淤地壩自動(dòng)化監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)探討

李曉洋

(甘肅省水利廳 信息中心，甘肅 蘭州 730030)

淤地壩作為黃土高原重要的水土保持工程措施，發(fā)揮著攔泥滯洪、蓄水保田、增產(chǎn)減沙的作用，在黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展重大國(guó)家戰(zhàn)略的實(shí)施中具有重要地位。多年來(lái)甘肅省淤地壩的監(jiān)測(cè)預(yù)警都是人工現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，存在技術(shù)手段落后、應(yīng)急報(bào)警不及時(shí)、專(zhuān)業(yè)人員缺乏、工作條件艱苦、工作效率不高等問(wèn)題。2021年甘肅省選取了48座大中型淤地壩配置自動(dòng)化監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，輔助淤地壩安全運(yùn)行工作，目前已初步形成了一些具有地域特色的技術(shù)模式和思路。

1 監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

淤地壩監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)主要建設(shè)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)淤地壩自動(dòng)化管理、安全運(yùn)行管理，監(jiān)測(cè)的全過(guò)程智能化、數(shù)字化、可視化。管理部門(mén)通過(guò)淤地壩監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，可以直觀(guān)地監(jiān)測(cè)管轄范圍內(nèi)淤地壩的運(yùn)行狀況，對(duì)特殊情況能第一時(shí)間做出研判，并及時(shí)部署相關(guān)防御措施，提高監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)度及效率，解決傳統(tǒng)人工模式下延報(bào)或信息不完整等問(wèn)題。

淤地壩監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分構(gòu)成，其中硬件主要包括采集設(shè)備、固基設(shè)備、傳輸設(shè)備、供電設(shè)備等，軟件包括采集結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析展示系統(tǒng)和預(yù)警模型。淤地壩監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)主要有壩體變形監(jiān)測(cè)預(yù)警、浸潤(rùn)線(xiàn)監(jiān)測(cè)預(yù)警、視頻監(jiān)視預(yù)警等功能模塊，監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括水位、雨量、流量、壩體變形、壩體滲漏、水毀、壩區(qū)等。監(jiān)測(cè)設(shè)備所采集的數(shù)據(jù)為監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

1.1 水位監(jiān)測(cè)

水位監(jiān)測(cè)主要是記錄瞬時(shí)水位值。淤地壩水位監(jiān)測(cè)重點(diǎn)是壩前水位，預(yù)警系統(tǒng)實(shí)時(shí)將監(jiān)測(cè)水位與汛限水位對(duì)比，通過(guò)計(jì)算水位變化速率，預(yù)測(cè)水位達(dá)到汛限水位的時(shí)間，為判斷壩體運(yùn)行是否存在潛在風(fēng)險(xiǎn)提供依據(jù)。

淤地壩水位監(jiān)測(cè)通常采用非接觸式雷達(dá)水位計(jì)，實(shí)現(xiàn)在無(wú)人值守或極端天氣情況下自動(dòng)監(jiān)測(cè)水位。同時(shí)，在壩坡等差高程處安裝水尺，通過(guò)高清攝像頭查看水尺水位，輔助校核水位計(jì)采集水位的準(zhǔn)確性。

1.2 流量監(jiān)測(cè)

流量的大小不僅關(guān)系著泄水建筑物、壩體背水面的安全性，也影響著淤地壩水位的變化趨勢(shì)，所以需在泄水口增設(shè)流量監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采集壩體泄水建筑物的瞬時(shí)流量。掌握了泄水建筑物的瞬時(shí)流量，預(yù)警系統(tǒng)就可計(jì)算歷時(shí)泄水量，預(yù)判泄水量對(duì)泄水建筑物和淤地壩安全運(yùn)行的影響。

淤地壩流量監(jiān)測(cè)通常采用非接觸式多普勒流量計(jì)或雷達(dá)流量計(jì)。雷達(dá)流量計(jì)內(nèi)部可集成水位計(jì)，同時(shí)測(cè)量水位、流速、流量、累計(jì)流量等。

