小型水庫雨水情測報與工程安全監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)化研究

許 浩 ，李越川 ，張 威

（1. 水利部建設(shè)管理與質(zhì)量安全中心，北京 100038；2. 河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098）

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，75% 的小型水庫由鄉(xiāng)鎮(zhèn)人民政府和農(nóng)村集體經(jīng)濟組織管理。由于歷史原因，小型水庫存在建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)偏低、運行時間長、設(shè)備設(shè)施老化、除險加固不徹底，以及維修養(yǎng)護不及時、不到位等問題，如：2021 年 7 月 18 日 13 時48 分，莫力達瓦旗境內(nèi)諾敏河支流西瓦爾圖河上的永安水庫發(fā)生垮壩；18 日 15 時 30 分左右，諾敏河支流坤密爾提河（永安水庫下游）新發(fā)水庫垮壩；7 月 20 日，鄭州二七區(qū)金水河上?。?）型水庫郭家嘴水庫下游壩坡大范圍沖刷垮塌。由此可見，由于先天不足，后天失管，小型水庫安全隱患依然突出。

近年來小型水庫的安全問題一直是國家關(guān)注的重點工程安全問題，也是水利科技工作者研究的熱點[1]。其中加強除險加固、做好小型水庫安全鑒定、完善小型水庫雨水情監(jiān)測設(shè)施和工程安全監(jiān)測設(shè)施、落實三個責(zé)任人等是降低小型水庫安全風(fēng)險的有效措施。由于小型水庫水文結(jié)構(gòu)類型復(fù)雜，本身技術(shù)難度較高，加上現(xiàn)有的相關(guān)技術(shù)規(guī)范對小型水庫適應(yīng)性不強，使得小型水庫雨水情和工程安全監(jiān)測設(shè)施的實施各地理解不一，實施起來千差萬別。2021 年 3 月 23 日《國務(wù)院辦公廳關(guān)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(wù)院常務(wù)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(yù)警設(shè)施建設(shè)，健全常態(tài)化管護機制，確保水庫安全長效運行。為進一步加快小型水庫監(jiān)測設(shè)施配置標(biāo)準(zhǔn)化，本研究以提高小型水庫雨水情測報與工程安全監(jiān)測建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化水平為目標(biāo)，在分析小型水庫特征的基礎(chǔ)上，對小型水庫雨水情測報與工程安全監(jiān)測系統(tǒng)配置標(biāo)準(zhǔn)化進行研究，提出相關(guān)建議，為小型水庫監(jiān)測系統(tǒng)完善和標(biāo)準(zhǔn)化提供參考[2]。

1 標(biāo)準(zhǔn)化的依據(jù)

2021 年 10 月 19 日正式印發(fā)的《小型水庫雨水情測報和大壩安全監(jiān)測設(shè)施建設(shè)與運行管理辦法》和《小型水庫雨水情測報和大壩安全監(jiān)測設(shè)施建設(shè)與運行技術(shù)指南》，以及各省發(fā)布的《小型水庫雨水情自動測報系統(tǒng)項目建設(shè)管理辦法》為小型水庫雨水情測報和大壩安全監(jiān)測設(shè)施建設(shè)與運行管理提供了依據(jù)。這些文件給出了小型水庫建設(shè)最基本的要求，在具體執(zhí)行過程中還需要結(jié)合具體小型水庫的實際，參照 GB/T 22482—2008《水文情報預(yù)報規(guī)范》、SL 61—2015《水情自動測報系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》、SL 34—2013《水文站網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)導(dǎo)則》、SL 551—2012《土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》、SL 601—2013《混凝土壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》等規(guī)范進行細化和優(yōu)化，才能更好地提升小型水庫雨水情測報和大壩安全監(jiān)測設(shè)施建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)化水平。

2 監(jiān)測項目和測點布置

2.1 雨水情

雨量水位是判斷漫壩、潰壩和大壩及庫岸滑坡或滲透破壞風(fēng)險的重要物理量，也是水文分析和預(yù)報的關(guān)鍵參數(shù)，因此對于水位存在動態(tài)變化的小型水庫都應(yīng)予以設(shè)置。出入庫流量是水庫庫容和調(diào)洪計算的關(guān)鍵，當(dāng)出入庫流量對庫水位存在明顯影響時應(yīng)予以設(shè)置。

1）水位雨量。每座水庫應(yīng)設(shè)置 1 個上游庫水位和 1 個壩區(qū)雨量測點，對于壩體較長或降雨分布不均的水庫可以根據(jù)規(guī)范增加相應(yīng)測點[3]。對于壩下存在長期明水的也應(yīng)設(shè)置下游庫水位測點，也可以將下游水位測點結(jié)合量水堰、排水設(shè)施等進行布置。

