高月明，陳希謠

（廣東華南水電高新技術(shù)開發(fā)有限公司，廣東 廣州 510610）

0 引言

我國小型水庫點多面廣，是我國水利基礎(chǔ)設(shè)施和防洪體系最為重要的組成部分，在防洪、供水及灌溉方面發(fā)揮了重要作用。但受各種因素影響，小型水庫病險率高，管理十分薄弱，給人民群眾的生命財產(chǎn)安全造成了嚴重威脅。

國家高度重視小型水庫的安全和管護，于2021年4月印發(fā)《國務院辦公廳關(guān)于切實加強水庫除險加固和運行管護工作的通知》（國辦發(fā)〔2021〕8號），明確提出要加強小型水庫的雨水情測報和大壩安全監(jiān)測[1]。

廣東省為規(guī)范有序地開展小型水庫監(jiān)測工作，針對廣東省水庫具體情況，結(jié)合水庫壩型、規(guī)模、壩高、壩長、下游影響、通信條件等，從省級層面組織開展《廣東省小型水庫雨水情測報和大壩安全監(jiān)測設(shè)施建設(shè)與運行技術(shù)指南》[2]編制工作，用以指導各地開展項目建設(shè)。

1 建設(shè)現(xiàn)狀及存在問題

廣東省小型水庫建設(shè)現(xiàn)狀及存在問題分析如下：

1）小型水庫管理薄弱。截至 2021年底，廣東省共有小型水庫 7 141座，其中鑒定為三類壩的病險水庫有 1 386座。廣東省重視小型水庫管理，基本落實了“三個責任人”，但巡查責任人通常由附近村民兼任，汛期無法保證每日巡查，且由于缺乏專業(yè)技能，無法保證及時準確發(fā)現(xiàn)工程隱患。總之，由于管理經(jīng)費、人員素質(zhì)等原因，小型水庫管理仍然薄弱。

2）雨水情測報設(shè)施覆蓋過半。隨著近年來山洪災害防治項目和小型水庫標準化建設(shè)，雨水情圖像監(jiān)測方面已經(jīng)取得很大進展，目前有 6 546座小型水庫建成雨水情和圖像監(jiān)測站，但其中部分站點由于建設(shè)時間長，未能及時維護，已不能正常運行。

3）大壩安全監(jiān)測設(shè)施基本空白。目前小一型和壩高 15 m 以上的小二型水庫基本完成滲流量監(jiān)測站建設(shè)，但滲流壓力、表面變形等大壩安全監(jiān)測方面基本空白，僅依靠傳統(tǒng)的人工觀測方式進行管理，安全隱患難以發(fā)現(xiàn)。

4）省級應用軟件平臺支撐不足。雖然近年來開發(fā)了“平安小水庫”等小程序，能夠初步展示查詢水庫基本信息和實時雨水情數(shù)據(jù)，也能實現(xiàn)水庫線上巡查，但對大壩安全監(jiān)測信息還缺乏深度分析和預警，也缺乏對眾多實時監(jiān)測站點的數(shù)據(jù)匯聚和管理平臺。

5）基礎(chǔ)資料現(xiàn)狀亟待統(tǒng)一校核。由于各種歷史原因，小型水庫的基礎(chǔ)資料不全面，高程資料不準確和不統(tǒng)一，造成防汛預警不準確，給各級管理人員帶來困擾。

2 建設(shè)原則與內(nèi)容

2.1 建設(shè)內(nèi)容

根據(jù)廣東省小型水庫現(xiàn)狀分析，結(jié)合《小型水庫雨水情測報和大壩安全監(jiān)測設(shè)施建設(shè)與運行管理管理辦法》（水運管〔2021〕313 號）的要求[3]，廣東省小型水庫雨水情測報和大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)內(nèi)容非常明確，主要包括省級監(jiān)測軟件平臺、物聯(lián)網(wǎng)平臺、監(jiān)測感知設(shè)施建設(shè) 3個部分，其中監(jiān)測感知要素包括降水量、庫水位、視頻圖像、滲流量、滲流壓力、表面變形等。

