永?？h小型水庫雨水情測報和安全監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)

黃 俊

（廣西科源工程咨詢有限責任公司，南寧 530023）

1 項目背景

根據(jù)《廣西壯族自治區(qū)水利廳關(guān)于報送“十四五”小型水庫雨水情測報和安全監(jiān)測設(shè)施實施方案以及2021 年度實施計劃的函》（桂水函〔2021〕69號），“十四五”期間，廣西要全面完成小型水庫雨水情測報和安全監(jiān)測設(shè)施建設(shè)。根據(jù)《廣西“十四五”雨水情測報和安全監(jiān)測設(shè)施建設(shè)實施方案》要求，2022 年度永?？h要完成縣域38 座小型水庫的雨水情測報和安全監(jiān)測設(shè)施建設(shè)任務(wù)。該建設(shè)任務(wù)完成后，視頻廣播預(yù)警、雨水情站點、大壩安全監(jiān)測站點統(tǒng)一接入到自治區(qū)監(jiān)測平臺系統(tǒng)。實現(xiàn)雨情水和大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)自動接收，可遠程監(jiān)測水庫的水位、降雨量、滲流量、滲流壓力、表面變形等實時數(shù)據(jù)，為保障水庫的適度蓄水和安全運行提供準確、及時的現(xiàn)場信息，實現(xiàn)水庫的信息化管理。

2 系統(tǒng)建設(shè)目標

雨水情測報系統(tǒng)能實時采集、傳輸、接收各個水庫遙測站的雨水情信息，能現(xiàn)場實時存儲；具有數(shù)據(jù)監(jiān)測、糾錯等處理功能，建立實時、歷史雨水情數(shù)據(jù)庫，為水庫報汛、調(diào)度提供雨水情信息；能進行入庫洪水和水庫洪峰水位綜合預(yù)報；系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的無人值守，運行穩(wěn)定，具有較強的防雷、抗干擾能力；能向自治區(qū)級和縣級監(jiān)測平臺一站多發(fā)傳輸數(shù)據(jù)，共享雨水情信息。

大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)能實時掌握各個大壩的安全情況，實時采集、傳輸、接受各測點的監(jiān)測信息，能處理按指定格式儲存的數(shù)據(jù)文件；具有數(shù)據(jù)采集、計算、分析等功能；建立數(shù)據(jù)庫管理數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)繪制過程線圖、斷面浸潤線圖、數(shù)據(jù)年報表、月報表等，并以一站多發(fā)方式向自治區(qū)級和縣級監(jiān)測平臺傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)，提高水庫大壩管理水平。

3 總體設(shè)計

3.1 設(shè)施布置

大壩安全監(jiān)測包括變形監(jiān)測，滲流、滲壓自動監(jiān)測；雨水情自動監(jiān)測包括水位和雨量自動監(jiān)測。視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要是對水庫視頻監(jiān)控的信息進行管理，具有實時監(jiān)控視頻、報警問題管理、監(jiān)控視頻信息管理功能。

根據(jù)《廣西小型水庫雨水情測報和安全監(jiān)測設(shè)施建設(shè)典型設(shè)計》（以下簡稱《典型設(shè)計》），雨水情測報和安全監(jiān)測設(shè)施的布置應(yīng)按照水庫類別、壩高、壩長、壩型、控制流域面積等進行分類，提出不同類型的雨水情測報和安全監(jiān)測設(shè)備選型和技術(shù)參數(shù)，對不同等級、不同類型的水庫大壩，根據(jù)實際情況進行針對性設(shè)計。2022年，永?？h需實施的小型水庫有38座，其中?。?）型水庫12座，?。?）型水庫26座。

