小型水庫雨水情測報和大壩安全監(jiān)測設(shè)施建設(shè)應(yīng)用技術(shù)探討

劉仔旭， 李軍巖， 張俊卓

(1.遼寧江海水利工程有限公司，遼寧 沈陽 110002； 2.遼寧省水資源管理集團(tuán)，遼寧 沈陽 110166 ； 3.遼寧省水利水電科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110003)

我國小型水庫數(shù)量眾多，小型水庫在灌溉、供水、防洪、生態(tài)中效益突出，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)民生活、農(nóng)村發(fā)展和區(qū)域防洪防治的重要基礎(chǔ)設(shè)施，但存在工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低、運行管護(hù)措施弱等歷史問題，除了部分水庫配備了雨水情測報系統(tǒng)，大壩安全監(jiān)測設(shè)施普遍缺失，且存在監(jiān)測設(shè)施薄弱、手段落后、標(biāo)準(zhǔn)不一、融合性差等現(xiàn)實問題，降低了小型水庫監(jiān)測預(yù)報和應(yīng)急預(yù)警能力。為加強(qiáng)雨水情和安全監(jiān)測預(yù)警設(shè)施建設(shè)，健全常態(tài)化管護(hù)機(jī)制，確保水庫安全長效運行，水利部將小型水庫雨水情測報和大壩安全監(jiān)測設(shè)施建設(shè)列為“十四五”的重點工作來抓，作為實現(xiàn)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略、防汛抗旱工作、生態(tài)文明建設(shè)的重要保障措施[1-3]。

1 建設(shè)必要性

遼寧省已注冊登記小型水庫657座，其中小(1) 型水庫268座，小(2)型水庫389座。多數(shù)建于20世紀(jì)50～70年代，土石壩類型水庫占96%以上，由于受技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件的限制，部分小型水庫工程先天不足、后天管理跟不上。多年來，遼寧省陸續(xù)開展了小型水庫的除險加固工程，工程形象面貌有所改觀，大壩安全狀況顯著提高，但總體的運行管理條件和能力仍相對薄弱，自動化水平尚低，難以滿足工程實際管理需求，可用設(shè)施設(shè)備保有率較低。通過對遼寧省小型水庫的現(xiàn)狀調(diào)查，已建設(shè)雨情測報設(shè)施的水庫176座、大壩安全監(jiān)測設(shè)施水庫3座、視頻監(jiān)視設(shè)施213座，其中庫水位觀測完全依靠人工觀測報訊，每日定時上報和汛期加密上報；雨量監(jiān)測在山洪災(zāi)害防治、除險加固等項目中部署了部分水庫；借助河長制、水庫移民等資金建設(shè)了一些視頻監(jiān)控點。由于設(shè)備運行多年、缺少專業(yè)化管護(hù)、日常運維資金落實未保障等原因，難以滿足長效的保障機(jī)制，因此亟須開展遼寧省小型水庫雨水情測報和大壩安全監(jiān)測設(shè)施建設(shè)項目的實施。

2 技術(shù)路線

按照需求牽引、問題導(dǎo)向的原則，圍繞小型水庫量大面廣，且自動化、信息化明顯短板的實際問題，遼寧省小型水庫雨水情測報和大壩安全監(jiān)測設(shè)施建設(shè)監(jiān)測對象涵蓋降雨量、庫水位、滲流量、滲流壓力、變形以及視頻圖像等要素，主要建設(shè)內(nèi)容包括雨水情測報系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)、雨水情測報和大壩安全監(jiān)測管理平臺四個部分。

2.1 雨水情測報系統(tǒng)

將實現(xiàn)對庫水位變化和降雨過程的實時、動態(tài)、連續(xù)的監(jiān)測，確保測得到、報得出、報得準(zhǔn)，為防汛抗旱、應(yīng)急搶險、生態(tài)保護(hù)等提供科學(xué)保障。

2.2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

將實現(xiàn)對水庫重點部位和水尺設(shè)施等的全天候監(jiān)控，可遠(yuǎn)程實時查看、隨時調(diào)用影像信息，對固定區(qū)域進(jìn)行設(shè)防及報警管理，保障水庫安全防范措施有力。

2.3 大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)

將實現(xiàn)對大壩重點部位的全面監(jiān)測，實現(xiàn)工程安全運行狀態(tài)的實時動態(tài)監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)工程安全隱患，為災(zāi)害應(yīng)急處置提供科技支撐。

