小型水庫安全信息感知及預(yù)警技術(shù)

章麗娟，龐 紅，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(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9.8 萬余座，其中7.5 萬多座是庫容100 萬m3以下的?。?）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(chǔ)設(shè)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(zhì)量較差，運行維修養(yǎng)護經(jīng)費投入不足，管理待完善。據(jù)統(tǒng)計，我國小型水庫平均病險比例高達53.3%[1]，目前仍有數(shù)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(gòu)缺失、管護人員不到位等問題。隨著經(jīng)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，充分利用傳感器、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，構(gòu)建小型水庫群安全風(fēng)險感知和預(yù)警平臺已具備可行性。

文獻［2］以某小型水電站系統(tǒng)改造為背景，設(shè)計并實現(xiàn)一個基于J2EE 平臺的大壩遠程、實時監(jiān)測系統(tǒng)。文獻［3］針對中小型水庫土壩特點，在分析傳統(tǒng)大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)局限性的基礎(chǔ)上，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊、電源自動管理、遠距離傳送、軟件系統(tǒng)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(shù)字系統(tǒng)。文獻［4］首先針對傳統(tǒng)大壩監(jiān)測系統(tǒng)的缺陷進行改進,從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊、電源自動管理技術(shù)、遠距離傳送、軟件系統(tǒng)幾個方面對傳統(tǒng)大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)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(tǒng)”。文獻［5］給出了一種簡易水庫大壩風(fēng)險等級評估方法并在實際工程中加以應(yīng)用。

上述研究都是針對單一水庫進行或是從管理模式上對小型水庫進行研究。文中將在分析小型水庫安全風(fēng)險的基礎(chǔ)上，對建立小型水庫群風(fēng)險感知及預(yù)警平臺進行研究。

1 小型水庫現(xiàn)狀及其安全風(fēng)險

我國小型水庫具有數(shù)量多、監(jiān)測設(shè)施不完善、運行管理技術(shù)理量不夠、維修養(yǎng)護經(jīng)費不到位等問題，為降低小型水庫失事概論，有必要將現(xiàn)在小型水庫監(jiān)測設(shè)施10%的比例向上提高。但由于小型水庫數(shù)量多、經(jīng)費有效，因此有必要根據(jù)具體水庫的特點有針對性地布置安全監(jiān)測設(shè)施。從目前小型水庫安全監(jiān)測來看，總是將安全監(jiān)測理解為變形、滲流監(jiān)測，實際上安全監(jiān)測有必要根據(jù)失事情況進行拓展，把引起小型水庫失事的各類重要因素和響應(yīng)納入監(jiān)測范圍，為此有必要首先對小型水庫失事成因進行總結(jié)。

1954年迄今全國潰壩3500 多座，其中絕大多數(shù)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水庫、英德爾水庫、茶山坑水庫都是由于連降特大暴雨，降雨量超過設(shè)計標準，從而導(dǎo)致漫頂?shù)仁鹿拾l(fā)生。

2）材料結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(shè)施或反應(yīng)不及時引起。

2 安全監(jiān)測預(yù)警的基礎(chǔ)工作

2.1 水庫安全風(fēng)險分析

每座水庫由于其地理位置、水文地質(zhì)條件、氣候氣象條件、下游發(fā)展等各不相同，因此起失事模式、失事路徑、失事后果各不相同，進行小型水庫的安全風(fēng)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(shè)計水庫安全風(fēng)險感知網(wǎng)絡(luò)。

2.2 水庫分類排序

2.2.1 根據(jù)風(fēng)險源種類進行分類

根據(jù)可能引起水庫安全失事的原因及其后果不同，將風(fēng)險源分成賦存環(huán)境風(fēng)險、材料結(jié)構(gòu)滲流風(fēng)險、運行監(jiān)管風(fēng)險三大類。三類風(fēng)險源各有其特色，其感知網(wǎng)絡(luò)與預(yù)警體系也存在明顯的不同。對于賦存環(huán)境風(fēng)險，可以充分利用或結(jié)合“暴雨風(fēng)險圖”“中國地震區(qū)劃”“洪水風(fēng)險圖”“滑坡泥石流風(fēng)險圖”和“臺風(fēng)路徑圖”等已有研究成果進行。

2.2.2 根據(jù)風(fēng)險大小進行排序

小型水庫數(shù)量多，風(fēng)險大小差異大，考慮到經(jīng)費等限制有必要在調(diào)查統(tǒng)計的基礎(chǔ)上參考文獻［5］等的做法進行風(fēng)險評估，既考慮到整個水庫失事的概率也考慮到失事后的損失。根據(jù)風(fēng)險大小進行排序分類，根據(jù)風(fēng)險大小確定信息感知網(wǎng)絡(luò)的投入，包括監(jiān)測/檢測項目、測點數(shù)量、儀器類型、冗余備份、軟件配置等。

3 信息感知

3.1 感知方式

3.1.1 巡視檢查及遙感

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

3.1.2 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(guān)鍵部位的環(huán)境輸入、結(jié)構(gòu)響應(yīng)以及人為操作等實施有效監(jiān)測。

