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(yáng) 110002； 2.遼寧省水資源管理集團(tuán)，遼寧 沈陽(yáng) 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(yáng) 110003)

我國(guó)小型水庫(kù)數(shù)量眾多，小型水庫(kù)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(yùn)行管護(hù)措施弱等歷史問題，除了部分水庫(kù)配備了雨水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)，大壩安全監(jiān)測(cè)設(shè)施普遍缺失，且存在監(jiān)測(cè)設(shè)施薄弱、手段落后、標(biāo)準(zhǔn)不一、融合性差等現(xiàn)實(shí)問題，降低了小型水庫(kù)監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)和應(yīng)急預(yù)警能力。為加強(qiáng)雨水情和安全監(jiān)測(cè)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(kù)安全長(zhǎng)效運(yùn)行，水利部將小型水庫(kù)雨水情測(cè)報(bào)和大壩安全監(jiān)測(cè)設(shè)施建設(shè)列為“十四五”的重點(diǎn)工作來(lái)抓，作為實(shí)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(cè)登記小型水庫(kù)657座，其中小(1) 型水庫(kù)268座，小(2)型水庫(kù)389座。多數(shù)建于20世紀(jì)50～70年代，土石壩類型水庫(kù)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(kù)工程先天不足、后天管理跟不上。多年來(lái)，遼寧省陸續(xù)開展了小型水庫(kù)的除險(xiǎn)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(yùn)行管理?xiàng)l件和能力仍相對(duì)薄弱，自動(dòng)化水平尚低，難以滿足工程實(shí)際管理需求，可用設(shè)施設(shè)備保有率較低。通過(guò)對(duì)遼寧省小型水庫(kù)的現(xiàn)狀調(diào)查，已建設(shè)雨情測(cè)報(bào)設(shè)施的水庫(kù)176座、大壩安全監(jiān)測(cè)設(shè)施水庫(kù)3座、視頻監(jiān)視設(shè)施213座，其中庫(kù)水位觀測(cè)完全依靠人工觀測(cè)報(bào)訊，每日定時(shí)上報(bào)和汛期加密上報(bào)；雨量監(jiān)測(cè)在山洪災(zāi)害防治、除險(xiǎn)加固等項(xiàng)目中部署了部分水庫(kù)；借助河長(zhǎng)制、水庫(kù)移民等資金建設(shè)了一些視頻監(jiān)控點(diǎn)。由于設(shè)備運(yùn)行多年、缺少專業(yè)化管護(hù)、日常運(yùn)維資金落實(shí)未保障等原因，難以滿足長(zhǎng)效的保障機(jī)制，因此亟須開展遼寧省小型水庫(kù)雨水情測(cè)報(bào)和大壩安全監(jiān)測(cè)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目的實(shí)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(kù)量大面廣，且自動(dòng)化、信息化明顯短板的實(shí)際問題，遼寧省小型水庫(kù)雨水情測(cè)報(bào)和大壩安全監(jiān)測(cè)設(shè)施建設(shè)監(jiān)測(cè)對(duì)象涵蓋降雨量、庫(kù)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(cè)報(bào)系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、雨水情測(cè)報(bào)和大壩安全監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)四個(gè)部分。

2.1 雨水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)

將實(shí)現(xiàn)對(duì)庫(kù)水位變化和降雨過(guò)程的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、連續(xù)的監(jiān)測(cè)，確保測(cè)得到、報(bào)得出、報(bào)得準(zhǔn)，為防汛抗旱、應(yīng)急搶險(xiǎn)、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(shí)現(xiàn)對(duì)水庫(kù)重點(diǎn)部位和水尺設(shè)施等的全天候監(jiān)控，可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查看、隨時(shí)調(diào)用影像信息，對(duì)固定區(qū)域進(jìn)行設(shè)防及報(bào)警管理，保障水庫(kù)安全防范措施有力。

2.3 大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

將實(shí)現(xiàn)對(duì)大壩重點(diǎn)部位的全面監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)工程安全運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，及時(shí)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(cè)報(bào)和大壩安全監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)

