2020年度注冊水電站大壩安全監測工作情況

吳 偉，周建波，武維毓

(國家能源局大壩安全監察中心，浙江 杭州 311122)

0 引 言

大壩安全是涉及人民生命財產安全、國民經濟和社會發展的重大公共安全問題，規范、有效的開展大壩安全監測工作，保證監測系統可靠運行，是評判和實現大壩安全的重要耳目和保障。大壩安全監測工作包括監測系統的設計、審查、施工、監理、驗收、運行、更新改造和相應的管理等工作。在《水電站大壩運行安全監督管理規定》[1]的基礎上，國家能源局大壩安全監察中心(以下簡稱“大壩中心”)在2009年頒布實施了《水電站大壩安全監測工作管理辦法》(以下簡稱“監測管理辦法”)，并在2017年進行了修訂[2]，該辦法是規范大壩安全監測工作的基礎，對指導電力企業做好監測工作具有重要的作用。在此法規宣傳和指導下，近十年來[3]，各電力企業的加強對大壩安全工作的重視，積極推進先進監測手段應用和數字化、智能化工作平臺建設，北斗高精度變形、衛星遙感、無人機(船)航測及巡測、視頻監控等新技術在大壩安全監測領域得到了飛速發展和運用，促進了大壩安全監測技術和管理水平逐步提升。

為全面掌握注冊(備案)大壩的監測系統組成、運行和監測工作開展情況，本文匯總、總結各運行單位年報、在線監測管理和信息報送等各種渠道的信息，對電力企業監測系統的基本情況(監測項目、測點數量、測點完好率、監測信息管理系統)，監測工作組織和開展(大壩安全監測管理制度和技術規程、巡視檢查及監測資料整編、監測儀器檢驗、監測系統更新改造情況)、監測系統運行(大壩安全信息報送、監測信息可靠性)等進行了統計分析。

對目前大壩安全監測管理的現狀和監測技術水平進行梳理和分析，摸清行業內大壩監測工作的現狀和管理環境，查找管理和技術短板，發現存在的主要問題并提出意見，推動大壩安全監測工作持續改進。

1 注冊(備案)水電站大壩概況

截至2021年2月底，在大壩中心注冊大壩565座，備案大壩48座，注冊和備案大壩合計613座，占全國大壩總座數0.63%，裝機容量合計2.70億kW，占全國水電總裝機76.70%，水庫庫容合計4 763.5億m3，占全國水電總庫容的52.72%。

按原設計的工程等級分類，一等113座、二等184座、三等308座、四等7座、五等1座；按主壩類型分類，重力壩379座、拱壩61座、土石壩160座、支墩壩5座、其他壩8座；按壩高分類，壩高300 m及以上的1座、200～300 m的14座、100～200 m的124座、50～100 m的195座、50 m以下的278座、無壩1座。

2 大壩安全年度報告報送情況

截至2021年2月底，有607座注冊(備案)大壩上報了《大壩安全年度報告》(以下簡稱“年報”)。已上報年報的大壩中，6座因工程規模較小未設監測設施，僅開展巡視檢查。因此，本文對2020年度大壩安全年報進行統計時，樣本為601座已報送的、建有監測系統并開展日常監測工作的大壩。

3 注冊(備案)大壩監測系統基本情況

3.1 監測項目和測點統計

統計的601座注冊、備案大壩中，采用監測自動化的有381座，占63%(不計僅環境量采用自動化監測的)。按工程等別分，一等、二等、三等、四等工程實現自動化監測的比例分別為96%(109/113)、72%(132/183)、47%(140/299)、0(0/6)。

大壩安全監測項目通常分為變形、滲流、內觀、環境量和其他(包括邊坡、堵頭等部位的監測及強震監測等)五大類，各類監測項目設置及實現自動化觀測的比例統計見圖1。在601座大壩中，開展變形監測的有601座(100%)、滲流581座(97%)、內觀418座(70%)、環境量581座(97%)、其他項目168座(28%)，可知所有大壩均開展了變形監測；各項監測項目實現自動化的分別有變形308座(51%)、滲流358座(60%)、內觀263座(44%)、環境量344座(57%)、其他項目87座(14%)。其中116座土石壩中，大壩外部變形實現自動化的有25座，占22%。

