小型水庫(kù)安全信息感知及預(yù)警技術(shù)

章麗娟，龐 紅，何 淇

（1.水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所，江蘇南京210012；2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京210098）

0 引言

我國(guó)現(xiàn)有小型水庫(kù)9.8 萬(wàn)余座，其中7.5 萬(wàn)多座是庫(kù)容100 萬(wàn)m3以下的小（2）型水庫(kù)。小型水庫(kù)在灌溉、供水、改善生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮了巨大作用，效益顯著，是水利基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分。但是小型水庫(kù)多建于20 世紀(jì)50—70年代，工程標(biāo)準(zhǔn)低、質(zhì)量較差，運(yùn)行維修養(yǎng)護(hù)經(jīng)費(fèi)投入不足，管理待完善。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)小型水庫(kù)平均病險(xiǎn)比例高達(dá)53.3%[1]，目前仍有數(shù)千座小型水庫(kù)管護(hù)主體尚未落實(shí)，部分小型水庫(kù)存在管理機(jī)構(gòu)缺失、管護(hù)人員不到位等問(wèn)題。隨著經(jīng)濟(jì)和科技條件的改善，加大對(duì)小型水庫(kù)安全管理的科技投入，充分利用傳感器、數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，構(gòu)建小型水庫(kù)群安全風(fēng)險(xiǎn)感知和預(yù)警平臺(tái)已具備可行性。

文獻(xiàn)［2］以某小型水電站系統(tǒng)改造為背景，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于J2EE 平臺(tái)的大壩遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。文獻(xiàn)［3］針對(duì)中小型水庫(kù)土壩特點(diǎn)，在分析傳統(tǒng)大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)局限性的基礎(chǔ)上，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊、電源自動(dòng)管理、遠(yuǎn)距離傳送、軟件系統(tǒng)幾個(gè)方面進(jìn)行了創(chuàng)新與改進(jìn)，研發(fā)出一套適用于中小型水庫(kù)土壩的安全自動(dòng)監(jiān)測(cè)及管理數(shù)字系統(tǒng)。文獻(xiàn)［4］首先針對(duì)傳統(tǒng)大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的缺陷進(jìn)行改進(jìn),從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊、電源自動(dòng)管理技術(shù)、遠(yuǎn)距離傳送、軟件系統(tǒng)幾個(gè)方面對(duì)傳統(tǒng)大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)新與改進(jìn)，開(kāi)發(fā)出一套實(shí)用的“中小型水庫(kù)土壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”。文獻(xiàn)［5］給出了一種簡(jiǎn)易水庫(kù)大壩風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估方法并在實(shí)際工程中加以應(yīng)用。

上述研究都是針對(duì)單一水庫(kù)進(jìn)行或是從管理模式上對(duì)小型水庫(kù)進(jìn)行研究。文中將在分析小型水庫(kù)安全風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)建立小型水庫(kù)群風(fēng)險(xiǎn)感知及預(yù)警平臺(tái)進(jìn)行研究。

1 小型水庫(kù)現(xiàn)狀及其安全風(fēng)險(xiǎn)

我國(guó)小型水庫(kù)具有數(shù)量多、監(jiān)測(cè)設(shè)施不完善、運(yùn)行管理技術(shù)理量不夠、維修養(yǎng)護(hù)經(jīng)費(fèi)不到位等問(wèn)題，為降低小型水庫(kù)失事概論，有必要將現(xiàn)在小型水庫(kù)監(jiān)測(cè)設(shè)施10%的比例向上提高。但由于小型水庫(kù)數(shù)量多、經(jīng)費(fèi)有效，因此有必要根據(jù)具體水庫(kù)的特點(diǎn)有針對(duì)性地布置安全監(jiān)測(cè)設(shè)施。從目前小型水庫(kù)安全監(jiān)測(cè)來(lái)看，總是將安全監(jiān)測(cè)理解為變形、滲流監(jiān)測(cè)，實(shí)際上安全監(jiān)測(cè)有必要根據(jù)失事情況進(jìn)行拓展，把引起小型水庫(kù)失事的各類重要因素和響應(yīng)納入監(jiān)測(cè)范圍，為此有必要首先對(duì)小型水庫(kù)失事成因進(jìn)行總結(jié)。

