烟台市门楼水库信息化系统建设研究

(1.山东省烟台市福山区门楼水库管理处，山东 烟台 265507； 2.江苏科兴项目管理有限公司，江苏 南京 210029)

1 工程概况

门楼水库位于山东省烟台市境内的大沽夹河西支流内夹河(又名清洋河)下游，下距福山区约11km，距河道入海口21.7km，控制流域面积1079km2，总库容2.44亿m3，兴利库容1.26亿m3，死库容0.1亿m3，是一座兼有防洪、供水、灌溉、养鱼等综合功能的大(2)型水库[1]。

水库修建于20世纪50年代末至60年代初，2009—2011年进行了除险加固，工程等别为Ⅱ等，主要建筑物级别为2级。水库设计洪水标准为100年一遇，校核洪水标准为10000年一遇。正常蓄水位30.68m，设计洪水位31.48m，校核洪水位34.99m，死水位20.50m。

枢纽工程主要由主坝、副坝、溢洪道、放水洞等建筑物组成。主坝为黏土心墙砂壳坝，坝顶总长1440m，宽10.5～13.1m，最大坝高23.2m，坝顶高程37.10m，防浪墙顶高程38.25m。共有4座副坝，分别为溢洪道北副坝、幸福渠副坝、东副坝、西副坝，总长879m,最大坝高17.3m。溢洪道位于主坝西北端，于2009—2011年除险加固新建，为12孔10m×6m平板钢闸门，堰顶高程25.38m，总净宽120m，由铺盖、闸室、泄槽、挑流鼻坎和尾水渠组成。共有2条放水洞，其中东放水洞为内径2.5m的钢筋混凝土管，最大泄量37.8m3/s；西放水洞为钢筋混凝土衬砌隧洞，最大泄量21.3m3/s。

2 管理系统现状及存在的问题

当前水库建有水情测报、大坝安全监测与视频监视系统，这些系统在确保工程安全运行、提高水库运行管理水平等方面发挥了巨大作用，但因运行时间长、管理体制不顺、投资限制等原因，当前存在较多问题，水库现有管理系统情况及存在的主要问题如下。

2.1 水情测报系统

水库流域内先后建成13个雨量遥测站，分别为庵里、臧家庄、大庄头、门楼、庙后、罗各庄、邓各庄、百佛园、河东村、金山店子、任留、邹家、引家夼。其中门楼站同时观测库水位，臧家庄站同时观测河道流量。水情测报主要采用原5个主要遥测站的点雨量换算成面雨量，5个主要遥测站及权重分别为门楼(11.3%)、庙后(20.7%)、臧家庄(32.6%)、庵里(27.6%)、大庄头(7.8%)。当前系统存在的主要问题有如下：

a.现有13个雨量测站未重新划分权重，此外，流域多年地形变化导致产、汇流速度发生变化，致使水情预报不准确。

b.测报设备因未与水库共享(水库只有使用部分遥测站数据的权限)，常因某处设备故障不能及时维修，导致水情信息不能及时收集。

c.预报方法为降雨径流经验相关图法(P+Pa-R相关图法)，预报精度较低，不能满足规范要求。

2.2 大坝安全监测系统

大坝安全监测系统建成于2011年，设置的监测项目主要有环境量、表面变形与渗流，其中环境量监测包括上游水位、下游水位、坝址降雨量、气温、气压监测；表面变形监测包括主坝和幸福渠副坝的水平位移和垂直位移监测，以及其他副坝和溢洪道的垂直位移监测；渗流监测包括主、副坝坝基与坝体渗流压力监测，溢洪道闸基扬压力监测。环境量与渗流实现自动化监测，表面变形采用人工方式监测。当前系统存在的主要问题如下：

a.因施工等原因导致部分测点损坏或故障，特别是关键部位测点如主坝渗流测点Mj11、主坝变形基点G右- 4、S4-1、G左- 4、J左- 4等。

b.当前变形监测由水库相关人员采用全站仪、水准仪进行观测，因水库现有技术人员专业素质不能满足测量要求，导致监测数据可靠性差，变形观测亟需实现自动化。

c.系统运行超过8年，部分仪器与电子元器件已接近或达到使用寿命，相关仪器设备需进行更新。此外测压管也存在不同程度淤堵，灵敏度下降，需进行清洗或更换。

d.2011年水库除险加固后水位达到25.73m时，溢洪道下游两岸导墙均发现绕渗，此后对两岸进行了灌浆处理。2017年9月18日，库水位达到29.99m时溢洪道下游南岸导墙再次出现绕渗。因此，现有测点布置不全面，需在新出现险情部位增设监测设施。

