垛莊水庫自動化監測系統建設與應用

丁若冰

（山東省水利科學研究院，山東 濟南 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測設備配套率低，自動化監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測系統，該系統集大壩安全監測、洪水預報、視頻監控、數據處理于一體，實現了對垛莊水庫全方位的實時監測。并配備了新型的大壩位移和滲流監測設備，提高了監測準確性和穩定性，最大程度的增加了監測系統的可靠性。

1 工程概況

垛莊水庫位于章丘區垛莊鎮，控制流域面積56 km2，設計洪水標準為100年一遇，校核洪水標準為500年一遇。設計洪水位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劃，為確保水庫安全，需對水庫實施安全監測。

2 水庫安全自動監測系統建設的必要性

水庫自動化監測系統對于日常運行管理、洪水調度、安全監測都有十分重要的意義。

1）數據采集、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和互聯網傳輸技術，實時自動采集氣象、水文、大壩應力、形變、水位、水壓滲壓、水質、振動等各項參數，給決策者提供必要的數據支持。

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

3）洪水預報調度精準、自動化需求。基本水文數據的自動采集、積累和分析，并及時作出洪峰流量、洪水總量、時間等數據的預報，以及通過自模擬學習，逐步提高預報精度和自動化程度，是水庫管理者的另一需求。

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

3 水庫安全監測自動化系統設計

3.1 系統總體組成

系統總體結構以NET技術為開發平臺、SQL Server為存儲數據庫，以模型庫、無線傳輸、空間信息等技術為支撐，采用最新的軟件集成與信息處理技術，對系統進行開發與建設，系統體系結構主要包括信息采集、數據傳輸網絡、智能化服務平臺。

3.2 系統軟件

系統用戶界面采用B/S架構進行軟件開發。分為查詢瀏覽子系統、信息發布子系統、檔案管理子系統、控制流域管理子系統、供水監測子系統、洪水預報調度系統、水庫安全監測子系統、視頻監控子系統和數據維護子系統等部分。

3.3 數據采集

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。采用激光靜力水準測量法，利用激光位移傳感器直接測量基準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±0.1 mm，有良好的跟隨性，可實現實時自動化測量、數據分析、預警。

3）浸潤線。使用預制式過濾管和自檢式水壓力計，該水壓力計可以進行自檢，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。采用在線檢測儀實時監測滲流的pH值、水溫、溶解氧、電導率及濁度。

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

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

3.4 數據傳輸

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

2）上游位置偏遠地帶，根據信號強度測試情況，選擇采用GPRS、3G或4G技術將信息發送至系統數據管理平臺。

3）對于較大型的水庫，采用ZigBee技術將閘控、視頻、建筑物安全監測、水位等信息傳輸到分中心監控主機，通過主干光纖傳輸至水庫安全運行綜合監測系統平臺。

3.5 系統保障措施

1）自動測報系統要采用可靠、先進、實用、標準的技術和設備，保證系統能長期穩定運行，并給系統技術更新、功能升級、接口擴展留有余地。

2）交流電源增加浪涌吸收裝置。采用光隔離技術/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雷電對設備的沖擊。

4 應用效果

1）系統主界面。不同用戶根據權限登陸查看水庫檔案資料和實時監測信息。

2）系統內過程圖。以時間和測量項目為橫縱坐標，自動出圖以反映監測值的變化情況。

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

4）洪水調度操作。根據洪水調度方案，可分別對泄洪閘和放水洞進行調控。

5 結語

1）檔案電子化。將實體檔案轉變為電子檔案，將物理上分布于各地的水庫檔案數據，電子化處理并集中存儲，形成一個虛擬電子檔案中心。

2）大壩安全監測自動化。采用自主研發的激光引張線法、激光靜力水準測量方法和預制式過濾管配合自檢式水壓力計，提高了觀測精度，保證了監測數據的準確性和連續性。

3）洪水預報。建立了具有山東省流域特點的洪水預報數學模型，針對某一水庫或某一流域相關聯的水庫群，根據降雨及下墊面條件進行洪水預報，并可通過自模擬學習，不斷地根據新的實測值來校正或改善原有預報模型參數，完善初始條件，逐步提高預報精度，使洪水預報結果更接近于真實值。

垛莊水庫自動化安全監測系統已投入使用近3年，突破了以往單一監測設備獨成系統，數據不融合，操作性差等限制，實現了水庫的高效運行，最大限度的節省了人力、物力，為水庫安全運行、智慧水庫的建設起到了良好的示范作用。