基于嵌入式技術的遠程水利信息監控系統應用

喬 恒

（新疆水文局水文實驗站西部水文儀器檢測中心，新疆 烏魯木齊830000）

1 引言

新疆某水利工程是一級大（1）型工程，由攔河壩、泄洪建筑物和引水發電系統三大部分組成。主要建筑物類別為：粘土心墻堆石壩、表孔泄洪孔、中孔泄洪孔、深孔排沙孔、引水發電系統取水口為一級建筑物；引水發電隧洞及廠房為二級建筑物。最大壩高108 m，壩頂長362 m，壩頂寬12.0 m，上游壩坡1∶2.5，下游綜合壩坡1∶2.33，防裂度9度。發電廠房為地面岸基廠房，由上游輔助設施、廠房與大壩之間的平臺、主廠房、尾水平臺、尾水渠等組成。廠房總長127 m，配備4臺320 MW水輪發電機。該工程是國內外跨境河流上游100 m以上的土石壩。水庫的安全運行直接關系到我國及下游國家人民的生命財產安全。負責綜合工程防洪、灌溉、發電設備設施的運行、管理、維護和維修。

2 安全監控系統總體結構

本系統采用分散監控、集中處理的模式。整個監控、傳輸和數據接收處理系統構成一個分配系統，包括三個大的部分：現場監測結構、運輸連接結構以及數據監控和處理中心。

（1）現場監測

現場監測主要通過裝有S3C2410 ARM9芯片的設備進行數據采集，設備增加了支持短消息和數據通信的GPRS通信模塊。并且終端數據采集設備可以通過GPRS調制解調器發送到監控中心，同時也可以接收監控中心的操作命令。

（2）運輸連接

終端數據采集設備與監控中心通過GPRS無線網絡通過GPRS調制解調器進行通信連接。

（3）數據監控和處理中心

通過接入移動通信企業的SP服務器，對測得的數據進行遠程處理，完成水文數據的處理、保存等功能，同時向遠程終端發送控制命令的調制解調器設備。當報警被呼叫時，信息可以被轉發到遠程操作員的電話上。

系統功能的具體實現過程是：在數據采集前端定時對水位、時間等有用信息進行編碼，根據具體協議對傳感器信息的準確性進行處理、打包、形成短信，借助GPRS通信模塊將短信送到監控中心。監控中心將接收到的報文在相應的解碼處理后，在某一特定地點統計超時流量，發送給各水利調度決策人員，并存儲在數據庫中，供日后水文信息查詢，整個監測系統結構見圖1。

圖1 監控系統結構

根據監測數據的采集方式，本工程安全監測系統可分為人工采集和自動采集兩大類。信息管理與分析系統是整個安全監控系統的核心和靈魂，是數據管理和分析的良好手段。一個良好的工程質量監控體系，不僅能充分發揮工程質量監控管理的作用，而且能極大地提高工程的安全管理水平。

針對本工程監測項目齊全、測點多、監測周期長等特點。合理的層次結構是保證整個監控系統可靠運行的關鍵。測控系統主要由三層組成：測量層、數據采集層和監控層。網絡結構見圖1。

系統功能特點：

①該系統將通信技術、自動控制技術和計算機應用技術有機地結合起來，形成一個自動的數據采集、傳輸和處理系統，并將最終的處理結果及時、直觀地提供給管理人員。

②系統專用軟件解決了遠程服務、在線數據采集、報表、圖形制作、離線分析、大壩安全文件管理、實測值預測、監測數據匯編、數據庫管理等技術問題。實現大壩和工程安全管理的優質高效。

③系統穩定可靠，使用靈活，維護方便，擴展性能強，防雷、防潮、抗干擾能力強。

3 系統應用

3.1 監測數據插值與提取的應用

如果由于某種原因實測數據相對稀疏，就很難滿足級數分析和預測的計算要求。此時，需要使用相鄰測量或測量點的可靠數據進行插值。插值按原理可分為物理力學插值和數學插值。物理力學插值主要以已知數據為基礎，分析影響量與因變量之間的函數關系，然后利用該關系進行插值。數學插值方法主要有線性插值法、拉格朗日插值法、多項式插值法等，具體原理請參閱相關數學專著。當測量數據過于緊密，影響分析效率時，可以根據需要提取數據。主要方法有時間提取法、計量提取法等。

