2020年度注冊水電站大壩安全監(jiān)測工作情況

吳 偉，周建波，武維毓

(國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江 杭州 311122)

0 引 言

大壩安全是涉及人民生命財產(chǎn)安全、國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的重大公共安全問題，規(guī)范、有效的開展大壩安全監(jiān)測工作，保證監(jiān)測系統(tǒng)可靠運行，是評判和實現(xiàn)大壩安全的重要耳目和保障。大壩安全監(jiān)測工作包括監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計、審查、施工、監(jiān)理、驗收、運行、更新改造和相應(yīng)的管理等工作。在《水電站大壩運行安全監(jiān)督管理規(guī)定》[1]的基礎(chǔ)上，國家能源局大壩安全監(jiān)察中心(以下簡稱“大壩中心”)在2009年頒布實施了《水電站大壩安全監(jiān)測工作管理辦法》(以下簡稱“監(jiān)測管理辦法”)，并在2017年進行了修訂[2]，該辦法是規(guī)范大壩安全監(jiān)測工作的基礎(chǔ)，對指導(dǎo)電力企業(yè)做好監(jiān)測工作具有重要的作用。在此法規(guī)宣傳和指導(dǎo)下，近十年來[3]，各電力企業(yè)的加強對大壩安全工作的重視，積極推進先進監(jiān)測手段應(yīng)用和數(shù)字化、智能化工作平臺建設(shè)，北斗高精度變形、衛(wèi)星遙感、無人機(船)航測及巡測、視頻監(jiān)控等新技術(shù)在大壩安全監(jiān)測領(lǐng)域得到了飛速發(fā)展和運用，促進了大壩安全監(jiān)測技術(shù)和管理水平逐步提升。

為全面掌握注冊(備案)大壩的監(jiān)測系統(tǒng)組成、運行和監(jiān)測工作開展情況，本文匯總、總結(jié)各運行單位年報、在線監(jiān)測管理和信息報送等各種渠道的信息，對電力企業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)的基本情況(監(jiān)測項目、測點數(shù)量、測點完好率、監(jiān)測信息管理系統(tǒng))，監(jiān)測工作組織和開展(大壩安全監(jiān)測管理制度和技術(shù)規(guī)程、巡視檢查及監(jiān)測資料整編、監(jiān)測儀器檢驗、監(jiān)測系統(tǒng)更新改造情況)、監(jiān)測系統(tǒng)運行(大壩安全信息報送、監(jiān)測信息可靠性)等進行了統(tǒng)計分析。

對目前大壩安全監(jiān)測管理的現(xiàn)狀和監(jiān)測技術(shù)水平進行梳理和分析，摸清行業(yè)內(nèi)大壩監(jiān)測工作的現(xiàn)狀和管理環(huán)境，查找管理和技術(shù)短板，發(fā)現(xiàn)存在的主要問題并提出意見，推動大壩安全監(jiān)測工作持續(xù)改進。

1 注冊(備案)水電站大壩概況

截至2021年2月底，在大壩中心注冊大壩565座，備案大壩48座，注冊和備案大壩合計613座，占全國大壩總座數(shù)0.63%，裝機容量合計2.70億kW，占全國水電總裝機76.70%，水庫庫容合計4 763.5億m3，占全國水電總庫容的52.72%。

按原設(shè)計的工程等級分類，一等113座、二等184座、三等308座、四等7座、五等1座；按主壩類型分類，重力壩379座、拱壩61座、土石壩160座、支墩壩5座、其他壩8座；按壩高分類，壩高300 m及以上的1座、200～300 m的14座、100～200 m的124座、50～100 m的195座、50 m以下的278座、無壩1座。

2 大壩安全年度報告報送情況

截至2021年2月底，有607座注冊(備案)大壩上報了《大壩安全年度報告》(以下簡稱“年報”)。已上報年報的大壩中，6座因工程規(guī)模較小未設(shè)監(jiān)測設(shè)施，僅開展巡視檢查。因此，本文對2020年度大壩安全年報進行統(tǒng)計時，樣本為601座已報送的、建有監(jiān)測系統(tǒng)并開展日常監(jiān)測工作的大壩。

3 注冊(備案)大壩監(jiān)測系統(tǒng)基本情況

3.1 監(jiān)測項目和測點統(tǒng)計

統(tǒng)計的601座注冊、備案大壩中，采用監(jiān)測自動化的有381座，占63%(不計僅環(huán)境量采用自動化監(jiān)測的)。按工程等別分，一等、二等、三等、四等工程實現(xiàn)自動化監(jiān)測的比例分別為96%(109/113)、72%(132/183)、47%(140/299)、0(0/6)。

