丁若冰

（山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250014）

垛莊水庫于2003年被列入國家病險水庫，一直以來水庫安全監(jiān)測設(shè)備配套率低，自動化監(jiān)測水平更是存在較大漏洞。針對垛莊水庫實際情況，建立了水庫安全自動化監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)集大壩安全監(jiān)測、洪水預(yù)報、視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理于一體，實現(xiàn)了對垛莊水庫全方位的實時監(jiān)測。并配備了新型的大壩位移和滲流監(jiān)測設(shè)備，提高了監(jiān)測準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，最大程度的增加了監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性。

1 工程概況

垛莊水庫位于章丘區(qū)垛莊鎮(zhèn)，控制流域面積56 km2，設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為500年一遇。設(shè)計洪水位304.3 m，校核洪水位305.1 m，總庫容1 189萬m3，是以防洪、灌溉為主，兼有供水、旅游等多功能用途的中型水庫。水庫始建于1966年10月，1967年7月完成大壩、溢洪道和放水洞工程，1974年保安全工程建成溢洪閘。水庫工程樞紐由大壩、溢洪道、非常溢洪道、高（低）放水洞、電站等組成，壩頂高程307.0 m，頂寬5.8 m，最大壩高40.0 m。該水庫于2003年被列入國家病險水庫規(guī)劃，為確保水庫安全，需對水庫實施安全監(jiān)測。

2 水庫安全自動監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)的必要性

水庫自動化監(jiān)測系統(tǒng)對于日常運(yùn)行管理、洪水調(diào)度、安全監(jiān)測都有十分重要的意義。

1）數(shù)據(jù)采集、傳輸、分析的自動化需求。水庫管理者迫切希望利用最新的傳感探測技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)傳輸技術(shù)，實時自動采集氣象、水文、大壩應(yīng)力、形變、水位、水壓滲壓、水質(zhì)、振動等各項參數(shù)，給決策者提供必要的數(shù)據(jù)支持。

2）電子檔案信息化需求。為便于調(diào)閱和統(tǒng)計分析，迫切需要檔案資料的電子化處理。

3）洪水預(yù)報調(diào)度精準(zhǔn)、自動化需求?；舅臄?shù)據(jù)的自動采集、積累和分析，并及時作出洪峰流量、洪水總量、時間等數(shù)據(jù)的預(yù)報，以及通過自模擬學(xué)習(xí)，逐步提高預(yù)報精度和自動化程度，是水庫管理者的另一需求。

4）大壩安全監(jiān)測的自動化需求。大壩變形、位移監(jiān)測和浸潤線監(jiān)測等內(nèi)容一般均由人工完成，對工作人員專業(yè)性要求較高，因此自動化是未來水庫安全監(jiān)測的必然之路。

3 水庫安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)總體組成

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)以NET技術(shù)為開發(fā)平臺、SQL Server為存儲數(shù)據(jù)庫，以模型庫、無線傳輸、空間信息等技術(shù)為支撐，采用最新的軟件集成與信息處理技術(shù)，對系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)與建設(shè)，系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)主要包括信息采集、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)、智能化服務(wù)平臺。

3.2 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)用戶界面采用B/S架構(gòu)進(jìn)行軟件開發(fā)。分為查詢?yōu)g覽子系統(tǒng)、信息發(fā)布子系統(tǒng)、檔案管理子系統(tǒng)、控制流域管理子系統(tǒng)、供水監(jiān)測子系統(tǒng)、洪水預(yù)報調(diào)度系統(tǒng)、水庫安全監(jiān)測子系統(tǒng)、視頻監(jiān)控子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)維護(hù)子系統(tǒng)等部分。

3.3 數(shù)據(jù)采集

1）大壩水平位移。采用激光引張線法，采集水平位移及移動速率。

2）垂直位移。采用激光靜力水準(zhǔn)測量法，利用激光位移傳感器直接測量基準(zhǔn)點和測量點液面高度的變化，從而求出測量點得沉降量。精度可達(dá)±0.1 mm，有良好的跟隨性，可實現(xiàn)實時自動化測量、數(shù)據(jù)分析、預(yù)警。