2.2 建設(shè)原則

1）需求牽引，統(tǒng)籌考慮。圍繞水庫運行管理、調(diào)度決策等對信息感知處理的需求，統(tǒng)籌考慮小型水庫雨水情測報及大壩安全監(jiān)測設(shè)施建設(shè)要求。

2）因庫制宜，充分利舊。結(jié)合水庫現(xiàn)實條件，合理選擇監(jiān)測要素、通信和預警方式，做好與已有監(jiān)測設(shè)施及除險加固、小型水庫標準化等項目建設(shè)內(nèi)容的銜接。

3）整合共享，實用安全。推進建立水庫監(jiān)測預警信息共享機制，實現(xiàn)與其他水利業(yè)務系統(tǒng)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，并配套必要的網(wǎng)絡信息安全防護功能。

3 建設(shè)方案及設(shè)計要點

3.1 總體框架

應用“大智移云物”等高新技術(shù)[4]，基于水庫管理的實際需求，建設(shè)涵蓋雨水情測報、大壩安全監(jiān)測設(shè)備，以及數(shù)據(jù)采集和匯集應用的小型水庫雨水情測報和大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)小型水庫實時雨水情、視頻圖像、大壩安全等信息的采集，傳輸，存儲，共享，分析及預警等，建立以信息流為主線的水庫管理新模式，為小型水庫的日常管理及防汛調(diào)度提供決策支持，推動小型水庫管理向規(guī)范化、精細化、智慧化方向發(fā)展的跨越。

在系統(tǒng)設(shè)計中，小型水庫雨水情測報和大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)遵循“五橫兩縱”的架構(gòu)，五橫包括監(jiān)測感知層、通信傳輸層、物聯(lián)網(wǎng)平臺、應用系統(tǒng)層及用戶層 5個層面，兩縱是標準規(guī)范和信息安全 2個體系。總體設(shè)計框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框架

1）監(jiān)測感知層。水庫現(xiàn)地建設(shè)的監(jiān)測感知設(shè)施，采集內(nèi)容包括水位、雨量、圖像/視頻、滲流量、滲壓、大壩表面變形等，所有采集數(shù)據(jù)匯集到物聯(lián)網(wǎng)終端統(tǒng)一對外通信。

2）通信傳輸層。使用 4G/5G，NB-IoT，LORA等無線網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸，如果水庫未覆蓋以上網(wǎng)絡，則使用光纖、北斗衛(wèi)星等通信方式進行數(shù)據(jù)通信[5]。

3）物聯(lián)網(wǎng)平臺。匯集海量監(jiān)測設(shè)備的數(shù)據(jù)，并進行設(shè)備管理，提供與市縣級及其他應用系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)共享。

4）應用系統(tǒng)層。建設(shè)統(tǒng)一的省級監(jiān)測軟件平臺，以分發(fā)賬號方式供多級用戶使用。

5）用戶層。包括省、市（州）、縣（市、區(qū)）水利部門相關(guān)人員，水庫管理相關(guān)人員。

6）標準規(guī)范體系。包括監(jiān)測設(shè)施分級建設(shè)內(nèi)容和標準、通信傳輸協(xié)議、數(shù)據(jù)匯聚和共享標準等，落實保障措施。

7）信息安全體系。完善安全技術(shù)措施及制度，加強日常管理，為監(jiān)測信息網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)及應用系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行提供保障。

3.2 設(shè)計要點

考慮到廣東省水庫管理工作實際，除充分滿足《小型水庫雨水情測報和大壩安全監(jiān)測設(shè)施建設(shè)與運行管理管理辦法》的基本配置要求外，具體設(shè)計時還在以下方面提出特別的技術(shù)要求：