2.3 视频监视系统

视频监视系统于2013年安装建设，共布置9个摄像头，分别位于东放水洞、西放水洞、办公楼大门入口、主坝东端、溢洪道交通桥、溢洪道1楼门厅、溢洪道3楼控制室、溢洪道机架桥、防汛仓库等处，根据监视需要配备了球型和枪型摄像机两种监控设备。当前系统存在的问题如下：

a.监控点布置不合理，总体数量偏少，存在较多监控盲区且部分关键部位未能实现监控，如长1440m的主坝仅设置1个监控点，副坝未实现监控。

b.视频系统技术落后，成像模糊，分辨率不足。加之设备存在老化现象，虽经多次维修保养，但仍有个别摄像机失灵和线路老化导致画面失真。

3 信息化系统建设总体设计

水库现有管理系统不仅问题较多而且不全面，已不能满足水库现代化管理需求。根据《加快推进新时代水利现代化的指导意见》《土石坝安全监测技术规范》《水文自动测报系统技术规范》《水文情报预报规范》[2- 4]等文件与技术规范要求，门楼水库信息化系统应包括水情测报、洪水预报与调度、智能巡检、安全监测、视频监视、闸门监控、安全分析与预警、信息发布等子系统[5-6]。

水库信息化系统由基础设施层、采集汇集层、数据层、应用支撑层和应用层组成，系统框架见图1。

图1 系统框架

a.基础设施层。为系统运行提供部署、运行以及信息展示的条件，包括机房、服务器、工作站、路由器、防火墙、交换机、大屏显示、会议系统等。

b.采集汇集层。包括水情测报、智能巡检、安全监测、视频监视、数据汇集系统。其中数据汇集系统将水情、巡检、安全监测信息汇集至综合数据库。

c.数据层。采用数据库存储水情、洪水预报与调度、巡检、安全监测、视频图像、闸门运行等信息。

d.应用支撑层。为应用层提供必要的支撑，包括J2EE应用服务器、图表工具、用户管理、用户身份认证和数据服务。J2EE应用服务器提供Web应用，图表工具为应用系统提供绘图引擎，用户管理为应用系统提供统一用户管理，用户身份认证为应用系统提供统一用户身份认证，数据服务为数据汇集系统、移动APP和其他业务系统提供数据。

e.应用层。包括洪水预报与调度、安全分析与预警、信息发布子系统。

4 信息化系统主要功能

4.1 水情测报子系统

水情测报子系统主要功能应包括数据采集及处理、系统监测及报警、数据管理等。

a.数据采集及处理。能够准确及时地采集和传输水文信息，主要有定时采集与实时采集两种形式。具有定时自报功能，中心站能实时接收有关数据，并对数据进行合理性检查和纠错处理，自动对接收到的数据进行分类、存入数据库。