大壩安全監(jiān)測項目通常分為變形、滲流、內(nèi)觀、環(huán)境量和其他(包括邊坡、堵頭等部位的監(jiān)測及強震監(jiān)測等)五大類，各類監(jiān)測項目設(shè)置及實現(xiàn)自動化觀測的比例統(tǒng)計見圖1。在601座大壩中，開展變形監(jiān)測的有601座(100%)、滲流581座(97%)、內(nèi)觀418座(70%)、環(huán)境量581座(97%)、其他項目168座(28%)，可知所有大壩均開展了變形監(jiān)測；各項監(jiān)測項目實現(xiàn)自動化的分別有變形308座(51%)、滲流358座(60%)、內(nèi)觀263座(44%)、環(huán)境量344座(57%)、其他項目87座(14%)。其中116座土石壩中，大壩外部變形實現(xiàn)自動化的有25座，占22%。

圖1 各類監(jiān)測項目設(shè)置及實現(xiàn)自動化觀測情況統(tǒng)計

測點總數(shù)最多的為三峽大壩14 341個，其次為溪洛渡拱壩9 015個、小灣拱壩8 408個，平均為521個(若各扣除5座最多和最少的電站，平均為449個)。在實現(xiàn)自動化監(jiān)測的381座大壩中，自動化測點最多的為拉西瓦拱壩8 220個，其次為溪洛渡拱壩7 793個、小灣拱壩6 784個，平均為453個(若各扣除5座最多和最少的電站，平均為371個)。

按工程等別和測點類型進行分類，統(tǒng)計結(jié)果見圖2。由圖2可知，工程等別越高，監(jiān)測系統(tǒng)測點總數(shù)和自動化測點數(shù)也越多，每提高一個等別，平均測點數(shù)量增加2～3倍，這反映了監(jiān)測系統(tǒng)的規(guī)模與大壩的規(guī)模相匹配。

圖2 各工程等別的測點平均數(shù)量對比

從統(tǒng)計結(jié)果看，總測點完好率平均為92%，低于60%的有11座。自動化系統(tǒng)測點完好率平均為92%。按測點類型進行分類，統(tǒng)計結(jié)果見圖3。變形類和環(huán)境量測點易于維護，因此完好率相對較高，在96%左右。內(nèi)觀類儀器的總體和自動化完好率相對較低，分別為85%和91%，主要受儀器使用壽命限制，長期運行后故障率升高，且屬于埋入式儀器，損壞基本無法恢復(fù)。

圖3 各類型的測點完好率對比

3.2 大壩安全監(jiān)測信息管理系統(tǒng)

統(tǒng)計表明，84%的大壩采用專業(yè)信息管理系統(tǒng)進行監(jiān)測資料整編；16%大壩無專業(yè)的信息管理系統(tǒng)，采用Excel電子表格軟件進行監(jiān)測數(shù)據(jù)整理整編。大壩安全監(jiān)測信息管理系統(tǒng)數(shù)量區(qū)間分布情況見圖4。在使用專業(yè)大壩安全信息管理系統(tǒng)的大壩中，采用iDam信息管理系統(tǒng)占51%，采用南瑞信息管理系統(tǒng)占36%，采用南自系統(tǒng)占5%，采用木聯(lián)能系統(tǒng)占3%，其他信息管理系統(tǒng)占5%。大壩安全信息管理系統(tǒng)具備在線監(jiān)測功能占60%。

圖4 大壩安全監(jiān)測信息管理系統(tǒng)使用情況統(tǒng)計

4 注冊(備案)大壩監(jiān)測工作開展情況

4.1 監(jiān)測系統(tǒng)運行管理

監(jiān)測管理辦法第十二條規(guī)定：“大壩投入運行后，監(jiān)測系統(tǒng)的運行管理由電力企業(yè)負責(zé)”[2]。根據(jù)運行單位年報，目前，大壩監(jiān)測系統(tǒng)投入運行后，監(jiān)測系統(tǒng)的運行管理由運行單位負責(zé)的共計579座，占96%；目前工程仍在施工期，監(jiān)測系統(tǒng)的運行管理由建設(shè)單位負責(zé)的共計22座，占4%。

4.2 大壩安全監(jiān)測管理制度和技術(shù)規(guī)程

監(jiān)測管理辦法第十三條規(guī)定：“電力企業(yè)應(yīng)當(dāng)制定大壩安全監(jiān)測管理制度和技術(shù)規(guī)程，建立運行期大壩安全監(jiān)測技術(shù)檔案”[2]。