1954年迄今全國(guó)潰壩3500 多座，其中絕大多數(shù)是小型水庫(kù)。典型失事成因如下：

1）水文氣象典型實(shí)例包括破沖口水庫(kù)、英德?tīng)査畮?kù)、茶山坑水庫(kù)都是由于連降特大暴雨，降雨量超過(guò)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，從而導(dǎo)致漫頂?shù)仁鹿拾l(fā)生。

2）材料結(jié)構(gòu)滲流典型實(shí)例，包括石堡子混凝土面板堆石壩受壩體沉降變形影響，防浪墻整體變形嚴(yán)重，出現(xiàn)裂縫、分縫錯(cuò)位。

3）運(yùn)行監(jiān)管典型實(shí)例包括溝后、大河、七仙湖、李家咀水庫(kù)潰壩等，都是由于缺乏有效監(jiān)測(cè)設(shè)施或反應(yīng)不及時(shí)引起。

2 安全監(jiān)測(cè)預(yù)警的基礎(chǔ)工作

2.1 水庫(kù)安全風(fēng)險(xiǎn)分析

每座水庫(kù)由于其地理位置、水文地質(zhì)條件、氣候氣象條件、下游發(fā)展等各不相同，因此起失事模式、失事路徑、失事后果各不相同，進(jìn)行小型水庫(kù)的安全風(fēng)險(xiǎn)分析，將有利于針對(duì)具體水庫(kù)獲得影響水庫(kù)安全的敏感因素，從而針對(duì)性地設(shè)計(jì)水庫(kù)安全風(fēng)險(xiǎn)感知網(wǎng)絡(luò)。

2.2 水庫(kù)分類排序

2.2.1 根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)源種類進(jìn)行分類

根據(jù)可能引起水庫(kù)安全失事的原因及其后果不同，將風(fēng)險(xiǎn)源分成賦存環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、材料結(jié)構(gòu)滲流風(fēng)險(xiǎn)、運(yùn)行監(jiān)管風(fēng)險(xiǎn)三大類。三類風(fēng)險(xiǎn)源各有其特色，其感知網(wǎng)絡(luò)與預(yù)警體系也存在明顯的不同。對(duì)于賦存環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，可以充分利用或結(jié)合“暴雨風(fēng)險(xiǎn)圖”“中國(guó)地震區(qū)劃”“洪水風(fēng)險(xiǎn)圖”“滑坡泥石流風(fēng)險(xiǎn)圖”和“臺(tái)風(fēng)路徑圖”等已有研究成果進(jìn)行。

2.2.2 根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)大小進(jìn)行排序

小型水庫(kù)數(shù)量多，風(fēng)險(xiǎn)大小差異大，考慮到經(jīng)費(fèi)等限制有必要在調(diào)查統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上參考文獻(xiàn)［5］等的做法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，既考慮到整個(gè)水庫(kù)失事的概率也考慮到失事后的損失。根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)大小進(jìn)行排序分類，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)大小確定信息感知網(wǎng)絡(luò)的投入，包括監(jiān)測(cè)/檢測(cè)項(xiàng)目、測(cè)點(diǎn)數(shù)量、儀器類型、冗余備份、軟件配置等。

3 信息感知

3.1 感知方式

3.1.1 巡視檢查及遙感

專業(yè)技術(shù)人員以及無(wú)人機(jī)的巡查、空天遙感可以獲取水庫(kù)壩體、相關(guān)建筑物、庫(kù)區(qū)邊坡等大面積的安全信息。

