小型水库安全信息感知及预警技术

2021-04-03章丽娟

东北水利水电 2021年2期

章丽娟，庞红，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7.5 万多座是库容100 万m3以下的小（2）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，充分利用传感器、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。

文献［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。文献［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。文献［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”。文献［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。

上述研究都是针对单一水库进行或是从管理模式上对小型水库进行研究。文中将在分析小型水库安全风险的基础上，对建立小型水库群风险感知及预警平台进行研究。

1 小型水库现状及其安全风险

我国小型水库具有数量多、监测设施不完善、运行管理技术理量不够、维修养护经费不到位等问题，为降低小型水库失事概论，有必要将现在小型水库监测设施10%的比例向上提高。但由于小型水库数量多、经费有效，因此有必要根据具体水库的特点有针对性地布置安全监测设施。从目前小型水库安全监测来看，总是将安全监测理解为变形、渗流监测，实际上安全监测有必要根据失事情况进行拓展，把引起小型水库失事的各类重要因素和响应纳入监测范围，为此有必要首先对小型水库失事成因进行总结。

1954年迄今全国溃坝3500 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水库、英德尔水库、茶山坑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。

2 安全监测预警的基础工作

2.1 水库安全风险分析

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，因此起失事模式、失事路径、失事后果各不相同，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。

2.2 水库分类排序

2.2.1 根据风险源种类进行分类

根据可能引起水库安全失事的原因及其后果不同，将风险源分成赋存环境风险、材料结构渗流风险、运行监管风险三大类。三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。对于赋存环境风险，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。

2.2.2 根据风险大小进行排序

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参考文献［5］等的做法进行风险评估，既考虑到整个水库失事的概率也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。

3 信息感知

3.1 感知方式

3.1.1 巡视检查及遥感

专业技术人员以及无人机的巡查、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。

3.1.2 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、结构响应以及人为操作等实施有效监测。

3.1.3 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。

3.1.4 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。

3.2 感知要素

3.2.1 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）。

3.2.2 材料结构渗流效应

监测部位和项目包括大坝坝身变形和渗流状态、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。

3.2.3 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；相关制度的针对性、可操作性和完备性；责任落实的具体性、明确性和匹配性；分工协作的协调性、完备性和可靠性；人员、设备、设施和经费的保障性；奖惩措施的有效性等几个方面。

3.3 感知网络

整体网络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、应急部门以及相应政府部门的实时连接，支持移动查询和关键信息推送的云平台网络。根据风险级别的大小采取相应的应急响应机制，重要信息采用多路推送关键设备备份措施，确保恶劣或关键时候信息保送和系统运行正常、及时，同时在水库风险区建立基于移动短信、微信、广播等应急信息发布和疏散路径引导网络，最大限度实现提前预报和最大限度地减少灾害损失。

3.3.1 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、设备安全情况和当地市电、日照时间等情况确定。

3.3.2 通讯设计

根据系统情况，一般系统通讯包括两个层次，即现场信息感知网络通讯和上一级双向通讯。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。