根據(jù)運行單位年報，絕大多數(shù)電力企業(yè)制定了大壩安全監(jiān)測管理制度和技術(shù)規(guī)程。統(tǒng)計的601座注冊、備案大壩中，591座大壩制定了大壩安全監(jiān)測管理制度，占98%，10座大壩未制定；597座大壩制定了大壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)程，占99%，4座大壩未制定。3座大壩安全監(jiān)測管理制度和技術(shù)規(guī)程均未制定。

4.3 監(jiān)測實施單位與人員數(shù)量

從事大壩安全監(jiān)測人員數(shù)量平均為7人，人數(shù)最多的為三峽大壩85人。

按工程等別進行分類，工程等別越高，監(jiān)測人員數(shù)量一般也越多，一等、二等、三等、四等工程平均監(jiān)測人員數(shù)量依次為12、6、5、5。

根據(jù)監(jiān)測人員數(shù)量分布進行劃分，監(jiān)測人員數(shù)量主要分布在3～10人之間，大壩合計445座，占74%；監(jiān)測人員數(shù)量在2人以下的大壩合計76座，占13%；監(jiān)測人員數(shù)量僅有1人的大壩合計14座，占2%；僅有12座(2%)大壩的監(jiān)測人員數(shù)量超過了20人。

按監(jiān)測工作實施單位進行劃分，由運行單位自行承擔(dān)監(jiān)測工作的大壩有314座，占52%；由主管單位專業(yè)部門或下屬公司承擔(dān)監(jiān)測工作的大壩有57座，占10%；由外委第三方技術(shù)單位承擔(dān)監(jiān)測工作的大壩有230座，占38%。

4.4 監(jiān)測及巡視檢查工作開展情況

監(jiān)測管理辦法第十四條規(guī)定：“電力企業(yè)應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照有關(guān)要求開展監(jiān)測工作，不得擅自減少監(jiān)測的項目、測點、測次和期限。當(dāng)發(fā)生地震、大洪水、庫水位驟升驟降、庫水位低于死水位或者其它可能影響大壩安全的異常情況時，電力企業(yè)應(yīng)當(dāng)加強巡視檢查，增加監(jiān)測頻次(必要時增加監(jiān)測項目)，及時分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，評判大壩運行狀態(tài)”[2]。

根據(jù)運行單位年報，注冊、備案大壩中，2020年度發(fā)生地震、大洪水、庫水位驟升驟降、庫水位低于死水位或者其他可能影響大壩安全的情況的有157座，占26%，其中155座大壩按要求加強了巡視檢查、增加監(jiān)測頻次并及時分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，2座大壩未開展相關(guān)工作。

注冊、備案大壩均開展了日常巡視檢查工作，巡視檢查頻次總體按規(guī)范要求執(zhí)行，頻次為1次/月、2次/月、1次/旬和1次/周及以上的大壩數(shù)量依次為263座(44%)、104座(17%)、41座(7%)和193座(32%)。

按日常巡視檢查記錄的方式劃分，目前556座大壩采用現(xiàn)場手寫紙質(zhì)記錄，占93%；19座大壩采用PDA手持終端掃描記錄，占3%；26座大壩采用智能手機等便攜式智能設(shè)備掃描記錄，占4%?？梢娙粘Ｑ惨暀z查記錄仍以手寫紙記的“傳統(tǒng)”方式為主，采用PDA手持終端、手機等便攜式智能設(shè)備，實現(xiàn)巡視信息結(jié)構(gòu)化和成果信息化的大壩比例較低，僅占7%。

4.5 監(jiān)測資料整編

監(jiān)測管理辦法第十七條規(guī)定：“電力企業(yè)應(yīng)當(dāng)于每年三月底前完成上一年度監(jiān)測資料的整編分析。年度整編分析應(yīng)當(dāng)突出趨勢性分析和異?，F(xiàn)象診斷，并且應(yīng)當(dāng)結(jié)合工程情況和特點，針對存在的問題進行綜合分析”[2]。

根據(jù)運行單位年報，590座大壩開展了2019年度監(jiān)測資料整編工作，占98%，其中585座已按時完成歸檔，5座大壩尚未歸檔；11座大壩未開展年度監(jiān)測資料整編工作，占2%。

從日常監(jiān)測資料整編周期來看，整編周期為周、月、年的大壩數(shù)量依次為25座(4%)、394座(66%)、173座(29%)，開展周度和月度資料整編的大壩合占70%，9座大壩未開展監(jiān)測資料日常整編，占2%。

4.6 監(jiān)測儀器校驗

監(jiān)測管理辦法第十八條規(guī)定：“電力企業(yè)應(yīng)當(dāng)加強監(jiān)測系統(tǒng)的日常巡查、年度詳查和定期檢查，定期對監(jiān)測儀器設(shè)備進行校驗，發(fā)現(xiàn)問題及時處理”[2]。

