章麗娟，龐 紅，何 淇

（1.水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇南京210012；2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京210098）

0 引言

我國現(xiàn)有小型水庫9.8 萬余座，其中7.5 萬多座是庫容100 萬m3以下的?。?）型水庫。小型水庫在灌溉、供水、改善生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮了巨大作用，效益顯著，是水利基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分。但是小型水庫多建于20 世紀(jì)50—70年代，工程標(biāo)準(zhǔn)低、質(zhì)量較差，運行維修養(yǎng)護(hù)經(jīng)費投入不足，管理待完善。據(jù)統(tǒng)計，我國小型水庫平均病險比例高達(dá)53.3%[1]，目前仍有數(shù)千座小型水庫管護(hù)主體尚未落實，部分小型水庫存在管理機構(gòu)缺失、管護(hù)人員不到位等問題。隨著經(jīng)濟(jì)和科技條件的改善，加大對小型水庫安全管理的科技投入，充分利用傳感器、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，構(gòu)建小型水庫群安全風(fēng)險感知和預(yù)警平臺已具備可行性。

文獻(xiàn)［2］以某小型水電站系統(tǒng)改造為背景，設(shè)計并實現(xiàn)一個基于J2EE 平臺的大壩遠(yuǎn)程、實時監(jiān)測系統(tǒng)。文獻(xiàn)［3］針對中小型水庫土壩特點，在分析傳統(tǒng)大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)局限性的基礎(chǔ)上，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊、電源自動管理、遠(yuǎn)距離傳送、軟件系統(tǒng)幾個方面進(jìn)行了創(chuàng)新與改進(jìn)，研發(fā)出一套適用于中小型水庫土壩的安全自動監(jiān)測及管理數(shù)字系統(tǒng)。文獻(xiàn)［4］首先針對傳統(tǒng)大壩監(jiān)測系統(tǒng)的缺陷進(jìn)行改進(jìn),從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊、電源自動管理技術(shù)、遠(yuǎn)距離傳送、軟件系統(tǒng)幾個方面對傳統(tǒng)大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新與改進(jìn)，開發(fā)出一套實用的“中小型水庫土壩安全監(jiān)測系統(tǒng)”。文獻(xiàn)［5］給出了一種簡易水庫大壩風(fēng)險等級評估方法并在實際工程中加以應(yīng)用。

上述研究都是針對單一水庫進(jìn)行或是從管理模式上對小型水庫進(jìn)行研究。文中將在分析小型水庫安全風(fēng)險的基礎(chǔ)上，對建立小型水庫群風(fēng)險感知及預(yù)警平臺進(jìn)行研究。

1 小型水庫現(xiàn)狀及其安全風(fēng)險

我國小型水庫具有數(shù)量多、監(jiān)測設(shè)施不完善、運行管理技術(shù)理量不夠、維修養(yǎng)護(hù)經(jīng)費不到位等問題，為降低小型水庫失事概論，有必要將現(xiàn)在小型水庫監(jiān)測設(shè)施10%的比例向上提高。但由于小型水庫數(shù)量多、經(jīng)費有效，因此有必要根據(jù)具體水庫的特點有針對性地布置安全監(jiān)測設(shè)施。從目前小型水庫安全監(jiān)測來看，總是將安全監(jiān)測理解為變形、滲流監(jiān)測，實際上安全監(jiān)測有必要根據(jù)失事情況進(jìn)行拓展，把引起小型水庫失事的各類重要因素和響應(yīng)納入監(jiān)測范圍，為此有必要首先對小型水庫失事成因進(jìn)行總結(jié)。

1954年迄今全國潰壩3500 多座，其中絕大多數(shù)是小型水庫。典型失事成因如下：

1）水文氣象典型實例包括破沖口水庫、英德爾水庫、茶山坑水庫都是由于連降特大暴雨，降雨量超過設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，從而導(dǎo)致漫頂?shù)仁鹿拾l(fā)生。

2）材料結(jié)構(gòu)滲流典型實例，包括石堡子混凝土面板堆石壩受壩體沉降變形影響，防浪墻整體變形嚴(yán)重，出現(xiàn)裂縫、分縫錯位。

3）運行監(jiān)管典型實例包括溝后、大河、七仙湖、李家咀水庫潰壩等，都是由于缺乏有效監(jiān)測設(shè)施或反應(yīng)不及時引起。

2 安全監(jiān)測預(yù)警的基礎(chǔ)工作

2.1 水庫安全風(fēng)險分析

每座水庫由于其地理位置、水文地質(zhì)條件、氣候氣象條件、下游發(fā)展等各不相同，因此起失事模式、失事路徑、失事后果各不相同，進(jìn)行小型水庫的安全風(fēng)險分析，將有利于針對具體水庫獲得影響水庫安全的敏感因素，從而針對性地設(shè)計水庫安全風(fēng)險感知網(wǎng)絡(luò)。