1.3 雨量監(jiān)測(cè)

雨量監(jiān)測(cè)主要是采集壩區(qū)的降雨量。降雨量是防洪減災(zāi)和水情監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)的水文要素，掌握壩區(qū)的瞬時(shí)降雨量、歷時(shí)降雨量，可通過(guò)預(yù)警系統(tǒng)計(jì)算降雨量對(duì)淤地壩水位造成的影響，判斷壩體周邊環(huán)境的穩(wěn)定性。

淤地壩雨量監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)在野外，無(wú)人值守，易遭受低溫、大風(fēng)等極端天氣損毀，且人工維護(hù)成本較高。翻斗式自動(dòng)雨量計(jì)體積小、適應(yīng)能力強(qiáng)，可自動(dòng)洗滌灰塵，在提高測(cè)量精度的同時(shí)還可降低人工維護(hù)成本，因此非常適用于淤地壩雨量監(jiān)測(cè)。為保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的強(qiáng)相關(guān)性，翻斗式自動(dòng)雨量計(jì)應(yīng)和非接觸式雷達(dá)水位計(jì)安裝在同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)，目前多數(shù)采用攝像頭、雨量計(jì)、水位計(jì)一體安裝。

1.4 壩體變形監(jiān)測(cè)

壩體變形監(jiān)測(cè)主要是監(jiān)測(cè)外力作用下壩體形態(tài)的變化，確保淤地壩的安全運(yùn)行。目前，壩體變形監(jiān)測(cè)技術(shù)主要有四種：一是通過(guò)三維激光掃描壩體，對(duì)比初始掃描數(shù)據(jù)，得到壩體變形數(shù)據(jù)[1]；二是利用無(wú)人機(jī)低空飛行技術(shù)獲得壩體、邊坡的變形數(shù)據(jù)及壩體周邊水系、植被的遙感影像數(shù)據(jù)，對(duì)比初始遙感數(shù)據(jù)，獲取壩體變形數(shù)據(jù)及周邊生態(tài)變化數(shù)據(jù)[2]；三是在壩體安裝地表位移監(jiān)測(cè)站、滲壓傳感器、應(yīng)力變化監(jiān)測(cè)站，實(shí)時(shí)獲取壩體的變形數(shù)據(jù)[1]；四是在壩體變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)上安裝GPS接收機(jī)，利用GPS精度高、速度快、全天候等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)大壩變形的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。

地表位移監(jiān)測(cè)站、滲壓傳感器、應(yīng)力變化監(jiān)測(cè)站需在壩體中鉆孔安裝，鉆孔深度20～100 m，對(duì)安裝深度和操作精度都有較高的技術(shù)要求，且安裝投資大，維護(hù)成本高[1]。因此，宜采用GPS自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)或無(wú)人機(jī)低空飛行技術(shù)獲取淤地壩變形數(shù)據(jù)，同時(shí)要進(jìn)行定期巡測(cè)、特殊節(jié)點(diǎn)加測(cè)，以便更全面、更準(zhǔn)確地掌握壩體變形數(shù)據(jù)。

1.5 壩體滲漏監(jiān)測(cè)

壩體滲漏監(jiān)測(cè)主要是壩體浸潤(rùn)線(xiàn)的監(jiān)測(cè)，采用在壩體內(nèi)埋設(shè)測(cè)壓管或電子滲壓傳感器的方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)。預(yù)警系統(tǒng)根據(jù)傳感器監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)繪出壩體浸潤(rùn)線(xiàn)，與壩體設(shè)計(jì)浸潤(rùn)線(xiàn)進(jìn)行比較，達(dá)到預(yù)警閾值時(shí)預(yù)警。

1.6 水毀監(jiān)測(cè)

