沙溝水庫大壩滲流觀測自動化改造探索

趙世虎，王東紅

（沂水縣沙溝水庫管理處，山東 沂水276400）

沙溝水庫位于沭河干流上游，沂水縣北部，水庫流域面積163 km2，總庫容1.043 7 億m3，興利庫容0.458 8 億m3，是一座以防洪、灌溉為主，兼顧發(fā)電、養(yǎng)殖、供水和生態(tài)保護等綜合利用的大（2）型水庫。

為解決大壩滲流觀測存在的問題，水庫除險加固時更新了觀測設備，采用自動化集中遙測系統(tǒng)，共設0+020、0+050、0+150、0+250、0+350、0+450 六個斷面，每個斷面根據(jù)情況埋設壩基管和壩體管，共30 根測壓管，并配備了相應的觀測設備。因大壩地處雷擊多發(fā)區(qū)域，雖安裝避雷設施，仍連續(xù)遭受雷擊，設備不能正常運行，數(shù)據(jù)傳輸極不可靠，造成數(shù)據(jù)空白，無法應用。自動化集中遙測系統(tǒng)失效后，只能采取傳統(tǒng)人工觀測的方法進行大壩滲流觀測，人工觀測費時費力、精度低，不便于觀測資料整編。為徹底解決大壩滲流觀測工作存在的問題，水庫管理處積極探索滲流觀測的新方法、新技術。

1 水庫大壩無線監(jiān)控系統(tǒng)簡介

GPRS/GSM 水庫大壩無線監(jiān)控系統(tǒng)（以下簡稱大壩監(jiān)控系統(tǒng)），是按照水利行業(yè)有關標準和規(guī)定，生產(chǎn)廠家應不同用戶需求開發(fā)的，系統(tǒng)經(jīng)多年運行積累經(jīng)驗，經(jīng)過進一步優(yōu)化提升，研發(fā)了新一代水利工程遠程監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)由兩大部分組成，即“大壩工情數(shù)據(jù)的采集和處理系統(tǒng)”和“視頻監(jiān)控系統(tǒng)”。

1.1 大壩工情數(shù)據(jù)的采集管理系統(tǒng)

由于水庫大壩在興建和除險加固時沒有考慮到預留金屬防雷系統(tǒng)，所以大壩監(jiān)控系統(tǒng)采用無線傳輸方式以降低系統(tǒng)遭受雷電襲擊損害的概率。該系統(tǒng)使用中國移動的GPRS 業(yè)務作為大壩監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊平臺。GSM 網(wǎng)絡通過電信部門的多年運營，已成為成熟、穩(wěn)定、可靠的通訊網(wǎng)絡。在移動通訊公司的GPRS 業(yè)務平臺基礎上建立大壩監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)大壩滲流觀測數(shù)據(jù)無線傳輸，具有可充分使用現(xiàn)有通訊網(wǎng)絡，縮短建設工期，降低施工成本的優(yōu)點，而且設備容易安裝、維修養(yǎng)護方便。

1.2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

該系統(tǒng)由獨立的硬盤錄象機進行視頻記錄，保存數(shù)據(jù)時長按實際情況確定，采用光纖信號傳輸，有效的降低了壩區(qū)雷多的問題。另有輔助照明設備（特殊位置采用紅外線攝像機）保證了底照度下的視頻清晰度。

2 實例應用

沙溝水庫管理處監(jiān)控中心，經(jīng)多年建設，設施設備基本完備，視頻監(jiān)控覆蓋工程各個部位，主要設備包括計算機、投影儀、打印機、視頻監(jiān)控器、硬盤錄像機、LED 室內(nèi)屏等。沙溝水庫大壩監(jiān)控系統(tǒng)連接水庫管理處監(jiān)控中心，測壓管觀測設備主要包括供電系統(tǒng)和大壩工情數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

2.1 供電系統(tǒng)

因沙溝水庫大壩地處雷擊打發(fā)區(qū)域，采用光伏電源系統(tǒng)，可解決供電線路易遭雷擊的問題。每個測壓管采取獨立供電系統(tǒng)，每個供電系統(tǒng)包括一塊60 W 太陽能光伏發(fā)電電池板、一個太陽能充電保護器、一塊免維護蓄電池、機箱（兼做測壓管保護箱）和必要的供電連接線路。60 W 太陽能光伏發(fā)電電池板外形尺寸長65 cm，寬51 cm，厚0.25 cm，輸出電纜為PV2.5 mm2，峰值供電功率為60 W，峰值電壓18 V，工作環(huán)境為-40～+85 ℃。免維護蓄電池，可有效的儲備太陽能光伏發(fā)電電池板所發(fā)電能，為大壩監(jiān)控系統(tǒng)提供不間斷電源。