1）多視頻站監(jiān)控。隨著移動通信的廣泛覆蓋和通信成本降低，具備有線或移動互聯(lián)網(wǎng)等適宜視頻傳輸通信條件的小型水庫應從圖像站升級為視頻站。從水庫管理需要及現(xiàn)場建站條件出發(fā)，確定視頻圖像監(jiān)視點設(shè)置具體數(shù)量及位置，設(shè)置時需兼顧監(jiān)視大壩迎水坡面、背水坡面、溢洪道進水渠及控制段等部位，這樣可克服原本圖像站或單一視頻站只能監(jiān)視某一固定區(qū)域的弊端，實現(xiàn)對水庫的全方位監(jiān)控。

2）視頻融合疊加實時信息。視頻圖像可通過現(xiàn)地設(shè)備或監(jiān)測平臺融合疊加降水量、庫水位、滲流量、滲流壓力等實時監(jiān)測信息，使水庫管理人員在查看視頻時可直觀掌握當前最新的水位等信息，輔助判斷水庫大壩的運行狀況[6]。視頻融合疊加監(jiān)測信息示意圖如圖2所示。

圖2 監(jiān)測平臺視頻融合疊加監(jiān)測信息

3）監(jiān)測信息前端匯集統(tǒng)一傳輸。為便于水庫工程監(jiān)測設(shè)施設(shè)備的統(tǒng)一管理，降水量、庫水位、視頻圖像、滲流量及滲流壓力監(jiān)測信息均應匯集到一臺物聯(lián)網(wǎng)終端，并按照《廣東智慧水利物聯(lián)網(wǎng)平臺接入規(guī)范》要求統(tǒng)一對外通信，實現(xiàn)與廣東智慧水利物聯(lián)網(wǎng)平臺的對接，監(jiān)測設(shè)施通信網(wǎng)絡設(shè)計如圖3所示。采用這種設(shè)計，對于上層的物聯(lián)網(wǎng)平臺來說，每座水庫只需管理 1個對象，但對前端的物聯(lián)網(wǎng)終端提出了更高要求，例如須解決多路視頻匯集傳輸時通信信道擁擠問題。

圖3 基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的小庫監(jiān)測設(shè)施通信網(wǎng)絡設(shè)計

4）數(shù)據(jù)一站多發(fā)。雨水情測報和大壩安全監(jiān)測信息應具備一站多發(fā)功能，現(xiàn)場監(jiān)測信息能向相關(guān)監(jiān)測平臺發(fā)送，保障省級和市縣級共享數(shù)據(jù)成果。

5）水準點設(shè)置及高程坐標復核。由于小型水庫大部分建設(shè)年代久遠，缺乏準確的高程數(shù)據(jù)，導致各站點監(jiān)測的水位數(shù)據(jù)高程參考不一，預警不準確，因此應以設(shè)置的水準點為基點，對水庫工程特性值進行引測復核，主要對壩頂、堰頂高程等進行復核，并及時向登記機構(gòu)辦理變更事項登記。

6）溢洪道泄流能力分析。水庫出庫流量監(jiān)測可為下游水文預報、內(nèi)澇淹沒分析、實時調(diào)洪調(diào)度和搶險救災提供數(shù)據(jù)依據(jù)，具有重要意義。建設(shè) 1 套水庫出庫流量自動監(jiān)測站需要投入較多經(jīng)費，且建站后還需對站點進行長期流量率定，才可保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性，而絕大部分小型水庫往往不具備這樣的條件，因此推薦按照水力學計算公式推求水庫泄流過程。水庫管理單位可通過水頭變化，按照推求的蓄泄曲線判斷水庫調(diào)洪調(diào)度水量。

7）新技術(shù)應用。對于有條件地區(qū)，在滿足可靠性要求的前提下，為提高小型水庫監(jiān)測感知設(shè)施建設(shè)標準和監(jiān)測信息化水平，可結(jié)合實際探索采用以下新技術(shù)：

a．人工智能圖像識別技術(shù)。對游泳、大壩入侵等問題有實時識別和預警提示需求的小型水庫，采用邊緣計算與云端識別協(xié)同方式進行 AI 圖像識別，即時進行預警提醒[7]。

b．GNSS 壩體變形監(jiān)測技術(shù)。GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）變形監(jiān)測技術(shù)具有不受距離限制、實時連續(xù)監(jiān)測等優(yōu)點[8]，通過在水庫大壩上建立連續(xù)高精度觀測的 GNSS 自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)，不僅可減輕繁瑣的人力測量工作，還可實時掌握壩體的形變規(guī)律，更好地反映形變機理，保證大壩安全運行。