采用省級(jí)部署，省、市、縣多級(jí)應(yīng)用的建設(shè)模式，實(shí)現(xiàn)信息共享和應(yīng)用，顯著改善小型水庫(kù)監(jiān)測(cè)運(yùn)行環(huán)境，切實(shí)提升小型水庫(kù)監(jiān)測(cè)預(yù)警能力。

3 點(diǎn)位布設(shè)原則

為了全面實(shí)現(xiàn)設(shè)施設(shè)備應(yīng)設(shè)盡設(shè)、自動(dòng)化報(bào)送，監(jiān)測(cè)平臺(tái)數(shù)據(jù)匯集應(yīng)用、信息共享的要求，各類監(jiān)測(cè)項(xiàng)目布設(shè)應(yīng)遵循水文遙測(cè)和大壩安全監(jiān)測(cè)等規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)要求，根據(jù)本地區(qū)的特點(diǎn)，并形成規(guī)范化的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 自動(dòng)雨量站

小型水庫(kù)至少設(shè)置1個(gè)降雨量監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)流域面積超過(guò)20 km2的可增加具有流域代表性的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)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(wú)遮擋位置。

3.2 自動(dòng)水位站

小型水庫(kù)設(shè)置1個(gè)水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)、1組人工觀測(cè)水尺和1組水準(zhǔn)點(diǎn)。庫(kù)水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)建在輸水洞附近或左右岸穩(wěn)固邊坡或大壩岸坡上，測(cè)量范圍為壩頂至死水位區(qū)間。若該水庫(kù)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(kù)設(shè)置1～2個(gè)視頻點(diǎn)，壩長(zhǎng)500 m以上根據(jù)需要增加監(jiān)視點(diǎn)。視頻監(jiān)控重點(diǎn)對(duì)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(cè)。

3.4 滲流壓力監(jiān)測(cè)站

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

3.5 滲流量監(jiān)測(cè)站

小型水庫(kù)存在滲漏明流的大壩應(yīng)設(shè)置1個(gè)滲流量監(jiān)測(cè)點(diǎn)，有分區(qū)監(jiān)測(cè)需求的根據(jù)需要增加監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

3.6 變形觀測(cè)站

對(duì)壩高超過(guò)30 m和地震烈度8度以上的小型水庫(kù)進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布設(shè)，設(shè)置1個(gè)縱斷面，位于迎水坡面設(shè)計(jì)洪水位以上，設(shè)置位移測(cè)點(diǎn)3個(gè)，均勻分布，中間測(cè)點(diǎn)位于最大壩高斷面，工作基點(diǎn)1處設(shè)在壩區(qū)穩(wěn)固地基區(qū)域內(nèi)。采用GNSS監(jiān)測(cè)技術(shù)開展大壩變形位移監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)高頻率的數(shù)據(jù)采集。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)遼寧省雨水情測(cè)報(bào)和大壩安全監(jiān)測(cè)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(cè)報(bào)和大壩安全監(jiān)測(cè)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)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(gè)層次，縱向形成網(wǎng)絡(luò)安全、運(yùn)維保障兩個(gè)體系，最終形成六橫二縱的智慧水庫(kù)管家架構(gòu)體系，主要實(shí)現(xiàn)水庫(kù)實(shí)時(shí)水雨情及工情信息的采集、網(wǎng)絡(luò)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、應(yīng)用管理、防汛預(yù)警、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等功能。 雨水情測(cè)報(bào)和大壩安全監(jiān)測(cè)總體架構(gòu)圖如圖1所示。

小型水庫(kù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)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(cè)數(shù)據(jù)通信規(guī)約和省級(jí)對(duì)采集頻次和發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一要求，遙測(cè)終端機(jī)和數(shù)據(jù)采集單元批量供貨前應(yīng)于省級(jí)平臺(tái)完成測(cè)試對(duì)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(lái)不同用戶的管理需要。

圖1 雨水情測(cè)報(bào)和大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體架構(gòu)