2）流速流量。對于存在上游來水和下泄通道的水庫，當(dāng)入庫或出庫流量和流速明顯影響庫水位及其漲落速度的情況下，應(yīng)設(shè)置上游入庫和下游出庫流量測點[4]。

2.2 工程安全

工程安全監(jiān)測的測點布置應(yīng)根據(jù)壩高、壩型、壩基特點及其可能的失效風(fēng)險進行，一般情況下按以下原則進行測點布置：

1）變形。a. 均質(zhì)土壩及心墻壩。小（1）型水庫，壩高 15 m 以上的土石壩應(yīng)設(shè)置 1 個壩頂縱斷面，壩高 30 m 以上的土石壩應(yīng)增加 1 個下游壩坡縱斷面；?。?）型水庫，壩高 30 m 以上、對下游影響較大的土石壩應(yīng)設(shè)置 1 個壩頂縱斷面。

b. 混凝土（或砌石）重力壩和拱壩。?。?）型水庫應(yīng)設(shè)置壩頂變形監(jiān)測縱斷面，一般選擇典型壩段設(shè)置，壩高 30 m 的水庫不少于 3 個測點；壩高 15 m 以上的?。?）型水庫、對下游影響較大的壩應(yīng)設(shè)置壩頂變形監(jiān)測縱斷面。

c. 面板堆石壩。一般在最大壩高處布 1～2 個點組成縱斷面，同時在岸坡較陡、坡度突變及地質(zhì)條件差的部位設(shè)置周邊縫或面板接縫監(jiān)測點。

2）滲流。a. 均質(zhì)土壩或心墻壩。對于存在滲透破壞風(fēng)險的壩至少布置 1 個滲流壓力監(jiān)測橫斷面；上游測點在壩（心墻）上游側(cè)，中間測點在壩頂（心墻）下游側(cè)，下游測點在壩腳（或排水體）上游，必要時在下游壩坡增設(shè) 1 個監(jiān)測點。

對于其他存在滲透破壞的高風(fēng)險部位可以適當(dāng)增設(shè)監(jiān)測橫斷面。滲流壓力一般設(shè)置在最大壩高、穿壩建筑物附近，對于存在接觸滲流破壞風(fēng)險的部位應(yīng)考慮設(shè)置接觸滲流監(jiān)測點[5]。

b. 混凝土或砌石重力壩。壩高 15 m 的?。?）型水庫或壩高 30 m 以上的小（2）型水庫大壩，或存在抗滑失穩(wěn)、防滲失效風(fēng)險等情況的大壩應(yīng)至少設(shè)置 1 個滲流監(jiān)測橫斷面，一般 3 個測點分別布置在防滲帷幕前、后和下游側(cè)。

c. 滲流量監(jiān)測。?。?）型水庫應(yīng)設(shè)置 1 個監(jiān)測點，有分區(qū)監(jiān)測條件的可根據(jù)需要增加監(jiān)測點；壩高 15 m 以上的?。?）型水庫應(yīng)設(shè)置 1 個監(jiān)測點[6]。

2.3 泄洪設(shè)施

泄洪設(shè)施一般采用開敞式或者帶閘門控制的溢洪道，按以下 2 個原則進行測點布置：

1）開敞式溢洪道。小型水庫正槽溢洪道一般為開敞式，且大部分無閘控制，這種溢洪道具有結(jié)構(gòu)簡單，施工管理方便，水流平順等優(yōu)點，監(jiān)測內(nèi)容為進水段、控制段、泄槽及消能工。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，對于失事后果嚴重的開敞式溢洪道應(yīng)設(shè)置視頻監(jiān)控測點[7]。

2）帶閘門控制的溢洪道。當(dāng)溢洪道設(shè)有閘門時，汛期應(yīng)監(jiān)測閘門、啟閉機與工作橋等狀態(tài)，應(yīng)設(shè)置視頻監(jiān)控測點。

3 監(jiān)測方法

3.1 雨水情

雨水情監(jiān)測主要是監(jiān)測水庫水位雨量及流量流速，一般情況下采用以下 2 種方法進行監(jiān)測：

1）水位雨量。水位監(jiān)測常用的有水尺和水位計，其中常用水尺有直立式、傾斜式、矮樁式和懸錘式水尺；常用的水位計有浮子式、光線、跟蹤式、壓力式和超聲波式水位計。小型水庫水位監(jiān)測方法和儀器選型應(yīng)依據(jù) GB/T 11828.1—2019《水位測量儀器》系列標(biāo)準(zhǔn)和 GB/T 27993—2011《水位測量儀器通用技術(shù)條件》確定。

