安全監(jiān)測系統(tǒng)在水利工程運(yùn)行中的應(yīng)用

馬合木提·阿木提

（新疆維吾爾自治區(qū)塔里木河流域和田管理局，新疆 和田 848000）

1 工程概況及安全監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

某水庫由一座主壩、四座副壩、泄洪閘、壩后電站等水工建筑物構(gòu)成，是一個(gè)具備汛期防洪、農(nóng)田灌溉、發(fā)電等功能的綜合水利樞紐工程。

1.1 測控網(wǎng)絡(luò)

水利工程安全監(jiān)測系統(tǒng)是具備水情和水庫安全信息采集、整理、分析、評(píng)價(jià)為一體的綜合性系統(tǒng)，總體由分布式測控網(wǎng)絡(luò)、局域網(wǎng)、遠(yuǎn)程互聯(lián)網(wǎng)等構(gòu)成系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)，將現(xiàn)場監(jiān)控層和管理層連為一體，形成完整的監(jiān)測系統(tǒng)。

測控網(wǎng)絡(luò)采用分布式設(shè)計(jì)，在每座大壩布設(shè)一臺(tái)現(xiàn)場終端，通過RS485 現(xiàn)場總線與ADAM4520 采集模塊連接，通過終端微機(jī)收集和處理采集數(shù)據(jù)，形成分布式采集終端；現(xiàn)場終端通過無線網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)通信，形成分布式監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)；監(jiān)控中心對(duì)終端數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、分析；滲流是衡量水庫安全的重要指標(biāo)，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)、水文勘測資料，在各壩體布設(shè)浸潤線、滲流量監(jiān)測裝置；為監(jiān)測大壩水平、豎直位移情況，應(yīng)合理布設(shè)壩體水平、垂直位移監(jiān)測斷面和監(jiān)測基準(zhǔn)點(diǎn)；

1.2 計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)

監(jiān)控中心服務(wù)器、測控網(wǎng)絡(luò)上位機(jī)、水情監(jiān)測計(jì)算機(jī)等工作站，通過計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)通信連接。系統(tǒng)局域網(wǎng)內(nèi)各計(jì)算機(jī)、工作站均應(yīng)安裝配套軟件，執(zhí)行信息管理、水情監(jiān)控、大壩安全監(jiān)測、水資源調(diào)度管理等任務(wù)。

1.3 遠(yuǎn)程互聯(lián)網(wǎng)

局域網(wǎng)服務(wù)器上采用ASP（ActiveServerPages）技術(shù)建立系統(tǒng)網(wǎng)頁，外部管理人員可通過互聯(lián)網(wǎng)訪問系統(tǒng)服務(wù)器，了解工程水情、雨情、大壩安全監(jiān)測分析等信息，發(fā)布水資源調(diào)度任務(wù)。

2 安全監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)字化管理基本構(gòu)架

2.1 數(shù)字化安全監(jiān)測管理平臺(tái)

當(dāng)前水利工程數(shù)字化管理程度嚴(yán)重不足，為提升數(shù)字化管理水平，亟須結(jié)合水庫工程安全監(jiān)測管理特點(diǎn)、作業(yè)事項(xiàng)管理特點(diǎn)等，構(gòu)建完善的數(shù)字化安全監(jiān)測管理平臺(tái)，為工程巡查管理標(biāo)準(zhǔn)化、安全監(jiān)測數(shù)字化、閘門操作流程化管理提供平臺(tái)支撐。

對(duì)有時(shí)間要求的安全檢查、巡檢、鑒定、監(jiān)測等任務(wù)，在平臺(tái)上建立完善的自動(dòng)化監(jiān)督體系，做到事前提醒、事中記錄、事后存檔；建立健全的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，做好數(shù)據(jù)分類及關(guān)聯(lián)管理。數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)管理見圖1。

圖1 數(shù)據(jù)分類及數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)圖

2.2 安全監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)字化管理基本構(gòu)架

應(yīng)用層：采用B/S 結(jié)構(gòu)，無須安裝相應(yīng)軟件，通過Web 網(wǎng)頁，即可與數(shù)據(jù)庫交互，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信息查詢、業(yè)務(wù)管理、信息發(fā)布等功能；同時(shí)，B/S結(jié)構(gòu)具有兼容性強(qiáng)、維護(hù)成本低、可拓展性強(qiáng)等優(yōu)勢。

支撐層：通過軟件為系統(tǒng)提供地圖、短信、語音等服務(wù)，同時(shí)為應(yīng)用層和數(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)傳輸提供安全保障。

數(shù)據(jù)層：主要包括數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和各應(yīng)用數(shù)據(jù)庫，對(duì)系統(tǒng)、應(yīng)用數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、存儲(chǔ)、調(diào)用等。