3.1.1 12座?。?）型水庫

（1）高峰水庫、紅沙溝水庫、老虎口水庫、落嶺水庫為常規(guī)土石壩水庫，可以參照《典型設(shè)計》，雨水情測報設(shè)施利舊使用，并新裝水尺。視頻監(jiān)控升級為在壩頂處能監(jiān)視大壩全貌及水尺、壩前水面的位置安裝1 套智能警戒視頻監(jiān)控球機，并在靠近溢洪道的位置安裝1套智能視頻監(jiān)視筒機。新增硬盤錄像機作為現(xiàn)地儲存，在合適位置安裝高音號角喇叭和室內(nèi)喊話器。青龍口水庫、七排嶺水庫、獅子口水庫、寺背水庫、正元水庫等5 座?。?）型水庫擁有副壩。這5 個水庫，主壩亦可參照《典型設(shè)計》進行設(shè)計，各設(shè)施布置與前面提到的高峰水庫、紅沙溝水庫、老虎口水庫、落嶺水庫差別不大，但副壩應(yīng)根據(jù)每個水庫副壩實際情況進行考慮。①青龍口水庫副壩最大壩高3.5 m，考慮壩高及對下游實際影響等因素，不設(shè)置大壩安全監(jiān)測；青龍口水庫集雨面積26.2 km2，根據(jù)《典型設(shè)計》應(yīng)在副壩處增加1套雨水情測報設(shè)施及視頻監(jiān)控。②七排嶺水庫有兩個副壩，最大壩高分別為12.50、10.55 m，規(guī)模較大，應(yīng)同樣設(shè)置大壩安全監(jiān)測，采用量水堰進行滲流量監(jiān)測，布置2～3個監(jiān)測橫斷面進行滲流壓力監(jiān)測，每個斷面設(shè)置2～3 個監(jiān)測點，每個監(jiān)測點在測壓管中安裝滲壓計，實現(xiàn)自動滲壓監(jiān)測，采用GNSS方式進行表面變形自動監(jiān)測。兩個副壩首尾相連，只需新增1 套智能警戒視頻監(jiān)控球機，安裝于兩個副壩相連處即可實現(xiàn)兩個副壩的視頻監(jiān)控。③獅子口水庫副壩最大壩高13.00 m，比主壩還高0.70 m，規(guī)模較大，應(yīng)同樣設(shè)置滲流、滲壓和GNSS方式變形自動監(jiān)測，在副壩壩頂合適位置安裝1 套智能警戒視頻監(jiān)控球機實現(xiàn)視頻監(jiān)控。④寺背水庫的副壩與主壩相連，副壩壩高規(guī)模與主壩相同，大壩安全監(jiān)測配置與主壩相同，但因主副壩壩長均超過120 m，規(guī)模較大，故副壩處增加1套智能警戒視頻監(jiān)控球機。⑤正元水庫副壩最大壩高18.00 m，規(guī)模較大，應(yīng)同樣設(shè)置滲流、滲壓監(jiān)測和采用人工觀測方式進行表面變形監(jiān)測，在副壩壩頂合適的位置安裝1 套智能警戒視頻監(jiān)控球機實現(xiàn)視頻監(jiān)控。

（2）九塔水庫和思磨江水庫大壩分別為拱壩和混凝土面板堆石壩。參照《典型設(shè)計》，雨水情測報設(shè)施利舊使用，并新裝水尺。視頻監(jiān)控升級為在放水塔處能監(jiān)視大壩全貌及水尺、壩前水面的位置安裝1 套智能警戒視頻監(jiān)控球機，并在靠近溢洪道的位置安裝1套智能視頻監(jiān)視筒機。新增硬盤錄像機作為現(xiàn)地儲存。新增高音號角喇叭和室內(nèi)喊話器作為警報對講廣播設(shè)備安裝于合適的位置。大壩安全監(jiān)測方面，由于兩大壩壩體均未設(shè)廊道，均不裝設(shè)滲流壓力監(jiān)測，思磨江水庫設(shè)置有集滲溝，裝設(shè)滲流量監(jiān)測，而九塔水庫沒有集滲溝，不裝設(shè)滲流量監(jiān)測。兩個水庫采用GNSS方式進行表面變形自動監(jiān)測。

（3）低塘弄水庫較為特殊，雖為?。?）型水庫，但水庫最大壩高僅4.68 m，且大壩無排水棱體和集滲溝，考慮該水庫運行實際情況，僅完善雨水情測報和視頻監(jiān)控、警報對講廣播設(shè)備等，采用人工觀測方式進行表面變形監(jiān)測。

3.1.2 26座?。?）型水庫

草勁頭水庫、老山水庫、紅旗水庫、三五水庫、楊家廠水庫5座水庫為壩高超過15 m的小（2）型土石壩水庫，可以參照《典型設(shè)計》，雨水情測報設(shè)施利舊使用，并新裝水尺。視頻監(jiān)控升級為在壩頂處能監(jiān)視大壩全貌及水尺、壩前水面的位置安裝1 套智能警戒視頻監(jiān)控球機，新增硬盤錄像機作為現(xiàn)地儲存。在合適位置安裝高音號角喇叭和室內(nèi)喊話器。采用量水堰進行滲流量監(jiān)測，布置2～3 個監(jiān)測橫斷面進行滲流壓力監(jiān)測，每個斷面設(shè)置2～3 個監(jiān)測點，每個監(jiān)測點在測壓管中安裝滲壓計，實現(xiàn)自動滲壓監(jiān)測，采用GNSS 方式進行表面變形自動監(jiān)測。大壩安全監(jiān)測包括采用量水堰進行滲流量監(jiān)測，滲流壓力監(jiān)測則通過布置1個監(jiān)測橫斷面，每個斷面設(shè)置2～3 個監(jiān)測點，每個監(jiān)測點在測壓管中安裝滲壓計，實現(xiàn)自動滲壓監(jiān)測。采用人工觀測方式進行表面變形監(jiān)測。其余21座?。?）型水庫壩高均不超過15 m，根據(jù)項目資金安排并參照《典型設(shè)計》，這21座?。?）型水庫僅完善雨水情測報和視頻監(jiān)控、警報對講廣播設(shè)備等，考慮壩高及對下游實際影響等因素，不設(shè)置大壩安全監(jiān)測。

