小型水库雨水情测报与工程安全监测标准化研究

许 浩 ，李越川 ，张 威

（1. 水利部建设管理与质量安全中心，北京 100038；2. 河海大学水利水电学院，江苏 南京 210098）

0 引言

我国现有小型水库近 10 万座，其中 77% 的小型水库建于 20 世纪 50―70 年代，75% 的小型水库由乡镇人民政府和农村集体经济组织管理。由于历史原因，小型水库存在建设标准偏低、运行时间长、设备设施老化、除险加固不彻底，以及维修养护不及时、不到位等问题，如：2021 年 7 月 18 日 13 时48 分，莫力达瓦旗境内诺敏河支流西瓦尔图河上的永安水库发生垮坝；18 日 15 时 30 分左右，诺敏河支流坤密尔提河（永安水库下游）新发水库垮坝；7 月 20 日，郑州二七区金水河上小（1）型水库郭家嘴水库下游坝坡大范围冲刷垮塌。由此可见，由于先天不足，后天失管，小型水库安全隐患依然突出。

近年来小型水库的安全问题一直是国家关注的重点工程安全问题，也是水利科技工作者研究的热点[1]。其中加强除险加固、做好小型水库安全鉴定、完善小型水库雨水情监测设施和工程安全监测设施、落实三个责任人等是降低小型水库安全风险的有效措施。由于小型水库水文结构类型复杂，本身技术难度较高，加上现有的相关技术规范对小型水库适应性不强，使得小型水库雨水情和工程安全监测设施的实施各地理解不一，实施起来千差万别。2021 年 3 月 23 日《国务院办公厅关于切实加强水库除险加固和运行管护工作的通知》（国办发〔2021〕8 号）和 2021 年 9 月 22 日国务院常务会议均明确要求，加快推进水库除险加固，加强雨水情和安全监测预警设施建设，健全常态化管护机制，确保水库安全长效运行。为进一步加快小型水库监测设施配置标准化，本研究以提高小型水库雨水情测报与工程安全监测建设标准化水平为目标，在分析小型水库特征的基础上，对小型水库雨水情测报与工程安全监测系统配置标准化进行研究，提出相关建议，为小型水库监测系统完善和标准化提供参考[2]。

1 标准化的依据

2021 年 10 月 19 日正式印发的《小型水库雨水情测报和大坝安全监测设施建设与运行管理办法》和《小型水库雨水情测报和大坝安全监测设施建设与运行技术指南》，以及各省发布的《小型水库雨水情自动测报系统项目建设管理办法》为小型水库雨水情测报和大坝安全监测设施建设与运行管理提供了依据。这些文件给出了小型水库建设最基本的要求，在具体执行过程中还需要结合具体小型水库的实际，参照 GB/T 22482—2008《水文情报预报规范》、SL 61—2015《水情自动测报系统技术规范》、SL 34—2013《水文站网规划技术导则》、SL 551—2012《土石坝安全监测技术规范》、SL 601—2013《混凝土坝安全监测技术规范》等规范进行细化和优化，才能更好地提升小型水库雨水情测报和大坝安全监测设施建设的标准化水平。

2 监测项目和测点布置

2.1 雨水情

雨量水位是判断漫坝、溃坝和大坝及库岸滑坡或渗透破坏风险的重要物理量，也是水文分析和预报的关键参数，因此对于水位存在动态变化的小型水库都应予以设置。出入库流量是水库库容和调洪计算的关键，当出入库流量对库水位存在明显影响时应予以设置。

1）水位雨量。每座水库应设置 1 个上游库水位和 1 个坝区雨量测点，对于坝体较长或降雨分布不均的水库可以根据规范增加相应测点[3]。对于坝下存在长期明水的也应设置下游库水位测点，也可以将下游水位测点结合量水堰、排水设施等进行布置。

2）流速流量。对于存在上游来水和下泄通道的水库，当入库或出库流量和流速明显影响库水位及其涨落速度的情况下，应设置上游入库和下游出库流量测点[4]。

2.2 工程安全

工程安全监测的测点布置应根据坝高、坝型、坝基特点及其可能的失效风险进行，一般情况下按以下原则进行测点布置：

1）变形。a. 均质土坝及心墙坝。小（1）型水库，坝高 15 m 以上的土石坝应设置 1 个坝顶纵断面，坝高 30 m 以上的土石坝应增加 1 个下游坝坡纵断面；小（2）型水库，坝高 30 m 以上、对下游影响较大的土石坝应设置 1 个坝顶纵断面。