2）流速流量。流速流量的監(jiān)測方法很多，采用流速面積法、水工建筑物法或水位-流量關(guān)系法等，具體方法和儀器選擇要根據(jù)現(xiàn)場條件結(jié)合相關(guān)流量測量規(guī)范確定。

3.2 工程安全

工程安全的監(jiān)測一般采用以下方式進行監(jiān)測：

1）變形。常規(guī)的變形監(jiān)測方法有測量機器人、引張線、垂線、柔性位移計、測斜儀等方法。由于小型水庫大壩一般比較小，變形監(jiān)測時對精度和經(jīng)費要求比較高，在具體方法選用時應(yīng)予以論證。

2）滲流。滲透壓力監(jiān)測采用測壓管或埋設(shè)滲壓計的方法進行，但在施工過程中要確保不產(chǎn)生新的滲流通道或破壞原有防滲結(jié)構(gòu)。常見儀器包括振弦式滲壓計、磁致伸縮量水堰儀和氣壓修正儀器等，目前在大中型水庫滲透壓力監(jiān)測應(yīng)用較好的是進口振弦式滲壓計，量水堰堰上水頭一般選用磁致伸縮傳感器[8]。

4 系統(tǒng)配置及功能

考慮到小型水庫位置比較偏遠或管理技術(shù)人員比較少，為確保水庫安全運行，小型水庫應(yīng)建設(shè)雨水情測報與工程安全自動監(jiān)測系統(tǒng)，其系統(tǒng)主要包括傳感器、測量控制裝置（或數(shù)據(jù)采集單元）、計算機及軟件、移動終端及 App。

1)基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng):通信網(wǎng)絡(luò)作為信息化的核心內(nèi)容,是氣象業(yè)務(wù)信息傳輸?shù)臉屑~,由氣象廣域網(wǎng)、氣象內(nèi)網(wǎng)、政務(wù)外網(wǎng)、視頻會議專網(wǎng)幾部分組成。通信網(wǎng)絡(luò)須滿足氣象業(yè)務(wù)對高效穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?具備應(yīng)急通信能力,此外具備一定網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險防御能力。

現(xiàn)地測量控制裝置（或數(shù)據(jù)采集單元）一般應(yīng)配置如下：

1）多種接口。翻斗式雨量計接口大于等于1 個，浮子式水位計接口大于等于 2 個，標(biāo)準(zhǔn) RS-485接口大于等于 2 個，振弦式滲壓計輸入接口大于等于 8 個，標(biāo)準(zhǔn)信號傳感器接口大于等于 4 個。

2）多傳感器采集。支持雨量計、水位計、滲壓計、量水堰水位計、攝像頭等數(shù)據(jù)采集。

3）設(shè)備前端告警。降雨量、庫水位、滲壓計等多要素測值超閾值主動告警；人員入侵管理區(qū)域主動告警，實施現(xiàn)地單元告警。

4）視頻融合疊加。支持在主流攝像機上大于等于 8 行多信息疊加功能，實施現(xiàn)地單元告警。

5）語音自動播報及告警。支持事件觸發(fā)，并根據(jù)觸發(fā)類型播報相應(yīng)音頻內(nèi)容；實施告警在現(xiàn)地單元，且獨立設(shè)置播報告警站。

6）平均無故障工作時間大于等于 10 000 h。

4.1 電源

根據(jù)水庫所處位置確定電源的供應(yīng)方式，一般情況下根據(jù)以下 2 個原則進行配置：

2）偏遠地區(qū)水庫。電源供應(yīng)方式應(yīng)采用太陽能浮充 + 蓄電池直流供電方式；優(yōu)先采用低功耗自帶鋰電池供電方式，對于日照時間長或風(fēng)力資源豐富的地區(qū)可以考慮“風(fēng)-光互補”等現(xiàn)地再生能源配合供電。

4.2 通信接口

根據(jù)系統(tǒng)情況，一般系統(tǒng)通信包括以下 2 個層次：1）現(xiàn)場信息感知網(wǎng)絡(luò)通信（現(xiàn)地通信）?？梢圆捎糜芯€（電纜或光纜）或無線（ZigBee 等短距離通信網(wǎng)，以及 4G，5G，NB-IoT，LoRa 信道等）通信方式。2）監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳的雙向通信（遠傳通信）。除使用 4G，5G 移動公網(wǎng)外，對于偏遠的高風(fēng)險水庫應(yīng)考慮衛(wèi)星通信接口，并參照 SL 34—2013《水文站網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)導(dǎo)則》采用必要的備用信道[10]。