3.2 數(shù)據(jù)采集與傳輸

水庫現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用分層分布式結(jié)構(gòu)。各種數(shù)據(jù)采集主要通過采集終端RTU和MCU實現(xiàn)。雨量計、水位計、預(yù)警廣播、視頻監(jiān)控等數(shù)據(jù)通過無線局域網(wǎng)或通信電纜上傳至RTU，再由RTU 實現(xiàn)自動聯(lián)動控制、監(jiān)測與數(shù)據(jù)上傳。滲壓計、滲流量計等數(shù)據(jù)通過通信電纜上傳至MCU，并由MCU 進行數(shù)據(jù)解算，并將處理后的數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)，實現(xiàn)大壩安全自動監(jiān)測。

RTU和MCU的監(jiān)測數(shù)據(jù)采用一站多發(fā)方式，同時往自治區(qū)和縣級分中心傳輸數(shù)據(jù)，傳輸方式應(yīng)根據(jù)水庫所在地現(xiàn)有的通信條件進行選擇。根據(jù)建設(shè)單位要求，永?？h的小（1）型水庫應(yīng)盡可能實現(xiàn)水庫實時視頻監(jiān)控，考慮實時視頻產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流量較大，有條件部署寬帶網(wǎng)絡(luò)的?。?）型水庫均新裝電信專網(wǎng)寬帶供雨水情測報與大壩安全監(jiān)測共同使用，上傳遙測數(shù)據(jù)，每個水庫主要配置1臺寬帶路由器、1臺串口服務(wù)器等通信設(shè)備，通信線配置1套信號浪涌保護器防止外部過電壓侵入。對于九塔水庫和低塘弄水庫，經(jīng)過與當?shù)剡\營商溝通，確認由于水庫地理位置問題，如需新裝電信專網(wǎng)寬帶，費用過高?？紤]節(jié)省投資費用，九塔水庫、低塘弄水庫與26座小（2）型水庫均采用移動網(wǎng)絡(luò)上傳遙測數(shù)據(jù)，每座水庫配置1臺全網(wǎng)通4G DTU（兼容3G網(wǎng)絡(luò)通信），DTU 支持路由器功能，具有RS-232/485/422 等通用總線接口，可同時接入雨水情自動測報系統(tǒng)和大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)傳輸，DTU可方便地將現(xiàn)場采集裝置通過3G/4G無線通信網(wǎng)絡(luò)連接到網(wǎng)絡(luò)，并配置1 套信號浪涌保護器防止外部過電壓侵入。

3.3 供電系統(tǒng)

附近有穩(wěn)定市電的水庫均采用就近拉接AC220V 市電電源供電，電源進線配置信號專用浪涌保護設(shè)備。根據(jù)該原則，結(jié)合實際情況，永?？h所有?。?）型水庫，以及草勁頭水庫、老山水庫、紅旗水庫、三五水庫、楊家廠水庫、東風水庫、低塘水庫、屯都水庫、矮山水庫、塘坊水庫、拉懷水庫11 座小（2）型水庫均采用市電電源供電，線路采用架空線路或電纜埋地，長度和導(dǎo)體截面需根據(jù)現(xiàn)場情況確定。每個水庫再配置1 套UPS 不間斷電源系統(tǒng)，該電源系統(tǒng)能保證斷電3 d以上仍能正常供電。其他?。?）型水庫現(xiàn)場因距離所在村落太遠，接入市電費用過高，且測控設(shè)備相對較少，故采用太陽能供電系統(tǒng)，配置太陽能板和相應(yīng)蓄電池用于現(xiàn)場測控設(shè)備供電。根據(jù)各水庫實際安裝測控設(shè)備的總功率及使用情況，并考慮太陽能電池板的轉(zhuǎn)化率，按保證連續(xù)5 d以上陰雨天氣配置太陽能電池板及蓄電池的安裝容量。

