北斗云智能監(jiān)測技術(shù)在建新水庫的應(yīng)用

黃院生，黃若迪

（1.福建省水利管理中心，350001，福州；2.中化明達（福建）地質(zhì)勘測有限公司，350001，福州）

對水工建筑物的監(jiān)測，既包括對水工建筑物固定測點按一定頻次進行的儀器觀測，也包括對水工建筑物外表及內(nèi)部定期或不定期的直觀檢查和儀器探查。 根據(jù)國務(wù)院《水庫大壩安全管理條例》， 以及水利水電工程安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范等要求， 水庫大壩必須開展安全監(jiān)測。 大壩監(jiān)測是通過儀器觀測和巡視檢查等手段， 對大壩工程主要結(jié)構(gòu)及相關(guān)設(shè)施等進行測量及觀察， 及時取得反映大壩變化以及環(huán)境對大壩作用的各種數(shù)據(jù)， 并進行相應(yīng)資料處理等的工作， 其目的是分析估計大壩的安全程度，以便及時采取措施，確保大壩安全運行。 大壩監(jiān)測通常采用人工觀測的較多， 隨著各類監(jiān)測儀器、傳感技術(shù)的升級以及計算機、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及， 大壩監(jiān)測正在向自動化、智能化發(fā)展。 智能監(jiān)測是大壩監(jiān)測的發(fā)展方向。

一、北斗云智能監(jiān)測技術(shù)

北斗云智能監(jiān)測技術(shù)可通過衛(wèi)星、水位傳感器、雨量傳感器等采集數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)經(jīng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)桨⒗镌品?wù)器， 并搭建由地圖服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、文件服務(wù)器等組成的各類數(shù)據(jù)交互的北斗監(jiān)測云平臺，數(shù)據(jù)經(jīng)后臺專業(yè)軟件解算、 數(shù)值分析，所得結(jié)果在網(wǎng)站、手機、電腦等終端及時發(fā)布，達到“觀測智能、預(yù)報精確”的效果。 目前北斗云智能監(jiān)測的項目有變形監(jiān)測、雨量監(jiān)測、水位監(jiān)測、裂縫監(jiān)測、視頻監(jiān)視，以及軟基監(jiān)測、山坡監(jiān)測、水質(zhì)監(jiān)測等。

二、建新水庫概況

福建省建新水庫是一座以灌溉為主，兼具防洪、發(fā)電、養(yǎng)魚等功能的中型水庫。 該水庫于1970 年12 月動工興建，1974 年 5 月樞紐工程基本建成，1977—1980 年完成保壩加固；水庫集雨面積為44.8 km2，相應(yīng)總庫容3 892 萬 m3。

建新水庫樞紐工程由大壩、溢洪道、輸水涵洞、壩后電站等組成。 大壩壩型為黏土心墻土石混合壩，壩頂高程77.79 m，防浪墻頂高程78.60 m，心墻頂高程75.26 m，最大壩高50.79 m，壩頂長度335.00 m，壩頂寬度5.00 m。水庫下游保護人口4 萬多人， 農(nóng)田3萬多畝（1 畝=1/15 hm2），以及福廈高速公路、福廈鐵路等重要基礎(chǔ)設(shè)施。

目前建新水庫的大壩監(jiān)測為人工觀測， 水平位移觀測采用視準線法，垂直位移觀測采用水準法。 壩頂下游側(cè)設(shè)觀測點一排5 個，在迎水坡74.7 m 高程和背水坡 67.0 m、57.0 m高程各布置一排觀測點， 每排5 點，共20 點。 水庫雨情觀測采用雨量斗，數(shù)據(jù)通過模擬無線信號傳輸，在大壩及水庫流域共設(shè)3 套雨情觀測設(shè)備。由于水庫管理單位缺乏技術(shù)人員，無法根據(jù)規(guī)范要求進行大壩水平位移、垂直位移觀測， 變形觀測數(shù)據(jù)缺乏，相應(yīng)的變形觀測分析不足；3 套雨量觀測設(shè)備經(jīng)過9 年運行出現(xiàn)各種問題，不能正常地發(fā)報數(shù)據(jù)。2018 年，針對水庫觀測設(shè)施存在的問題，建新水庫工程引進北斗云智能監(jiān)測技術(shù)開展大壩監(jiān)測。

三、北斗云智能監(jiān)測技術(shù)在建新水庫的應(yīng)用

1.平臺架構(gòu)

北斗云智能監(jiān)測平臺采用應(yīng)用服務(wù)器為Tomcat，與之交互的數(shù)據(jù)庫為 MySQL，平臺強大、穩(wěn)定、安全。 平臺將所監(jiān)測點位變形監(jiān)測數(shù)據(jù)和雨量、 水位等水雨情監(jiān)測數(shù)據(jù)實時上傳并加以分析處理， 然后以對應(yīng)的文字圖表、 成果判讀展示在手機或電腦終端上， 若是有任何異常則可以采取應(yīng)急措施， 同時也可以根據(jù)時間段來查詢歷史數(shù)據(jù)， 以分析大壩運行是否正常。 監(jiān)測平臺架構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 監(jiān)測平臺架構(gòu)示意圖

2.測點布置

2010 年建新水庫大壩采用低彈?；炷练罎B墻進行防滲加固，并在防滲墻上設(shè)置混凝土防浪墻，防浪墻與低彈?；炷吝B為一體。 為監(jiān)測大壩，尤其監(jiān)測低彈?；炷练罎B墻的變形情況，在防浪墻上布置北斗云智能變形監(jiān)測系統(tǒng)。 共布置5 個觀測點進行大壩水平位移、垂直位移變形觀測，樁號分別為 0+060、0+120、0+180、0+240、0+300； 另在大壩左側(cè)山體布置1 個變形觀測基點。 以上6 個觀測點采用6 個北斗云GNSS 監(jiān)測一體機進行監(jiān)測； 同時結(jié)合水雨情改造，水庫設(shè)3 套雨量觀測點、1 套水位觀測點、1 套水位雨量觀測點。大壩水平位移、垂直位移監(jiān)測設(shè)備選用市電降壓后供電，水雨情觀測設(shè)備由太陽能電池板供電。 各監(jiān)測設(shè)施均安裝防雷裝置，由接閃器、引下線和接地裝置組成，用以防御雷電攻擊。

