白石里水庫大壩安全管理信息平臺設計淺析

劉 浩，張 宇，謝 鵬

（1.臨沂市羅莊區水務局，山東 臨沂 276000；2.山東省水利勘測設計院，山東 濟南 250000；3.山東水總有限公司，山東濟南 250000）

1 引言

水利工程安全對下游居民的正常生產、生活有重要的影響。隨著計算機技術的發展，大壩安全管理信息化建設已經成為現實。利用現代計算機技術，可存儲大量數據，同時，數據處理、分析能力也不斷提高。通過搭建信息化平臺，可降低水庫安全管理工作的難度，可在遠程實現大壩管控。目前，已有較多的水利工程搭建了信息化管理平臺，如：瑪納斯河流域灌區[1]、都江堰灌區[2]、黃壁莊水庫[3]、淇河盤石頭水庫[4]、雙塔水庫[5]等。各項水利樞紐在近期改造、建設過程中，均引入了“信息化”“智慧化”概念，建設完成后，實現了水利工程安全自動化監測，險情預警等功能，有效保障了水利工程的正常運行[6-8]。

2 工程概況

白石里水庫工程等別為IV 等，主要建筑物級別為4 級。水庫汛限水位與正常蓄水位均為57.00 m，相應庫容74×104m3；按30年一遇洪水設計，設計洪水位59.13 m，相應庫容93.7×104m3；按500年一遇洪水校核，校核洪水位60.15 m，死水位47.00 m。白石里水庫地理位置重要，關系著下游5800 人口、6800 畝耕地以及高速公路的防洪安全。

3 水庫大壩安全管理信息平臺設計

3.1 智能巡檢系統

巡視檢查是大壩安全管理的重要組成部分，是及時發現大壩安全隱患的最主要方式，當前主要以人工巡視檢查為主。傳統的巡視檢查工作存在以下主要問題：（1）巡檢信息主要以紙質方式保存，較為不便且易丟失、耗工時，不滿足水庫現代化管理需求；（2）水庫主管部門較難實時監督庫管員巡視檢查工作是否到位；（3）巡檢信息不能及時上報，水庫主管部門不能及時掌握水庫安全狀態；（4）庫管員巡視檢查過程中遇到安全隱患較難判別其危害程度，缺乏必要的應急處置能力。

圖1 水庫大壩現場巡檢問題

根據當前水庫巡檢工作面臨的問題，以及新時期對水庫巡檢工作的新需求，研制的智能巡檢系統共分為手機APP 軟件和web 后臺管理軟件，主要包含4 大功能、18 個小功能模塊。系統應提供基于JSON 的WebService，以便第三方進行二次開發。并應保證WebService 的伸縮性。在部署上，系統應具備跨平臺性，不依賴WINDOWS 等特定平臺。功能模塊圖見圖2。其中包括：（1）人員管理模塊主要管理系統的組織結構、人員信息、責任范圍、級別等信息，根據級別確定人員工作任務和系統中數據可查看范圍；（2）智能巡檢管理模塊具備巡檢任務制定、巡檢任務提醒、巡檢任務執行、提交巡檢報告、巡檢任務報告等功能；（3）水庫大壩安全智能診斷模塊具備異?，F象報警、巡檢問題類別診斷、隱患處置對策、關聯處置案例剖析等功能；（4）查詢統計分析模塊包含巡檢任務查詢、人員巡檢軌跡回放、巡檢類別查詢、巡檢到位管理、巡檢隱患查詢管理、數據備份與打印等功能。

圖2 水庫大壩智能巡檢系統功能模塊結構圖

表1 智能巡檢系統設備匯總表

3.2 大壩安全監測自動化系統

大壩安全監測自動化系統主要由監測儀器、測控中心、監測中心組成。監測儀器為直接獲取大壩安全監測數據的設備；測控中心主要有自動測量控制單元（MCU）及相關配套設備，用于集中采集監測儀器獲取的數據；監測中心主要為監測軟件、監測計算機和打印機，實現遠程獲取監測數據信息和管理監測數據功能。大壩安全監測自動化系統結構見圖3。