根據(jù)運行單位年報，2020年度，560座大壩按要求對監(jiān)測儀器設(shè)備進行了校驗、檢定工作，占93%；41座大壩未開展監(jiān)測儀器設(shè)備校驗、檢定工作，占7%。

根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，目前實施監(jiān)測自動化的381座大壩中，2020年度開展監(jiān)測系統(tǒng)化系統(tǒng)人工比測的大壩有331座，占87%；未開展的大壩有50座，占13%。

4.7 監(jiān)測系統(tǒng)更新維護改造

根據(jù)運行單位年報，本年度共有133座大壩進行了監(jiān)測系統(tǒng)的更新和維護，其中80座大壩進行了監(jiān)測系統(tǒng)更新改造專項設(shè)計，占60%。

按更新改造的監(jiān)測項目進行分類，34座大壩對變形監(jiān)測設(shè)施進行了更新維護，工作內(nèi)容包括增加外觀點或工作基點、對變形監(jiān)測儀器設(shè)備進行維護或更換等；30座大壩對滲流監(jiān)測設(shè)施進行了更新維護，工作內(nèi)容包括測壓管(水位孔)鉆孔、掃孔、更換滲壓計或壓力表、安裝或改造量水堰等；5座大壩對監(jiān)測系統(tǒng)進行了整體改造；38座大壩進行了監(jiān)測自動化系統(tǒng)相關(guān)的更新改造；15座大壩對監(jiān)測信息管理系統(tǒng)和報送軟件進行了改造；7座大壩進行了環(huán)境量監(jiān)測設(shè)施的更新改造；4座大壩進行了其他方面的維護改造。

5 注冊(備案)大壩監(jiān)測系統(tǒng)運行和信息報送情況

5.1 大壩安全監(jiān)測信息報送情況

根據(jù)《水電站大壩運行安全信息報送辦法》(國能安全〔2016〕261號)的要求[4]，電力企業(yè)應(yīng)向大壩中心報送大壩安全監(jiān)測信息，包括大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)和巡視檢查信息。截至2021年2月底，大壩中心累計已完成598座大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)的接入工作。大壩運行安全監(jiān)管信息系統(tǒng)共接入報送測點83 603個，其中正常報送測點77 938個，正在維護改造測點1 064個，已損壞測點4 704個；注冊(備案)大壩已累計向大壩中心報送大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)10.3億多條。

大壩監(jiān)測系統(tǒng)運行(報送)情況總體良好，2020年報送大壩數(shù)據(jù)總?cè)笔蕿?%。數(shù)據(jù)缺失率基本呈逐年減小趨勢，2020年度報送大壩數(shù)據(jù)總?cè)笔氏啾?019年降低了3%。

2020年度報送數(shù)據(jù)及時性分布情況見圖5，報送數(shù)據(jù)缺失率主要分布在30%以內(nèi)，大壩合計578座，占97.1%，大壩比例相比2019年度提高了3.6%，其中缺失率小于10%的大壩合計440座，占73.9%，大壩比例相對2019年度提高了11.8%；報送數(shù)據(jù)缺失率超過30%的大壩合計17座，占2.9%，大壩比例相比2019年度降低了3.6%。

圖5 報送數(shù)據(jù)及時性分布情況統(tǒng)計

2020年底大壩中心啟用網(wǎng)絡(luò)方式報送巡檢信息。截至2021年2月底，目前已有611座大壩按照要求報送了巡視檢查信息。

根據(jù)601座注冊和備案大壩安全信息報送問題自查，597座(99%)大壩安全信息報送設(shè)置了專人負責(zé)，4座大壩未設(shè)置專人負責(zé)大壩安全信息報送。有124座(21%)大壩自評信息報送存在問題。經(jīng)分析統(tǒng)計主要有以下幾個方面：①大壩安全信息報送未實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自動報送。特別是部分大壩水情數(shù)據(jù)與報送系統(tǒng)不連通，需要人工數(shù)據(jù)收集后報送。②監(jiān)測儀器故障或儀器損壞。部分大壩監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備老化，故障率較高，設(shè)備廠家維護不及時，導(dǎo)致數(shù)據(jù)報送有缺失。③網(wǎng)絡(luò)安全問題或不穩(wěn)定。部分大壩網(wǎng)絡(luò)因安全問題時有限制，部分大壩傳輸網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定。④大壩信息管理系統(tǒng)或報送系統(tǒng)不穩(wěn)定。部分大壩信息管理系統(tǒng)或報送軟件穩(wěn)定性較差，時有故障；數(shù)據(jù)采集端與數(shù)據(jù)報送端之間傳輸層級太多，可靠性不高；信息報送軟件配置存在問題等。⑤信息報送管理制度不完善，人員專業(yè)能力不強。部分大壩信息報送制度不完善，導(dǎo)致人員交接、出差期間無法保證信息報送相關(guān)工作；部分大壩人員不熟悉信息報送要求及工作流程等。⑥監(jiān)測系統(tǒng)更新改造、儀器送檢等。

