小型水库群安全风险感知及预警平台研究

2021-01-04章丽娟杨浩东

水利信息化 2020年6期

章丽娟，杨浩东，何淇

（1. 水利部南京水利水文自动化研究所，江苏南京 210012；2. 河海大学水利水电学院，江苏南京 210098）

0 引言

我国现有小型水库 9.8 万余座，其中绝大多数为小型水库。小型水库在灌溉、供水、改善生态环境等方面发挥了巨大作用，效益显著，是水利基础设施的重要组成部分。但是小型水库多建于 20 世纪50—70 年代，工程标准低、质量较差，运行维修养护经费投入不足，管理待完善。据统计，我国小型水库平均病险比例高达 53.3%[1]，目前仍有数千座小型水库管护主体尚未落实，部分小型水库存在管理机构缺失、管护人员不到位等问题。随着经济和科技条件的改善，加大对小型水库安全管理的科技投入，利用传感器、数据库和网络技术构建小型水库群安全风险感知和预警平台已具备可行性。

张宗强[2]以某小型水电站系统改造为背景，设计并实现一个基于 J2EE 平台的大坝远程、实时监测系统。周召梅等[3]针对中小型水库土坝特点，在分析传统大坝安全监测系统局限性的基础上，在系统结构、传感器、数据采集模块、电源自动管理、远距离传送、软件系统几个方面进行了创新与改进，研发出一套适用于中小型水库土坝的安全自动监测及管理数字系统。韩哲[4]首先针对传统大坝监测系统的缺陷进行改进，从系统结构、传感器、数据采集模块、电源自动管理技术、远距离传送、软件系统几个方面对传统大坝安全监测系统进行创新与改进，开发出一套实用的“中小型水库土坝安全监测系统”。徐耀等[5]给出了一种简易水库大坝风险等级评估方法并在实际工程中加以应用。李丹[6]从洪水预报的角度出发，建立了水库预警平台，给出系统软件框架，并着重阐述了洪水预报功能的实现。王喆[7]主要以下游防洪预警为目标，从系统组成、设备数量、布置原则、预警联动等方面建立了水库下游预警系统，并在广西某水库得到应用，减轻了泄洪对下游的影响。程海云[8]总结了近年来洪水预报系统发展状况、技术难点、关键技术和工程应用，给出了洪水预报系统未来发展的建设性意见。金有杰等[9]在分析小型水库安全监管特点和要点的基础上，创造性地提出了小型水库安全分级监管模式，并充分利用现代信息技术构建了适用于小型水库的安全分级监管云平台，解决了小型水库安全监管的显存问题。何向阳等[10]针对我国水库点多面广量大存在的管理难题，运用云计算、物联网等技术，采用 IaaS，PaaS 和 SaaS 这 3 层结构，研究提出了一种基于云平台的水库大坝安全管理信息化解决方案，为我国区域性水库主管部门的信息化建设提供了借鉴。这些研究都是从管理模式上针对单一水库或小型水库进行研究，没有同小型水库的特点进行结合，更没有考虑充分利用多平台网络获取资源及建立定量预警方法。本研究将在分析小型水库群安全风险和特点的基础上，对小型水库群风险感知及预警平台进行研究。

1 安全风险特征及感知预警要求

1.1 失事实例

1954 年迄今全国溃坝 3 500 多座，其中绝大多数是小型水库。典型失事成因如下：

1）水文气象典型实例包括破冲口、英德尔和茶山坑等水库都是由于连降特大暴雨，降雨量超过设计标准从而导致漫顶等事故发生。

2）材料结构渗流典型实例包括石堡子混凝土面板堆石坝受坝体沉降变形影响，防浪墙整体变形严重，出现裂缝、分缝错位。

3）运行监管典型实例包括沟后、大河、七仙湖、李家咀水库溃坝等都是由于缺乏有效监测设施或反应不及时引起。

1.2 安全风险特征分析

通过失事工程实例分析不难发现，小型水库失事主要是因为对水库安全风险的认知不够全面深入，有些水库甚至缺乏最基本的风险感知措施，更谈不上预警平台了。同时由于小型水库往往存在数量多（1 个县甚至有 200 多座小型水库）、技术力量有限和经费投入不够等问题，因此单独针对 1 个小型水库建立全套的感知设施和平台不仅是资源浪费，投入上也不可能。因此充分利用小型水库分布相对集中、共性问题和面临的共同风险类似的特点建立小型水库群统一风险感知和预警平台是必要的也是符合实际的。

1.3 风险感知和平台建设要求

由于经费和技术力量有限，对所有小型水库建立统一标准，全面建成整套安全风险感知系统和预警平台不仅不现实，而且针对性不强，不能很好地起到指导水库运行调度和降低工程安全风险的目的。为此，有必要根据风险分析、分类和排序，实现水库群风险感知和平台建设的统一规划。

