智慧水庫綜合平臺建設研究
——以萌山水庫為例

王揚 張珂

(1.山東科技大學山東省土木工程防災減災重點實驗室，山東 青島 266590；2.淄博市萌山水庫管理中心，山東 淄博 255318)

0 引言

水庫作為國民經濟和社會生產的重要基礎設施，具有較高的社會價值和公益價值。由于水庫的地理位置一般較為偏遠，人們對水庫的安全管理重視程度不高。特別是一些中小型水庫，由于缺乏足夠的政策和資金支持，在安全管理和信息化系統建設方面存在短板。目前，國內的部分中小型水庫僅建立了自動水位監測、雨情監測、視頻監控等基本的信息化系統，在安全管理中存在較大隱患。基于此，本文以萌山水庫為例，闡述智慧水庫綜合平臺的主要功能和應用效果，旨在提升水庫安全管理水平。

1 萌山水庫概況

萌山水庫位于山東省淄博市文昌湖省級旅游度假區，控制流域面積288km2，總庫容9993萬m3，興利庫容5840萬m3，是一座以水生態、水景觀、水安全為主，集防洪、灌溉、生態供水于一體的全國重點中型水庫，在推動和保障區域經濟發展方面發揮著巨大作用。

2015年，萌山水庫開始實施水庫信息化開發建設，取得了一定成效，仍存在管理人員思想重視程度不足、信息化建設進度緩慢、信息系統缺乏針對性、數據分析功能不足、數據無法共享和兼容等問題，影響了水庫的運行和管護。因此，急需完善萌山水庫信息化系統，進一步提升水庫安全管理水平，切實提高水庫的運行管護能力。

2 基于層次分析法的萌山水庫安全管理影響因素分析

2.1 建立綜合評價指標體系

以《水庫大壩安全評價導則》(SL258—2017)為依據，結合水庫特點及專家意見，采用層次分析法分析萌山水庫安全管理影響因素，建立萌山水庫安全管理綜合評價指標體系，主要包括目標層A(萌山水庫安全管理綜合評價)、準則層B(萌山水庫安全管理一級影響因素，共7個指標)、方案層C(萌山水庫安全管理二級影響因素，共24個指標)，如圖1所示。

圖1 萌山水庫安全管理綜合評價指標體系

2.2 確定各影響因素權重

邀請相關專家對各因素進行兩兩比較，根據各因素的相互重要程度構建判斷矩陣。運用線性代數計算方法，計算各判斷矩陣的權重向量W和最大特征值λmax，其中，W=(w1，w2，…，wn)T。經過層次單排序，計算判斷矩陣中各因素的相對權重，并進行一致性檢驗。

以準則層B中各因素對目標層A為例，建立判斷矩陣見表1。

表1 權重判斷矩陣A-B

由表1可知，CR=0.037<0.1，說明通過一致性檢驗。同理，計算方案層C中各因素對準則層B中各因素的權重。經層次總排序計算并進行一致性檢驗后，得到各影響因素權重，如圖2所示。

圖2 萌山水庫安全管理綜合評價指標體系各指標權重

由圖2可知，大壩壩體變形監測預警水平C51、大壩壩體穩定監測預警水平C52、大壩壩基滲流檢測預警水平C41、大壩壩體滲流檢測預警水平C41的權重較高，在建設信息系統平臺時應給予高度重視。

3 智慧水庫綜合平臺建設內容

3.1 建立大壩安全自動監測信息管理系統

智慧水庫綜合平臺建設的重要任務是建立大壩安全運行信息監測管理系統。該系統根據國家和行業相關要求，結合萌山水庫安全自動監測現狀，利用三維可視化建模技術、信息智能測控、傳感器物理感知、物聯網、GIS地理信息、大數據、云平臺等信息技術對水文、變位、滲流、水質等數據進行實時監測。

3.2 建立大壩表面變位監測系統和溢洪閘變位監測系統

目前，萌山水庫壩體表面位移觀測、溢洪閘位移觀測主要采用人工觀測方式，平均每半年監測1次，觀測頻次較低，無法對水庫變形趨勢做出預判。為解決上述問題，綜合考慮萌山水庫的運行環境、實際需求及建設成本，最終選擇GNSS 監測系統對大壩、溢洪閘的垂直位移和水平位移進行自動化監測。監測數據可自動上傳至大壩安全監測管理系統，并針對水庫關鍵部位增加預警頻次。同時，為滿足監測數據的準確性要求，繼續實施人工觀測，通過對兩種監測方式采集的數據進行綜合分析，提高壩體表面位移的測量精度。