2.4 雨水情測報和大壩安全監(jiān)測管理平臺

采用省級部署，省、市、縣多級應(yīng)用的建設(shè)模式，實現(xiàn)信息共享和應(yīng)用，顯著改善小型水庫監(jiān)測運行環(huán)境，切實提升小型水庫監(jiān)測預(yù)警能力。

3 點位布設(shè)原則

為了全面實現(xiàn)設(shè)施設(shè)備應(yīng)設(shè)盡設(shè)、自動化報送，監(jiān)測平臺數(shù)據(jù)匯集應(yīng)用、信息共享的要求，各類監(jiān)測項目布設(shè)應(yīng)遵循水文遙測和大壩安全監(jiān)測等規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)要求，根據(jù)本地區(qū)的特點，并形成規(guī)范化的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 自動雨量站

小型水庫至少設(shè)置1個降雨量監(jiān)測點，對流域面積超過20 km2的可增加具有流域代表性的監(jiān)測點。測點主要位于壩址附近或上游流域典型區(qū)域，建在大壩左右岸空曠地帶或管理站房附近無遮擋位置。

3.2 自動水位站

小型水庫設(shè)置1個水位自動監(jiān)測點、1組人工觀測水尺和1組水準(zhǔn)點。庫水位監(jiān)測點建在輸水洞附近或左右岸穩(wěn)固邊坡或大壩岸坡上，測量范圍為壩頂至死水位區(qū)間。若該水庫需新建雨量站，將其結(jié)合布設(shè)。

3.3 視頻監(jiān)控站

小型水庫設(shè)置1～2個視頻點，壩長500 m以上根據(jù)需要增加監(jiān)視點。視頻監(jiān)控重點對大壩全貌(壩頂、迎水坡、背水坡)、水尺、溢洪道、放水涵等部位進(jìn)行監(jiān)視，推薦布置在溢洪道附近，兼顧水尺觀測。

3.4 滲流壓力監(jiān)測站

小型水庫設(shè)置1～2個監(jiān)測橫斷面，主要設(shè)在最大壩高或隱患斷面，壩長500 m以上根據(jù)需要增加斷面，每個監(jiān)測斷面測壓孔數(shù)量2～3個。其中均質(zhì)土壩(斜墻壩)背水坡方向設(shè)置1個測壓孔，排水棱體上游或壩腳處設(shè)置1個測壓孔；心墻壩迎水坡、背水坡各設(shè)置1個測壓孔，點位避開心墻最寬處，防止鉆孔時破壞墻體結(jié)構(gòu)，排水棱體上游或壩腳設(shè)置1個測壓孔；混凝土重力壩(漿砌石壩)壩上、壩下各設(shè)置1點。

3.5 滲流量監(jiān)測站

小型水庫存在滲漏明流的大壩應(yīng)設(shè)置1個滲流量監(jiān)測點，有分區(qū)監(jiān)測需求的根據(jù)需要增加監(jiān)測點。

3.6 變形觀測站

對壩高超過30 m和地震烈度8度以上的小型水庫進(jìn)行測點布設(shè)，設(shè)置1個縱斷面，位于迎水坡面設(shè)計洪水位以上，設(shè)置位移測點3個，均勻分布，中間測點位于最大壩高斷面，工作基點1處設(shè)在壩區(qū)穩(wěn)固地基區(qū)域內(nèi)。采用GNSS監(jiān)測技術(shù)開展大壩變形位移監(jiān)測，實現(xiàn)高頻率的數(shù)據(jù)采集。

4 系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)遼寧省雨水情測報和大壩安全監(jiān)測設(shè)施建設(shè)總體目標(biāo)，在智慧水利總體架構(gòu)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建雨水情測報和大壩安全監(jiān)測設(shè)施建設(shè)項目的總體架構(gòu)?？傮w架構(gòu)包括感知層、網(wǎng)絡(luò)及基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)資源層、應(yīng)用支撐層、應(yīng)用層、展示層六個層次，縱向形成網(wǎng)絡(luò)安全、運維保障兩個體系，最終形成六橫二縱的智慧水庫管家架構(gòu)體系，主要實現(xiàn)水庫實時水雨情及工情信息的采集、網(wǎng)絡(luò)傳輸、數(shù)據(jù)存儲、應(yīng)用管理、防汛預(yù)警、動態(tài)監(jiān)測等功能。 雨水情測報和大壩安全監(jiān)測總體架構(gòu)圖如圖1所示。