圖1 各類監測項目設置及實現自動化觀測情況統計

測點總數最多的為三峽大壩14 341個，其次為溪洛渡拱壩9 015個、小灣拱壩8 408個，平均為521個(若各扣除5座最多和最少的電站，平均為449個)。在實現自動化監測的381座大壩中，自動化測點最多的為拉西瓦拱壩8 220個，其次為溪洛渡拱壩7 793個、小灣拱壩6 784個，平均為453個(若各扣除5座最多和最少的電站，平均為371個)。

按工程等別和測點類型進行分類，統計結果見圖2。由圖2可知，工程等別越高，監測系統測點總數和自動化測點數也越多，每提高一個等別，平均測點數量增加2～3倍，這反映了監測系統的規模與大壩的規模相匹配。

圖2 各工程等別的測點平均數量對比

從統計結果看，總測點完好率平均為92%，低于60%的有11座。自動化系統測點完好率平均為92%。按測點類型進行分類，統計結果見圖3。變形類和環境量測點易于維護，因此完好率相對較高，在96%左右。內觀類儀器的總體和自動化完好率相對較低，分別為85%和91%，主要受儀器使用壽命限制，長期運行后故障率升高，且屬于埋入式儀器，損壞基本無法恢復。

圖3 各類型的測點完好率對比

3.2 大壩安全監測信息管理系統

統計表明，84%的大壩采用專業信息管理系統進行監測資料整編；16%大壩無專業的信息管理系統，采用Excel電子表格軟件進行監測數據整理整編。大壩安全監測信息管理系統數量區間分布情況見圖4。在使用專業大壩安全信息管理系統的大壩中，采用iDam信息管理系統占51%，采用南瑞信息管理系統占36%，采用南自系統占5%，采用木聯能系統占3%，其他信息管理系統占5%。大壩安全信息管理系統具備在線監測功能占60%。

圖4 大壩安全監測信息管理系統使用情況統計

4 注冊(備案)大壩監測工作開展情況

4.1 監測系統運行管理

監測管理辦法第十二條規定：“大壩投入運行后，監測系統的運行管理由電力企業負責”[2]。根據運行單位年報，目前，大壩監測系統投入運行后，監測系統的運行管理由運行單位負責的共計579座，占96%；目前工程仍在施工期，監測系統的運行管理由建設單位負責的共計22座，占4%。

4.2 大壩安全監測管理制度和技術規程

監測管理辦法第十三條規定：“電力企業應當制定大壩安全監測管理制度和技術規程，建立運行期大壩安全監測技術檔案”[2]。

根據運行單位年報，絕大多數電力企業制定了大壩安全監測管理制度和技術規程。統計的601座注冊、備案大壩中，591座大壩制定了大壩安全監測管理制度，占98%，10座大壩未制定；597座大壩制定了大壩安全監測技術規程，占99%，4座大壩未制定。3座大壩安全監測管理制度和技術規程均未制定。

4.3 監測實施單位與人員數量

從事大壩安全監測人員數量平均為7人，人數最多的為三峽大壩85人。

按工程等別進行分類，工程等別越高，監測人員數量一般也越多，一等、二等、三等、四等工程平均監測人員數量依次為12、6、5、5。

根據監測人員數量分布進行劃分，監測人員數量主要分布在3～10人之間，大壩合計445座，占74%；監測人員數量在2人以下的大壩合計76座，占13%；監測人員數量僅有1人的大壩合計14座，占2%；僅有12座(2%)大壩的監測人員數量超過了20人。

按監測工作實施單位進行劃分，由運行單位自行承擔監測工作的大壩有314座，占52%；由主管單位專業部門或下屬公司承擔監測工作的大壩有57座，占10%；由外委第三方技術單位承擔監測工作的大壩有230座，占38%。

4.4 監測及巡視檢查工作開展情況

監測管理辦法第十四條規定：“電力企業應當嚴格按照有關要求開展監測工作，不得擅自減少監測的項目、測點、測次和期限。當發生地震、大洪水、庫水位驟升驟降、庫水位低于死水位或者其它可能影響大壩安全的異常情況時，電力企業應當加強巡視檢查，增加監測頻次(必要時增加監測項目)，及時分析監測數據，評判大壩運行狀態”[2]。

根據運行單位年報，注冊、備案大壩中，2020年度發生地震、大洪水、庫水位驟升驟降、庫水位低于死水位或者其他可能影響大壩安全的情況的有157座，占26%，其中155座大壩按要求加強了巡視檢查、增加監測頻次并及時分析監測數據，2座大壩未開展相關工作。