硬件與網(wǎng)絡(luò)層：包括服務(wù)器、工作站等硬件設(shè)備，此外，還包含網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備，如防火墻、網(wǎng)關(guān)等，硬件為系統(tǒng)運(yùn)行提供硬件支撐，網(wǎng)絡(luò)層為數(shù)據(jù)層和采集層數(shù)據(jù)通信提供安全支撐。

采集層：主要采用C/S結(jié)構(gòu)，以服務(wù)應(yīng)用程序類型，在后臺(tái)自動(dòng)運(yùn)行水情數(shù)據(jù)等進(jìn)行安全監(jiān)測，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，將經(jīng)預(yù)處理的數(shù)據(jù)，以統(tǒng)一格式傳輸至數(shù)據(jù)層；系統(tǒng)架構(gòu)見圖2。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

3 主要功能與關(guān)鍵技術(shù)

3.1 水雨情監(jiān)測與預(yù)報(bào)

水情監(jiān)測是水庫安全監(jiān)測的關(guān)鍵內(nèi)容，可為水庫安全運(yùn)營、水資源調(diào)度管理、水情預(yù)警提供有效支撐。本文所依托水庫工程，在庫區(qū)監(jiān)理4 個(gè)水位監(jiān)測站，可完成實(shí)時(shí)水情監(jiān)控。

監(jiān)控中心上位計(jì)算機(jī)，實(shí)時(shí)采集水、雨情監(jiān)測信息，并將采集記錄、水雨情信息寫入數(shù)據(jù)庫。在線監(jiān)控系統(tǒng)，可根據(jù)雨量、水庫水位監(jiān)測數(shù)據(jù)，發(fā)布水情、雨情、洪汛評(píng)估、預(yù)警信息。

3.2 防洪安全監(jiān)控優(yōu)化調(diào)度

依托當(dāng)前先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)、智能技術(shù)等，建立基于蓄滿產(chǎn)流模型和等流時(shí)線匯流模型的智能洪水預(yù)測模型，結(jié)合在線安全監(jiān)控系統(tǒng)收集的水、雨情監(jiān)測數(shù)據(jù)，及歷年水情、雨情、汛情數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)預(yù)測和評(píng)估洪汛信息。

該系統(tǒng)可根據(jù)水、雨情監(jiān)測信息，提供洪汛預(yù)測、預(yù)警，為水庫防洪、水資源調(diào)度管理提供信息支撐；此外，可根據(jù)洪汛預(yù)警信息和實(shí)時(shí)水情，形成防洪調(diào)度預(yù)案，為防洪調(diào)度決策提供支持；在水庫水位接近警戒值時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)會(huì)向指揮中心發(fā)出警報(bào)信號(hào)，并向安全監(jiān)控專家系統(tǒng)提供水、雨、工情信息，系統(tǒng)可根據(jù)當(dāng)前水、雨、工情，從模型庫中調(diào)取適合貼合當(dāng)前情況的調(diào)洪分析模型，進(jìn)行調(diào)洪模擬分析；決策者根據(jù)洪汛信息、調(diào)洪模擬分析、水庫安全評(píng)估情況，選擇符合當(dāng)前工情的調(diào)度方案，做好防洪調(diào)度和水資源利用。

3.3 大壩安全監(jiān)控

依托水庫工程，將壩體滲流監(jiān)測和壩體變形監(jiān)測作為安全監(jiān)測的主要內(nèi)容。滲流現(xiàn)象是造成大壩結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的重要因素，本工程以浸潤線和滲流量作為主要監(jiān)控指標(biāo)。安全監(jiān)測系統(tǒng)的滲流模型，可根據(jù)滲流量、浸潤線監(jiān)測數(shù)據(jù)，評(píng)估滲流形態(tài)，對(duì)大壩抗?jié)B抗滑穩(wěn)定性分析、滲流水利坡度分析、滲流破壞分析等分析，評(píng)估大壩安全性能；因地質(zhì)災(zāi)害、洪汛災(zāi)害、滲流破壞等原因造成的大壩異常位移，是壩體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)發(fā)生潰壩的先兆，本工程在主壩及各副壩壩頂和背水坡，設(shè)立了多個(gè)位移監(jiān)測斷面和監(jiān)測點(diǎn)；大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)與在線安全監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)機(jī)運(yùn)行，對(duì)壩體移位、滲流情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，定時(shí)給出壩體安全評(píng)估報(bào)告；對(duì)監(jiān)測到的異常滲流、異常位移立即報(bào)警，并啟動(dòng)動(dòng)態(tài)監(jiān)控模型。