3.4 數(shù)據(jù)管理平臺

永福縣小型水庫雨水情測報和安全監(jiān)測平臺主要包括物聯(lián)網(wǎng)平臺、雨水情自動測報系統(tǒng)、大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、區(qū)域告警系統(tǒng)、智能巡檢系統(tǒng)、地圖綜合展示系統(tǒng)、系統(tǒng)管理8個子系統(tǒng)。

（1）雨水情自動測報系統(tǒng)主要用于納入本次項目實施范圍所有水庫的雨水情數(shù)據(jù)信息進行接收和分析展示，包括對所選水庫的雨水情監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理和查詢、對監(jiān)測站點的綜合分析以及對監(jiān)測站點的監(jiān)測要素的統(tǒng)計等功能，具有洪水預(yù)測預(yù)報功能，即根據(jù)水庫當前水位等數(shù)據(jù)預(yù)測一定降水量時水庫最高洪水位，并根據(jù)水庫當前水位預(yù)測水庫最高洪水位達到設(shè)計洪水位時所能承載的降水量。為水庫報汛、調(diào)度提供有效信息。

（2）大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)建成后能隨時掌握大壩的安全情況，通過實時采集、傳輸、接受各測點的監(jiān)測信息，建立數(shù)據(jù)庫管理數(shù)據(jù)，并根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)繪制位移過程線圖、斷面浸潤線圖等統(tǒng)計圖表，并進行相關(guān)計算分析，判斷大壩的安全穩(wěn)定情況，輔助管理人員與技術(shù)人員進行階段性大壩安全鑒定。

（3）視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要是對水庫視頻監(jiān)控的信息進行管理，包括實時監(jiān)控視頻、報警問題管理、監(jiān)控視頻信息管理3 個模塊。其中，視頻監(jiān)控系統(tǒng)對納入實施范圍內(nèi)水庫的實時監(jiān)控視頻進行管理，可通過搜索查看不同水庫視頻、水雨情視頻，單個視頻放大界面里提供云臺操作按鈕根據(jù)用戶需求調(diào)整攝像頭方向等操作。報警問題管理系統(tǒng)對納入實施范圍內(nèi)水庫的視頻報警問題進行管理，包括報警類型、報警時間等信息。監(jiān)控視頻信息管理系統(tǒng)對納入實施范圍內(nèi)水庫的監(jiān)控設(shè)備信息進行維護，包括工作人員對監(jiān)控設(shè)備基礎(chǔ)信息進行錄入、修改、刪除等。

（4）區(qū)域告警系統(tǒng)包括設(shè)備超限告警和視頻AI智能告警。前者是對水雨情、大壩安全監(jiān)測設(shè)備實時采集的數(shù)據(jù)如有超過設(shè)定閥值的站點進行告警，后者基于人工智能圖像識別技術(shù)，自動識別前端視頻流數(shù)據(jù)中的場景和違法違章行為，對人員穿越安全警戒線或非法垂釣時，攝像機主動識別，同時系統(tǒng)可以通過前端喇叭實現(xiàn)語音喊話發(fā)出警報。

（5）智能巡檢系統(tǒng)提供水庫安全檢查管理，具有巡檢任務(wù)計劃、巡檢信息上報、上報查詢、巡檢任務(wù)安排等功能。通過手機App 快速查看相關(guān)人員分配給登錄用戶的巡檢任務(wù)，以及拍照或錄入文字記錄巡檢情況，和相應(yīng)巡檢管理后臺等。

（6）地圖綜合展示系統(tǒng)基于GIS地圖綜合展示雨水情實時監(jiān)測信息，包括水庫宏觀雨水情信息、測站位置分布、實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)以及站點基本信息、運行狀態(tài)、預(yù)警狀態(tài)等。

（7）系統(tǒng)管理包括對所有水庫基本信息、水庫工程特征等信息進行統(tǒng)一維護管理、對本縣市水庫相關(guān)管理機構(gòu)的基本信息進行統(tǒng)一維護管理，以及對使用本系統(tǒng)的用戶基本信息進行統(tǒng)一維護管理。

4 結(jié)語

2022 年，永?？h要完成縣域38 座小型水庫的雨水情測報和安全監(jiān)測設(shè)施建設(shè)任務(wù)，應(yīng)參照《典型設(shè)計》，并按照“一庫一策”原則，根據(jù)每座水庫的基本情況布置數(shù)據(jù)采集設(shè)施，但實際中各水庫情況遠比《典型設(shè)計》復(fù)雜得多，這就需要設(shè)計人員根據(jù)實際情況，如實際壩長、壩高、大壩形態(tài)、對下游實際影響、資金充裕程度等方面進行綜合考慮。在滿足基本功能的前提下，設(shè)計應(yīng)具有一定的前瞻性及可擴展性，注意避免重復(fù)投資、建而不用和過度建設(shè)。