淤地壩自動化監測預警系統探討

李曉洋

(甘肅省水利廳 信息中心，甘肅 蘭州 730030)

淤地壩作為黃土高原重要的水土保持工程措施，發揮著攔泥滯洪、蓄水保田、增產減沙的作用，在黃河流域生態保護和高質量發展重大國家戰略的實施中具有重要地位。多年來甘肅省淤地壩的監測預警都是人工現場作業，存在技術手段落后、應急報警不及時、專業人員缺乏、工作條件艱苦、工作效率不高等問題。2021年甘肅省選取了48座大中型淤地壩配置自動化監測預警系統，輔助淤地壩安全運行工作，目前已初步形成了一些具有地域特色的技術模式和思路。

1 監測預警系統

淤地壩監測預警系統主要建設目標是實現淤地壩自動化管理、安全運行管理，監測的全過程智能化、數字化、可視化。管理部門通過淤地壩監測預警系統，可以直觀地監測管轄范圍內淤地壩的運行狀況，對特殊情況能第一時間做出研判，并及時部署相關防御措施，提高監測精準度及效率，解決傳統人工模式下延報或信息不完整等問題。

淤地壩監測預警系統由硬件和軟件兩部分構成，其中硬件主要包括采集設備、固基設備、傳輸設備、供電設備等，軟件包括采集結果統計分析展示系統和預警模型。淤地壩監測預警系統主要有壩體變形監測預警、浸潤線監測預警、視頻監視預警等功能模塊，監測內容主要包括水位、雨量、流量、壩體變形、壩體滲漏、水毀、壩區等。監測設備所采集的數據為監測預警系統提供了基礎數據支撐。

1.1 水位監測

水位監測主要是記錄瞬時水位值。淤地壩水位監測重點是壩前水位，預警系統實時將監測水位與汛限水位對比，通過計算水位變化速率，預測水位達到汛限水位的時間，為判斷壩體運行是否存在潛在風險提供依據。

淤地壩水位監測通常采用非接觸式雷達水位計，實現在無人值守或極端天氣情況下自動監測水位。同時，在壩坡等差高程處安裝水尺，通過高清攝像頭查看水尺水位，輔助校核水位計采集水位的準確性。

1.2 流量監測

流量的大小不僅關系著泄水建筑物、壩體背水面的安全性，也影響著淤地壩水位的變化趨勢，所以需在泄水口增設流量監測點，采集壩體泄水建筑物的瞬時流量。掌握了泄水建筑物的瞬時流量，預警系統就可計算歷時泄水量，預判泄水量對泄水建筑物和淤地壩安全運行的影響。

淤地壩流量監測通常采用非接觸式多普勒流量計或雷達流量計。雷達流量計內部可集成水位計，同時測量水位、流速、流量、累計流量等。

1.3 雨量監測

雨量監測主要是采集壩區的降雨量。降雨量是防洪減災和水情監測預報的水文要素，掌握壩區的瞬時降雨量、歷時降雨量，可通過預警系統計算降雨量對淤地壩水位造成的影響，判斷壩體周邊環境的穩定性。

淤地壩雨量監測點布設在野外，無人值守，易遭受低溫、大風等極端天氣損毀，且人工維護成本較高。翻斗式自動雨量計體積小、適應能力強，可自動洗滌灰塵，在提高測量精度的同時還可降低人工維護成本，因此非常適用于淤地壩雨量監測。為保證監測數據的強相關性，翻斗式自動雨量計應和非接觸式雷達水位計安裝在同一監測點，目前多數采用攝像頭、雨量計、水位計一體安裝。

1.4 壩體變形監測

壩體變形監測主要是監測外力作用下壩體形態的變化，確保淤地壩的安全運行。目前，壩體變形監測技術主要有四種：一是通過三維激光掃描壩體，對比初始掃描數據，得到壩體變形數據[1]；二是利用無人機低空飛行技術獲得壩體、邊坡的變形數據及壩體周邊水系、植被的遙感影像數據，對比初始遙感數據，獲取壩體變形數據及周邊生態變化數據[2]；三是在壩體安裝地表位移監測站、滲壓傳感器、應力變化監測站，實時獲取壩體的變形數據[1]；四是在壩體變形監測點上安裝GPS接收機，利用GPS精度高、速度快、全天候等特點，實現大壩變形的自動化監測。

