董文佳

(衡山縣縣城防洪堤管理所 湖南衡山 421300)

監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)是水庫信息化建設(shè)管理的重要內(nèi)容，系統(tǒng)建設(shè)需要根據(jù)水庫與大壩運行實際環(huán)境、功能需求進行綜合設(shè)計，切實保障系統(tǒng)建設(shè)的兼容性、穩(wěn)定性、可拓展性，優(yōu)化系統(tǒng)工作參數(shù)。在安全監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)過程中，應高度重視監(jiān)測系統(tǒng)的硬件配置，將硬件設(shè)施設(shè)備與軟件系統(tǒng)結(jié)合，發(fā)揮系統(tǒng)雨水情測報和安全監(jiān)測的基本功能。

1 項目概況

小型水庫的建設(shè)年限比較長，安全隱患問題較為突出，為響應國家對水庫安全問題的號召，在水庫除險加固項目中要求建設(shè)安全監(jiān)測系統(tǒng)，對水庫運行過程中的各項數(shù)據(jù)進行匯總，健全安全預警管理機制。衡山縣湘江流域共計擁有小型水庫數(shù)量132 個，多為土壩類型，流域水體總面積達到48.6 km2，年徑流量達到5.01億m3，年降水量在1 420 mm 以上。為實現(xiàn)對該流域內(nèi)小型水庫的安全監(jiān)測，準確反饋雨水情測報數(shù)據(jù)信息，依據(jù)《水庫大壩安全管理條例》《水文檢測數(shù)據(jù)通信規(guī)約》等文件內(nèi)容，利用智能傳感、無線通信等技術(shù)，進行安全監(jiān)測平臺的建設(shè)，自動對水庫運行過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析，對水域資源的信息化調(diào)度和管理。雨水情測報與大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)根據(jù)要求需要進行平臺建設(shè)與相關(guān)設(shè)施的檢測，用于對雨量、水位、滲流、形變等問題的反饋，對既有的雨水情測報設(shè)施進行改造升級，對未建設(shè)系統(tǒng)的區(qū)域進行項目施工建設(shè)，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)實時反饋至監(jiān)測平臺之中。系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容包括雨水情監(jiān)測系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)這3個部分[1]。

2 雨水情測報及安全監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)要點

目前，衡山縣內(nèi)該流域小型水庫的監(jiān)測設(shè)施已經(jīng)完成一部分，但仍以人工監(jiān)測為主，不具備數(shù)據(jù)自動采集傳輸?shù)墓δ?，甚至部分設(shè)備已經(jīng)損壞失效，自動化程度無法滿足安全監(jiān)測的要求。通過對水庫監(jiān)測的現(xiàn)狀進行分析，水庫運行管理方面存在較大的安全隱患，亟須建設(shè)更加完善、可靠的監(jiān)測系統(tǒng)，具體建設(shè)要點如下。

2.1 提升自動化程度

以衡山縣水庫監(jiān)測系統(tǒng)目前建設(shè)的現(xiàn)狀，其仍存在較大的安全隱患，且在通信功能、監(jiān)測設(shè)備上仍存在無法實現(xiàn)自動化問題，信息傳輸較為緩慢。管理人員難以通過系統(tǒng)及時發(fā)現(xiàn)并解決安全隱患問題，當發(fā)生自然災害時，無法采取有效的措施應對。因此，需要進一步提升現(xiàn)有監(jiān)測系統(tǒng)的自動化程度，對其進行優(yōu)化、完善，及時傳遞水庫運行數(shù)據(jù)信息、識別潛在安全隱患。

2.2 強化數(shù)據(jù)傳輸

設(shè)備類型不統(tǒng)一，自由通信協(xié)議和通信規(guī)約不同，在數(shù)據(jù)傳輸上難以實現(xiàn)標準化的數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)在平臺之中無法共享，導致水庫的安全管理工作難以有效落實。衡山縣水庫建設(shè)為進一步強化數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?guī)范性、穩(wěn)定性，建立通信管理平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的科學傳輸[2]。

2.3 加強水庫監(jiān)測管理

根據(jù)自動化工作流程和信息化管理方式，需要對以往小型水庫管理模式進行創(chuàng)新優(yōu)化，實現(xiàn)對水庫安全管理的標準化、規(guī)范化建設(shè)，實現(xiàn)自動化管理模式和自動化信息平臺作業(yè)流程的契合。