3.4 水安全水資源聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度

水資源的安全、可持續(xù)利用是水利工程建設(shè)的根本目的，水安全水資源聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度，可在保證上下游安全的基礎(chǔ)上，提高水資源利用率，最大化提升水利工程的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

對(duì)類似本工程的具有防汛、蓄洪、發(fā)電、灌溉等功能的中型可調(diào)節(jié)水庫，水資源聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度主要內(nèi)容有：一是汛期做好預(yù)防性防洪調(diào)度；二是旱季做好灌溉用水調(diào)度；三是協(xié)調(diào)防汛、蓄洪、灌溉和發(fā)電調(diào)度，調(diào)整和優(yōu)化用水結(jié)構(gòu)，消除水害，提升水資源利用率；在保證防汛抗洪預(yù)防要求、滿足灌溉用水要求等社會(huì)效益的前提下，優(yōu)化經(jīng)濟(jì)效益目標(biāo)，提升水庫發(fā)電效益。

水安全水資源聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度要點(diǎn)如下：根據(jù)水庫庫容、上下游雨汛季節(jié)分布，合理調(diào)整最佳防洪庫容，確保防洪調(diào)度可靠性；根據(jù)歷年下游灌溉用水情況，當(dāng)年雨汛情況，合理分析和預(yù)測下游灌溉用水需求，形成合理的灌溉用水調(diào)度；根據(jù)系統(tǒng)收集的水、雨、季節(jié)氣候因素，預(yù)測洪汛情況，結(jié)合工程泄洪能力、防洪標(biāo)準(zhǔn)等，制定可靠的防洪調(diào)度預(yù)案；做好往年來水、蓄水、灌溉用水調(diào)度記錄，分析歷年來水、蓄水、灌溉用水關(guān)系，結(jié)合當(dāng)年監(jiān)測情況，制定合理的汛期蓄洪調(diào)度方案和灌溉用水調(diào)度方案；結(jié)合往年來水、蓄水、灌溉用水?dāng)?shù)據(jù)，量化調(diào)度模型約束條件，并根據(jù)歷年數(shù)據(jù)做好持續(xù)優(yōu)化，提升調(diào)度模型分析效果；根據(jù)實(shí)際水、雨、工情，適時(shí)調(diào)整和優(yōu)化調(diào)度方案，獲得最佳效益。

3.5 預(yù)警與實(shí)時(shí)決策支持

建立完善大壩安全預(yù)警與實(shí)時(shí)決策支持體系，可極大地提升水利工程突發(fā)性災(zāi)害應(yīng)對(duì)能力，為此，該工程建立了遙測、分析、評(píng)估、預(yù)警、安全調(diào)控支持一體化的完整預(yù)警與實(shí)時(shí)決策支持體系。

該體系反應(yīng)過程以事件為驅(qū)動(dòng)，依托專家系統(tǒng)和智能信息，對(duì)當(dāng)前防洪調(diào)度和大壩安全進(jìn)行分析、評(píng)估，為防汛抗洪調(diào)度和大壩運(yùn)營安全調(diào)控提供決策支持。系統(tǒng)通過分析和解釋監(jiān)測信息，給出當(dāng)前水庫、大壩安全評(píng)判，對(duì)可能風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)估和預(yù)警，給出兼顧防災(zāi)與興利的決策支持。

4 結(jié)論

建立完善的水庫安全監(jiān)測系統(tǒng)，可為水庫汛期防洪調(diào)度、下游旱季灌溉用水調(diào)度、發(fā)電調(diào)度提供有力支持，提高水庫防洪能力，消除水害，充分發(fā)揮水庫社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益；此水庫安全監(jiān)測系統(tǒng)，是具備水庫安全監(jiān)測、水庫水資源調(diào)度管理決策支持、水庫大壩安全調(diào)控決策支持為一體的監(jiān)測系統(tǒng)，能夠根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測信息，對(duì)當(dāng)前防洪風(fēng)險(xiǎn)、大壩安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估、預(yù)警，為防洪調(diào)度、大壩運(yùn)營安全調(diào)控提供決策支持；該系統(tǒng)在本水庫工程投入使用后，解決了傳統(tǒng)安全監(jiān)測系統(tǒng)的不足，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化安全監(jiān)測和調(diào)度管理，顯著優(yōu)化了本水庫防洪、用水、發(fā)電調(diào)度，提高了水庫調(diào)度管理質(zhì)量和效率；同時(shí)，極大增強(qiáng)了本水庫大壩安全監(jiān)測和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估能力，為本工程大壩修整、滲漏治理等提供了有力決策，有效防范了大壩安全風(fēng)險(xiǎn)。