地表位移監測站、滲壓傳感器、應力變化監測站需在壩體中鉆孔安裝，鉆孔深度20～100 m，對安裝深度和操作精度都有較高的技術要求，且安裝投資大，維護成本高[1]。因此，宜采用GPS自動化變形監測系統或無人機低空飛行技術獲取淤地壩變形數據，同時要進行定期巡測、特殊節點加測，以便更全面、更準確地掌握壩體變形數據。

1.5 壩體滲漏監測

壩體滲漏監測主要是壩體浸潤線的監測，采用在壩體內埋設測壓管或電子滲壓傳感器的方式進行監測。預警系統根據傳感器監測的數據繪出壩體浸潤線，與壩體設計浸潤線進行比較，達到預警閾值時預警。

1.6 水毀監測

造成淤地壩水毀的主要誘因是暴雨、洪水，尤其是短歷時的強降雨[3]，同時影響淤地壩水毀程度的還有壩體施工質量、管護水平、淤積情況、壩坡防護措施等。工作人員需及時掌握壩體水毀的情況并立即修補，設置水毀監測設施可保證工作人員實地查看，提高解決問題的效率。

李莉等研究發現在壩體外坡26°處沖刷量會達到最大值，裂縫等損傷肉眼可見[3]。因此，應在壩坡迎水面和背水面分別安裝高清攝像頭，利用AI識別技術對攝像頭采集到的圖片和視頻進行判別，對疑似存在的水毀情況發出預警，再由相關工作人員復查。

1.7 壩區監測

壩區監測主要是監測壩前壩后水位、壩內積水、壩體排水、壩體周邊環境等。通過攝像頭的影像查看當前壩區情況，記錄壩區及壩周環境的變化過程，同時比對歷史影像，及時判斷淤地壩的運行狀況及壩周環境變化情況。

壩區監測主要通過壩區安裝的攝像頭定頻自動采集壩區影像來實現。影像資料分為圖片和視頻兩種類型。360°攝像設備可遠程調整攝像頭角度查看水位及壩體周圍的實時情況，可滿足淤地壩自動化監測中遠程查看的需求。影像采集可根據淤地壩的運行情況及所處時期，設置不同的監測角度及采集頻率，將采集到的影像資料保存到預警系統中，方便工作人員調看。為保證夜間能清晰地查看淤地壩運行狀況，攝像頭應具有良好的夜視功能，有時還需額外增設照明設備來補足視差。

2 合理配置預警模型

2.1 建立單變量預警模型

目前多數淤地壩監測預警系統中的預警模型都是單變量預警模型，即降雨量、水位、流量等某單一監測值達到預警系統中的分類預警閾值時即發起預警。單變量預警模型公式為

X≥N

(1)

式中：X為采集到的數據；N為分類預警閾值。

將采集的數據分別與預警閾值作差，取得數大于等于0且數值最小的預警閾值作為預警響應值。例如，某淤地壩設定的降雨量預警閾值見表1。

表1 降雨量預警閾值

當翻斗式自動雨量計采集到的1 h降雨量為18 mm時，用18 mm與1 h降雨量預警閾值作差，得數大于0的有藍色預警(18-7=11)、黃色預警(18-15=3)，因3<11，所以預警系統觸發降雨量黃色預警。 由此可見，利用單變量預警模型預警簡便快速，基本滿足預警需求。在采用單變量預警模型時，除需通過模型做出判斷外，還需依靠經驗豐富的工作人員，憑借其對壩體、壩周環境及當地氣候特征的熟悉度，再結合當時的氣象預報等信息，綜合地對淤地壩安全運行狀態進行研判。

2.2 多變量水位預警模型

2.2.1 多變量水位預警模型構成要素

水位是影響淤地壩安全運行的決定性因素，而影響淤地壩水位的因素主要有降雨量、上游來水量、泄水量等。為了保證淤地壩的安全運行，提高預警精準度，應采用多變量水位預警模型。多變量水位預警模型是根據采集的數據，把降雨量、上游來水量、泄水量三大因素可能造成的影響結合起來，不僅可預測未來不同歷時的水位值，還可繪制未來水位庫容曲線，并依據采集到的數據進行動態調整，真正意義上實現自動化預測和預警。多變量水位預警模型由以下四個要素組合構成。