3 水庫雨水情測報大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

水庫雨水情測報和安全監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)以信息技術(shù)為依托，實現(xiàn)對水庫運行過程中的在線信息提取，實時采集水庫運行過程中設(shè)備、環(huán)境等相關(guān)信息，并將其傳輸?shù)较到y(tǒng)平臺。安全監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)容包括雨水情監(jiān)測系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、安全監(jiān)測系統(tǒng)等，前端設(shè)備負責信息的提取，云平臺負責數(shù)據(jù)信息的分析，在軟件系統(tǒng)和硬件設(shè)備的聯(lián)合作用下，實現(xiàn)對系統(tǒng)的運行管理和安全預警，為管理人員提供精準的數(shù)據(jù)服務。按照結(jié)構(gòu)進行安全監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計，將其分為雨量計、水位計、滲壓計、堰流計等設(shè)備，配置數(shù)據(jù)采集裝置、遙測終端設(shè)備，做好監(jiān)測系統(tǒng)的防雷接地，設(shè)置監(jiān)測點。

3.2 功能需求

水庫雨水情測報系統(tǒng)和大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)應用需要具備水位監(jiān)測、雨量監(jiān)測、安全信息采集等功能，并將數(shù)據(jù)信息傳輸至數(shù)據(jù)庫。為切實保障系統(tǒng)建設(shè)功能滿足實際要求，對安全監(jiān)測系統(tǒng)的具體功能應包括自動化運行、實時數(shù)據(jù)采集、信息報送功能、遠程控制功能、日志儲存、智能供電、安全運行等。（1）安全監(jiān)測系統(tǒng)在工作過程中，需要按照預設(shè)的流程進行站點的實時監(jiān)測，支持每日24 h的無人監(jiān)測，在發(fā)現(xiàn)問題時，自動預警。（2）安全監(jiān)測系統(tǒng)在工作過程中，需要將水庫運行過程中的水位信息、雨量信息、滲流數(shù)據(jù)、變形情況等數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)狡脚_，然后按照要求，定時獲取監(jiān)控圖像數(shù)據(jù)，并反饋現(xiàn)場的情況。（3）安全監(jiān)測系統(tǒng)在工作過程中，需要采用定時、增量數(shù)據(jù)傳輸方式，將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)布到上級平臺。（4）安全監(jiān)測系統(tǒng)在工作過程中，應具備在無人值守的情況下操作遠程控制按鈕，進行視頻監(jiān)測設(shè)備的遠程喚醒的功能。（5）安全監(jiān)測系統(tǒng)在工作過程中，需要采集水庫運行數(shù)據(jù)儲存到數(shù)據(jù)庫，以日志方式儲存數(shù)據(jù)1年以上，便于工作人員實時提取歷史數(shù)據(jù)，對比數(shù)據(jù)變化。（6）安全監(jiān)測系統(tǒng)使用太陽能供電裝置，可智能充電控制，在2 d 左右可完成80%的蓄能。（7）安全監(jiān)測系統(tǒng)在工作過程中，采用主信道和備用信道數(shù)據(jù)傳輸方式，設(shè)置報警通信節(jié)點，可以提取水庫設(shè)備運行過程中的相關(guān)參數(shù)，并自動將其上傳到系統(tǒng)平臺。（8）安全監(jiān)測系統(tǒng)在工作過程中，需要具備抗雷擊、抗干擾能力，以便滿足日常作業(yè)的安全需求[3]。