3.3 建設(shè)方案

本研究重點闡述省級監(jiān)測軟件平臺、物聯(lián)網(wǎng)平臺、監(jiān)測感知設(shè)施的建設(shè)方案。

3.3.1 省級監(jiān)測軟件平臺

省級監(jiān)測軟件平臺的建設(shè)是水庫監(jiān)測感知數(shù)據(jù)的載體，是全省水庫管理和防洪調(diào)度的基礎(chǔ)保障。平臺功能涵蓋水庫基本信息管理、自動化監(jiān)測、綜合查詢、監(jiān)視預警、移動巡檢、智能分析等，可對水庫進行全方位信息化管理，幫助“省、市、縣、水庫”多級用戶全面掌握水庫大壩的滲流、變形、環(huán)境量、現(xiàn)場實況等信息，并通過對各類監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，判斷壩體表面運動變化情況，完成壩體穩(wěn)定性分析，針對異常狀況可自動分級發(fā)出預警信息。省級監(jiān)測軟件平臺功能架構(gòu)如圖4所示。

圖4 省級監(jiān)測軟件平臺功能架構(gòu)

1）綜合分析。提供水庫運行監(jiān)管全局統(tǒng)計分析視圖，幫助用戶掌握轄區(qū)內(nèi)水庫的整體運行情況，使得數(shù)據(jù)可視化有針對性。

2）地圖監(jiān)視。在電子地圖上顯示水庫監(jiān)測站點的位置、數(shù)據(jù)和視頻圖像信息，用戶可直觀看出監(jiān)測站點的分布情況。面向的是縣級及以上的用戶，關(guān)心的是宏觀和全局信息。

3）實時監(jiān)視。實時監(jiān)視是監(jiān)視水庫運行狀態(tài)的核心，通過信息圖表、過程線、相關(guān)圖等直觀的展現(xiàn)形式，展示水庫雨水情、滲流量、滲流壓力和表面位移監(jiān)測等實時信息。

4）視頻監(jiān)控。將庫區(qū)視頻監(jiān)控球機拍攝到的視頻接入系統(tǒng)，具備視頻監(jiān)控實時觀看、歷史記錄查看與回放、云臺控制、預置點設(shè)置抓拍等功能。

5）基本信息。匯聚水庫基礎(chǔ)信息、測站信息、責任人信息、相關(guān)預案、資料檔案、相關(guān)鏈接等基本信息，為水庫管理者、決策指揮人員在日常辦公和應急響應時，提供水庫所有資料、預案等查詢，提高工作效率。

6）移動巡檢。基于 App 應用，實現(xiàn)水庫巡視檢查信息的記錄及查詢，包括巡檢時間、人員、路線、結(jié)果，以及上報問題等信息。

7）查詢統(tǒng)計。提供水庫重點關(guān)注信息的查詢統(tǒng)計功能，包括水庫水情、雨情、滲流量、滲流壓力、表面變形位移量、蓄水量統(tǒng)計、工程信息、測站信息等。

8）安全風險分析。構(gòu)建水庫大壩安全評價模型，根據(jù)雨水情、安全監(jiān)測、工程巡查狀況、水庫基本信息和氣象預報情況等，對工程安全性態(tài)演化趨勢進行分析預測，并做出實時動態(tài)的評估和情景推演，自動生成水庫風險清單并推送至相關(guān)責任人。通過點、線、面結(jié)合，展示水庫大壩安全狀態(tài)，對運行中的問題提出合理的防范建議。

9）智能識別。全場景云端智能分析可根據(jù)不同場景預設(shè)相應的識別功能。智能識別功能共 10種，包括大壩雜草、非法捕撈、網(wǎng)箱識別、水質(zhì)異常、壩體入侵、水面漂浮物、游泳檢測、非法養(yǎng)殖、車輛入侵、釣魚檢測。