4.3 中心站軟件及 App

對于重要小型水庫可結(jié)合 SL 34—2013《水文站網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)導(dǎo)則》、GB/T 22482—2008《水文情報預(yù)報規(guī)范》有關(guān)內(nèi)容，以及庫水位漲落對工程安全影響進行測點優(yōu)化。根據(jù)水庫的風(fēng)險等級區(qū)分高風(fēng)險及低風(fēng)險水庫，針對不同風(fēng)險等級的水庫配置相應(yīng)的移動客戶端：

1）高風(fēng)險水庫。指發(fā)生潰決或誤操作可能造成人員死亡的水庫。實時采集多種監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括地表變形、內(nèi)部變形、浸潤線（滲流滲壓）、滲漏量、雨量、庫水位、流量、氣溫、水溫及視頻圖像等數(shù)據(jù)。實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)自動采集、傳輸、存儲、分析及預(yù)警，并支持人工新增、修改或刪除數(shù)據(jù)?？稍O(shè)置多級報警，支持彈出軟件窗口、郵件、短信及聲光等報警功能。

對于區(qū)域水庫群可以通過自動化數(shù)據(jù)采集、實時監(jiān)測、實時分析及安全預(yù)警，建立集 GIS、水庫特性、雨水情監(jiān)測、工程安全監(jiān)測、智能巡檢、視頻圖像、安全鑒定、日常管理、3 個責(zé)任人、3 個重點環(huán)節(jié)、信息上傳下達、系統(tǒng)管理等內(nèi)容的多壩型小型水庫大壩安全大數(shù)據(jù)動態(tài)監(jiān)管云平臺，實現(xiàn)區(qū)域小型水庫一張圖式智慧管理。

為方便異地和移動信息管理查詢，高風(fēng)險小型水庫應(yīng)開發(fā) App 并配置相應(yīng)的移動終端，實現(xiàn)異常報警和關(guān)鍵信息查詢，特別是應(yīng)急通信和上報等功能。

2）低風(fēng)險水庫。指在發(fā)生潰決或誤操作時不會導(dǎo)致人員傷亡、不會產(chǎn)生嚴重經(jīng)濟損失或?qū)Νh(huán)境造成重大影響的水庫。其工程安全風(fēng)險小，軟件功能可以簡化，一般只需要進行水庫超限水位、泄洪設(shè)施工作狀態(tài)事實查詢功能即可。

5 模型或算法配置

針對高風(fēng)險水庫，為實現(xiàn)預(yù)報預(yù)警功能，有效降低水庫運行風(fēng)險應(yīng)開發(fā)配置相應(yīng)的模型或算法，具體有以下幾種：

1）雨水情測報。根據(jù)各省實際小型水庫安全鑒定采用的實用庫水位計算模型或方法，如瞬時、綜合、地形等單位線法或推理公式法，在模型應(yīng)用和軟件開發(fā)時要根據(jù)水庫所在區(qū)域及水庫類型（山丘還是平原水庫）、特征等進行充分論證和參數(shù)設(shè)置，必要時應(yīng)具有動態(tài)參數(shù)更新功能。同時在模型參數(shù)率定和檢驗方面應(yīng)參照 GB/T 22482—2008《水文情報預(yù)報規(guī)范》進行[11]。

2）大壩安全監(jiān)測預(yù)警。對高風(fēng)險大壩應(yīng)根據(jù)敏感性分析選擇重要測點設(shè)置必要的預(yù)報預(yù)警模型，一般選用多元逐步回歸模型和動態(tài)閾值法，實現(xiàn)關(guān)鍵部位變形或滲流監(jiān)測的預(yù)報預(yù)警。

3）圖像識別。圖像主要用于識別閘門、溢洪道的工作狀態(tài)，也可以實時監(jiān)控多個水庫庫區(qū)的水位、雨量及現(xiàn)場工況，需要通過基于機器視覺的算法實現(xiàn)異常情況的及時發(fā)現(xiàn)。

6 結(jié)語

小型水庫存在數(shù)量多、安全狀況差異大、技術(shù)人員缺乏等問題，因此有必要提高小型水庫雨水情測報與工程安全監(jiān)測系統(tǒng)配置標(biāo)準(zhǔn)化水平。小型水庫的標(biāo)準(zhǔn)化要從監(jiān)測項目和測點布置、儀器設(shè)備配置、軟件功能及模型開發(fā) 4 個方面入手，根據(jù)水庫實際安全風(fēng)險進行。推動小型水庫雨水情和大壩監(jiān)測工作離不開小型水庫標(biāo)準(zhǔn)化，應(yīng)根據(jù)我國小型水庫實際的雨水情和工程安全監(jiān)測相關(guān)技術(shù)規(guī)范、運行維護、鑒定標(biāo)準(zhǔn)等，盡快編制適合我國小型水庫的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，細化具體配置和運行要求。