3.1.3 儀器監(jiān)測

儀器監(jiān)測應(yīng)根據(jù)工程敏感輸入或響應(yīng)確定，無需要像大中型水庫一樣面面俱到。為延長預(yù)報期，對于氣象、臺風(fēng)、暴雨等信息可以充分利用氣象等部門的前期預(yù)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(guān)部門的監(jiān)測數(shù)據(jù)，避免不必要的重復(fù)建設(shè)。

3.1.4 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(jié)構(gòu)、鋼筋銹蝕情況和金屬結(jié)構(gòu)進行檢測，可以有效獲取工程隱患的重要信息，從而為實現(xiàn)工程安全動態(tài)預(yù)警提供依據(jù)。

3.2 感知要素

3.2.1 賦存環(huán)境

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

水文地質(zhì)風(fēng)險需要根據(jù)入庫水量組成和路徑、地質(zhì)災(zāi)害形式等進行感知項目設(shè)置。

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

3.2.2 材料結(jié)構(gòu)滲流效應(yīng)

監(jiān)測部位和項目包括大壩壩身變形和滲流狀態(tài)、泄洪閘門變形以及啟閉設(shè)施可靠性參數(shù)、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(shè)置上述項目和測點要根據(jù)工程風(fēng)險和敏感度大小及其之間的關(guān)系進行。

3.2.3 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(fēng)險高低的重要因素，充分利用圖像采集、數(shù)據(jù)上傳、培訓(xùn)考核、現(xiàn)場督查、網(wǎng)上答題等手段和方法可以有效感知運行監(jiān)管風(fēng)險要素。運行監(jiān)管風(fēng)險感知的要素包括法律、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；相關(guān)制度的針對性、可操作性和完備性；責(zé)任落實的具體性、明確性和匹配性；分工協(xié)作的協(xié)調(diào)性、完備性和可靠性；人員、設(shè)備、設(shè)施和經(jīng)費的保障性；獎懲措施的有效性等幾個方面。

3.3 感知網(wǎng)絡(luò)

整體網(wǎng)絡(luò)要實現(xiàn)水庫管理單位、主管部門、監(jiān)督單位、技術(shù)專家與支撐單位、水利行政主管部門、應(yīng)急部門以及相應(yīng)政府部門的實時連接，支持移動查詢和關(guān)鍵信息推送的云平臺網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)風(fēng)險級別的大小采取相應(yīng)的應(yīng)急響應(yīng)機制，重要信息采用多路推送關(guān)鍵設(shè)備備份措施，確保惡劣或關(guān)鍵時候信息保送和系統(tǒng)運行正常、及時，同時在水庫風(fēng)險區(qū)建立基于移動短信、微信、廣播等應(yīng)急信息發(fā)布和疏散路徑引導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，最大限度實現(xiàn)提前預(yù)報和最大限度地減少災(zāi)害損失。

3.3.1 電源設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)電源供應(yīng)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(shè)計中，將根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模、通信方式、距離管理處遠近、設(shè)備安全情況和當?shù)厥须?、日照時間等情況確定。

3.3.2 通訊設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)情況，一般系統(tǒng)通訊包括兩個層次，即現(xiàn)場信息感知網(wǎng)絡(luò)通訊和上一級雙向通訊?，F(xiàn)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(wǎng)（GPRS、4G）、衛(wèi)星、光纖等。為確保系統(tǒng)穩(wěn)定性，在關(guān)鍵鏈路采用必要的備用措施。

4 預(yù)警指標體系

4.1 賦存環(huán)境

根據(jù)具體水庫在環(huán)境因素作用下漫頂、超泄量、滑坡等對應(yīng)的輸入因素的強度或等級，具體包括臺風(fēng)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。

4.2 材料及結(jié)構(gòu)響應(yīng)

4.2.1 擋水及泄洪建筑物

根據(jù)建筑物極限承載力所對應(yīng)具體包括響應(yīng)量及其時間變化速率（或空間梯度，如不均勻系數(shù)）等的臨界值。

4.2.2 金屬結(jié)構(gòu)與機電設(shè)施

金屬結(jié)構(gòu)的強度和穩(wěn)定性、機電設(shè)施的可靠性等對應(yīng)的變形分布、應(yīng)力分布、輸出電磁特征等所對應(yīng)的特性或功能突變都可以得到對應(yīng)的預(yù)警指標。

4.3 運行監(jiān)管風(fēng)險

4.3.1 管理體系

依據(jù)相關(guān)法規(guī)、規(guī)章和部門文件設(shè)置相應(yīng)閾值，采取分級預(yù)警。如“三個責(zé)任人”“三個重點環(huán)節(jié)”等落實情況。

4.3.2 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、可靠性等方面設(shè)置預(yù)警指標。

5 結(jié)論與建議

小型水庫群具有水庫數(shù)量多、安全狀況差異大、交通不便、技術(shù)人員匱乏等特點，因此有必要建設(shè)相應(yīng)得水庫感知和預(yù)警平臺，實現(xiàn)小型水庫群的集中管理，充分發(fā)揮技術(shù)、人才和經(jīng)費優(yōu)勢。