圖3 大壩安全監測自動化系統結構圖

因白石里水庫滲漏問題較突出，重點設置大壩滲流安全監測項目。設計采用埋設測壓管，并在測壓管內安裝水壓力計自動觀測滲流壓力。根據工程實際情況，擬在最大壩高處、輸水洞與大壩接觸部位、右壩肩各布置一個滲流監測橫斷面，每個監測斷面各布置4 個滲流監測點，共計12 個測點。水壓力計通過信號電纜接入MCU，合計約需信號電纜1500 m。信號電纜全程穿熱鍍鋅鋼管保護，管接頭兩端采用預焊螺栓方式，連接10 mm2銅導體，使管線全線導通，以有效避雷。電纜溝深度以不低于50 cm 控制，合計約需開挖電纜溝450 m。配置1 臺MCU 采集滲流監測數據，安裝在進水塔啟閉機房內。

監測中心設在管理房。MCU與監測中心采用GPRS 方式通訊。為確保系統防雷安全，所有信號電纜全部外套鍍鋅鋼管，鋼管接頭處都可靠搭焊并與每根測壓管搭焊。同時在測控中心設置可靠的接地網。

表2 大壩安全監測自動化系統設備匯總表

3.3 水雨情自動測報系統

水雨情自動測報系統由水位計、雨量計、水雨情自動測報軟件組成。擬在輸水洞啟閉室地面平臺上安裝雷達式水位計監測庫水位，在啟閉室頂安裝翻斗式雨量計監測降雨量。水位計和雨量計均采用太陽能供電，采用有線傳輸方式通訊。水雨情自動測報軟件需定制開發，應具有以下主要功能。（1）數據實時采集及處理。能夠準確及時地實時采集和傳輸水雨情信息，具有定時自報功能，中心站能實時接收有關數據，并對數據進行合理性檢查和糾錯處理并自動對接收到的數據進行分類、存入數據庫。（2）系統監測及報警。具有水雨情要素越限監測及報警，設備故障監測、報警及診斷，設備電源電壓異常監測及報警功能。（3）數據管理。可通過人機對話的方式方便地對數據進行查詢、檢索及編輯，可靈活顯示、繪制和打印水雨情圖表，可方便地對數據庫進行維護管理。

表3 水雨情自動測報系統設備匯總表

翻斗式雨量計參數如下：

①承雨口口徑Φ200+0.6 mm；

②分辨率0.5 mm；

③誤碼率小于10～4；

④雨強測量范圍0～4 mm/min（允許通過最大雨強8 mm/min）；

⑤測量精度：總體上不超過±4%；

⑥工作環境：工作溫度-10℃～＋50℃，工作濕度≤95%（40℃）；

⑦在滿足儀器正常維護條件下，MTBF≥40000 小時；

⑧刃口角度40°～45°。

3.4 視頻監控系統

3.4.1 監控點選取

監控點的布設重點是涉及水庫工程安全的重點區域。布設區域包括：管理處大門、壩頂、溢洪道、輸水涵洞等需要被監控的地方。監控點攝像機選型原則：溢洪道、輸水涵洞采用普通固定監視場景，選擇槍式攝像機；管理房、壩頂采用大范圍監控并需要快速響應的場景，宜選擇球型攝像機。監測點離管理所較遠，可以埋設或架設光纜傳輸。利用光纜傳輸連續攝像的監控點共計4 個，具體見表4。

表4 監測點布置

3.4.2 系統結構

系統由1 個中心站、4 個監控點組成。設備主要包括監控主機、網絡錄像機、高清攝像機、高清解碼器、大屏顯示器。前端攝像機采集視頻數據保存至NVR，監控主機可以對前端攝像機進行控制，錄像回放的操作，高清解碼器把視頻信號解碼至大屏幕顯示器。

4 結論

以白石里水庫為例，從智能巡檢系統、水情預報系統、安全監測系統、監控系統4 個方面分析了白石里水庫除險加固過程中信息化平臺的搭建過程和方法。大壩安全管理信息平臺建設完成后，大大提高了水庫的安全管理水平，提高了工作效率，可采集更加豐富的數據，并具備了數據處理、分析能力，為小型水庫工程安管信息平臺建設積累了經驗。