造成淤地壩水毀的主要誘因是暴雨、洪水，尤其是短歷時(shí)的強(qiáng)降雨[3]，同時(shí)影響淤地壩水毀程度的還有壩體施工質(zhì)量、管護(hù)水平、淤積情況、壩坡防護(hù)措施等。工作人員需及時(shí)掌握壩體水毀的情況并立即修補(bǔ)，設(shè)置水毀監(jiān)測(cè)設(shè)施可保證工作人員實(shí)地查看，提高解決問(wèn)題的效率。

李莉等研究發(fā)現(xiàn)在壩體外坡26°處沖刷量會(huì)達(dá)到最大值，裂縫等損傷肉眼可見(jiàn)[3]。因此，應(yīng)在壩坡迎水面和背水面分別安裝高清攝像頭，利用AI識(shí)別技術(shù)對(duì)攝像頭采集到的圖片和視頻進(jìn)行判別，對(duì)疑似存在的水毀情況發(fā)出預(yù)警，再由相關(guān)工作人員復(fù)查。

1.7 壩區(qū)監(jiān)測(cè)

壩區(qū)監(jiān)測(cè)主要是監(jiān)測(cè)壩前壩后水位、壩內(nèi)積水、壩體排水、壩體周邊環(huán)境等。通過(guò)攝像頭的影像查看當(dāng)前壩區(qū)情況，記錄壩區(qū)及壩周環(huán)境的變化過(guò)程，同時(shí)比對(duì)歷史影像，及時(shí)判斷淤地壩的運(yùn)行狀況及壩周環(huán)境變化情況。

壩區(qū)監(jiān)測(cè)主要通過(guò)壩區(qū)安裝的攝像頭定頻自動(dòng)采集壩區(qū)影像來(lái)實(shí)現(xiàn)。影像資料分為圖片和視頻兩種類(lèi)型。360°攝像設(shè)備可遠(yuǎn)程調(diào)整攝像頭角度查看水位及壩體周?chē)膶?shí)時(shí)情況，可滿(mǎn)足淤地壩自動(dòng)化監(jiān)測(cè)中遠(yuǎn)程查看的需求。影像采集可根據(jù)淤地壩的運(yùn)行情況及所處時(shí)期，設(shè)置不同的監(jiān)測(cè)角度及采集頻率，將采集到的影像資料保存到預(yù)警系統(tǒng)中，方便工作人員調(diào)看。為保證夜間能清晰地查看淤地壩運(yùn)行狀況，攝像頭應(yīng)具有良好的夜視功能，有時(shí)還需額外增設(shè)照明設(shè)備來(lái)補(bǔ)足視差。

2 合理配置預(yù)警模型

2.1 建立單變量預(yù)警模型

目前多數(shù)淤地壩監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)中的預(yù)警模型都是單變量預(yù)警模型，即降雨量、水位、流量等某單一監(jiān)測(cè)值達(dá)到預(yù)警系統(tǒng)中的分類(lèi)預(yù)警閾值時(shí)即發(fā)起預(yù)警。單變量預(yù)警模型公式為

X≥N

(1)

式中：X為采集到的數(shù)據(jù)；N為分類(lèi)預(yù)警閾值。

將采集的數(shù)據(jù)分別與預(yù)警閾值作差，取得數(shù)大于等于0且數(shù)值最小的預(yù)警閾值作為預(yù)警響應(yīng)值。例如，某淤地壩設(shè)定的降雨量預(yù)警閾值見(jiàn)表1。

表1 降雨量預(yù)警閾值

當(dāng)翻斗式自動(dòng)雨量計(jì)采集到的1 h降雨量為18 mm時(shí)，用18 mm與1 h降雨量預(yù)警閾值作差，得數(shù)大于0的有藍(lán)色預(yù)警(18-7=11)、黃色預(yù)警(18-15=3)，因3<11，所以預(yù)警系統(tǒng)觸發(fā)降雨量黃色預(yù)警。 由此可見(jiàn)，利用單變量預(yù)警模型預(yù)警簡(jiǎn)便快速，基本滿(mǎn)足預(yù)警需求。在采用單變量預(yù)警模型時(shí)，除需通過(guò)模型做出判斷外，還需依靠經(jīng)驗(yàn)豐富的工作人員，憑借其對(duì)壩體、壩周環(huán)境及當(dāng)?shù)貧夂蛱卣鞯氖煜ざ?，再結(jié)合當(dāng)時(shí)的氣象預(yù)報(bào)等信息，綜合地對(duì)淤地壩安全運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行研判。

