安全監測系統在水利工程運行中的應用

馬合木提·阿木提

（新疆維吾爾自治區塔里木河流域和田管理局，新疆 和田 848000）

1 工程概況及安全監測系統構成

某水庫由一座主壩、四座副壩、泄洪閘、壩后電站等水工建筑物構成，是一個具備汛期防洪、農田灌溉、發電等功能的綜合水利樞紐工程。

1.1 測控網絡

水利工程安全監測系統是具備水情和水庫安全信息采集、整理、分析、評價為一體的綜合性系統，總體由分布式測控網絡、局域網、遠程互聯網等構成系統通信網絡，將現場監控層和管理層連為一體，形成完整的監測系統。

測控網絡采用分布式設計，在每座大壩布設一臺現場終端，通過RS485 現場總線與ADAM4520 采集模塊連接，通過終端微機收集和處理采集數據，形成分布式采集終端；現場終端通過無線網絡與監控中心的計算機通信，形成分布式監控網絡；監控中心對終端數據進行收集、分析；滲流是衡量水庫安全的重要指標，應根據地質、水文勘測資料，在各壩體布設浸潤線、滲流量監測裝置；為監測大壩水平、豎直位移情況，應合理布設壩體水平、垂直位移監測斷面和監測基準點；

1.2 計算機局域網

監控中心服務器、測控網絡上位機、水情監測計算機等工作站，通過計算機局域網通信連接。系統局域網內各計算機、工作站均應安裝配套軟件，執行信息管理、水情監控、大壩安全監測、水資源調度管理等任務。

1.3 遠程互聯網

局域網服務器上采用ASP（ActiveServerPages）技術建立系統網頁，外部管理人員可通過互聯網訪問系統服務器，了解工程水情、雨情、大壩安全監測分析等信息，發布水資源調度任務。

2 安全監測系統數字化管理基本構架

2.1 數字化安全監測管理平臺

當前水利工程數字化管理程度嚴重不足，為提升數字化管理水平，亟須結合水庫工程安全監測管理特點、作業事項管理特點等，構建完善的數字化安全監測管理平臺，為工程巡查管理標準化、安全監測數字化、閘門操作流程化管理提供平臺支撐。

對有時間要求的安全檢查、巡檢、鑒定、監測等任務，在平臺上建立完善的自動化監督體系，做到事前提醒、事中記錄、事后存檔；建立健全的數據庫系統，做好數據分類及關聯管理。數據庫數據管理見圖1。

圖1 數據分類及數據關聯圖

2.2 安全監測系統數字化管理基本構架

應用層：采用B/S 結構，無須安裝相應軟件，通過Web 網頁，即可與數據庫交互，實現系統信息查詢、業務管理、信息發布等功能；同時，B/S結構具有兼容性強、維護成本低、可拓展性強等優勢。

支撐層：通過軟件為系統提供地圖、短信、語音等服務，同時為應用層和數據層數據傳輸提供安全保障。

數據層：主要包括數據庫系統和各應用數據庫，對系統、應用數據進行分類、存儲、調用等。

硬件與網絡層：包括服務器、工作站等硬件設備，此外，還包含網絡安全設備，如防火墻、網關等，硬件為系統運行提供硬件支撐，網絡層為數據層和采集層數據通信提供安全支撐。

采集層：主要采用C/S結構，以服務應用程序類型，在后臺自動運行水情數據等進行安全監測，并對數據進行預處理，將經預處理的數據，以統一格式傳輸至數據層；系統架構見圖2。

圖2 系統架構圖

3 主要功能與關鍵技術

3.1 水雨情監測與預報

水情監測是水庫安全監測的關鍵內容，可為水庫安全運營、水資源調度管理、水情預警提供有效支撐。本文所依托水庫工程，在庫區監理4 個水位監測站，可完成實時水情監控。

監控中心上位計算機，實時采集水、雨情監測信息，并將采集記錄、水雨情信息寫入數據庫。在線監控系統，可根據雨量、水庫水位監測數據，發布水情、雨情、洪汛評估、預警信息。

3.2 防洪安全監控優化調度

依托當前先進計算機技術、信息處理技術、智能技術等，建立基于蓄滿產流模型和等流時線匯流模型的智能洪水預測模型，結合在線安全監控系統收集的水、雨情監測數據，及歷年水情、雨情、汛情數據，精準預測和評估洪汛信息。

