甚至有 200 多座小型水庫）、技術力量有限和經費投入不夠等問題，因此單獨針對 1 個小型水庫建立全套的感知設施和平臺不僅是資源浪費，投入上也不可能。因此充分利用小型水庫分布相對集中、共性問題和面臨的共同風險類似的特點建立小型水庫群統一風險感知和預警平臺是必要的也是符合實際的。

1.3 風險感知和平臺建設要求

由于經費和技術力量有限，對所有小型水庫建立統一標準，全面建成整套安全風險感知系統和預警平臺不僅不現實，而且針對性不強，不能很好地起到指導水庫運行調度和降低工程安全風險的目的。為此，有必要根據風險分析、分類和排序，實現水庫群風險感知和平臺建設的統一規(guī)劃。

1.3.1 安全風險分析

每座水庫由于其地理位置、水文地質條件、氣候氣象條件、下游發(fā)展等各不相同，因此失事模式、路徑、后果各不相同，進行小型水庫的安全風險分析，將有利于針對具體水庫獲得影響水庫安全的敏感因素，從而針對性地設計水庫安全風險感知網絡。有些水庫大壩結構和基礎穩(wěn)定，采用了開敞式泄洪設施，那么這些水庫只需要設置水位雨量感知設施，無須進行大壩結構監(jiān)測。

1.3.2 安全風險分類

根據可能引起水庫安全失事的原因及其后果不同，將風險分成水文氣象和地質、擋泄水結構及設備設施、運行監(jiān)督管理 3 類風險。3 類風險源各有其特色，其感知網絡與預警體系也存在明顯的不同，如對于水文氣象和地質風險可以充分利用或結合“暴雨風險圖”“中國地震區(qū)劃”“洪水風險圖”“滑坡泥石流風險圖”和“臺風路徑圖”等已有研究成果進行等級劃分、危險因素識別，從而采取相應的感知措施和預警方法。

1.3.3 安全風險排序

小型水庫數量多，風險大小差異大，考慮到經費等限制，有必要在調查統計的基礎上進行風險評估，既要考慮到整個水庫失事的概率也要考慮到失事后的損失。根據風險大小進行排序分類，根據風險大小確定信息感知網絡的投入，包括監(jiān)測/檢測項目、測點數量、儀器類型、冗余備份、軟件配置等。

2 風險感知關鍵問題

2.1 感知要素

2.1.1 賦存環(huán)境

氣候氣象風險具有明顯的地理區(qū)域特色，因此在全國各地其系統配置也應具有明顯不同。

水文地質風險需要根據入庫水量組成和路徑、地質災害形式等進行感知項目設置。

地震風險是高震區(qū)小型水庫面臨的重大安全風險，其采集項目包括自由場的加速度時程（包括幅值和相位）。

2.1.2 材料結構響應

監(jiān)測部位和項目包括：大壩壩身和滲流狀態(tài)、泄洪閘門變形，以及啟閉設施可靠性參數、泄洪或行洪建筑物穩(wěn)定、近壩庫岸或者邊坡穩(wěn)定、壩下建筑物與壩體連接部位穩(wěn)定和滲流等。由于各座水庫具體情況不一樣，設置上述項目和測點要根據工程風險和敏感度大小及其之間的關系進行。

針對不同類型的閘門其狀態(tài)監(jiān)測要素主要包括：閘門開啟高度、荷重、限位、電流、電壓、油位、油壓、水位、各類信號狀態(tài)、電源狀態(tài)、視頻、音頻等。

2.1.3 運行監(jiān)管

運行、管理和監(jiān)督的水平，效率和效果是影響小型水庫安全風險高低的重要因素，充分利用圖像采集、數據上傳、培訓考核、現場督查、網上答題等手段和方法可以有效感知運行監(jiān)管風險要素。運行監(jiān)管風險感知的要素包括：1）法律、法規(guī)、標準和上級文件精神的熟悉，理解和執(zhí)行到位情況；2）相關制度的針對性、可操作性和完備性；3）責任落實的具體性、明確性和匹配性；4）分工協作的協調性、完備性和可靠性；5）人員、設備、設施和經費的保障性；6）獎懲措施的有效性等。