b.系统监测及报警。具有水文要素越限监测及报警，设备故障监测、报警及诊断，设备电源电压异常监测及报警功能。

c.数据管理。可通过人机对话的方式方便地对数据进行查询、检索及编辑，可灵活显示、绘制和打印水文信息图表，对数据库进行维护管理。

4.2 洪水预报与调度子系统

洪水预报与调度子系统主要包括洪水预报与洪水调度两部分。

洪水预报应主要实现以下功能：

a.人工干预交互预报。分为降雨径流预报、重报补报、假想预报、人机交互预报。

b.自动预报。按预先设置的作业预报时间，自动调用上一次预报结果，进行滚动预报。

c.预报参数设置。洪水预报涉及到许多参数、数据，这些均需进行初始化，并需在运行过程中进行优化。

d.预报结果显示。可查询、显示、打印单张图表或组合多张相关图表，以便决策者分析利用。

洪水调度应主要实现补偿调度、洪前预泄调度、洪尾拦蓄调度、调度方案制定等功能：

a.补偿调度。当水库距防洪控制点有一定距离、下游区间洪水又较大时，水库应该根据水文气象预报信息，采用补偿调节方式来进行防洪调度。

b.洪前预泄调度。在保证水库安全的前提下，有效利用水资源，在预报入库流量较大时，可预先加大下泄流量，进行洪前预泄，使水库水位低于汛限水位，预腾出一部分库容，以便更多地拦蓄洪水、削减洪峰。

c.洪尾拦蓄调度。根据水文气象预报信息，在汛期结束前适时拦蓄洪尾，可以有效缓解防洪与兴利的矛盾，充分发挥水库的最大综合效益。

d.调度方案制定。依据防洪调度规则和专家经验，以有效运用防洪工程、减少洪灾损失为目标，提出一个或者多个调度方案，并对会商中提出的各种调度设想进行分析论证，反复率定水库工程运用参数，并对各种非确定性因素进行分析判断，提出新的调度方案。

4.3 智能巡检子系统

智能巡检子系统应主要包括巡检任务制定、任务执行、任务报告、缺陷管理与巡检统计功能。

a.巡检任务制定。管理员在系统中录入并指派巡检任务计划，巡检人员通过移动终端设备可接收或查询被分派的任务。移动终端设备接收到制定好的任务时，提醒巡检人员查看该任务。

b.巡检任务执行。巡检人员在持有移动终端设备巡检时，移动终端设备通过GPS定位记录巡检路线，并通过WIFI或移动网络将巡检情况上传到智能巡检主机。

c.巡检任务报告。巡检人员在巡检过程中遇到问题时，通过移动终端设备记录问题，并上传到智能巡检主机。当一次巡检任务完成时，智能生成巡检结果报告，重点记录巡检路线及巡检中遇到的问题。

d.缺陷管理。系统在上报数据库的同时，会将附带的缺陷位置、照片、声音等信息一起传送至系统后台。对枢纽工程巡视检查发现的异常现象通过颜色标识进行示警。对巡检发现的问题按照隐患类别(渗流、变形、裂缝、管理措施等)进行分析诊断。

e.巡检统计。巡检统计包括巡检执行情况统计、巡检部位统计、缺陷统计、巡检工作量统计、巡检报告生成等。能按照不同的分类快速将巡检情况进行分类统计，使各级分管领导和管理者可以较全面地掌握水库巡检情况。

