廣西小型水庫雨水情測報(bào)和大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)

肖珍寶，梁學(xué)文，班華珍，吳衛(wèi)熊

（廣西壯族自治區(qū)水利科學(xué)研究院 廣西水工程材料與結(jié)構(gòu)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南寧 530023）

廣西約有水庫大壩4314 座，其中小型水庫約4110 座，約占水庫總數(shù)的95.3%，其中土石壩約3946 座，約占小型水庫的96.0%。廣西小型水庫雨水情測報(bào)仍處于初步階段、大壩安全監(jiān)測設(shè)施嚴(yán)重缺失，全區(qū)14個(gè)地市小型水庫基本未安裝大壩安全監(jiān)測設(shè)施，日常主要依靠人工觀測，由于管理人員技術(shù)水平不一，觀測數(shù)據(jù)不精準(zhǔn)，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)水庫存在的安全隱患，存在一定的風(fēng)險(xiǎn)隱患。因此，小型水庫雨水情測報(bào)和大壩安全監(jiān)測成為防洪體系中薄弱部分，并可能對下游人民生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

1 廣西小型水庫雨水情測報(bào)和大壩安全監(jiān)測設(shè)施現(xiàn)狀

（1）雨水情測報(bào)設(shè)施現(xiàn)狀。2010—2013 年，廣西依托山洪災(zāi)害防治非工程措施項(xiàng)目建設(shè)了約4708個(gè)水庫雨水情監(jiān)測站點(diǎn)，監(jiān)測數(shù)據(jù)通過山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)與水利部互聯(lián)互通。目前，這些水庫雨水情測報(bào)設(shè)施設(shè)備大多已接近或超過設(shè)計(jì)使用年限，大部分電子設(shè)備已到報(bào)廢期，進(jìn)入故障高發(fā)期，運(yùn)行狀態(tài)不穩(wěn)定，每年需要投入大量維修資金。此外，隨著信息化進(jìn)程的飛速發(fā)展和電子產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代，原來的監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)已不能適應(yīng)新發(fā)展階段水庫運(yùn)行管理需求。

（2）大壩安全監(jiān)測設(shè)施現(xiàn)狀。廣西約98.9%的水庫建成于20 世紀(jì)50 年代末至70 年代中期，受當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)社會(huì)和技術(shù)條件限制，小型水庫工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低、安全監(jiān)測配套設(shè)施缺失。在歷次水庫除險(xiǎn)加固中，由于資金投入不足，在小型水庫除險(xiǎn)加固初步設(shè)計(jì)基本沒有考慮大壩安全監(jiān)測設(shè)施建設(shè)。目前，我區(qū)小型水庫尚未安裝有信息化的大壩安全監(jiān)測設(shè)施，只有少數(shù)水庫設(shè)置有沉降、位移、滲漏人工觀測設(shè)施，由于管護(hù)人員專業(yè)技術(shù)欠缺，安全隱患難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)。

（3）運(yùn)行管理信息系統(tǒng)建設(shè)現(xiàn)狀。目前已建有廣西水庫安全運(yùn)行智慧管理服務(wù)平臺(tái)，具備數(shù)據(jù)匯集與存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)查詢與管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析、信息共享服務(wù)等功能，經(jīng)升級(jí)改造后可實(shí)現(xiàn)全區(qū)雨水情測報(bào)和大壩安全監(jiān)測信息匯集與信息共享。

2 廣西小型水庫雨水情測報(bào)和大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)

2.1 建設(shè)原則

按照“統(tǒng)籌協(xié)調(diào)、因庫制宜、實(shí)用有效、信息共享”的原則，充分利用現(xiàn)有條件，結(jié)合水庫壩型壩高、下游影響、通信條件等，合理設(shè)置監(jiān)測設(shè)施，并做好與已有監(jiān)測設(shè)施及除險(xiǎn)加固項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容銜接，避免重復(fù)建設(shè)，建立完善監(jiān)測平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)信息匯集、應(yīng)用和共享。

2.2 建設(shè)目標(biāo)

“十四五”期間，廣西計(jì)劃對3324座小型水庫雨水情測報(bào)設(shè)施、2674座小型水庫大壩安全監(jiān)測設(shè)施進(jìn)行建設(shè)，雨水情測報(bào)和大壩安全監(jiān)測設(shè)施數(shù)據(jù)要一站多發(fā)（縣、市、自治區(qū)），監(jiān)測站點(diǎn)基本信息、設(shè)備狀態(tài)信息和實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)接入自治區(qū)統(tǒng)一管理平臺(tái)，并符合數(shù)據(jù)治理的規(guī)范要求。升級(jí)改造廣西水庫安全運(yùn)行智慧管理服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)全區(qū)雨水情測報(bào)和大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)匯集，實(shí)現(xiàn)信息共享，全面提升水庫信息化管理能力和水平。