3.1.2 視頻及圖像

充分利用可見(jiàn)光、紅外光、微光等對(duì)壩體或樞紐關(guān)鍵部位的環(huán)境輸入、結(jié)構(gòu)響應(yīng)以及人為操作等實(shí)施有效監(jiān)測(cè)。

3.1.3 儀器監(jiān)測(cè)

儀器監(jiān)測(cè)應(yīng)根據(jù)工程敏感輸入或響應(yīng)確定，無(wú)需要像大中型水庫(kù)一樣面面俱到。為延長(zhǎng)預(yù)報(bào)期，對(duì)于氣象、臺(tái)風(fēng)、暴雨等信息可以充分利用氣象等部門的前期預(yù)報(bào)信息，對(duì)于氣溫、水位、雨量等工程安全影響因素，也可以充分利用相關(guān)部門的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，避免不必要的重復(fù)建設(shè)。

3.1.4 狀態(tài)檢測(cè)

采用高密度電法、超聲波等無(wú)損檢測(cè)的方法對(duì)小型水庫(kù)的壩體、混凝土結(jié)構(gòu)、鋼筋銹蝕情況和金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，可以有效獲取工程隱患的重要信息，從而為實(shí)現(xiàn)工程安全動(dòng)態(tài)預(yù)警提供依據(jù)。

3.2 感知要素

3.2.1 賦存環(huán)境

氣候氣象風(fēng)險(xiǎn)具有明顯的地理區(qū)域特色,因此在全國(guó)各地其系統(tǒng)配置也應(yīng)具有明顯不同。

水文地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)需要根據(jù)入庫(kù)水量組成和路徑、地質(zhì)災(zāi)害形式等進(jìn)行感知項(xiàng)目設(shè)置。

地震風(fēng)險(xiǎn)是高震區(qū)小型水庫(kù)面臨的重大安全風(fēng)險(xiǎn)，其采集項(xiàng)目包括自由場(chǎng)的加速度時(shí)程（包括幅值和相位）。

3.2.2 材料結(jié)構(gòu)滲流效應(yīng)

監(jiān)測(cè)部位和項(xiàng)目包括大壩壩身變形和滲流狀態(tài)、泄洪閘門變形以及啟閉設(shè)施可靠性參數(shù)、泄洪或行洪建筑物穩(wěn)定、近壩庫(kù)岸或者邊坡穩(wěn)定、壩下建筑物與壩體連接部位穩(wěn)定和滲流等。由于各座水庫(kù)具體情況不一樣，設(shè)置上述項(xiàng)目和測(cè)點(diǎn)要根據(jù)工程風(fēng)險(xiǎn)和敏感度大小及其之間的關(guān)系進(jìn)行。

3.2.3 運(yùn)行監(jiān)管

運(yùn)行、管理和監(jiān)督的水平、效率和效果是影響小型水庫(kù)安全風(fēng)險(xiǎn)高低的重要因素，充分利用圖像采集、數(shù)據(jù)上傳、培訓(xùn)考核、現(xiàn)場(chǎng)督查、網(wǎng)上答題等手段和方法可以有效感知運(yùn)行監(jiān)管風(fēng)險(xiǎn)要素。運(yùn)行監(jiān)管風(fēng)險(xiǎn)感知的要素包括法律、法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)和上級(jí)文件精神的熟悉、理解和執(zhí)行到位情況；相關(guān)制度的針對(duì)性、可操作性和完備性；責(zé)任落實(shí)的具體性、明確性和匹配性；分工協(xié)作的協(xié)調(diào)性、完備性和可靠性；人員、設(shè)備、設(shè)施和經(jīng)費(fèi)的保障性；獎(jiǎng)懲措施的有效性等幾個(gè)方面。

3.3 感知網(wǎng)絡(luò)