注冊、備案大壩均開展了日常巡視檢查工作，巡視檢查頻次總體按規范要求執行，頻次為1次/月、2次/月、1次/旬和1次/周及以上的大壩數量依次為263座(44%)、104座(17%)、41座(7%)和193座(32%)。

按日常巡視檢查記錄的方式劃分，目前556座大壩采用現場手寫紙質記錄，占93%；19座大壩采用PDA手持終端掃描記錄，占3%；26座大壩采用智能手機等便攜式智能設備掃描記錄，占4%。可見日常巡視檢查記錄仍以手寫紙記的“傳統”方式為主，采用PDA手持終端、手機等便攜式智能設備，實現巡視信息結構化和成果信息化的大壩比例較低，僅占7%。

4.5 監測資料整編

監測管理辦法第十七條規定：“電力企業應當于每年三月底前完成上一年度監測資料的整編分析。年度整編分析應當突出趨勢性分析和異常現象診斷，并且應當結合工程情況和特點，針對存在的問題進行綜合分析”[2]。

根據運行單位年報，590座大壩開展了2019年度監測資料整編工作，占98%，其中585座已按時完成歸檔，5座大壩尚未歸檔；11座大壩未開展年度監測資料整編工作，占2%。

從日常監測資料整編周期來看，整編周期為周、月、年的大壩數量依次為25座(4%)、394座(66%)、173座(29%)，開展周度和月度資料整編的大壩合占70%，9座大壩未開展監測資料日常整編，占2%。

4.6 監測儀器校驗

監測管理辦法第十八條規定：“電力企業應當加強監測系統的日常巡查、年度詳查和定期檢查，定期對監測儀器設備進行校驗，發現問題及時處理”[2]。

根據運行單位年報，2020年度，560座大壩按要求對監測儀器設備進行了校驗、檢定工作，占93%；41座大壩未開展監測儀器設備校驗、檢定工作，占7%。

根據統計結果，目前實施監測自動化的381座大壩中，2020年度開展監測系統化系統人工比測的大壩有331座，占87%；未開展的大壩有50座，占13%。

4.7 監測系統更新維護改造

根據運行單位年報，本年度共有133座大壩進行了監測系統的更新和維護，其中80座大壩進行了監測系統更新改造專項設計，占60%。

按更新改造的監測項目進行分類，34座大壩對變形監測設施進行了更新維護，工作內容包括增加外觀點或工作基點、對變形監測儀器設備進行維護或更換等；30座大壩對滲流監測設施進行了更新維護，工作內容包括測壓管(水位孔)鉆孔、掃孔、更換滲壓計或壓力表、安裝或改造量水堰等；5座大壩對監測系統進行了整體改造；38座大壩進行了監測自動化系統相關的更新改造；15座大壩對監測信息管理系統和報送軟件進行了改造；7座大壩進行了環境量監測設施的更新改造；4座大壩進行了其他方面的維護改造。

5 注冊(備案)大壩監測系統運行和信息報送情況

5.1 大壩安全監測信息報送情況

根據《水電站大壩運行安全信息報送辦法》(國能安全〔2016〕261號)的要求[4]，電力企業應向大壩中心報送大壩安全監測信息，包括大壩安全監測數據和巡視檢查信息。截至2021年2月底，大壩中心累計已完成598座大壩監測數據的接入工作。大壩運行安全監管信息系統共接入報送測點83 603個，其中正常報送測點77 938個，正在維護改造測點1 064個，已損壞測點4 704個；注冊(備案)大壩已累計向大壩中心報送大壩安全監測數據10.3億多條。

大壩監測系統運行(報送)情況總體良好，2020年報送大壩數據總缺失率為7%。數據缺失率基本呈逐年減小趨勢，2020年度報送大壩數據總缺失率相比2019年降低了3%。

2020年度報送數據及時性分布情況見圖5，報送數據缺失率主要分布在30%以內，大壩合計578座，占97.1%，大壩比例相比2019年度提高了3.6%，其中缺失率小于10%的大壩合計440座，占73.9%，大壩比例相對2019年度提高了11.8%；報送數據缺失率超過30%的大壩合計17座，占2.9%，大壩比例相比2019年度降低了3.6%。