10）監(jiān)測預警。包括水位預警、雨量預警、大壩安全實時分析與預警等功能。根據(jù)預先設(shè)定的預警條件，對水庫實時運行狀態(tài)進行監(jiān)控，一旦實時監(jiān)測數(shù)據(jù)達到預警條件，系統(tǒng)將自動報警，并將報警信息發(fā)送到相關(guān)人員手機或預警設(shè)備上。

11）報表管理。包含以下 2 類報表：a．自定義報表，可根據(jù)時間段、監(jiān)測數(shù)據(jù)類別等條件要求，自動生成管理者需要了解的數(shù)據(jù)報表；b．定制化報表，包括降雨量、水位年報表等其他定制化報表。

3.3.2 物聯(lián)網(wǎng)平臺

為解決未來海量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入和管理的問題，建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)平臺：向下可承接感知設(shè)備，梳理水庫各類信息采集的數(shù)據(jù)匯集流向，統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集和標準，統(tǒng)一設(shè)備接入和管理，并對站點建設(shè)質(zhì)量、運行狀態(tài)和監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量進行監(jiān)督，評價，考核；向上可作為應用和服務支撐的基礎(chǔ)平臺，確保數(shù)據(jù)獲取快速、準確，一數(shù)一源，避免數(shù)據(jù)自相矛盾。

物聯(lián)網(wǎng)平臺主要包括以下功能模塊[9]：

1）設(shè)備接入。根據(jù)通信傳輸協(xié)議接收感知設(shè)備信息，實現(xiàn)設(shè)備統(tǒng)一接收，包括安全接入、設(shè)備對接、設(shè)備雙向通信等功能。

2）設(shè)備管理。通過物聯(lián)網(wǎng)平臺對設(shè)備進行分類管理，可進行注冊、建模，實現(xiàn)設(shè)備基礎(chǔ)信息管理、設(shè)備運行參數(shù)配置、設(shè)備遷移、采集時間間隔設(shè)置、數(shù)據(jù)召測、數(shù)據(jù)追溯、遠程升級等功能。

3）設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控。實現(xiàn)在線感知設(shè)備數(shù)量、上下行消息數(shù)量、設(shè)備網(wǎng)絡狀態(tài)等指標數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控。

4）數(shù)據(jù)監(jiān)控。建立智能算法模型，對數(shù)據(jù)質(zhì)量、到報率、數(shù)據(jù)波動等進行分析，將可疑數(shù)據(jù)導出作進一步的處理或在數(shù)據(jù)應用前將異常數(shù)據(jù)剔除。

5）告警服務。根據(jù)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與數(shù)據(jù)智能分析結(jié)果生成告警信息。

6）評價考核。按站點承建單位、行政區(qū)劃進行站點建設(shè)維護質(zhì)量評價。

7）應用服務。提供多樣化的 API 接口為應用提供支撐。

3.3.3 監(jiān)測感知設(shè)施

監(jiān)測感知設(shè)施設(shè)計是核心，也是省級監(jiān)測平臺的數(shù)據(jù)來源。建設(shè)的小型水庫監(jiān)測感知設(shè)施，主要包括雨水情測報及大壩安全監(jiān)測兩大類設(shè)施。根據(jù)《土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[10]和《混凝土壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[11]，廣東省針對不同規(guī)模、壩型的水庫提出監(jiān)測設(shè)施配置要求，配置匯總?cè)绫?所示，其中“★”為必設(shè)項目，“☆”為一般項目，可根據(jù)需要選設(shè)。

表1 小型水庫監(jiān)測設(shè)施配置表

廣東省小型水庫點多面廣，壩型、規(guī)模、壩高、壩長、下游影響、通信條件等各有不同，各市縣技術(shù)能力也是千差萬別，因此基于廣東省監(jiān)測設(shè)施配置要求及設(shè)計要點，總結(jié)已實施的雨水情測報和大壩安全監(jiān)測的經(jīng)驗做法，將水庫初步分成 4 類，并提煉了可推廣應用的典型設(shè)計。

