智慧水庫綜合平臺建設(shè)研究
——以萌山水庫為例

王揚(yáng) 張珂

(1.山東科技大學(xué)山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266590；2.淄博市萌山水庫管理中心，山東 淄博 255318)

0 引言

水庫作為國民經(jīng)濟(jì)和社會生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，具有較高的社會價(jià)值和公益價(jià)值。由于水庫的地理位置一般較為偏遠(yuǎn)，人們對水庫的安全管理重視程度不高。特別是一些中小型水庫，由于缺乏足夠的政策和資金支持，在安全管理和信息化系統(tǒng)建設(shè)方面存在短板。目前，國內(nèi)的部分中小型水庫僅建立了自動水位監(jiān)測、雨情監(jiān)測、視頻監(jiān)控等基本的信息化系統(tǒng)，在安全管理中存在較大隱患?；诖?，本文以萌山水庫為例，闡述智慧水庫綜合平臺的主要功能和應(yīng)用效果，旨在提升水庫安全管理水平。

1 萌山水庫概況

萌山水庫位于山東省淄博市文昌湖省級旅游度假區(qū)，控制流域面積288km2，總庫容9993萬m3，興利庫容5840萬m3，是一座以水生態(tài)、水景觀、水安全為主，集防洪、灌溉、生態(tài)供水于一體的全國重點(diǎn)中型水庫，在推動和保障區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面發(fā)揮著巨大作用。

2015年，萌山水庫開始實(shí)施水庫信息化開發(fā)建設(shè)，取得了一定成效，仍存在管理人員思想重視程度不足、信息化建設(shè)進(jìn)度緩慢、信息系統(tǒng)缺乏針對性、數(shù)據(jù)分析功能不足、數(shù)據(jù)無法共享和兼容等問題，影響了水庫的運(yùn)行和管護(hù)。因此，急需完善萌山水庫信息化系統(tǒng)，進(jìn)一步提升水庫安全管理水平，切實(shí)提高水庫的運(yùn)行管護(hù)能力。

2 基于層次分析法的萌山水庫安全管理影響因素分析

2.1 建立綜合評價(jià)指標(biāo)體系

以《水庫大壩安全評價(jià)導(dǎo)則》(SL258—2017)為依據(jù)，結(jié)合水庫特點(diǎn)及專家意見，采用層次分析法分析萌山水庫安全管理影響因素，建立萌山水庫安全管理綜合評價(jià)指標(biāo)體系，主要包括目標(biāo)層A(萌山水庫安全管理綜合評價(jià))、準(zhǔn)則層B(萌山水庫安全管理一級影響因素，共7個指標(biāo))、方案層C(萌山水庫安全管理二級影響因素，共24個指標(biāo))，如圖1所示。

圖1 萌山水庫安全管理綜合評價(jià)指標(biāo)體系

2.2 確定各影響因素權(quán)重

邀請相關(guān)專家對各因素進(jìn)行兩兩比較，根據(jù)各因素的相互重要程度構(gòu)建判斷矩陣。運(yùn)用線性代數(shù)計(jì)算方法，計(jì)算各判斷矩陣的權(quán)重向量W和最大特征值λmax，其中，W=(w1，w2，…，wn)T。經(jīng)過層次單排序，計(jì)算判斷矩陣中各因素的相對權(quán)重，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

以準(zhǔn)則層B中各因素對目標(biāo)層A為例，建立判斷矩陣見表1。

表1 權(quán)重判斷矩陣A-B

由表1可知，CR=0.037<0.1，說明通過一致性檢驗(yàn)。同理，計(jì)算方案層C中各因素對準(zhǔn)則層B中各因素的權(quán)重。經(jīng)層次總排序計(jì)算并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)后，得到各影響因素權(quán)重，如圖2所示。