1.3.1 安全风险分析

每座水库由于其地理位置、水文地质条件、气候气象条件、下游发展等各不相同，因此失事模式、路径、后果各不相同，进行小型水库的安全风险分析，将有利于针对具体水库获得影响水库安全的敏感因素，从而针对性地设计水库安全风险感知网络。有些水库大坝结构和基础稳定，采用了开敞式泄洪设施，那么这些水库只需要设置水位雨量感知设施，无须进行大坝结构监测。

1.3.2 安全风险分类

根据可能引起水库安全失事的原因及其后果不同，将风险分成水文气象和地质、挡泄水结构及设备设施、运行监督管理 3 类风险。3 类风险源各有其特色，其感知网络与预警体系也存在明显的不同，如对于水文气象和地质风险可以充分利用或结合“暴雨风险图”“中国地震区划”“洪水风险图”“滑坡泥石流风险图”和“台风路径图”等已有研究成果进行等级划分、危险因素识别，从而采取相应的感知措施和预警方法。

1.3.3 安全风险排序

小型水库数量多，风险大小差异大，考虑到经费等限制，有必要在调查统计的基础上进行风险评估，既要考虑到整个水库失事的概率也要考虑到失事后的损失。根据风险大小进行排序分类，根据风险大小确定信息感知网络的投入，包括监测/检测项目、测点数量、仪器类型、冗余备份、软件配置等。

2 风险感知关键问题

2.1 感知要素

2.1.1 赋存环境

气候气象风险具有明显的地理区域特色，因此在全国各地其系统配置也应具有明显不同。

水文地质风险需要根据入库水量组成和路径、地质灾害形式等进行感知项目设置。

地震风险是高震区小型水库面临的重大安全风险，其采集项目包括自由场的加速度时程（包括幅值和相位）。

2.1.2 材料结构响应

监测部位和项目包括：大坝坝身和渗流状态、泄洪闸门变形，以及启闭设施可靠性参数、泄洪或行洪建筑物稳定、近坝库岸或者边坡稳定、坝下建筑物与坝体连接部位稳定和渗流等。由于各座水库具体情况不一样，设置上述项目和测点要根据工程风险和敏感度大小及其之间的关系进行。

针对不同类型的闸门其状态监测要素主要包括：闸门开启高度、荷重、限位、电流、电压、油位、油压、水位、各类信号状态、电源状态、视频、音频等。

2.1.3 运行监管

运行、管理和监督的水平，效率和效果是影响小型水库安全风险高低的重要因素，充分利用图像采集、数据上传、培训考核、现场督查、网上答题等手段和方法可以有效感知运行监管风险要素。运行监管风险感知的要素包括：1）法律、法规、标准和上级文件精神的熟悉，理解和执行到位情况；2）相关制度的针对性、可操作性和完备性；3）责任落实的具体性、明确性和匹配性；4）分工协作的协调性、完备性和可靠性；5）人员、设备、设施和经费的保障性；6）奖惩措施的有效性等。

2.2 感知方式

2.2.1 巡视检查及遥感

专业技术人员及无人机的巡查、空天遥感可以获取水库坝体，相关建筑物，库区边坡等大面积的安全信息。

2.2.2 视频及图像

充分利用可见光、红外光、微光等对坝体或枢纽关键部位的环境输入，结构响应及人为操作等实施有效监测。

2.2.3 仪器监测

仪器监测应根据工程敏感输入或响应确定，无需要像大中型水库一样面面俱到。为延长预报期，对于气象、台风、暴雨等信息可以充分利用气象等部门的前期预报信息，对于气温、水位、雨量等工程安全影响因素也可以充分利用相关部门的监测数据，避免不必要的重复建设。

2.2.4 状态检测

采用高密度电法、超声波等无损检测的方法对小型水库的坝体、混凝土结构、钢筋锈蚀情况和金属结构进行检测，可以有效获取工程隐患的重要信息，从而为实现工程安全动态预警提供依据。

2.3 感知网路

2.3.1 电源设计

网络电源供应方式一般可以采用市电、太阳能、蓄电池和低功耗自带锂电池，在具体设计中，将根据系统规模、通信方式、距离管理处远近、设备安全和当地市电、日照时间等情况确定。

2.3.2 通讯设计

根据系统情况，一般系统通讯包括 2 个层次，即现场信息感知网络和上一级双向通讯。现场通讯可以采用有线（电缆或光缆），GPRS，Lora，Zigbee等；上一层的通讯可以采用公网（GPRS，4G）、卫星、光纤等。为确保系统稳定性，在关键链路采用必要的备用措施。

2.3.3 数据采集软件

为实现多源信息融合，有效提升软件兼容性、可移植性和方便远程维护升级，数据采集平台软件可采用 .Net 框架平台开发，以 Microsoft Visual Studio 作为开发工具，Visual C ++ 为编程语言，该软件充分利用 .Net 平台在通讯、数据访问、分层等方面的技术特点，使之成为可伸缩、可扩展、维护方便、自动化程度高的全新系统。