2.2 感知方式

2.2.1 巡視檢查及遙感

專業(yè)技術人員及無人機的巡查、空天遙感可以獲取水庫壩體，相關建筑物，庫區(qū)邊坡等大面積的安全信息。

2.2.2 視頻及圖像

充分利用可見光、紅外光、微光等對壩體或樞紐關鍵部位的環(huán)境輸入，結構響應及人為操作等實施有效監(jiān)測。

2.2.3 儀器監(jiān)測

儀器監(jiān)測應根據工程敏感輸入或響應確定，無需要像大中型水庫一樣面面俱到。為延長預報期，對于氣象、臺風、暴雨等信息可以充分利用氣象等部門的前期預報信息，對于氣溫、水位、雨量等工程安全影響因素也可以充分利用相關部門的監(jiān)測數據，避免不必要的重復建設。

2.2.4 狀態(tài)檢測

采用高密度電法、超聲波等無損檢測的方法對小型水庫的壩體、混凝土結構、鋼筋銹蝕情況和金屬結構進行檢測，可以有效獲取工程隱患的重要信息，從而為實現工程安全動態(tài)預警提供依據。

2.3 感知網路

2.3.1 電源設計

網絡電源供應方式一般可以采用市電、太陽能、蓄電池和低功耗自帶鋰電池，在具體設計中，將根據系統規(guī)模、通信方式、距離管理處遠近、設備安全和當地市電、日照時間等情況確定。

2.3.2 通訊設計

根據系統情況，一般系統通訊包括 2 個層次，即現場信息感知網絡和上一級雙向通訊。現場通訊可以采用有線（電纜或光纜），GPRS，Lora，Zigbee等；上一層的通訊可以采用公網（GPRS，4G）、衛(wèi)星、光纖等。為確保系統穩(wěn)定性，在關鍵鏈路采用必要的備用措施。

2.3.3 數據采集軟件

為實現多源信息融合，有效提升軟件兼容性、可移植性和方便遠程維護升級，數據采集平臺軟件可采用 .Net 框架平臺開發(fā)，以 Microsoft Visual Studio 作為開發(fā)工具，Visual C ++ 為編程語言，該軟件充分利用 .Net 平臺在通訊、數據訪問、分層等方面的技術特點，使之成為可伸縮、可擴展、維護方便、自動化程度高的全新系統。

為了系統后期運維方便，適應小型水庫群現場技術力量不夠的實際，實現“高內聚低耦合”，在軟件體系架構設計中采用了 3 層結構模型[11]，包括數據訪問層、業(yè)務邏輯層和表示層。軟件提供異常情況下智能化應急感知機制，針對汛期暴雨、地震、高溫、冰凍等多種極端狀態(tài)，實現基于 UDP 協議的水庫感知系統應急觸發(fā)和響應方法。自動開辟應急條件下感知綠色通道，對關鍵部位、重點監(jiān)測項目加密觀測。通過各個觀測項的應急監(jiān)視實現監(jiān)測預警，以多種形式進行預警信息傳達，實現對傳感器智能判斷的推送。

2.3.4 整體網絡結構

小型水庫群風險感知網絡不僅要實現水庫管理單位、主管部門、監(jiān)督單位、技術專家與支撐單位、水利行政主管部門、應急部門及相應政府部門的實時連接，還需要考慮到氣象、水情、防汛、地質、應急等部門關鍵信息的共享，如圖 1 所示。

3 預警平臺關鍵問題

3.1 主要功能

水庫群安全風險感知與預警平臺提供在線遠程實時監(jiān)測、綜合信息管理與成果發(fā)布、極端條件下應急預警、綜合分析評價、輔助決策等應用服務。實現小型水庫群信息采集與處理自動化，異常信息應急預警實時化，資源信息共享與管理專業(yè)化，安全分析與評價智能化。通過云服務平臺的建設及時發(fā)現和排除工程險情，定期完成大壩安全分析報告與健康診斷，減輕現場工作人員監(jiān)管負擔，全面提升流域、區(qū)域性水庫群安全的信息化管理水平。核心功能服務包括：