圖2 萌山水庫安全管理綜合評價(jià)指標(biāo)體系各指標(biāo)權(quán)重

由圖2可知，大壩壩體變形監(jiān)測預(yù)警水平C51、大壩壩體穩(wěn)定監(jiān)測預(yù)警水平C52、大壩壩基滲流檢測預(yù)警水平C41、大壩壩體滲流檢測預(yù)警水平C41的權(quán)重較高，在建設(shè)信息系統(tǒng)平臺時(shí)應(yīng)給予高度重視。

3 智慧水庫綜合平臺建設(shè)內(nèi)容

3.1 建立大壩安全自動監(jiān)測信息管理系統(tǒng)

智慧水庫綜合平臺建設(shè)的重要任務(wù)是建立大壩安全運(yùn)行信息監(jiān)測管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)根據(jù)國家和行業(yè)相關(guān)要求，結(jié)合萌山水庫安全自動監(jiān)測現(xiàn)狀，利用三維可視化建模技術(shù)、信息智能測控、傳感器物理感知、物聯(lián)網(wǎng)、GIS地理信息、大數(shù)據(jù)、云平臺等信息技術(shù)對水文、變位、滲流、水質(zhì)等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

3.2 建立大壩表面變位監(jiān)測系統(tǒng)和溢洪閘變位監(jiān)測系統(tǒng)

目前，萌山水庫壩體表面位移觀測、溢洪閘位移觀測主要采用人工觀測方式，平均每半年監(jiān)測1次，觀測頻次較低，無法對水庫變形趨勢做出預(yù)判。為解決上述問題，綜合考慮萌山水庫的運(yùn)行環(huán)境、實(shí)際需求及建設(shè)成本，最終選擇GNSS 監(jiān)測系統(tǒng)對大壩、溢洪閘的垂直位移和水平位移進(jìn)行自動化監(jiān)測。監(jiān)測數(shù)據(jù)可自動上傳至大壩安全監(jiān)測管理系統(tǒng)，并針對水庫關(guān)鍵部位增加預(yù)警頻次。同時(shí)，為滿足監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性要求，繼續(xù)實(shí)施人工觀測，通過對兩種監(jiān)測方式采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，提高壩體表面位移的測量精度。

3.3 升級改造大壩滲流監(jiān)測系統(tǒng)

通過實(shí)地勘察可知，萌山水庫大壩原有的滲流觀測設(shè)施存在設(shè)備老化、淤積嚴(yán)重等問題，已經(jīng)無法采集準(zhǔn)確、有效的數(shù)據(jù)。因此，急需對水庫大壩滲流觀測設(shè)施進(jìn)行升級改造。通過安裝智能滲壓遙測儀，實(shí)時(shí)智能感知壩體和壩基內(nèi)水面位置并跟蹤水面變化，實(shí)現(xiàn)測壓管水位數(shù)據(jù)的自動監(jiān)測及數(shù)據(jù)采集傳輸。

3.4 建立放水洞綜合監(jiān)測系統(tǒng)

由于萌山水庫放水洞的放水流量、滲流量、振動等關(guān)鍵參數(shù)無法實(shí)現(xiàn)自動實(shí)時(shí)監(jiān)測，放水洞安全管理存在隱患。經(jīng)過多方比對，最終選擇配置插入式超聲波流量計(jì)對放水洞供水涵管的過水流量進(jìn)行監(jiān)測，同時(shí)可滿足有壓流狀態(tài)和無壓流流態(tài)的流量測量要求。

4 智慧水庫綜合平臺建設(shè)成效

智慧水庫綜合平臺建設(shè)遵循“科學(xué)先進(jìn)、功能完善、滿足需求、分步推進(jìn)”的原則，搭建了技術(shù)先進(jìn)、功能整合的系統(tǒng)框架；充分利用水庫安全運(yùn)行綜合監(jiān)測分析管理系統(tǒng)，對水庫的安全信息進(jìn)行全面采集和深度分析，為水庫大壩的結(jié)構(gòu)形態(tài)和安全狀況提供了準(zhǔn)確評價(jià)。