2.3 建設(shè)內(nèi)容

項(xiàng)目分為雨水情測報(bào)、大壩安全監(jiān)測兩大部分。雨水情測報(bào)要素主要包括降水量、庫水位、視頻圖像、預(yù)警等；大壩安全監(jiān)測要素主要包括滲流量、滲流壓力、表面變形等，監(jiān)測設(shè)施的建設(shè)包括相應(yīng)監(jiān)測要素的設(shè)備設(shè)施布設(shè)、配置、及其供電、通訊系統(tǒng)和監(jiān)測平臺(tái)軟件等輔助項(xiàng)目的建設(shè)。監(jiān)測信息應(yīng)以自動(dòng)采集和報(bào)送為主，因特殊原因不能自動(dòng)采集報(bào)送的應(yīng)落實(shí)人工采集和報(bào)送措施。

2.3.1 雨水情測報(bào)

（1）降水量監(jiān)測。至少設(shè)置1 個(gè)降水量監(jiān)測點(diǎn)。對流域面積超過20 km2的可增加1個(gè)具有流域代表性降水量監(jiān)測點(diǎn)。降水量監(jiān)測采用自動(dòng)測報(bào)方式，儀器分辨力應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)亟邓攸c(diǎn)進(jìn)行選擇，滿足面雨量計(jì)算精度要求，分辨力宜不大于0.5 mm。

（2）庫水位監(jiān)測。設(shè)置1個(gè)自動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)、1組人工觀測水尺和1組水準(zhǔn)點(diǎn)，滿足自動(dòng)測報(bào)、人工觀測和校驗(yàn)要求，庫水位監(jiān)測范圍應(yīng)覆蓋死水位至壩頂?shù)乃蛔兓秶?。自?dòng)監(jiān)測可采用浮子式、氣泡式、雷達(dá)式、壓力式等水位計(jì)，有條件的首選浮子式水位計(jì)。水位計(jì)分辨力宜不大于1 cm。水尺可采用直立式、矮樁式或斜坡式，有條件的首選直立式水尺。

（3）視頻監(jiān)視。對大壩、溢洪道等現(xiàn)場情況進(jìn)行現(xiàn)地監(jiān)視，具有有線互聯(lián)網(wǎng)或移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等通信條件的小型水庫實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視，并具備視頻實(shí)時(shí)查看和圖片定時(shí)推送功能。

（4）警報(bào)與預(yù)警。配置1～2 個(gè)有源高音號(hào)角喇叭，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)降雨、高水位、人員入侵等多場景自動(dòng)語音報(bào)警，以及遠(yuǎn)程喊話功能（1個(gè)喇叭與攝像頭連接實(shí)現(xiàn)報(bào)警，1 個(gè)用于喊話對講），自動(dòng)語音報(bào)警應(yīng)具有現(xiàn)場人工干預(yù)關(guān)閉功能。有條件的小型水庫或重要水庫配置1 塊現(xiàn)地LED 顯示屏，滾動(dòng)顯示實(shí)時(shí)水位、雨量、庫容、測壓管水位等信息，顯示屏宜設(shè)置在有市電的重點(diǎn)水庫，安裝在室內(nèi)。

2.3.2 大壩安全監(jiān)測

（1）滲流量監(jiān)測。存在滲漏明流的大壩設(shè)置滲流量監(jiān)測點(diǎn)，?。?）型水庫設(shè)置1 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，有分區(qū)監(jiān)測需求的根據(jù)需要增加監(jiān)測點(diǎn)；?。?）型水庫壩高15 m以上的設(shè)置1個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，壩高15 m以下影響較大的根據(jù)需要設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)。滲流量監(jiān)測采用量水堰進(jìn)行監(jiān)測，量水堰型式宜用三角形，在量水堰旁安裝量水堰計(jì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測。

（2）滲流壓力監(jiān)測。?。?）型水庫大壩設(shè)置1～2 個(gè)監(jiān)測橫斷面，一般設(shè)置在最大壩高和滲流隱患?jí)味?，對壩長超過500 m 的根據(jù)需要增加監(jiān)測斷面；?。?）型水庫壩高15 m 以上的設(shè)置1 個(gè)監(jiān)測橫斷面，壩高15 m以下影響較大的根據(jù)需要設(shè)置監(jiān)測斷面。每個(gè)監(jiān)測橫斷面設(shè)置2～3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，土石壩中均質(zhì)壩、心墻壩、斜墻壩監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置在壩頂下游側(cè)或心（斜）墻下游側(cè)、壩腳或排水體前緣。必要時(shí)在下游壩坡增設(shè)1個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。滲流壓力監(jiān)測宜采用在測壓管中安裝滲壓計(jì)。