3.3.3 .1 典型設(shè)計Ⅰ

此類設(shè)計適用于壩高 15 m 以下的小二型水庫，監(jiān)測內(nèi)容為降水量、庫水位、工程視頻圖像。每座水庫至少需布設(shè)以下監(jiān)控站：1個壩前雨水情視頻監(jiān)控站，可兼顧水庫迎水坡面、溢洪道位置的視頻監(jiān)控；1個壩背圖像監(jiān)控站，實現(xiàn)對水庫背水坡面的實時監(jiān)控。另還需在水庫迎水坡面、溢洪道進水渠口各設(shè)置 1 組人工觀測水尺，水庫附近穩(wěn)固位置設(shè)置 1 組水準點。各類站點布設(shè)位置如圖5所示。

圖5 典型設(shè)計Ⅰ站點布設(shè)示意圖

3.3.3 .2 典型設(shè)計Ⅱ

此類設(shè)計適用于壩高 15 m 以上或重點小二型水庫。監(jiān)測內(nèi)容在典型設(shè)計Ⅰ的基礎(chǔ)上，增加 1個滲流量監(jiān)測站和 3個滲壓監(jiān)測站，均采用 LORA 傳輸，將測量數(shù)據(jù)傳輸至壩前雨水情視頻監(jiān)控站的物聯(lián)網(wǎng)終端再對外通信，實現(xiàn)滲流量、滲壓的實時監(jiān)測；同時在壩體及壩外穩(wěn)固基巖處建設(shè)位移觀測點、工作及校核基點，為大壩表面位移提供人工觀測渠道。各類站點布設(shè)位置如圖6所示。

圖6 典型設(shè)計Ⅱ站點布設(shè)示意圖

3.3.3 .3 典型設(shè)計 Ⅲ

此類設(shè)計適用于所有小一型水庫。監(jiān)測內(nèi)容在典型設(shè)計 Ⅱ 的基礎(chǔ)上，增加 3個滲壓監(jiān)測站，即共布設(shè) 2個滲壓監(jiān)測橫斷面。各類站點布設(shè)位置如圖7所示。

圖7 典型設(shè)計Ⅲ站點布設(shè)示意圖

3.3.3 .4 典型設(shè)計 Ⅳ

此類設(shè)計適用于有條件的小型水庫。監(jiān)測內(nèi)容在典型設(shè)計 Ⅲ 的基礎(chǔ)上，將壩背圖像監(jiān)控站改為壩背視頻監(jiān)控站，實現(xiàn)對水庫背水坡面全方位視頻監(jiān)控；將 3個位移觀測點升級為 GNSS 表面變形監(jiān)測站，1個校核基點升級為 GNSS 基準站，實現(xiàn)大壩表面變形的自動監(jiān)測。

4 結(jié)語

目前，廣東省已按本研究成果編制印發(fā)《廣東省小型水庫雨水情測報和大壩安全監(jiān)測設(shè)施建設(shè)與運行技術(shù)指南》，并分別在花都區(qū)紅崩崗、集益水庫，以及博羅縣的大洞水庫開展試點水庫建設(shè)，水庫現(xiàn)地管理處和各級行政主管部門可通過應用系統(tǒng)進行直觀的水庫安全值班，當安全監(jiān)測數(shù)據(jù)異常時系統(tǒng)及時預警，切實提高了水庫安全管理水平，也在全省起到了良好示范效果。

廣東省各縣區(qū)在“十四五”期間將根據(jù)《廣東省小型水庫雨水情測報和大壩安全監(jiān)測設(shè)施建設(shè)與運行技術(shù)指南》進行監(jiān)測設(shè)施建設(shè)，監(jiān)測數(shù)據(jù)也將匯聚至省級應用平臺進行分析應用。廣東省小型水庫眾多，隨著監(jiān)測站點的逐步完善，還應關(guān)注落實運行維護責任，保障發(fā)揮長效作用，并做好數(shù)據(jù)整編和分析，發(fā)揮數(shù)據(jù)效益。