为了系统后期运维方便，适应小型水库群现场技术力量不够的实际，实现“高内聚低耦合”，在软件体系架构设计中采用了 3 层结构模型[11]，包括数据访问层、业务逻辑层和表示层。软件提供异常情况下智能化应急感知机制，针对汛期暴雨、地震、高温、冰冻等多种极端状态，实现基于 UDP 协议的水库感知系统应急触发和响应方法。自动开辟应急条件下感知绿色通道，对关键部位、重点监测项目加密观测。通过各个观测项的应急监视实现监测预警，以多种形式进行预警信息传达，实现对传感器智能判断的推送。

2.3.4 整体网络结构

小型水库群风险感知网络不仅要实现水库管理单位、主管部门、监督单位、技术专家与支撑单位、水利行政主管部门、应急部门及相应政府部门的实时连接，还需要考虑到气象、水情、防汛、地质、应急等部门关键信息的共享，如图 1 所示。

3 预警平台关键问题

3.1 主要功能

水库群安全风险感知与预警平台提供在线远程实时监测、综合信息管理与成果发布、极端条件下应急预警、综合分析评价、辅助决策等应用服务。实现小型水库群信息采集与处理自动化，异常信息应急预警实时化，资源信息共享与管理专业化，安全分析与评价智能化。通过云服务平台的建设及时发现和排除工程险情，定期完成大坝安全分析报告与健康诊断，减轻现场工作人员监管负担，全面提升流域、区域性水库群安全的信息化管理水平。核心功能服务包括：

1）远程自动化监测采集。基于互联网远程自动采集工程现场监测数据。

2）应急加密监测。极端条件下自动启动应急加密监测机制，为重点监测项目开设绿色通道，提高监测频次。

3）数据自动入库与整编。根据规范要求，将采集数据定时自动整编和入库存储。

图 1 平台整体网络结构图

4）历史信息检索与维护。对水库群监测历史数据进行检索查询和统计维护。

5）综合成果管理。报表、过程线、分布图等图表综合成果进行统计分析和管理。

6）预警信息推送。根据设定的监测阈值进行判别，对异常信息以短信、邮件等形式向管理人员进行预警推送；同时与现场喇叭、值班设备等连接实时预警。

7）分析评价服务。包括资料检查分析、监测数据在线评判、离线统计分析、综合评价等，自动生成编写水库安全专题分析报告。

8）移动巡检与发布。基于移动终端实现大坝安全的巡视检查及监测信息发布查询。

3.2 平台架构及开发工具

为适应多源信息获取、定性定量融合分析、风险分级预警等要求，水库群安全风险感知、综合信息管理与预警平台建设技术路线如图 2 所示。

图 2 平台建设技术路线

为适应小型水库群高效管理要求，考虑到技术进步和通用性要求，平台开发建议如下：

1）采用 Browser/Server 架构，Spring Boot +Mybatis 开发框架，高并发高性能的 Dubbo 分布式框架，整体低耦合，高效率，前后端分离。

2）界面使用 ARCmap 绘制 GIS 地图，使用Geoserver 发布，便于设置小水库群热点按键，以及测点信息的关联。

3）数据库采用高性能、高效率的 Oracle 数据库，搭载 Druid 数据库连接池，可有效处理大体积、高频率的数据，提高数据读取存储的效率。

4）风险感知及预警。DL + AI（深度学习 + 人工智能），对数据进行多层次分析与计算，此处需要大量的数据进行训练学习，进一步优化多层次神经网络，预测数据的分布，对问题数据进行感知和预警，另外也可用于视频及图像的分析识别，对监测部位进行有效监控，在不断学习监测部位不同风险的视频与图片后，智能识别风险，实时预警。

3.3 预警指标体系

3.3.1 水文气象和地质风险

根据具体水库在环境因素作用下漫顶、超泄量、滑坡等对应的输入因素的强度或等级，水文气象和地质风险具体包括：台风级别、暴雨雨强和累积降雨量、坝前水位、入库流量、地震震级等。

3.3.2 挡泄水结构及设备设施风险

1）挡水及泄洪建筑物。根据建筑物极限承载力所对应具体包括响应量及其时间变化速率（或空间梯度，如不均匀系数）等的确定临界值。对于泄洪设施需要考虑强度、稳定性，以及功能和性能要求，特别是应急条件下的泄洪能力。

2）金属结构与机电设施。金属结构的强度和稳定性，机电设施的可靠性、变形分布、应力分布和输出电磁特征等所对应的特性或功能突变都可以得到相应的预警指标。对不同的故障类型，如电源、闸门飞车、闸门卡滞、电机过载、电机结点粘结、压力（包括过压及失压）、滤油器、左右缸不同步、编码器拒动、左右编码器非 BCD 码、左右编码器停机时误动、电机启动、监控工作站等故障都可以通过设置相应的电压，电路，温度等阈值作为预警指标。

3.3.3 运行监督管理风险

1）管理体系。依据相关法律、规章和部门文件设置相应阈值，采取分级预警，如“三个责任人”“三个重点环节”等落实情况。通过与管理要求进行核对，根据相关管理规定确定指标及阈值。

2）监督体系。对主管单位对小型水库管理监管的有效性、及时性、可靠性、响应速度等方面，根据国家行业标准和管理的基本要求设置预警指标。