3）浸潤線。使用預(yù)制式過濾管和自檢式水壓力計，該水壓力計可以進(jìn)行自檢，檢查儀器是否工作正常。

4）水位。分別在溢洪道上、下游、閘墩放置電子水尺，對水庫大壩上下游水庫的實時監(jiān)測。

5）溫度。放置溫度計，分別采集壩體表面、壩身及壩基的溫度。

6）水質(zhì)。采用在線檢測儀實時監(jiān)測滲流的pH值、水溫、溶解氧、電導(dǎo)率及濁度。

7）水雨情。在水庫控制區(qū)域內(nèi)放置翻斗式雨量計采集雨量信息，并通過計算機(jī)軟件根據(jù)實時雨水情信息和降雨預(yù)報過程進(jìn)行洪水計算和未來雨情模擬。

8）視頻監(jiān)測。采用彩色/黑白攝像機(jī)加紅外燈的方式，在任何天氣下均能清晰的觀測大壩外部整體狀態(tài)。

3.4 數(shù)據(jù)傳輸

1）水庫與管理局采用光纖連接，光纖沿大壩敷設(shè)，中途與大壩安全、水位等監(jiān)測點連接，傳輸視頻、建筑物安全監(jiān)測等信息。

2）上游位置偏遠(yuǎn)地帶，根據(jù)信號強(qiáng)度測試情況，選擇采用GPRS、3G或4G技術(shù)將信息發(fā)送至系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理平臺。

3）對于較大型的水庫，采用ZigBee技術(shù)將閘控、視頻、建筑物安全監(jiān)測、水位等信息傳輸?shù)椒种行谋O(jiān)控主機(jī)，通過主干光纖傳輸至水庫安全運(yùn)行綜合監(jiān)測系統(tǒng)平臺。

3.5 系統(tǒng)保障措施

1）自動測報系統(tǒng)要采用可靠、先進(jìn)、實用、標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)和設(shè)備，保證系統(tǒng)能長期穩(wěn)定運(yùn)行，并給系統(tǒng)技術(shù)更新、功能升級、接口擴(kuò)展留有余地。

2）交流電源增加浪涌吸收裝置。采用光隔離技術(shù)/壓敏電阻等浪涌吸收元件隔離或吸收雷電沖擊，以有效防止信號線上引入的感應(yīng)雷電對設(shè)備的沖擊。

4 應(yīng)用效果

1）系統(tǒng)主界面。不同用戶根據(jù)權(quán)限登陸查看水庫檔案資料和實時監(jiān)測信息。

2）系統(tǒng)內(nèi)過程圖。以時間和測量項目為橫縱坐標(biāo)，自動出圖以反映監(jiān)測值的變化情況。

3）大壩滲流監(jiān)測。按照大壩各監(jiān)測斷面的比例顯示；可觀測當(dāng)前水位和大壩浸潤線；可切換顯示不同監(jiān)測斷面；可動畫顯示大壩浸潤線在一段時間內(nèi)的變化情況。

4）洪水調(diào)度操作。根據(jù)洪水調(diào)度方案，可分別對泄洪閘和放水洞進(jìn)行調(diào)控。

5 結(jié)語

1）檔案電子化。將實體檔案轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮訖n案，將物理上分布于各地的水庫檔案數(shù)據(jù)，電子化處理并集中存儲，形成一個虛擬電子檔案中心。

2）大壩安全監(jiān)測自動化。采用自主研發(fā)的激光引張線法、激光靜力水準(zhǔn)測量方法和預(yù)制式過濾管配合自檢式水壓力計，提高了觀測精度，保證了監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和連續(xù)性。

3）洪水預(yù)報。建立了具有山東省流域特點的洪水預(yù)報數(shù)學(xué)模型，針對某一水庫或某一流域相關(guān)聯(lián)的水庫群，根據(jù)降雨及下墊面條件進(jìn)行洪水預(yù)報，并可通過自模擬學(xué)習(xí)，不斷地根據(jù)新的實測值來校正或改善原有預(yù)報模型參數(shù)，完善初始條件，逐步提高預(yù)報精度，使洪水預(yù)報結(jié)果更接近于真實值。

垛莊水庫自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)已投入使用近3年，突破了以往單一監(jiān)測設(shè)備獨(dú)成系統(tǒng)，數(shù)據(jù)不融合，操作性差等限制，實現(xiàn)了水庫的高效運(yùn)行，最大限度的節(jié)省了人力、物力，為水庫安全運(yùn)行、智慧水庫的建設(shè)起到了良好的示范作用。