3.3 升級改造大壩滲流監測系統

通過實地勘察可知，萌山水庫大壩原有的滲流觀測設施存在設備老化、淤積嚴重等問題，已經無法采集準確、有效的數據。因此，急需對水庫大壩滲流觀測設施進行升級改造。通過安裝智能滲壓遙測儀，實時智能感知壩體和壩基內水面位置并跟蹤水面變化，實現測壓管水位數據的自動監測及數據采集傳輸。

3.4 建立放水洞綜合監測系統

由于萌山水庫放水洞的放水流量、滲流量、振動等關鍵參數無法實現自動實時監測，放水洞安全管理存在隱患。經過多方比對，最終選擇配置插入式超聲波流量計對放水洞供水涵管的過水流量進行監測，同時可滿足有壓流狀態和無壓流流態的流量測量要求。

4 智慧水庫綜合平臺建設成效

智慧水庫綜合平臺建設遵循“科學先進、功能完善、滿足需求、分步推進”的原則，搭建了技術先進、功能整合的系統框架；充分利用水庫安全運行綜合監測分析管理系統，對水庫的安全信息進行全面采集和深度分析，為水庫大壩的結構形態和安全狀況提供了準確評價。

4.1 實現數據的實時采集和安全預警

智慧水庫綜合平臺建成后，在水文監測、變形監測、滲流監測等方面保證了觀測數據的實時性、完整性和準確性，彌補了人工觀測存在的不足；在資料整編方面，實現了數據存儲的便捷性和可操作性。通過實時監測大壩、溢洪閘、放水洞等重點部位的安全狀態，管理人員能夠及時處理突發問題，做到“早發現、早預警、早處置”，消除了安全管理隱患。

4.2 提升水庫智能感知能力

萌山水庫的信息化系統包括水情測報系統、大壩變位監測系統、溢洪閘變位監測系統、地表水自動檢測系統、溢洪閘門自動化控制系統、視頻監控系統等，具體分析如下：

(1)水情測報系統。通過對水庫水位、入庫流量進行實時監測，對流域范圍內的雨情進行實時測算，為水庫預報調度和日常管理提供基礎數據。

(2)大壩變位監測系統和溢洪閘變位監測系統。在遠程變位監測分析終端實時監測垂直和水平變化量；通過滲壓監測設備實時監測壩體、壩基測壓管內的水位變化情況；自動實時監測對放水洞內流量、滲流量及振動等關鍵參數。通過對水庫大壩、溢洪閘、放水洞等重點部位的變位、滲流等數據進行自動采集、整理、分析、預警，為水庫穩定運行提供安全保障。

(3)地表水自動檢測系統。能夠自動采集水庫水質中的氨氮、硫酸根等重要監測指標，為及時掌握水質變化及供水安全提供數據支撐。

(4)溢洪閘門自動化控制系統。能夠方便、快捷地對閘門進行啟閉控制，實現對閘門啟閉狀態、機電設備運行情況、開度情況及上級調度指令的準確管控，確保水庫在應急情況下能夠快速啟閉閘門，保障大壩安全。

(5)視頻監控系統。能夠全方位掌握監控區域的整體情況及局部情況，重點監測各子系統運行情況及重點部位的安防情況，便于管理人員及時查找問題，保障管理區域安全。

4.3 實現數據共享

通過將各子系統整合至水庫安全運行綜合監測分析管理系統，實現了各子系統之間的數據共享，減少了因人工計算、操作失誤等造成的誤差。同時，為了更加方便、直觀地查看各子系統監測數據的變化過程及實時狀態，增加了手機端和APP端遠程登錄、遠程訪問、遠程管理、遠程維護等功能，提升了水庫安全管理信息化水平。

5 結語

本文結合萌山水庫運行現狀，運用層次分析法分析萌山水庫安全管理的影響因素，并根據各因素重要性進行排序，進一步優化和完善了萌山水庫信息化系統，有效提升了水庫安全管理能力，可為其他水庫安全管理和信息系統改造提供參考。