（3）表面變形監(jiān)測。對壩高超過30 m 或下游影響較大的土石壩，或壩高超過50 m或下游影響大的混凝土壩、砌石壩，宜設(shè)置表面變形監(jiān)測設(shè)施。其他小型水庫，根據(jù)工程實(shí)際落實(shí)大壩變形監(jiān)測設(shè)施的設(shè)置。在壩頂下游側(cè)設(shè)置一個(gè)變形監(jiān)測縱斷面，對土石壩必要時(shí)可增設(shè)一個(gè)監(jiān)測縱斷面。表面變形監(jiān)測一般采用安裝觀測墩人工觀測的方式，以縣級(jí)為單位統(tǒng)一配置全站儀、水準(zhǔn)儀等觀測儀器，各水庫統(tǒng)籌使用。對于一些重要的?。?）型水庫，有條件的可采用GNSS方式進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測。在附近山體設(shè)置1 個(gè)GNSS 基準(zhǔn)站點(diǎn)，壩上設(shè)置3～4 個(gè)位移監(jiān)測站點(diǎn)，通過通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送到控制中心，實(shí)時(shí)差分解算出各監(jiān)測點(diǎn)三維坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)表面變形的自動(dòng)監(jiān)測。監(jiān)測的誤差要求：水平方向≤±2.5 mm+0.5 ppm，高程方向≤±5 mm+0.5 ppm。

2.3.3 數(shù)據(jù)采集與傳輸

（1）RTU 與MCU。一是配置雨水情數(shù)據(jù)采集終端RTU，接入雨量計(jì)、水位計(jì)、視頻攝像、預(yù)警廣播等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制與監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)測平臺(tái)；二是配置大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)采集單元MCU，接入滲壓計(jì)、滲流量計(jì)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與解算，并將數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)測平臺(tái)；三是RTU與MCU可配置集成式一體化監(jiān)測終端設(shè)備，使用一體化監(jiān)測終端應(yīng)確保性能可靠、成熟穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)合理，避免為了追求集成而提高成本，增加因故障造成的整體數(shù)據(jù)缺失風(fēng)險(xiǎn)；四是RTU 和MCU 的監(jiān)測數(shù)據(jù)采用一站多發(fā)方式，同時(shí)往縣級(jí)和自治區(qū)平臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的及時(shí)、可靠傳輸。

（2）數(shù)據(jù)傳輸。一是數(shù)據(jù)通信依次優(yōu)先采用有線互聯(lián)網(wǎng)（寬帶）、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)（4G）、NB-IoT、北斗衛(wèi)星通訊等公共通信資源；二是雨水情測報(bào)和安全監(jiān)測應(yīng)根據(jù)水庫的現(xiàn)有條件，采用同一套通訊設(shè)備、選擇同一種通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2.3.4 供電系統(tǒng)

供電方式根據(jù)現(xiàn)場條件選擇，優(yōu)先采用壩首已有的市電，壩首暫無市電的，盡量考慮就近接入市電；因距離太遠(yuǎn)實(shí)在無法接入市電的，采用太陽能供電。采用市電時(shí)，配置UPS 電源，確保市電斷電情況下能為監(jiān)測設(shè)備正常供電3 d以上。采用太陽能供電時(shí)，蓄電池容量應(yīng)保證連續(xù)5 d 以上陰雨天氣能正常供電。并應(yīng)充分考慮不同的供電方式，配置避雷器、避雷針和防雷接地等防雷保護(hù)設(shè)備。

2.3.5 監(jiān)測平臺(tái)

自治區(qū)監(jiān)測平臺(tái)建設(shè)由水利廳統(tǒng)一規(guī)劃、分級(jí)落實(shí)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集管理、分析應(yīng)用和信息共享功能。平臺(tái)統(tǒng)一部署，自治區(qū)、市、縣三級(jí)應(yīng)用。監(jiān)測平臺(tái)數(shù)據(jù)庫用于存儲(chǔ)管理降水量、庫水位、滲流量、滲流壓力、視頻圖像等監(jiān)測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)與標(biāo)識(shí)符采用國家標(biāo)準(zhǔn)。各縣建設(shè)縣級(jí)監(jiān)測平臺(tái)，具備數(shù)據(jù)接收和基本查詢功能。接收數(shù)據(jù)采集終端一站雙發(fā)上傳的數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后上傳自治監(jiān)測平臺(tái)。降低因單條數(shù)據(jù)傳輸鏈路出現(xiàn)數(shù)據(jù)中斷造成管理缺失的風(fēng)險(xiǎn)?？h級(jí)平臺(tái)所使用的服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等，原則上與山洪災(zāi)害防治項(xiàng)目的設(shè)備共用，不另外配置。

3 結(jié)語

廣西小型水庫基數(shù)大，雨水情測報(bào)和安全監(jiān)測設(shè)施現(xiàn)狀不容樂觀，短板突出，迫切需要開展雨水情測報(bào)和大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)。全面建設(shè)水庫雨水情測報(bào)、大壩安全監(jiān)測設(shè)施，健全水庫安全運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)，可以提升水庫信息化管理能力，實(shí)現(xiàn)水庫規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化管理，確保水庫安全長效運(yùn)行。