(1)降雨量。持續降雨和短歷時強降雨對淤地壩水位有較大的影響，所以降雨量也是多變量水位預警模型中的一項要素。依據采集到的瞬時降雨量和歷時降雨量，根據有效集雨面積可計算歷時徑流量，測算不同歷時徑流量對淤地壩水位的影響程度。

(2)上游來水量。對有上下游關系的淤地壩來說，上游來水量對淤地壩的水位有重要的影響，因此多變量水位預警模型中還需考慮上游來水量。上游來水量包括上游壩的泄水量和上游河道來水量。上游淤地壩的安全運行程度也是影響下游淤地壩安全運行的重要因素，當上游壩體達到潰壩風險時，下游壩體應進入聯動變化預警狀態[4]，可通過多變量水位預警模型計算出影響時間，為下游淤地壩安全防御提供準備時間。

(3)泄水量。泄水量作為影響淤地壩水位變化的要素之一，在多變量水位預警模型中不可缺失。依據采集到的瞬時泄水量，可測算不同歷時泄水量，評估當前泄水量對淤地壩水位的影響。

(4)水位庫容關系。水位庫容關系反應水庫水位和庫容的對應關系，當水庫水位為某限值時，庫容對應為某特征庫容，如正常蓄水位與興利庫容、死水位與死庫容、防洪高水位與防洪庫容等。影響淤地壩庫容變化的有降雨量、來水量、泄水量等，獲取這些水量數據后，通過水位庫容關系換算為水位數據，與預設的水位預警閾值進行對比，同時還可繪制水位庫容曲線，預測水位、庫容未來變化過程。另外，淤地壩水位庫容曲線可通過遙感影像測量，對比淤地壩設計的水位庫容曲線和淤地壩歷史降雨量與水位關系校核其準確度后，可作為實測數據，保存預警系統中。

2.2.2 建立多變量水位預警模型

統籌考慮水位庫容關系、上游來水量、降雨量、泄水量等因素建立的多變量水位預警模型可以預測水位變化過程，同時繪制水位庫容曲線，真正意義上對淤地壩的安全運行做到及時、全面、準確的預警、預判。多變量水位預警模型公式為

Z預≥N水位

(2)

Z預=Z現+a(Q徑+Q上-Q泄)

(3)

式中：Z預為預測水位,m；N水位為水位預警閾值,m；Z現為當前水位,m；a為水位庫容關系系數,m/m3，是由淤地壩設計的水位庫容曲線擬合，經不同淤積情況下校核，輔以歷史實測數據驗算后確定的；Q徑為歷時徑流量,m3；Q上為上游來水量，m3；Q泄為歷時泄水量，m3。

將得到的預測水位與水位預警閾值作差，按照預警級別排序，觸發得數大于等于0且數值最小的預警閾值對應的預警級別，同時給出預測歷時信息。

2.3 預警模型對比

多變量水位預警模型的優點是：考慮的要素全面，預測預警結果綜合性強、精確性高，適用于壩周環境復雜、有上游來水情況的大型和部分中型淤地壩的自動化監測。缺點是：水位庫容關系的準確度要求較高，壩體受淤積或變形等因素影響時，水位庫容曲線需多次測量和校核，如果擬合關系超出誤差范圍，則對預測結果的準確性影響較大。

單變量預警模型的優點是：簡便快捷，適用于環境簡單、沒有上游來水情況的小型和部分中型淤地壩的自動化監測。缺點是：對工作經驗不豐富、周邊環境不熟悉的工作人員，或在極端特殊情況下，無法綜合準確地判斷壩體運行狀態。

3 結 語

為保證淤地壩自動化監測預警系統正常、高效、安全地運行，在采集設備安裝前應考慮監測點的征地、遮擋、信號、供電、地質、季節等外部因素，還應考慮安裝后設備檢修和校核的難度，降低運維人工成本。攝像頭、水位計、流量計、水尺等采集和觀測設備在汛前、特大汛情、汛后等特殊節點需進行精度校核，以確保監測數據的準確性。