2.2 水庫分類排序

2.2.1 根據(jù)風(fēng)險源種類進(jìn)行分類

根據(jù)可能引起水庫安全失事的原因及其后果不同，將風(fēng)險源分成賦存環(huán)境風(fēng)險、材料結(jié)構(gòu)滲流風(fēng)險、運行監(jiān)管風(fēng)險三大類。三類風(fēng)險源各有其特色，其感知網(wǎng)絡(luò)與預(yù)警體系也存在明顯的不同。對于賦存環(huán)境風(fēng)險，可以充分利用或結(jié)合“暴雨風(fēng)險圖”“中國地震區(qū)劃”“洪水風(fēng)險圖”“滑坡泥石流風(fēng)險圖”和“臺風(fēng)路徑圖”等已有研究成果進(jìn)行。

2.2.2 根據(jù)風(fēng)險大小進(jìn)行排序

小型水庫數(shù)量多，風(fēng)險大小差異大，考慮到經(jīng)費等限制有必要在調(diào)查統(tǒng)計的基礎(chǔ)上參考文獻(xiàn)［5］等的做法進(jìn)行風(fēng)險評估，既考慮到整個水庫失事的概率也考慮到失事后的損失。根據(jù)風(fēng)險大小進(jìn)行排序分類，根據(jù)風(fēng)險大小確定信息感知網(wǎng)絡(luò)的投入，包括監(jiān)測/檢測項目、測點數(shù)量、儀器類型、冗余備份、軟件配置等。

3 信息感知

3.1 感知方式

3.1.1 巡視檢查及遙感

專業(yè)技術(shù)人員以及無人機的巡查、空天遙感可以獲取水庫壩體、相關(guān)建筑物、庫區(qū)邊坡等大面積的安全信息。

3.1.2 視頻及圖像

充分利用可見光、紅外光、微光等對壩體或樞紐關(guān)鍵部位的環(huán)境輸入、結(jié)構(gòu)響應(yīng)以及人為操作等實施有效監(jiān)測。

3.1.3 儀器監(jiān)測

儀器監(jiān)測應(yīng)根據(jù)工程敏感輸入或響應(yīng)確定，無需要像大中型水庫一樣面面俱到。為延長預(yù)報期，對于氣象、臺風(fēng)、暴雨等信息可以充分利用氣象等部門的前期預(yù)報信息，對于氣溫、水位、雨量等工程安全影響因素，也可以充分利用相關(guān)部門的監(jiān)測數(shù)據(jù)，避免不必要的重復(fù)建設(shè)。

3.1.4 狀態(tài)檢測

采用高密度電法、超聲波等無損檢測的方法對小型水庫的壩體、混凝土結(jié)構(gòu)、鋼筋銹蝕情況和金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測，可以有效獲取工程隱患的重要信息，從而為實現(xiàn)工程安全動態(tài)預(yù)警提供依據(jù)。

3.2 感知要素

3.2.1 賦存環(huán)境

氣候氣象風(fēng)險具有明顯的地理區(qū)域特色,因此在全國各地其系統(tǒng)配置也應(yīng)具有明顯不同。

水文地質(zhì)風(fēng)險需要根據(jù)入庫水量組成和路徑、地質(zhì)災(zāi)害形式等進(jìn)行感知項目設(shè)置。

地震風(fēng)險是高震區(qū)小型水庫面臨的重大安全風(fēng)險，其采集項目包括自由場的加速度時程（包括幅值和相位）。

3.2.2 材料結(jié)構(gòu)滲流效應(yīng)

監(jiān)測部位和項目包括大壩壩身變形和滲流狀態(tài)、泄洪閘門變形以及啟閉設(shè)施可靠性參數(shù)、泄洪或行洪建筑物穩(wěn)定、近壩庫岸或者邊坡穩(wěn)定、壩下建筑物與壩體連接部位穩(wěn)定和滲流等。由于各座水庫具體情況不一樣，設(shè)置上述項目和測點要根據(jù)工程風(fēng)險和敏感度大小及其之間的關(guān)系進(jìn)行。