3.功能與參數(shù)

（1）變形監(jiān)測

北斗云GNSS 監(jiān)測一體機是一種高定位精度的GNSS 設(shè)備， 具有RTK動態(tài)測量和靜態(tài)測量兩種觀測模式，功耗低， 支持芯片級多路徑抑制，可為用戶提供毫米級載波相位觀測值。監(jiān)測一體機在原生搭載分布式大數(shù)據(jù)處理算法基礎(chǔ)上進行北斗云GNSS高精度變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時采集、現(xiàn)場分布式計算與遠程傳輸，實時掌握被監(jiān)測體的瞬時形變情況， 達到對壩體瞬時形變監(jiān)測的需求。 靜態(tài)測量數(shù)據(jù)采用北斗云GNSS算法處理后可達到亞毫米級精度。 有關(guān)參數(shù)見表1。

表1 GNSS 監(jiān)測一體機設(shè)備參數(shù)表

（2）水雨情觀測

雨量傳感器為機械雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，工作原理類似于蹺蹺板：當一斗室接水時，另一斗室處于等待狀態(tài)，當所接雨水容積達到預(yù)定值時，由于重力作用自行翻倒，進入等待狀態(tài)，如此反復(fù)交替接水，有關(guān)參數(shù)見表2；水位監(jiān)測傳感器為壓力式， 精度達到0.1%、0.3%、0.5%F.S 級。 雨量、水位監(jiān)測傳感器所采集的數(shù)據(jù)通過有線傳輸至北斗云數(shù)據(jù)采集儀，再通過LoRa物聯(lián)網(wǎng)傳輸模塊無線傳輸至北斗云路由器，統(tǒng)一上傳至服務(wù)器端。

表2 雨量傳感器參數(shù)表

4.設(shè)備安裝

根據(jù)觀測需求布置測點，檢查儀器及配件是否完備。 安裝變形監(jiān)測設(shè)備時現(xiàn)場開挖一個長110 cm、 寬80 cm、深70 cm 的基坑作為基礎(chǔ)，用于安裝立柱支架和放置蓄電瓶等設(shè)備；固定立柱并在立柱支架上安裝北斗云GNSS 監(jiān)測一體機、 太陽能板及其他設(shè)備； 連接各種線路并安裝好4G天線以及LoRa 天線。

安裝雨量、 水位監(jiān)測設(shè)備時可參照變形監(jiān)測設(shè)備安裝工藝，其中水位傳感器布置在水庫水位觀測位置即可。

根據(jù)北斗云智能監(jiān)測規(guī)劃設(shè)計，建新水庫管理單位于 2018 年 10 月開始采購及定制設(shè)備，11—12 月安裝調(diào)試維護設(shè)備，并構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)、軟件平臺，2019 年 1 月設(shè)備試運行。 主要安裝設(shè)備包括GNSS 變形監(jiān)測一體機6臺、單雨量觀測站3 套、壩頭水位雨量站1 套、渠道水位站1 套以及防雷設(shè)備 11 批。

5.監(jiān)測成果分析

北斗云所有監(jiān)測成果在線自動提供，無須人工干預(yù)，任何安卓手機、電腦都可以作為操作終端。 建新水庫的觀測成果包括實時水平位移、垂直位移變形、實時雨量、實時水位等，軟件平臺可自動繪制位移量與時間關(guān)系曲線、 沉陷量與時間關(guān)系曲線，計算流域內(nèi)雨量加權(quán)平均值，以及分析實時水位與庫容關(guān)系、水位與流量關(guān)系等，自動生成監(jiān)測月報成果、監(jiān)測年報成果，并根據(jù)變形監(jiān)測成果判讀工程是否正常運行或進一步分析，達到智能監(jiān)測的目的。

根據(jù)2019 年監(jiān)測成果可知，2019年建新水庫壩頭雨量站累計年降雨量 1 465.00 mm， 年最大日降雨量81.40 mm， 年最高庫水位 68.35 m，相應(yīng)庫容2 286.37 萬m3；年最大累計位移量出現(xiàn)在#2 變形監(jiān)測點，累計位移7.115 mm； 年最大累計沉陷量出現(xiàn)在#2 變形監(jiān)測點， 累計沉陷2.701 mm。通過累計沉陷量與時間關(guān)系圖分析，沉陷曲線趨于平穩(wěn)， 且沉陷速度減緩，變形符合土石壩變形規(guī)律，綜合判讀水庫大壩運行正常。

6.應(yīng)用展望

未來將以單個壩體為監(jiān)測及分析單元，通過對降雨量、庫水位、壩體表面變形、 內(nèi)部變形、 滲漏量等各類監(jiān)測數(shù)據(jù)和曲線進行分析判定， 將同一監(jiān)測點或多個監(jiān)測點的變形速率—時間曲線和累計變形—時間曲線進行對比分析， 結(jié)合衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、 無人機影像等監(jiān)測數(shù)據(jù)， 探索壩體變形演化過程的不同因素，尤其是壩體變形、降水量、滲漏量影響和產(chǎn)生不利變化的臨界條件，確定多尺度的預(yù)警閾值，進一步研究水庫大壩北斗云監(jiān)測預(yù)警預(yù)報模型。