小型水庫監(jiān)測平臺建設(shè)適合我省智慧水利發(fā)展的需求，采集傳輸規(guī)約滿足水文監(jiān)測數(shù)據(jù)通信規(guī)約和省級對采集頻次和發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一要求，遙測終端機(jī)和數(shù)據(jù)采集單元批量供貨前應(yīng)于省級平臺完成測試對接工作，數(shù)據(jù)、圖像傳輸滿足一站多發(fā)的通信方式，滿足未來不同用戶的管理需要。

圖1 雨水情測報和大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)

5 平臺功能設(shè)計

利用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等高新技術(shù)，以水庫全鏈條業(yè)務(wù)為核心，打造全省小型水庫安全運行智慧監(jiān)控云平臺，主要包括雨水情測報、大壩安全監(jiān)測、視頻監(jiān)控、三維展示、綜合運維、安全監(jiān)測分析、防洪預(yù)警、信息共享，以及巡查養(yǎng)護(hù)等功能模塊，主要對重點功能進(jìn)行介紹。

5.1 雨水情測報

在對全省小型水庫降雨量、庫水位數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集、傳輸、存儲的基礎(chǔ)上，采用GIS、圖表等多種方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢展示、統(tǒng)計分析、綜合告警、整編導(dǎo)出。雨水情測報系統(tǒng)包括用戶管理、水庫基礎(chǔ)信息管理、遙測站管理、GIS、視頻監(jiān)控管理、水文測報、水文數(shù)據(jù)查詢與管理、數(shù)據(jù)分析，以及預(yù)報預(yù)警等多個功能模塊，能夠及時準(zhǔn)確地將前端遙測站和監(jiān)視站的數(shù)據(jù)圖像采集入庫并自動匯總、分析、成果數(shù)據(jù)及發(fā)出預(yù)報預(yù)警，用戶可通過平臺及時掌握水庫的降雨量、庫水位等訊息，基于GIS的水庫安全管理與防汛決策支持，搭建數(shù)據(jù)庫、模型庫、方法庫、知識庫等專家體系，建立水庫抗雨能力分析和防汛管理決策，實現(xiàn)預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演的有效防范。

5.2 大壩安全監(jiān)測

對全省小型水庫的滲流量、滲流壓力、表面變形等大壩安全監(jiān)測要素進(jìn)行采集、管理、查詢、統(tǒng)計、告警、整編，匯集全省監(jiān)測信息，提高水庫監(jiān)管水平。大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)包括用戶管理、大壩基礎(chǔ)信息管理、大壩信息管理、監(jiān)測站管理、數(shù)據(jù)查詢與管理、數(shù)據(jù)分析、預(yù)報預(yù)警等多個功能模塊，能夠及時準(zhǔn)確地將前端監(jiān)測站數(shù)據(jù)采集入庫并自動匯總、分析、成果數(shù)據(jù)及發(fā)出預(yù)報預(yù)警，用戶可通過平臺及時掌握壩前水位、壩體壩基的滲流壓力、壩體表面位移等，以水庫大壩的空間圖形信息和屬性信息為基礎(chǔ)，依托數(shù)學(xué)評價、預(yù)測和預(yù)報模型以及GIS系統(tǒng)的空間分析能力，形象地進(jìn)行水庫大壩安全的風(fēng)險評估，為各職能部門有效控制、防治、處置水庫大壩隱患、降低水庫大壩災(zāi)害造成的損失提供科學(xué)決策依據(jù)。大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)示意如圖2。

圖2 大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)圖示

6 結(jié) 論

項目實施依托前端信息感知手段實時采集水庫運行信息和現(xiàn)場視頻圖像，將實現(xiàn)雨水情測報和大壩安全監(jiān)測信息實時、可靠的在線采集，配備雨水情測報設(shè)施保障了水庫雨水情的測報與預(yù)警能力，配備視頻監(jiān)控設(shè)備可直接獲取水庫重點部位和直觀水尺狀態(tài)，配備大壩安全監(jiān)測設(shè)施提升了大壩安全監(jiān)測與預(yù)警能力，構(gòu)建省級監(jiān)測平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息互聯(lián)互通，為各級水管部門提供監(jiān)測數(shù)據(jù)信息匯集應(yīng)用與共享服務(wù)目標(biāo)，為水庫適度蓄水、安全度汛、科學(xué)灌溉、生態(tài)建設(shè)、日常管理等提供全面保障，防范并避免水庫運行安全隱患的出現(xiàn)，為各級水利管理部門科學(xué)管理、安全度汛、安全鑒定等工作提供全面的技術(shù)支撐。