整體網(wǎng)絡(luò)要實(shí)現(xiàn)水庫(kù)管理單位、主管部門、監(jiān)督單位、技術(shù)專家與支撐單位、水利行政主管部門、應(yīng)急部門以及相應(yīng)政府部門的實(shí)時(shí)連接，支持移動(dòng)查詢和關(guān)鍵信息推送的云平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別的大小采取相應(yīng)的應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制，重要信息采用多路推送關(guān)鍵設(shè)備備份措施，確保惡劣或關(guān)鍵時(shí)候信息保送和系統(tǒng)運(yùn)行正常、及時(shí)，同時(shí)在水庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)建立基于移動(dòng)短信、微信、廣播等應(yīng)急信息發(fā)布和疏散路徑引導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，最大限度實(shí)現(xiàn)提前預(yù)報(bào)和最大限度地減少災(zāi)害損失。

3.3.1 電源設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)電源供應(yīng)方式一般可以采用市電、太陽(yáng)能、蓄電池和低功耗自帶鋰電池，在具體設(shè)計(jì)中，將根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模、通信方式、距離管理處遠(yuǎn)近、設(shè)備安全情況和當(dāng)?shù)厥须姟⑷照諘r(shí)間等情況確定。

3.3.2 通訊設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)情況，一般系統(tǒng)通訊包括兩個(gè)層次，即現(xiàn)場(chǎng)信息感知網(wǎng)絡(luò)通訊和上一級(jí)雙向通訊?，F(xiàn)場(chǎng)通訊可以采用有線（電纜或光纜）、GPRS、Lora、Zigbee 等，上一層的通訊可以采用公網(wǎng)（GPRS、4G）、衛(wèi)星、光纖等。為確保系統(tǒng)穩(wěn)定性，在關(guān)鍵鏈路采用必要的備用措施。

4 預(yù)警指標(biāo)體系

4.1 賦存環(huán)境

根據(jù)具體水庫(kù)在環(huán)境因素作用下漫頂、超泄量、滑坡等對(duì)應(yīng)的輸入因素的強(qiáng)度或等級(jí)，具體包括臺(tái)風(fēng)級(jí)別、暴雨雨強(qiáng)和累積降雨量、壩前水位、入庫(kù)流量、地震震級(jí)等。

4.2 材料及結(jié)構(gòu)響應(yīng)

4.2.1 擋水及泄洪建筑物

根據(jù)建筑物極限承載力所對(duì)應(yīng)具體包括響應(yīng)量及其時(shí)間變化速率（或空間梯度，如不均勻系數(shù)）等的臨界值。

4.2.2 金屬結(jié)構(gòu)與機(jī)電設(shè)施

金屬結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性、機(jī)電設(shè)施的可靠性等對(duì)應(yīng)的變形分布、應(yīng)力分布、輸出電磁特征等所對(duì)應(yīng)的特性或功能突變都可以得到對(duì)應(yīng)的預(yù)警指標(biāo)。

4.3 運(yùn)行監(jiān)管風(fēng)險(xiǎn)

4.3.1 管理體系

依據(jù)相關(guān)法規(guī)、規(guī)章和部門文件設(shè)置相應(yīng)閾值，采取分級(jí)預(yù)警。如“三個(gè)責(zé)任人”“三個(gè)重點(diǎn)環(huán)節(jié)”等落實(shí)情況。

4.3.2 監(jiān)督體系

對(duì)主管單位對(duì)小型水庫(kù)管理監(jiān)管的有效性、及時(shí)性、可靠性等方面設(shè)置預(yù)警指標(biāo)。

5 結(jié)論與建議

小型水庫(kù)群具有水庫(kù)數(shù)量多、安全狀況差異大、交通不便、技術(shù)人員匱乏等特點(diǎn)，因此有必要建設(shè)相應(yīng)得水庫(kù)感知和預(yù)警平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)小型水庫(kù)群的集中管理，充分發(fā)揮技術(shù)、人才和經(jīng)費(fèi)優(yōu)勢(shì)。