2.2 多變量水位預(yù)警模型

2.2.1 多變量水位預(yù)警模型構(gòu)成要素

水位是影響淤地壩安全運(yùn)行的決定性因素，而影響淤地壩水位的因素主要有降雨量、上游來(lái)水量、泄水量等。為了保證淤地壩的安全運(yùn)行，提高預(yù)警精準(zhǔn)度，應(yīng)采用多變量水位預(yù)警模型。多變量水位預(yù)警模型是根據(jù)采集的數(shù)據(jù)，把降雨量、上游來(lái)水量、泄水量三大因素可能造成的影響結(jié)合起來(lái)，不僅可預(yù)測(cè)未來(lái)不同歷時(shí)的水位值，還可繪制未來(lái)水位庫(kù)容曲線(xiàn)，并依據(jù)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，真正意義上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化預(yù)測(cè)和預(yù)警。多變量水位預(yù)警模型由以下四個(gè)要素組合構(gòu)成。

(1)降雨量。持續(xù)降雨和短歷時(shí)強(qiáng)降雨對(duì)淤地壩水位有較大的影響，所以降雨量也是多變量水位預(yù)警模型中的一項(xiàng)要素。依據(jù)采集到的瞬時(shí)降雨量和歷時(shí)降雨量，根據(jù)有效集雨面積可計(jì)算歷時(shí)徑流量，測(cè)算不同歷時(shí)徑流量對(duì)淤地壩水位的影響程度。

(2)上游來(lái)水量。對(duì)有上下游關(guān)系的淤地壩來(lái)說(shuō)，上游來(lái)水量對(duì)淤地壩的水位有重要的影響，因此多變量水位預(yù)警模型中還需考慮上游來(lái)水量。上游來(lái)水量包括上游壩的泄水量和上游河道來(lái)水量。上游淤地壩的安全運(yùn)行程度也是影響下游淤地壩安全運(yùn)行的重要因素，當(dāng)上游壩體達(dá)到潰壩風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，下游壩體應(yīng)進(jìn)入聯(lián)動(dòng)變化預(yù)警狀態(tài)[4]，可通過(guò)多變量水位預(yù)警模型計(jì)算出影響時(shí)間，為下游淤地壩安全防御提供準(zhǔn)備時(shí)間。

(3)泄水量。泄水量作為影響淤地壩水位變化的要素之一，在多變量水位預(yù)警模型中不可缺失。依據(jù)采集到的瞬時(shí)泄水量，可測(cè)算不同歷時(shí)泄水量，評(píng)估當(dāng)前泄水量對(duì)淤地壩水位的影響。

(4)水位庫(kù)容關(guān)系。水位庫(kù)容關(guān)系反應(yīng)水庫(kù)水位和庫(kù)容的對(duì)應(yīng)關(guān)系，當(dāng)水庫(kù)水位為某限值時(shí)，庫(kù)容對(duì)應(yīng)為某特征庫(kù)容，如正常蓄水位與興利庫(kù)容、死水位與死庫(kù)容、防洪高水位與防洪庫(kù)容等。影響淤地壩庫(kù)容變化的有降雨量、來(lái)水量、泄水量等，獲取這些水量數(shù)據(jù)后，通過(guò)水位庫(kù)容關(guān)系換算為水位數(shù)據(jù)，與預(yù)設(shè)的水位預(yù)警閾值進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)還可繪制水位庫(kù)容曲線(xiàn)，預(yù)測(cè)水位、庫(kù)容未來(lái)變化過(guò)程。另外，淤地壩水位庫(kù)容曲線(xiàn)可通過(guò)遙感影像測(cè)量，對(duì)比淤地壩設(shè)計(jì)的水位庫(kù)容曲線(xiàn)和淤地壩歷史降雨量與水位關(guān)系校核其準(zhǔn)確度后，可作為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，保存預(yù)警系統(tǒng)中。