1）遠程自動化監(jiān)測采集?；诨ヂ摼W遠程自動采集工程現場監(jiān)測數據。

2）應急加密監(jiān)測。極端條件下自動啟動應急加密監(jiān)測機制，為重點監(jiān)測項目開設綠色通道，提高監(jiān)測頻次。

3）數據自動入庫與整編。根據規(guī)范要求，將采集數據定時自動整編和入庫存儲。

圖 1 平臺整體網絡結構圖

4）歷史信息檢索與維護。對水庫群監(jiān)測歷史數據進行檢索查詢和統計維護。

5）綜合成果管理。報表、過程線、分布圖等圖表綜合成果進行統計分析和管理。

6）預警信息推送。根據設定的監(jiān)測閾值進行判別，對異常信息以短信、郵件等形式向管理人員進行預警推送；同時與現場喇叭、值班設備等連接實時預警。

7）分析評價服務。包括資料檢查分析、監(jiān)測數據在線評判、離線統計分析、綜合評價等，自動生成編寫水庫安全專題分析報告。

8）移動巡檢與發(fā)布?；谝苿咏K端實現大壩安全的巡視檢查及監(jiān)測信息發(fā)布查詢。

3.2 平臺架構及開發(fā)工具

為適應多源信息獲取、定性定量融合分析、風險分級預警等要求，水庫群安全風險感知、綜合信息管理與預警平臺建設技術路線如圖 2 所示。

圖 2 平臺建設技術路線

為適應小型水庫群高效管理要求，考慮到技術進步和通用性要求，平臺開發(fā)建議如下：

1）采用 Browser/Server 架構，Spring Boot +Mybatis 開發(fā)框架，高并發(fā)高性能的 Dubbo 分布式框架，整體低耦合，高效率，前后端分離。

2）界面使用 ARCmap 繪制 GIS 地圖，使用Geoserver 發(fā)布，便于設置小水庫群熱點按鍵，以及測點信息的關聯。

3）數據庫采用高性能、高效率的 Oracle 數據庫，搭載 Druid 數據庫連接池，可有效處理大體積、高頻率的數據，提高數據讀取存儲的效率。

4）風險感知及預警。DL + AI（深度學習 + 人工智能），對數據進行多層次分析與計算，此處需要大量的數據進行訓練學習，進一步優(yōu)化多層次神經網絡，預測數據的分布，對問題數據進行感知和預警，另外也可用于視頻及圖像的分析識別，對監(jiān)測部位進行有效監(jiān)控，在不斷學習監(jiān)測部位不同風險的視頻與圖片后，智能識別風險，實時預警。

3.3 預警指標體系

3.3.1 水文氣象和地質風險

根據具體水庫在環(huán)境因素作用下漫頂、超泄量、滑坡等對應的輸入因素的強度或等級，水文氣象和地質風險具體包括：臺風級別、暴雨雨強和累積降雨量、壩前水位、入庫流量、地震震級等。

3.3.2 擋泄水結構及設備設施風險

1）擋水及泄洪建筑物。根據建筑物極限承載力所對應具體包括響應量及其時間變化速率（或空間梯度，如不均勻系數）等的確定臨界值。對于泄洪設施需要考慮強度、穩(wěn)定性，以及功能和性能要求，特別是應急條件下的泄洪能力。

2）金屬結構與機電設施。金屬結構的強度和穩(wěn)定性，機電設施的可靠性、變形分布、應力分布和輸出電磁特征等所對應的特性或功能突變都可以得到相應的預警指標。對不同的故障類型，如電源、閘門飛車、閘門卡滯、電機過載、電機結點粘結、壓力（包括過壓及失壓）、濾油器、左右缸不同步、編碼器拒動、左右編碼器非 BCD 碼、左右編碼器停機時誤動、電機啟動、監(jiān)控工作站等故障都可以通過設置相應的電壓，電路，溫度等閾值作為預警指標。

3.3.3 運行監(jiān)督管理風險

1）管理體系。依據相關法律、規(guī)章和部門文件設置相應閾值，采取分級預警，如“三個責任人”“三個重點環(huán)節(jié)”等落實情況。通過與管理要求進行核對，根據相關管理規(guī)定確定指標及閾值。

2）監(jiān)督體系。對主管單位對小型水庫管理監(jiān)管的有效性、及時性、可靠性、響應速度等方面，根據國家行業(yè)標準和管理的基本要求設置預警指標。

4 結語

本研究針對小型水庫群水庫數量多、安全狀況差異大、交通不便、技術人員匱乏等特點，基于集中管理的思想建立了小型水庫群安全風險感知及預警平臺，給出了信息感知網絡搭建、預警指標體系建立等關鍵技術的具體解決方法，實現了小型水庫群的集中安全管理，使得設備、經費、人員等資源的利用率與配置合理性顯著提高。