b. 混凝土（或砌石）重力坝和拱坝。小（1）型水库应设置坝顶变形监测纵断面，一般选择典型坝段设置，坝高 30 m 的水库不少于 3 个测点；坝高 15 m 以上的小（2）型水库、对下游影响较大的坝应设置坝顶变形监测纵断面。

c. 面板堆石坝。一般在最大坝高处布 1～2 个点组成纵断面，同时在岸坡较陡、坡度突变及地质条件差的部位设置周边缝或面板接缝监测点。

2）渗流。a. 均质土坝或心墙坝。对于存在渗透破坏风险的坝至少布置 1 个渗流压力监测横断面；上游测点在坝（心墙）上游侧，中间测点在坝顶（心墙）下游侧，下游测点在坝脚（或排水体）上游，必要时在下游坝坡增设 1 个监测点。

对于其他存在渗透破坏的高风险部位可以适当增设监测横断面。渗流压力一般设置在最大坝高、穿坝建筑物附近，对于存在接触渗流破坏风险的部位应考虑设置接触渗流监测点[5]。

b. 混凝土或砌石重力坝。坝高 15 m 的小（1）型水库或坝高 30 m 以上的小（2）型水库大坝，或存在抗滑失稳、防渗失效风险等情况的大坝应至少设置 1 个渗流监测横断面，一般 3 个测点分别布置在防渗帷幕前、后和下游侧。

c. 渗流量监测。小（1）型水库应设置 1 个监测点，有分区监测条件的可根据需要增加监测点；坝高 15 m 以上的小（2）型水库应设置 1 个监测点[6]。

2.3 泄洪设施

泄洪设施一般采用开敞式或者带闸门控制的溢洪道，按以下 2 个原则进行测点布置：

1）开敞式溢洪道。小型水库正槽溢洪道一般为开敞式，且大部分无闸控制，这种溢洪道具有结构简单，施工管理方便，水流平顺等优点，监测内容为进水段、控制段、泄槽及消能工。主要监测进水段有无阻水漂浮物或泄洪造成的冲刷、剥落等现象，对于失事后果严重的开敞式溢洪道应设置视频监控测点[7]。

2）带闸门控制的溢洪道。当溢洪道设有闸门时，汛期应监测闸门、启闭机与工作桥等状态，应设置视频监控测点。

3 监测方法

3.1 雨水情

雨水情监测主要是监测水库水位雨量及流量流速，一般情况下采用以下 2 种方法进行监测：

1）水位雨量。水位监测常用的有水尺和水位计，其中常用水尺有直立式、倾斜式、矮桩式和悬锤式水尺；常用的水位计有浮子式、光线、跟踪式、压力式和超声波式水位计。小型水库水位监测方法和仪器选型应依据 GB/T 11828.1—2019《水位测量仪器》系列标准和 GB/T 27993—2011《水位测量仪器通用技术条件》确定。

2）流速流量。流速流量的监测方法很多，采用流速面积法、水工建筑物法或水位-流量关系法等，具体方法和仪器选择要根据现场条件结合相关流量测量规范确定。

3.2 工程安全

工程安全的监测一般采用以下方式进行监测：

1）变形。常规的变形监测方法有测量机器人、引张线、垂线、柔性位移计、测斜仪等方法。由于小型水库大坝一般比较小，变形监测时对精度和经费要求比较高，在具体方法选用时应予以论证。

2）渗流。渗透压力监测采用测压管或埋设渗压计的方法进行，但在施工过程中要确保不产生新的渗流通道或破坏原有防渗结构。常见仪器包括振弦式渗压计、磁致伸缩量水堰仪和气压修正仪器等，目前在大中型水库渗透压力监测应用较好的是进口振弦式渗压计，量水堰堰上水头一般选用磁致伸缩传感器[8]。

4 系统配置及功能

考虑到小型水库位置比较偏远或管理技术人员比较少，为确保水库安全运行，小型水库应建设雨水情测报与工程安全自动监测系统，其系统主要包括传感器、测量控制装置（或数据采集单元）、计算机及软件、移动终端及 App。

1)基础通信网络系统:通信网络作为信息化的核心内容,是气象业务信息传输的枢纽,由气象广域网、气象内网、政务外网、视频会议专网几部分组成。通信网络须满足气象业务对高效稳定数据传输的需求,具备应急通信能力,此外具备一定网络安全风险防御能力。

现地测量控制装置（或数据采集单元）一般应配置如下：

1）多种接口。翻斗式雨量计接口大于等于1 个，浮子式水位计接口大于等于 2 个，标准 RS-485接口大于等于 2 个，振弦式渗压计输入接口大于等于 8 个，标准信号传感器接口大于等于 4 个。