該系統可根據水、雨情監測信息，提供洪汛預測、預警，為水庫防洪、水資源調度管理提供信息支撐；此外，可根據洪汛預警信息和實時水情，形成防洪調度預案，為防洪調度決策提供支持；在水庫水位接近警戒值時，實時監測系統會向指揮中心發出警報信號，并向安全監控專家系統提供水、雨、工情信息，系統可根據當前水、雨、工情，從模型庫中調取適合貼合當前情況的調洪分析模型，進行調洪模擬分析；決策者根據洪汛信息、調洪模擬分析、水庫安全評估情況，選擇符合當前工情的調度方案，做好防洪調度和水資源利用。

3.3 大壩安全監控

依托水庫工程，將壩體滲流監測和壩體變形監測作為安全監測的主要內容。滲流現象是造成大壩結構失穩的重要因素，本工程以浸潤線和滲流量作為主要監控指標。安全監測系統的滲流模型，可根據滲流量、浸潤線監測數據，評估滲流形態，對大壩抗滲抗滑穩定性分析、滲流水利坡度分析、滲流破壞分析等分析，評估大壩安全性能；因地質災害、洪汛災害、滲流破壞等原因造成的大壩異常位移，是壩體結構失穩發生潰壩的先兆，本工程在主壩及各副壩壩頂和背水坡，設立了多個位移監測斷面和監測點；大壩安全監控系統與在線安全監控系統聯機運行，對壩體移位、滲流情況進行實時監測，并根據監測數據，定時給出壩體安全評估報告；對監測到的異常滲流、異常位移立即報警，并啟動動態監控模型。

3.4 水安全水資源聯合優化調度

水資源的安全、可持續利用是水利工程建設的根本目的，水安全水資源聯合優化調度，可在保證上下游安全的基礎上，提高水資源利用率，最大化提升水利工程的社會和經濟效益。

對類似本工程的具有防汛、蓄洪、發電、灌溉等功能的中型可調節水庫，水資源聯合優化調度主要內容有：一是汛期做好預防性防洪調度；二是旱季做好灌溉用水調度；三是協調防汛、蓄洪、灌溉和發電調度，調整和優化用水結構，消除水害，提升水資源利用率；在保證防汛抗洪預防要求、滿足灌溉用水要求等社會效益的前提下，優化經濟效益目標，提升水庫發電效益。

水安全水資源聯合優化調度要點如下：根據水庫庫容、上下游雨汛季節分布，合理調整最佳防洪庫容，確保防洪調度可靠性；根據歷年下游灌溉用水情況，當年雨汛情況，合理分析和預測下游灌溉用水需求，形成合理的灌溉用水調度；根據系統收集的水、雨、季節氣候因素，預測洪汛情況，結合工程泄洪能力、防洪標準等，制定可靠的防洪調度預案；做好往年來水、蓄水、灌溉用水調度記錄，分析歷年來水、蓄水、灌溉用水關系，結合當年監測情況，制定合理的汛期蓄洪調度方案和灌溉用水調度方案；結合往年來水、蓄水、灌溉用水數據，量化調度模型約束條件，并根據歷年數據做好持續優化，提升調度模型分析效果；根據實際水、雨、工情，適時調整和優化調度方案，獲得最佳效益。

3.5 預警與實時決策支持

建立完善大壩安全預警與實時決策支持體系，可極大地提升水利工程突發性災害應對能力，為此，該工程建立了遙測、分析、評估、預警、安全調控支持一體化的完整預警與實時決策支持體系。

該體系反應過程以事件為驅動，依托專家系統和智能信息，對當前防洪調度和大壩安全進行分析、評估，為防汛抗洪調度和大壩運營安全調控提供決策支持。系統通過分析和解釋監測信息，給出當前水庫、大壩安全評判，對可能風險進行預估和預警，給出兼顧防災與興利的決策支持。

4 結論

建立完善的水庫安全監測系統，可為水庫汛期防洪調度、下游旱季灌溉用水調度、發電調度提供有力支持，提高水庫防洪能力，消除水害，充分發揮水庫社會和經濟效益；此水庫安全監測系統，是具備水庫安全監測、水庫水資源調度管理決策支持、水庫大壩安全調控決策支持為一體的監測系統，能夠根據實時監測信息，對當前防洪風險、大壩安全風險進行評估、預警，為防洪調度、大壩運營安全調控提供決策支持；該系統在本水庫工程投入使用后，解決了傳統安全監測系統的不足，實現了自動化安全監測和調度管理，顯著優化了本水庫防洪、用水、發電調度，提高了水庫調度管理質量和效率；同時，極大增強了本水庫大壩安全監測和風險評估能力，為本工程大壩修整、滲漏治理等提供了有力決策，有效防范了大壩安全風險。