5.2 大壩安全監(jiān)測信息可靠性

利用新一代人工智能技術(shù)，2020年大壩中心將監(jiān)測數(shù)據(jù)智能清洗技術(shù)引入到大壩安全數(shù)據(jù)分析中，相較傳統(tǒng)人工甄別的方法效率得到顯著提高。2020年共處理大壩總數(shù)613座，處理報送數(shù)據(jù)20 639 329條，甄別無效數(shù)據(jù)291 113條(1.4%)。

2020年度報送數(shù)據(jù)可靠性分布情況見圖6。報送數(shù)據(jù)為無效值主要原因有：①報送數(shù)據(jù)可靠性較差；②監(jiān)測方法或儀器調(diào)整后，報送測值未進行及時調(diào)整和修正。

圖6 2020年報送數(shù)據(jù)可靠性分布情況統(tǒng)計

6 需要改進的工作

(1)完善大壩安全監(jiān)測管理制度和技術(shù)規(guī)程體系。建立健全大壩安全監(jiān)測管理制度和技術(shù)規(guī)程體系，是保證大壩安全監(jiān)測工作開展的基礎(chǔ)，從運行單位年報看，有10座大壩尚未制定大壩安全監(jiān)測管理制度，4座大壩尚未制定大壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)程，其中3座大壩安全監(jiān)測管理制度和技術(shù)規(guī)程均未制定。

(2)進一步規(guī)范日常監(jiān)測、巡視檢查及監(jiān)測資料整編。運行單位總體能按要求開展日常監(jiān)測工作，但仍存在部分大壩年度資料整編未開展、儀表未按規(guī)定檢查或送檢、發(fā)生特殊工況時未加密觀測、監(jiān)測自動化人工比測工作不到位等問題。

(3)持續(xù)加強監(jiān)測系統(tǒng)維護和更新改造。根據(jù)運行單位年報，測點總體完好率平均為92%，監(jiān)測系統(tǒng)運行情況總體較好。但部分大壩監(jiān)測系統(tǒng)測點完好率偏低，有5座大壩的變形測點完好率低于60%，26座大壩的滲流測點完好率低于60%，部分大壩監(jiān)測系統(tǒng)更新維護工作進展緩慢，監(jiān)測系統(tǒng)維護不及時，影響大壩安全監(jiān)測工作開展和安全監(jiān)控。

(4)強化監(jiān)測技術(shù)及管理工作專業(yè)知識和管理能力。從事大壩安全監(jiān)測人員數(shù)量平均為7人，人員數(shù)量分布在3～10人之間的大壩占73%，人員數(shù)量總體滿足大壩安全管理的要求，但人員數(shù)量在2人以下的大壩占13%，其中人員數(shù)量僅有1人的大壩占2.3%。從實際監(jiān)測工作開展情況來看，部分大壩監(jiān)測技術(shù)及管理工作人員配備不足，技術(shù)力量薄弱，管理成效偏低。

(5)切實貫徹落實大壩安全和監(jiān)測工作相關(guān)法規(guī)的要求。運行單位總體能按照《水電站大壩運行安全信息報送辦法》(國能安全〔2016〕261號)的要求開展信息報送工作。但從實際報送數(shù)據(jù)考核情況來看，2020年度大壩報送數(shù)據(jù)缺失率超過30%的有16座，部分大壩信息報送缺報問題仍然突出。

(6)大壩安全監(jiān)測新技術(shù)運用需進一步加強。目前，云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新技術(shù)逐漸成熟，大壩安全感知技術(shù)如高精度北斗外部變形監(jiān)測、無人機航測、智能巡檢等信息化程度越來越高，利用新技術(shù)對大壩安全監(jiān)測、巡視檢查等技術(shù)革新，提高大壩安全管理水平的需求也越來越強烈，但從行業(yè)新技術(shù)調(diào)查來看，土石壩外部變形實現(xiàn)自動化的僅占22%，注冊備案大壩中實現(xiàn)巡檢成果信息化的大壩比例僅為7%，大壩安全監(jiān)測新技術(shù)運用水平仍有較大提升空間。