2）多传感器采集。支持雨量计、水位计、渗压计、量水堰水位计、摄像头等数据采集。

3）设备前端告警。降雨量、库水位、渗压计等多要素测值超阈值主动告警；人员入侵管理区域主动告警，实施现地单元告警。

4）视频融合叠加。支持在主流摄像机上大于等于 8 行多信息叠加功能，实施现地单元告警。

5）语音自动播报及告警。支持事件触发，并根据触发类型播报相应音频内容；实施告警在现地单元，且独立设置播报告警站。

6）平均无故障工作时间大于等于 10 000 h。

4.1 电源

根据水库所处位置确定电源的供应方式，一般情况下根据以下 2 个原则进行配置：

2）偏远地区水库。电源供应方式应采用太阳能浮充 + 蓄电池直流供电方式；优先采用低功耗自带锂电池供电方式，对于日照时间长或风力资源丰富的地区可以考虑“风-光互补”等现地再生能源配合供电。

4.2 通信接口

根据系统情况，一般系统通信包括以下 2 个层次：1）现场信息感知网络通信（现地通信）。可以采用有线（电缆或光缆）或无线（ZigBee 等短距离通信网，以及 4G，5G，NB-IoT，LoRa 信道等）通信方式。2）监测数据上传的双向通信（远传通信）。除使用 4G，5G 移动公网外，对于偏远的高风险水库应考虑卫星通信接口，并参照 SL 34—2013《水文站网规划技术导则》采用必要的备用信道[10]。

4.3 中心站软件及 App

对于重要小型水库可结合 SL 34—2013《水文站网规划技术导则》、GB/T 22482—2008《水文情报预报规范》有关内容，以及库水位涨落对工程安全影响进行测点优化。根据水库的风险等级区分高风险及低风险水库，针对不同风险等级的水库配置相应的移动客户端：

1）高风险水库。指发生溃决或误操作可能造成人员死亡的水库。实时采集多种监测数据，包括地表变形、内部变形、浸润线（渗流渗压）、渗漏量、雨量、库水位、流量、气温、水温及视频图像等数据。实现监测数据自动采集、传输、存储、分析及预警，并支持人工新增、修改或删除数据。可设置多级报警，支持弹出软件窗口、邮件、短信及声光等报警功能。

对于区域水库群可以通过自动化数据采集、实时监测、实时分析及安全预警，建立集 GIS、水库特性、雨水情监测、工程安全监测、智能巡检、视频图像、安全鉴定、日常管理、3 个责任人、3 个重点环节、信息上传下达、系统管理等内容的多坝型小型水库大坝安全大数据动态监管云平台，实现区域小型水库一张图式智慧管理。

为方便异地和移动信息管理查询，高风险小型水库应开发 App 并配置相应的移动终端，实现异常报警和关键信息查询，特别是应急通信和上报等功能。

2）低风险水库。指在发生溃决或误操作时不会导致人员伤亡、不会产生严重经济损失或对环境造成重大影响的水库。其工程安全风险小，软件功能可以简化，一般只需要进行水库超限水位、泄洪设施工作状态事实查询功能即可。

5 模型或算法配置

针对高风险水库，为实现预报预警功能，有效降低水库运行风险应开发配置相应的模型或算法，具体有以下几种：

1）雨水情测报。根据各省实际小型水库安全鉴定采用的实用库水位计算模型或方法，如瞬时、综合、地形等单位线法或推理公式法，在模型应用和软件开发时要根据水库所在区域及水库类型（山丘还是平原水库）、特征等进行充分论证和参数设置，必要时应具有动态参数更新功能。同时在模型参数率定和检验方面应参照 GB/T 22482—2008《水文情报预报规范》进行[11]。

2）大坝安全监测预警。对高风险大坝应根据敏感性分析选择重要测点设置必要的预报预警模型，一般选用多元逐步回归模型和动态阈值法，实现关键部位变形或渗流监测的预报预警。

3）图像识别。图像主要用于识别闸门、溢洪道的工作状态，也可以实时监控多个水库库区的水位、雨量及现场工况，需要通过基于机器视觉的算法实现异常情况的及时发现。

6 结语

小型水库存在数量多、安全状况差异大、技术人员缺乏等问题，因此有必要提高小型水库雨水情测报与工程安全监测系统配置标准化水平。小型水库的标准化要从监测项目和测点布置、仪器设备配置、软件功能及模型开发 4 个方面入手，根据水库实际安全风险进行。推动小型水库雨水情和大坝监测工作离不开小型水库标准化，应根据我国小型水库实际的雨水情和工程安全监测相关技术规范、运行维护、鉴定标准等，尽快编制适合我国小型水库的相关技术标准，细化具体配置和运行要求。