4.4 安全监测子系统

安全监测子系统应主要包括数据采集与监测资料整编分析两部分。

数据采集部分应主要实现操作记录、巡回测量、定时测量等功能。

a.操作记录。显示计算机对数据采集单元进行操作的记录，包括操作时间、操作情况等信息。

b.巡回测量。测量一个或多个测站的所有测点，计算出工程物理量，保存监测数据至数据库，能对异常数据进行报警。

c.定时测量。可以设置数据采集单元定时测量时间，取定时测量数据，保存监测数据至数据库，能对异常数据进行报警。

监测资料整编分析主要用于管理监测数据，应主要实现数据维护、报表打印、图形绘制等功能。

a.数据维护。包括考证资料查询、添加、修改、删除，监测资料查询、修改，监测资料添加、删除，异常数据处理，数据备份与恢复。

b.报表打印。报表包括测点考证表、日报表、月报表、年报表等4类。其中月报表、年报表可自动生成各月和全年统计特征值。

c.图形绘制。图形绘制将根据规范绘制有关图形，图形种类有过程线、浸润线、相关线、分布图、等值线等。在绘制图形时，需提供监测数据显示。

4.5 视频监视子系统

视频监视子系统应具有多路显示、聚焦显示、循环显示、录像与回放功能。

a.多路显示。具有在同一客户终端上同时监视多路前端图像的功能，点击某一路图像时可放大实时监控。

b.聚焦显示。可将单画面、四画面、九画面、十六画面全屏放大显示，单画面全屏时，可通过鼠标移动和左右键控制云台转动和摄像机变焦。

c.循环显示。可将一个工作组内的所有监控现场在特定的时间间隔内，按顺序轮流切换，画面间隔时间可任意调节。

d.录像与回放。用户可根据需要计划录像、报警录像和手动录像，可以根据不同的查询条件如日期、监控地点和报警类型检索录像记录并播放。

4.6 闸门监控子系统

闸门监控子系统应实现以下主要功能：

a.现地控制站能够自动采集闸前水位、电机参数、闸位等信息，并实时传送至水库监控中心站。

b.现地控制站、水库监控中心站能够对现场闸门进行控制，控制方式有自动控制和手动控制两种。对操作方式和控制权限进行锁定，确保同一时间只有一个控制中心进行操作。

c.能够根据闸前水位、闸位按水力学公式或经验公式，实时计算过闸流量。

d.现地控制站和水库监控中心站具有语音报警功能，当启闭设备出现异常情况，将立即报警。

e.能够查询对电机参数、闸前水位、闸位、流量、操作记录，并能绘制过程线、打印报表。

4.7 安全分析与预警子系统

安全分析与预警子系统主要由安全分析和安全预警两部分组成。

安全分析部分主要实现巡查分析、变形分析、渗流分析、综合分析等功能。

a.巡查分析。结合智能巡检结果，按建筑物、部位等，逐级分类、分项生成安全巡查分析结论，并提供修改和保存功能。

b.变形分析。利用监测系列资料，建立位移与时间、水位等因子优化统计模型，预测不同时期不同水位下大坝变形量。根据大坝沉降速率判断沉降发展趋势，根据沉降率判别是否存在裂缝的可能性。利用测点横向水平位移计算拉应变，判断坝体是否存在纵向裂缝。

c.渗流分析。利用监测系列资料，建立渗流变量与时间、水位等因子优化统计模型。绘制特定时刻典型断面(纵、横断面)的浸润线，并与设计浸润线比较，判别渗流安全状态。计算各区域各土层的渗透坡降，分析渗流稳定性。

d.综合分析。综合巡查、变形、渗流的分析成果和结论，按照《水库大坝安全评价导则》[7]的规定，通过对监测资料进行比较、作图、特征值统计、数据模型分析等，对大坝安全性态进行评估。

安全预警部分主要实现预警指标设置、实时预警、预警信息管理等功能。

a.预警指标设置。需根据大坝结构、地质条件及运行环境特点等，基于工程设计、施工和运行资料综合分析成果，确定重点关注部位，并选定变形、渗流等合适的安全预警项目，确定预警指标。预警指标确定方法主要有经典小概率法、置信区间法等[8]。预警指标设置功能包括添加、修改、删除预警指标。

b.实时预警。根据预警指标，对实测信息进行分析，出现异常或超限数据时实时报警。

c.预警信息管理。根据预警指标、预警任务周期、监测数据等自动生成预警并在预警信息管理页上显示。

4.8 信息发布子系统

信息发布子系统主要为管理人员提供工程安全相关信息，管理人员可通过远程访问门楼水库综合信息服务系统网站或登录APP，实时查询并显示历史与实时水情、巡检、安全监测、视频监视、闸门监控等各业务子系统的关键信息。此外，查询功能将针对不同权限管理者，提供不同的查询界面，以及显示不同深度和广度的数据信息。

5 结 语

管理信息化系统是指导水库运行管理的重要非工程措施，是确保工程安全运行、充分发挥水库效益的重要保障，因此，开发建设门楼水库管理信息化系统意义重大。系统可根据投资情况分期建设，建设过程中应预留相关子系统接口，便于后期升级与改造。此外，应注重培训与专业人才队伍建设，并落实相关运行维护经费，确保系统能长效稳定运行，真正发挥其应有作用。