4.1 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和安全預(yù)警

智慧水庫綜合平臺建成后，在水文監(jiān)測、變形監(jiān)測、滲流監(jiān)測等方面保證了觀測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、完整性和準(zhǔn)確性，彌補(bǔ)了人工觀測存在的不足；在資料整編方面，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲的便捷性和可操作性。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測大壩、溢洪閘、放水洞等重點(diǎn)部位的安全狀態(tài)，管理人員能夠及時(shí)處理突發(fā)問題，做到“早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)警、早處置”，消除了安全管理隱患。

4.2 提升水庫智能感知能力

萌山水庫的信息化系統(tǒng)包括水情測報(bào)系統(tǒng)、大壩變位監(jiān)測系統(tǒng)、溢洪閘變位監(jiān)測系統(tǒng)、地表水自動檢測系統(tǒng)、溢洪閘門自動化控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等，具體分析如下：

(1)水情測報(bào)系統(tǒng)。通過對水庫水位、入庫流量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，對流域范圍內(nèi)的雨情進(jìn)行實(shí)時(shí)測算，為水庫預(yù)報(bào)調(diào)度和日常管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

(2)大壩變位監(jiān)測系統(tǒng)和溢洪閘變位監(jiān)測系統(tǒng)。在遠(yuǎn)程變位監(jiān)測分析終端實(shí)時(shí)監(jiān)測垂直和水平變化量；通過滲壓監(jiān)測設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測壩體、壩基測壓管內(nèi)的水位變化情況；自動實(shí)時(shí)監(jiān)測對放水洞內(nèi)流量、滲流量及振動等關(guān)鍵參數(shù)。通過對水庫大壩、溢洪閘、放水洞等重點(diǎn)部位的變位、滲流等數(shù)據(jù)進(jìn)行自動采集、整理、分析、預(yù)警，為水庫穩(wěn)定運(yùn)行提供安全保障。

(3)地表水自動檢測系統(tǒng)。能夠自動采集水庫水質(zhì)中的氨氮、硫酸根等重要監(jiān)測指標(biāo)，為及時(shí)掌握水質(zhì)變化及供水安全提供數(shù)據(jù)支撐。

(4)溢洪閘門自動化控制系統(tǒng)。能夠方便、快捷地對閘門進(jìn)行啟閉控制，實(shí)現(xiàn)對閘門啟閉狀態(tài)、機(jī)電設(shè)備運(yùn)行情況、開度情況及上級調(diào)度指令的準(zhǔn)確管控，確保水庫在應(yīng)急情況下能夠快速啟閉閘門，保障大壩安全。

(5)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。能夠全方位掌握監(jiān)控區(qū)域的整體情況及局部情況，重點(diǎn)監(jiān)測各子系統(tǒng)運(yùn)行情況及重點(diǎn)部位的安防情況，便于管理人員及時(shí)查找問題，保障管理區(qū)域安全。

4.3 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享

通過將各子系統(tǒng)整合至水庫安全運(yùn)行綜合監(jiān)測分析管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了各子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享，減少了因人工計(jì)算、操作失誤等造成的誤差。同時(shí)，為了更加方便、直觀地查看各子系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化過程及實(shí)時(shí)狀態(tài)，增加了手機(jī)端和APP端遠(yuǎn)程登錄、遠(yuǎn)程訪問、遠(yuǎn)程管理、遠(yuǎn)程維護(hù)等功能，提升了水庫安全管理信息化水平。

5 結(jié)語

本文結(jié)合萌山水庫運(yùn)行現(xiàn)狀，運(yùn)用層次分析法分析萌山水庫安全管理的影響因素，并根據(jù)各因素重要性進(jìn)行排序，進(jìn)一步優(yōu)化和完善了萌山水庫信息化系統(tǒng)，有效提升了水庫安全管理能力，可為其他水庫安全管理和信息系統(tǒng)改造提供參考。