3.2.3 運行監(jiān)管

運行、管理和監(jiān)督的水平、效率和效果是影響小型水庫安全風(fēng)險高低的重要因素，充分利用圖像采集、數(shù)據(jù)上傳、培訓(xùn)考核、現(xiàn)場督查、網(wǎng)上答題等手段和方法可以有效感知運行監(jiān)管風(fēng)險要素。運行監(jiān)管風(fēng)險感知的要素包括法律、法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)和上級文件精神的熟悉、理解和執(zhí)行到位情況；相關(guān)制度的針對性、可操作性和完備性；責(zé)任落實的具體性、明確性和匹配性；分工協(xié)作的協(xié)調(diào)性、完備性和可靠性；人員、設(shè)備、設(shè)施和經(jīng)費的保障性；獎懲措施的有效性等幾個方面。

3.3 感知網(wǎng)絡(luò)

整體網(wǎng)絡(luò)要實現(xiàn)水庫管理單位、主管部門、監(jiān)督單位、技術(shù)專家與支撐單位、水利行政主管部門、應(yīng)急部門以及相應(yīng)政府部門的實時連接，支持移動查詢和關(guān)鍵信息推送的云平臺網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)風(fēng)險級別的大小采取相應(yīng)的應(yīng)急響應(yīng)機制，重要信息采用多路推送關(guān)鍵設(shè)備備份措施，確保惡劣或關(guān)鍵時候信息保送和系統(tǒng)運行正常、及時，同時在水庫風(fēng)險區(qū)建立基于移動短信、微信、廣播等應(yīng)急信息發(fā)布和疏散路徑引導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，最大限度實現(xiàn)提前預(yù)報和最大限度地減少災(zāi)害損失。

3.3.1 電源設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)電源供應(yīng)方式一般可以采用市電、太陽能、蓄電池和低功耗自帶鋰電池，在具體設(shè)計中，將根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模、通信方式、距離管理處遠(yuǎn)近、設(shè)備安全情況和當(dāng)?shù)厥须姟⑷照諘r間等情況確定。

3.3.2 通訊設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)情況，一般系統(tǒng)通訊包括兩個層次，即現(xiàn)場信息感知網(wǎng)絡(luò)通訊和上一級雙向通訊?，F(xiàn)場通訊可以采用有線（電纜或光纜）、GPRS、Lora、Zigbee 等，上一層的通訊可以采用公網(wǎng)（GPRS、4G）、衛(wèi)星、光纖等。為確保系統(tǒng)穩(wěn)定性，在關(guān)鍵鏈路采用必要的備用措施。

4 預(yù)警指標(biāo)體系

4.1 賦存環(huán)境

根據(jù)具體水庫在環(huán)境因素作用下漫頂、超泄量、滑坡等對應(yīng)的輸入因素的強度或等級，具體包括臺風(fēng)級別、暴雨雨強和累積降雨量、壩前水位、入庫流量、地震震級等。

4.2 材料及結(jié)構(gòu)響應(yīng)

4.2.1 擋水及泄洪建筑物

根據(jù)建筑物極限承載力所對應(yīng)具體包括響應(yīng)量及其時間變化速率（或空間梯度，如不均勻系數(shù)）等的臨界值。

4.2.2 金屬結(jié)構(gòu)與機電設(shè)施

金屬結(jié)構(gòu)的強度和穩(wěn)定性、機電設(shè)施的可靠性等對應(yīng)的變形分布、應(yīng)力分布、輸出電磁特征等所對應(yīng)的特性或功能突變都可以得到對應(yīng)的預(yù)警指標(biāo)。

4.3 運行監(jiān)管風(fēng)險

4.3.1 管理體系

依據(jù)相關(guān)法規(guī)、規(guī)章和部門文件設(shè)置相應(yīng)閾值，采取分級預(yù)警。如“三個責(zé)任人”“三個重點環(huán)節(jié)”等落實情況。

4.3.2 監(jiān)督體系

對主管單位對小型水庫管理監(jiān)管的有效性、及時性、可靠性等方面設(shè)置預(yù)警指標(biāo)。

5 結(jié)論與建議

小型水庫群具有水庫數(shù)量多、安全狀況差異大、交通不便、技術(shù)人員匱乏等特點，因此有必要建設(shè)相應(yīng)得水庫感知和預(yù)警平臺，實現(xiàn)小型水庫群的集中管理，充分發(fā)揮技術(shù)、人才和經(jīng)費優(yōu)勢。