2.2.2 建立多變量水位預(yù)警模型

統(tǒng)籌考慮水位庫(kù)容關(guān)系、上游來(lái)水量、降雨量、泄水量等因素建立的多變量水位預(yù)警模型可以預(yù)測(cè)水位變化過(guò)程，同時(shí)繪制水位庫(kù)容曲線(xiàn)，真正意義上對(duì)淤地壩的安全運(yùn)行做到及時(shí)、全面、準(zhǔn)確的預(yù)警、預(yù)判。多變量水位預(yù)警模型公式為

Z預(yù)≥N水位

(2)

Z預(yù)=Z現(xiàn)+a(Q徑+Q上-Q泄)

(3)

式中：Z預(yù)為預(yù)測(cè)水位,m；N水位為水位預(yù)警閾值,m；Z現(xiàn)為當(dāng)前水位,m；a為水位庫(kù)容關(guān)系系數(shù),m/m3，是由淤地壩設(shè)計(jì)的水位庫(kù)容曲線(xiàn)擬合，經(jīng)不同淤積情況下校核，輔以歷史實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)算后確定的；Q徑為歷時(shí)徑流量,m3；Q上為上游來(lái)水量，m3；Q泄為歷時(shí)泄水量，m3。

將得到的預(yù)測(cè)水位與水位預(yù)警閾值作差，按照預(yù)警級(jí)別排序，觸發(fā)得數(shù)大于等于0且數(shù)值最小的預(yù)警閾值對(duì)應(yīng)的預(yù)警級(jí)別，同時(shí)給出預(yù)測(cè)歷時(shí)信息。

2.3 預(yù)警模型對(duì)比

多變量水位預(yù)警模型的優(yōu)點(diǎn)是：考慮的要素全面，預(yù)測(cè)預(yù)警結(jié)果綜合性強(qiáng)、精確性高，適用于壩周環(huán)境復(fù)雜、有上游來(lái)水情況的大型和部分中型淤地壩的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。缺點(diǎn)是：水位庫(kù)容關(guān)系的準(zhǔn)確度要求較高，壩體受淤積或變形等因素影響時(shí)，水位庫(kù)容曲線(xiàn)需多次測(cè)量和校核，如果擬合關(guān)系超出誤差范圍，則對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性影響較大。

單變量預(yù)警模型的優(yōu)點(diǎn)是：簡(jiǎn)便快捷，適用于環(huán)境簡(jiǎn)單、沒(méi)有上游來(lái)水情況的小型和部分中型淤地壩的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。缺點(diǎn)是：對(duì)工作經(jīng)驗(yàn)不豐富、周邊環(huán)境不熟悉的工作人員，或在極端特殊情況下，無(wú)法綜合準(zhǔn)確地判斷壩體運(yùn)行狀態(tài)。

3 結(jié) 語(yǔ)

為保證淤地壩自動(dòng)化監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)正常、高效、安全地運(yùn)行，在采集設(shè)備安裝前應(yīng)考慮監(jiān)測(cè)點(diǎn)的征地、遮擋、信號(hào)、供電、地質(zhì)、季節(jié)等外部因素，還應(yīng)考慮安裝后設(shè)備檢修和校核的難度，降低運(yùn)維人工成本。攝像頭、水位計(jì)、流量計(jì)、水尺等采集和觀(guān)測(cè)設(shè)備在汛前、特大汛情、汛后等特殊節(jié)點(diǎn)需進(jìn)行精度校核，以確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。