以本工程0+175.00段滲流壓力為例，進行插值計算分析：

壩段最大斷面為0＋175，壩基埋設9個滲壓表（13個滲壓表布置在整個壩段）。S01位于壩軸線上游8 m處，深31.58 m；深部地基。S02位于壩后下游2 m處的帷幕和11.38 m深處；S03和S04埋設在心墻粘土和混凝土（底板）的結合面上，壩基軸距分別為15 m和15 m；S05位于壩軸線下游31.5 m過渡材料的基礎面上；S06、S07、S08和S09滲透壓力計均埋設在壩基表面上。壩下游殼體材料，壩軸線距離分別為47 m、100 m、130 m和190 m。

在粘土心墻中，935 m高程（S10、S11）和965 m高程（S12、S13）分別埋設兩個滲透壓力計。S10、S11壩段軸距高出軸4 m，軸下15 m。S12、S13大壩軸距高出軸2.89 m，軸下8.12 m。

S01～S13為振弦式測壓計，量程為0.35 MPa、0.5 MPa、0.75 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa。

同一斷面布置4個測壓計（UP-02堵在58.5 m處，2008年8月后投入使用，暫不統計），編號UP-01、UP-03、UP-04，孔底標高分別為906.974 m、899.235 m和902.180 m，壩軸距分別為2.5 m、68 m和118 m，UP-01位于心墻內，心墻下游壩體材料中的UP-03和UP-04。

經檢驗，在選擇滲透壓計初始值時，以現場埋設后讀數基本穩定的頻率模式或阻力比、溫度作為初始值進行計算，從而使施工中埋設時現場存在的地下水位的影響忽略，可能會出現較大錯誤。為此，根據實驗室校準數據（頻率模式或電阻比），不考慮溫度變化（因為找不到數據），計算出的水位誤差見表1。對于誤差較大的S01和S02，將水位高程誤差疊加在原綜合計算水位上，得到更符合實際情況的水位高程。

表1 滲壓計水位高程誤差統計表

3.2 典型部位滲透壓實測值變化過程線

典型位置滲透壓計測量的工藝路線見圖2。

圖2 滲壓計水位測量工藝線

2017年9月1日～2018年8月7日，水庫水位973.24 m～995.93 m，水位變化22.69 m；S01滲流壓力水平966.87 m～988.26 m，變化21.39 m；S02滲透壓水平941.20 m～953.20 m，范圍為12.00 m；S03滲透壓力水平為947.30 m～972.32 m，范圍為25.02 m；S04的滲透壓力水平為947.30 m～972.32 m，范圍為25.02 mm。水庫水位970 m～996 m時，S01滲壓水位為6.0 m～7.5 m，低于水庫水位，S02與水庫水位相關性較好。2006年以后，水庫高水位區間的線性度很高。相關圖沒有滯后曲線。心墻粘土與混凝土樓板結合面上的S03和S04相關圖有明顯的滯后曲線。回歸分析結果的時效成分是反映心墻下游非穩定滲流過程和粘性特性的重要或主要組成部分。

受S05～S09前期地下水位的影響，2015年7月23日水庫水位達到965 m時，心墻材料的內滲壓力計開始明顯上升，9月1日水庫水位達到976 m后基本穩定在914.26 m～915.19 m，2015年，不再與上游水位變化有關。

心墻S10、S12、S11、S13分別響應2015年10月22日、2016年1月18日、2016年7月31日、2016年12月30日水庫水位變化，與水庫水位相關圖有明顯的滯后曲線；2015年9月1日至2018年8月7日期間，滲流S10滲壓水位為935.11 m～968.79 m，變化范圍為33.6 m；S12滲流壓力等級為964.67 m～981.75 m，變化幅度為17.08 m；S11滲流壓力水位為934.73 m～943.54 m，變化幅度為8.81 m；S13滲流壓力水位為964.51 m～965.66 m，變化范圍為1.15 m心墻下游側溢流面為965.22 m～965.65 m。

心墻內UP-01實測水位在同一位置的S03～S04之間，變化過程基本相同。心墻下游壩體材料UP-03、UP-04與同一位置S05～S09實測值基本一致。

4 結論

（1）基礎帷幕：S02、S05～S09、UP03和UP04數據表明，基礎帷幕目前具有良好的防滲效果。

（2）粘土心墻與基礎板的結合面：S03和S04相關圖具有明顯的滯回曲線，回歸分析結果的老化分量是一個重要的或主要的部分，反映了下游非穩定滲流的擴散過程和粘度特性。

（3）粘土心墻內部：心墻內S10、S12、S11、S13與水庫水位的相關圖中有明顯的滯后曲線，2017年后心墻下游側溢流面高度為965.22 m～965.65 m。