3.3 工作流程

監(jiān)測系統(tǒng)總控制裝置為遙測終端機設(shè)備，是整個系統(tǒng)的總傳輸端，在前端配置傳感器裝置進行相關(guān)數(shù)據(jù)識別和提取，自動采集水庫的水文要素、安全要素等，將采集的視頻圖像信息和參數(shù)信息經(jīng)過遙測終端機設(shè)備，傳輸至監(jiān)測平臺，并在本地數(shù)據(jù)庫中加以儲存，由上級部門負責對相關(guān)數(shù)據(jù)的處理。遙測站的工作流程主要包括數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸，由供電系統(tǒng)供給監(jiān)測設(shè)備運行過程中所需的能源，在對監(jiān)測站點進行布設(shè)和信息源明確的基礎(chǔ)上，利用傳感器進行采集數(shù)據(jù)采集，并使用編碼器、解碼器進行數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)化，經(jīng)過調(diào)制后將其發(fā)送到相關(guān)的平臺。傳輸裝置具備顯示功能和拓展通信口，按照上述流程，監(jiān)測系統(tǒng)可以利用4G 通信網(wǎng)絡(luò)采集站點的現(xiàn)場信息、現(xiàn)場信號，并且應用光纖通信，完成視頻、圖像、數(shù)據(jù)的傳輸工作，在保障數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，滿足實時數(shù)據(jù)時延傳輸?shù)囊?。同時，為了減少監(jiān)測系統(tǒng)對電能的消耗，可以在利用交流電為監(jiān)測系統(tǒng)供電的同時，采用太陽能浮充供電的方式。

監(jiān)測系統(tǒng)的核心裝置為遙測終端機，應用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行連接。傳感器裝置中包括攝像頭、水位計、滲壓計等裝置，用于對不同類型數(shù)據(jù)的科學采集[4]。

3.4 監(jiān)測參數(shù)

3.4.1 數(shù)據(jù)監(jiān)測

對雨水情監(jiān)測系統(tǒng)進行參數(shù)設(shè)置，系統(tǒng)可用于對水位、降水量等參數(shù)的提取，設(shè)置整點匯報一次，匯報信息內(nèi)容包括工況、壓力、信號、時間、降水量、水位等。如果監(jiān)測結(jié)果表明降水量在1 mm以上，且水位變化在1 cm以上，則縮減頻率，每間隔5 min進行一次匯報。

大壩安全監(jiān)測內(nèi)容主要包括降水量與庫水位，采用整點匯報方式，對設(shè)備運行過程中的壓力參數(shù)以及時間進行反饋。當監(jiān)測結(jié)果表示大壩的滲流量、壓力參數(shù)或者形變參數(shù)超出預設(shè)的安全閾值時，或者當大壩處于初蓄期、洪水時，采用加報的方式，每間隔5 min進行一次匯報。

3.4.2 站點布設(shè)

站點布設(shè)根據(jù)不同類型觀測內(nèi)容進行站點的設(shè)施，水庫設(shè)置降水量觀測點一個，流域較大區(qū)域可適當增加觀測點。觀測點布設(shè)在空曠且無遮擋的位置，使用分辨率為0.5 mm的雨量計進行降水量參數(shù)的監(jiān)測。

水位監(jiān)測點設(shè)置在上游壩坡位置，保持水面平穩(wěn)、泄流量小的原則，用于監(jiān)測水庫水位是否平穩(wěn)。每個水庫設(shè)置一個監(jiān)測點，使用不銹鋼水尺板進行數(shù)據(jù)提取，設(shè)置1 個水準點，根據(jù)實際的應用情況，安裝不同類型的水位計，實現(xiàn)對不同位階水位數(shù)據(jù)的提取，按照需求同時布設(shè)浮子式水位計、氣泡式水位計，浮子式水位計與水面建筑垂直，觀測死水以下水位，建立水位監(jiān)測井。氣泡式水位計安裝在岸邊比較干凈的位置，避免泥沙淤積對觀測結(jié)果產(chǎn)生影響[5]。

視頻監(jiān)控點布設(shè)在溢洪道、大壩、放水涵等位置，主要用于觀測大壩的整體面貌，觀察其局部位置是否出現(xiàn)滲漏等問題。視頻監(jiān)控點布設(shè)2 個以上，較長的大壩適當增加視頻監(jiān)控點。攝像頭安裝在視野比較開闊的位置，可自動變焦對水庫的全景進行反饋，并具備連續(xù)循環(huán)儲存功能，采集的視頻與圖像可進行半個月的儲存，并具備安全預警功能。