5 平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

利用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等高新技術(shù)，以水庫(kù)全鏈條業(yè)務(wù)為核心，打造全省小型水庫(kù)安全運(yùn)行智慧監(jiān)控云平臺(tái)，主要包括雨水情測(cè)報(bào)、大壩安全監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)控、三維展示、綜合運(yùn)維、安全監(jiān)測(cè)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(duì)重點(diǎn)功能進(jìn)行介紹。

5.1 雨水情測(cè)報(bào)

在對(duì)全省小型水庫(kù)降雨量、庫(kù)水位數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、傳輸、存儲(chǔ)的基礎(chǔ)上，采用GIS、圖表等多種方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢展示、統(tǒng)計(jì)分析、綜合告警、整編導(dǎo)出。雨水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)包括用戶管理、水庫(kù)基礎(chǔ)信息管理、遙測(cè)站管理、GIS、視頻監(jiān)控管理、水文測(cè)報(bào)、水文數(shù)據(jù)查詢與管理、數(shù)據(jù)分析，以及預(yù)報(bào)預(yù)警等多個(gè)功能模塊，能夠及時(shí)準(zhǔn)確地將前端遙測(cè)站和監(jiān)視站的數(shù)據(jù)圖像采集入庫(kù)并自動(dòng)匯總、分析、成果數(shù)據(jù)及發(fā)出預(yù)報(bào)預(yù)警，用戶可通過(guò)平臺(tái)及時(shí)掌握水庫(kù)的降雨量、庫(kù)水位等訊息，基于GIS的水庫(kù)安全管理與防汛決策支持，搭建數(shù)據(jù)庫(kù)、模型庫(kù)、方法庫(kù)、知識(shí)庫(kù)等專家體系，建立水庫(kù)抗雨能力分析和防汛管理決策，實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演的有效防范。

5.2 大壩安全監(jiān)測(cè)

對(duì)全省小型水庫(kù)的滲流量、滲流壓力、表面變形等大壩安全監(jiān)測(cè)要素進(jìn)行采集、管理、查詢、統(tǒng)計(jì)、告警、整編，匯集全省監(jiān)測(cè)信息，提高水庫(kù)監(jiān)管水平。大壩安全監(jiān)測(cè)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(cè)站管理、數(shù)據(jù)查詢與管理、數(shù)據(jù)分析、預(yù)報(bào)預(yù)警等多個(gè)功能模塊，能夠及時(shí)準(zhǔn)確地將前端監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)采集入庫(kù)并自動(dòng)匯總、分析、成果數(shù)據(jù)及發(fā)出預(yù)報(bào)預(yù)警，用戶可通過(guò)平臺(tái)及時(shí)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(kù)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(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)和預(yù)報(bào)模型以及GIS系統(tǒng)的空間分析能力，形象地進(jìn)行水庫(kù)大壩安全的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，為各職能部門有效控制、防治、處置水庫(kù)大壩隱患、降低水庫(kù)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(cè)系統(tǒng)架構(gòu)示意如圖2。

圖2 大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)圖示

6 結(jié) 論

項(xiàng)目實(shí)施依托前端信息感知手段實(shí)時(shí)采集水庫(kù)運(yùn)行信息和現(xiàn)場(chǎng)視頻圖像，將實(shí)現(xiàn)雨水情測(cè)報(bào)和大壩安全監(jiān)測(cè)信息實(shí)時(shí)、可靠的在線采集，配備雨水情測(cè)報(bào)設(shè)施保障了水庫(kù)雨水情的測(cè)報(bào)與預(yù)警能力，配備視頻監(jiān)控設(shè)備可直接獲取水庫(kù)重點(diǎn)部位和直觀水尺狀態(tài)，配備大壩安全監(jiān)測(cè)設(shè)施提升了大壩安全監(jiān)測(cè)與預(yù)警能力，構(gòu)建省級(jí)監(jiān)測(cè)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息互聯(lián)互通，為各級(jí)水管部門提供監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息匯集應(yīng)用與共享服務(wù)目標(biāo)，為水庫(kù)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(kù)運(yùn)行安全隱患的出現(xiàn)，為各級(jí)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。