圖5 報送數據及時性分布情況統計

2020年底大壩中心啟用網絡方式報送巡檢信息。截至2021年2月底，目前已有611座大壩按照要求報送了巡視檢查信息。

根據601座注冊和備案大壩安全信息報送問題自查，597座(99%)大壩安全信息報送設置了專人負責，4座大壩未設置專人負責大壩安全信息報送。有124座(21%)大壩自評信息報送存在問題。經分析統計主要有以下幾個方面：①大壩安全信息報送未實現網絡自動報送。特別是部分大壩水情數據與報送系統不連通，需要人工數據收集后報送。②監測儀器故障或儀器損壞。部分大壩監測系統設備老化，故障率較高，設備廠家維護不及時，導致數據報送有缺失。③網絡安全問題或不穩定。部分大壩網絡因安全問題時有限制，部分大壩傳輸網絡不穩定。④大壩信息管理系統或報送系統不穩定。部分大壩信息管理系統或報送軟件穩定性較差，時有故障；數據采集端與數據報送端之間傳輸層級太多，可靠性不高；信息報送軟件配置存在問題等。⑤信息報送管理制度不完善，人員專業能力不強。部分大壩信息報送制度不完善，導致人員交接、出差期間無法保證信息報送相關工作；部分大壩人員不熟悉信息報送要求及工作流程等。⑥監測系統更新改造、儀器送檢等。

5.2 大壩安全監測信息可靠性

利用新一代人工智能技術，2020年大壩中心將監測數據智能清洗技術引入到大壩安全數據分析中，相較傳統人工甄別的方法效率得到顯著提高。2020年共處理大壩總數613座，處理報送數據20 639 329條，甄別無效數據291 113條(1.4%)。

2020年度報送數據可靠性分布情況見圖6。報送數據為無效值主要原因有：①報送數據可靠性較差；②監測方法或儀器調整后，報送測值未進行及時調整和修正。

圖6 2020年報送數據可靠性分布情況統計

6 需要改進的工作

(1)完善大壩安全監測管理制度和技術規程體系。建立健全大壩安全監測管理制度和技術規程體系，是保證大壩安全監測工作開展的基礎，從運行單位年報看，有10座大壩尚未制定大壩安全監測管理制度，4座大壩尚未制定大壩安全監測技術規程，其中3座大壩安全監測管理制度和技術規程均未制定。

(2)進一步規范日常監測、巡視檢查及監測資料整編。運行單位總體能按要求開展日常監測工作，但仍存在部分大壩年度資料整編未開展、儀表未按規定檢查或送檢、發生特殊工況時未加密觀測、監測自動化人工比測工作不到位等問題。

(3)持續加強監測系統維護和更新改造。根據運行單位年報，測點總體完好率平均為92%，監測系統運行情況總體較好。但部分大壩監測系統測點完好率偏低，有5座大壩的變形測點完好率低于60%，26座大壩的滲流測點完好率低于60%，部分大壩監測系統更新維護工作進展緩慢，監測系統維護不及時，影響大壩安全監測工作開展和安全監控。

(4)強化監測技術及管理工作專業知識和管理能力。從事大壩安全監測人員數量平均為7人，人員數量分布在3～10人之間的大壩占73%，人員數量總體滿足大壩安全管理的要求，但人員數量在2人以下的大壩占13%，其中人員數量僅有1人的大壩占2.3%。從實際監測工作開展情況來看，部分大壩監測技術及管理工作人員配備不足，技術力量薄弱，管理成效偏低。

(5)切實貫徹落實大壩安全和監測工作相關法規的要求。運行單位總體能按照《水電站大壩運行安全信息報送辦法》(國能安全〔2016〕261號)的要求開展信息報送工作。但從實際報送數據考核情況來看，2020年度大壩報送數據缺失率超過30%的有16座，部分大壩信息報送缺報問題仍然突出。

(6)大壩安全監測新技術運用需進一步加強。目前，云計算、大數據、物聯網、人工智能等新技術逐漸成熟，大壩安全感知技術如高精度北斗外部變形監測、無人機航測、智能巡檢等信息化程度越來越高，利用新技術對大壩安全監測、巡視檢查等技術革新，提高大壩安全管理水平的需求也越來越強烈，但從行業新技術調查來看，土石壩外部變形實現自動化的僅占22%，注冊備案大壩中實現巡檢成果信息化的大壩比例僅為7%，大壩安全監測新技術運用水平仍有較大提升空間。