3.5 監(jiān)測內(nèi)容

監(jiān)測內(nèi)容包括滲流量、滲流壓力、形變情況等。滲流量監(jiān)測設(shè)置監(jiān)測點1 個，視具體情況適當增加監(jiān)測點數(shù)量，并在水庫高于15 m 以上的位置設(shè)置1 個監(jiān)測點。滲流壓力根據(jù)斷面的數(shù)量和位置進行監(jiān)測點布設(shè)，按照要求應設(shè)置2個橫斷面滲流監(jiān)測點，設(shè)置在最大壩高位置，穿越建筑物。例如：高于15 m 的位置設(shè)置繞壩監(jiān)測面，壩高在70 m 以上，則需要在橫斷面位置適當增加2個左右的監(jiān)測點。形變監(jiān)測主要監(jiān)測壩體是否出現(xiàn)裂縫、開裂等情況，通過開合監(jiān)測、錯位監(jiān)測、傾斜監(jiān)測等方式，進行安全隱患數(shù)據(jù)的采集。在壩高為15 m位置設(shè)置壩頂縱斷面，在壩高30 m位置增設(shè)壩坡縱斷面。例如：大壩為砌石壩或者混凝土壩，則在壩頂位置設(shè)置形變監(jiān)測斷面。

4 雨水情測報系統(tǒng)及大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)

4.1 雨水情測報系統(tǒng)建設(shè)

雨水情測報系統(tǒng)建設(shè)主要包括水準點、水尺樁、標識條、防雷接地等，在多個設(shè)施、設(shè)備的聯(lián)合作用下，完成雨水情相關(guān)數(shù)據(jù)的采集和分析。具體雨水情測報系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容如下。

4.1.1 水準點

水準點建設(shè)依據(jù)《水位觀測標準》文件中的要求，進行水文站相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，每個小型水庫配置一個水準點，并將其設(shè)置在地形較為穩(wěn)定的區(qū)域，并在水準點附近建設(shè)標識桿。水準點的基座建設(shè)使用質(zhì)量等級為C25的砼建設(shè)，水準標準為不銹鋼材料組成，設(shè)置復合窨井蓋的參數(shù)為50 cm×50 cm×4 cm。標識桿基座的建設(shè)與水準點基座相同，標桿使用鍍鋅鋼管建設(shè)而成，并在鋼管上涂刷紅、白相間的反光漆。水準點埋設(shè)施工完成施工，進行高程水準點的引測，保持水庫引用高程與引測高程的一致性，實現(xiàn)對雨水情相關(guān)數(shù)據(jù)的采集[6]。

4.1.2 水尺樁

水庫的水尺樁建設(shè)布設(shè)在大壩的迎水坡面位置，保障水位觀測結(jié)果的科學性，同組水尺在相同斷面位置進行布設(shè)，并在水尺樁建設(shè)完成后檢驗其是否符合安全、穩(wěn)定的基本原則。雨水情測報使用的水尺樁類型為直立式，使用不銹鋼材料進行制作，形狀為圓筒狀，控制管徑參數(shù)為13.3 cm，厚度為0.15 cm，長度為110 cm，底部采用不銹鋼法蘭進行固定、連接，并使用膨脹螺栓將混凝土與基礎(chǔ)連接，采用現(xiàn)場澆筑的方式進行施工。

4.1.3 水位標識條

水位標識條的建設(shè)使用不銹鋼面板，控制其尺寸大小為500 cm×20 cm×0.15 cm。標識條使用紅色打印，并進行黑色水位高程數(shù)字的反饋，將其安裝在迎水面，使用膨脹螺栓進行安裝和固定。

4.1.4 防雷接地

監(jiān)測站點進行安全防護，使用不銹鋼避雷針，避免在觀測過程中受雷電等惡劣天氣影響，使觀測結(jié)果受到影響。防雷接地設(shè)施使用熱鍍鋅角鋼，埋設(shè)深度為0.8 m，控制接地電阻在10 Ω以下。

4.2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)