2.2 大壩工情數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)工作流程為：大壩每個測壓管觀測設備GPRS 數(shù)據(jù)采集發(fā)送終端與服務器進行通信，將采集到的浸潤線水位數(shù)據(jù)經(jīng)內(nèi)置嵌入式處理器對數(shù)據(jù)進行處理封裝（通過GSM/GPRS 網(wǎng)絡空中接口功能模塊同時對數(shù)據(jù)進行解碼處理，轉(zhuǎn)換成在公網(wǎng)數(shù)據(jù)傳送的格式），經(jīng)過GPRS 通訊網(wǎng)絡發(fā)送到系統(tǒng)服務器（系統(tǒng)服務器由研發(fā)廠家負責管理，24 h 實時在線，實現(xiàn)了測壓管監(jiān)控點24 h傳送采集到的信息數(shù)據(jù)），水庫監(jiān)控中心計算機通過大壩管理軟件由互連網(wǎng)訪問服務器調(diào)用數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行還原顯示，并進行數(shù)據(jù)處理，將經(jīng)處理數(shù)據(jù)通過投影儀顯示于LED 室內(nèi)屏，可將數(shù)據(jù)通過打印機打印，對整個大壩滲流情況進行實時監(jiān)控管理。

2.3 大壩工情數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要設備

1）數(shù)據(jù)采集發(fā)送終端。數(shù)據(jù)采集發(fā)送終端內(nèi)部有中國移動SIM 卡插口，使用的GSM/GPRS 通訊網(wǎng)絡，具備高性能、可靠及抗干擾能力強等優(yōu)點，提供標準232 數(shù)據(jù)口，RS485，模擬量，脈沖接口。傳輸速率達171 Kbps，具有遠程診斷、測試、監(jiān)管功能。

2）大壩測壓傳感器。大壩測壓傳感器具有靈敏度高、多量程、抗腐蝕、過載及抗干擾能力強、高精度、堅固密封等優(yōu)點。包括精密液位變送器（以下簡稱變送器）和線纜。精密液位變送器下端設導液孔，內(nèi)置壓力傳感器。線纜采用通心透氣電纜設計方法，將水位以上大氣壓導入傳感器感壓面，從而抵消大氣壓。

2.4 大壩監(jiān)控系統(tǒng)施工

在水庫大壩原測壓管保護設施的基礎上，加裝相應設備，即完成測壓管觀測設備的改造施工，通過GSM 無線連通監(jiān)控中心，即可運行，實現(xiàn)了完工即運行的效果。

因大壩監(jiān)控系統(tǒng)專業(yè)性強，科級含量高，需專業(yè)人員負責指導安裝施工。沙溝水庫測壓管觀測設備施工過程當中，施工方派出專業(yè)人員，水庫管理處工作人員配合進行。首先進行供電系統(tǒng)安裝，將太陽能光伏發(fā)電電池板固定在支架上，安裝在測壓管保護箱頂，鉆孔將電線傳入到保護箱內(nèi)，接通太陽能充電保護器和免維護蓄電池。其次安裝數(shù)據(jù)采集發(fā)送終端和大壩測壓傳感器，按照測壓管深度精確量取線纜長度，將大壩測壓傳感器投入到測壓管內(nèi)，由專業(yè)人員將數(shù)據(jù)采集發(fā)送終端連通電源和大壩測壓傳感器并進行數(shù)據(jù)采集發(fā)送終端內(nèi)部線路安裝，整理測壓管保護箱內(nèi)蓄電池、充電保護器、數(shù)據(jù)采集發(fā)送終端和線路，即完成設備安裝。完成沙溝水庫大壩30個測壓管觀測設施施工工期僅5 d，使用15 個工日。

3 觀測效果及存在問題

沙溝水庫大壩滲流觀測自動化改造完成后，實現(xiàn)了大壩測壓管水位觀測數(shù)據(jù)實時顯示在水庫管理處監(jiān)控中心顯示屏，為水庫的調(diào)度運用提供了保障。通過對數(shù)據(jù)的分析，可有效的了解水庫大壩滲流情況，實時掌握大壩運行安全狀況。在GPRS/GSM 水庫大壩無線監(jiān)控系統(tǒng)使用過程中，還存在幾點問題。

一是測壓管水位觀測，僅以水位數(shù)據(jù)的形式顯示，不能將浸潤線直觀的顯示在大壩橫斷面圖。二是目前僅實現(xiàn)了外業(yè)觀測自動化，尚未實現(xiàn)測壓管觀測資料自動整編分析。三是GPRS/GSM 水庫大壩無線監(jiān)控系統(tǒng)剛剛投入運行，尚未形成成熟觀測方法。在今后的工作中，將加大工作力度，創(chuàng)新工作方法，繼續(xù)探索大壩滲流觀測自動化方法，為水庫大壩的安全運行提供依據(jù)。