視頻監(jiān)測系統(tǒng)由雨量計、水位計、攝像機、終端系統(tǒng)、通信模塊、供電系統(tǒng)等組成。對視頻監(jiān)控系統(tǒng)進行建設(shè)的過程中，結(jié)合系統(tǒng)的功能需求，將通信模塊、遙測裝置、防雷器、水位計等相關(guān)設(shè)備均安裝在機箱之中，采用一體化的裝設(shè)方式，并將其安裝到立桿支架之上。視頻站的建設(shè)主要包括管網(wǎng)敷設(shè)、基礎(chǔ)開挖、接地網(wǎng)建設(shè)等內(nèi)容，探頭采用固定安裝的方式，并保障其不會因水流產(chǎn)生變動，氣管則采用向下傾斜的安裝方式，彎曲位置避免水平，切斜度控制在5°以內(nèi)。氣管出氣口位置設(shè)置在水位以下8 cm 處，避免因淤泥、泥沙等使其堵塞，并控制彎曲半徑在10 cm 以下。通信模塊的安裝使用屏蔽電纜，安裝PVC 管對通信裝置進行保護，并將避雷器設(shè)備與通信模塊連接，應對惡劣天氣對雨水情測報結(jié)果的影響。

4.3 大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)

大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)所應用的設(shè)備包括水壓計、滲壓計、監(jiān)測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集裝置等，大壩安全檢測系統(tǒng)建設(shè)根據(jù)監(jiān)測所使用的設(shè)施與設(shè)備，進行具體參數(shù)的配置，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的精準采集。

4.3.1 量水堰建設(shè)

量水堰建設(shè)使用矩形斷面設(shè)計方式，長度是水頭的7 倍以上，上游堰槽的長度在1.5 m 以上，下游堰槽的長度在0.5 m 以上，堰槽兩側(cè)處于平行的狀態(tài)，并與河流水流的方向處于垂直狀態(tài)之中。水尺、水位計等安裝在堰板之上，在4倍左右水頭位置設(shè)置水尺、水位計等設(shè)備。堰板使用不銹鋼材料進行制作，并控制過水堰口下游邊緣位置角度為45°，采用平面鋪設(shè)方式，如存在凹凸位置，則控制誤差值在3 m以上，且堰口位置凹凸位置誤差值在1 mm 以內(nèi)。堰板頂部為水平的布設(shè)方式，兩側(cè)的差值應小于堰寬的0.2%。為確保量水堰水尺的精確程度，控制設(shè)備讀數(shù)誤差值在1 mm以內(nèi)[6]。

4.3.2 測壓管

測壓管使用的材料為PE 管、熱鍍鋅鋼管，控制測壓管的φ50。按照測壓管的分布，可將其分為花管和導管兩部分，設(shè)施建設(shè)過程中需要保障測壓管的水平程度，均勻排列，且觀察管內(nèi)是否存在毛刺。透水段的長度應控制在2 m 上下，使用包扎的方式對其進行防護，保持管內(nèi)的封閉效果。管端接頭使用外箍的方式進行連接。

4.3.3 土建工程

監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)備安裝及土建工程建設(shè)是保障監(jiān)測系統(tǒng)功能實現(xiàn)的前提基礎(chǔ)。在對觀測帶位置進行明確之后，對場地進行協(xié)調(diào)。在進行形變監(jiān)測時涉及土建工程，基礎(chǔ)尺寸控制在80 cm 上下，地面裸露水泥平臺，控制混凝土等級為C25。監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集類型為GNSS數(shù)據(jù)，通過基準站、監(jiān)測站、控制中心之間的數(shù)據(jù)連接，實現(xiàn)對形變數(shù)據(jù)的監(jiān)測和處理。在基礎(chǔ)內(nèi)應設(shè)置鋼筋地龍，控制主筋直徑參數(shù)在1.4 cm以上，使用鍍鋅螺紋桿進行連接，并將地腳螺紋螺栓裸露在外面，使用法蘭盤進行立桿的固定和連接。使用鍍鋅鋼管，高度為14 cm，厚度為0.3 cm，噴塑白色油漆，并做好設(shè)備的防銹處理工作[7]。

5 結(jié)語

綜上所述，衡山縣小型水庫數(shù)量較多，為進一步強化對水庫運行過程中的安全管理，解決水庫運行過程中的安全隱患，進行雨水情測報和安全監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)工作，建立規(guī)范化的運行管理模式，實現(xiàn)對水庫運行過程中的預報、預警。從軟件結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)施角度出發(fā)進行安全監(jiān)測系統(tǒng)的科學建設(shè)，做好系統(tǒng)建設(shè)過程中保障措施，可建立水庫長效安全運行機制。