永福县小型水库雨水情测报和安全监测系统建设

黄 俊

（广西科源工程咨询有限责任公司，南宁 530023）

1 项目背景

根据《广西壮族自治区水利厅关于报送“十四五”小型水库雨水情测报和安全监测设施实施方案以及2021 年度实施计划的函》（桂水函〔2021〕69号），“十四五”期间，广西要全面完成小型水库雨水情测报和安全监测设施建设。根据《广西“十四五”雨水情测报和安全监测设施建设实施方案》要求，2022 年度永福县要完成县域38 座小型水库的雨水情测报和安全监测设施建设任务。该建设任务完成后，视频广播预警、雨水情站点、大坝安全监测站点统一接入到自治区监测平台系统。实现雨情水和大坝安全监测数据自动接收，可远程监测水库的水位、降雨量、渗流量、渗流压力、表面变形等实时数据，为保障水库的适度蓄水和安全运行提供准确、及时的现场信息，实现水库的信息化管理。

2 系统建设目标

雨水情测报系统能实时采集、传输、接收各个水库遥测站的雨水情信息，能现场实时存储；具有数据监测、纠错等处理功能，建立实时、历史雨水情数据库，为水库报汛、调度提供雨水情信息；能进行入库洪水和水库洪峰水位综合预报；系统能够实现可靠的无人值守，运行稳定，具有较强的防雷、抗干扰能力；能向自治区级和县级监测平台一站多发传输数据，共享雨水情信息。

大坝安全监测系统能实时掌握各个大坝的安全情况，实时采集、传输、接受各测点的监测信息，能处理按指定格式储存的数据文件；具有数据采集、计算、分析等功能；建立数据库管理数据，并根据数据绘制过程线图、断面浸润线图、数据年报表、月报表等，并以一站多发方式向自治区级和县级监测平台传输相关数据，提高水库大坝管理水平。

3 总体设计

3.1 设施布置

大坝安全监测包括变形监测，渗流、渗压自动监测；雨水情自动监测包括水位和雨量自动监测。视频监控系统主要是对水库视频监控的信息进行管理，具有实时监控视频、报警问题管理、监控视频信息管理功能。

根据《广西小型水库雨水情测报和安全监测设施建设典型设计》（以下简称《典型设计》），雨水情测报和安全监测设施的布置应按照水库类别、坝高、坝长、坝型、控制流域面积等进行分类，提出不同类型的雨水情测报和安全监测设备选型和技术参数，对不同等级、不同类型的水库大坝，根据实际情况进行针对性设计。2022年，永福县需实施的小型水库有38座，其中小（1）型水库12座，小（2）型水库26座。

3.1.1 12座小（1）型水库

（1）高峰水库、红沙沟水库、老虎口水库、落岭水库为常规土石坝水库，可以参照《典型设计》，雨水情测报设施利旧使用，并新装水尺。视频监控升级为在坝顶处能监视大坝全貌及水尺、坝前水面的位置安装1 套智能警戒视频监控球机，并在靠近溢洪道的位置安装1套智能视频监视筒机。新增硬盘录像机作为现地储存，在合适位置安装高音号角喇叭和室内喊话器。青龙口水库、七排岭水库、狮子口水库、寺背水库、正元水库等5 座小（1）型水库拥有副坝。这5 个水库，主坝亦可参照《典型设计》进行设计，各设施布置与前面提到的高峰水库、红沙沟水库、老虎口水库、落岭水库差别不大，但副坝应根据每个水库副坝实际情况进行考虑。①青龙口水库副坝最大坝高3.5 m，考虑坝高及对下游实际影响等因素，不设置大坝安全监测；青龙口水库集雨面积26.2 km2，根据《典型设计》应在副坝处增加1套雨水情测报设施及视频监控。②七排岭水库有两个副坝，最大坝高分别为12.50、10.55 m，规模较大，应同样设置大坝安全监测，采用量水堰进行渗流量监测，布置2～3个监测横断面进行渗流压力监测，每个断面设置2～3 个监测点，每个监测点在测压管中安装渗压计，实现自动渗压监测，采用GNSS方式进行表面变形自动监测。两个副坝首尾相连，只需新增1 套智能警戒视频监控球机，安装于两个副坝相连处即可实现两个副坝的视频监控。③狮子口水库副坝最大坝高13.00 m，比主坝还高0.70 m，规模较大，应同样设置渗流、渗压和GNSS方式变形自动监测，在副坝坝顶合适位置安装1 套智能警戒视频监控球机实现视频监控。④寺背水库的副坝与主坝相连，副坝坝高规模与主坝相同，大坝安全监测配置与主坝相同，但因主副坝坝长均超过120 m，规模较大，故副坝处增加1套智能警戒视频监控球机。⑤正元水库副坝最大坝高18.00 m，规模较大，应同样设置渗流、渗压监测和采用人工观测方式进行表面变形监测，在副坝坝顶合适的位置安装1 套智能警戒视频监控球机实现视频监控。

（2）九塔水库和思磨江水库大坝分别为拱坝和混凝土面板堆石坝。参照《典型设计》，雨水情测报设施利旧使用，并新装水尺。视频监控升级为在放水塔处能监视大坝全貌及水尺、坝前水面的位置安装1 套智能警戒视频监控球机，并在靠近溢洪道的位置安装1套智能视频监视筒机。新增硬盘录像机作为现地储存。新增高音号角喇叭和室内喊话器作为警报对讲广播设备安装于合适的位置。大坝安全监测方面，由于两大坝坝体均未设廊道，均不装设渗流压力监测，思磨江水库设置有集渗沟，装设渗流量监测，而九塔水库没有集渗沟，不装设渗流量监测。两个水库采用GNSS方式进行表面变形自动监测。

（3）低塘弄水库较为特殊，虽为小（1）型水库，但水库最大坝高仅4.68 m，且大坝无排水棱体和集渗沟，考虑该水库运行实际情况，仅完善雨水情测报和视频监控、警报对讲广播设备等，采用人工观测方式进行表面变形监测。

3.1.2 26座小（2）型水库

草劲头水库、老山水库、红旗水库、三五水库、杨家厂水库5座水库为坝高超过15 m的小（2）型土石坝水库，可以参照《典型设计》，雨水情测报设施利旧使用，并新装水尺。视频监控升级为在坝顶处能监视大坝全貌及水尺、坝前水面的位置安装1 套智能警戒视频监控球机，新增硬盘录像机作为现地储存。在合适位置安装高音号角喇叭和室内喊话器。采用量水堰进行渗流量监测，布置2～3 个监测横断面进行渗流压力监测，每个断面设置2～3 个监测点，每个监测点在测压管中安装渗压计，实现自动渗压监测，采用GNSS 方式进行表面变形自动监测。大坝安全监测包括采用量水堰进行渗流量监测，渗流压力监测则通过布置1个监测横断面，每个断面设置2～3 个监测点，每个监测点在测压管中安装渗压计，实现自动渗压监测。采用人工观测方式进行表面变形监测。其余21座小（2）型水库坝高均不超过15 m，根据项目资金安排并参照《典型设计》，这21座小（2）型水库仅完善雨水情测报和视频监控、警报对讲广播设备等，考虑坝高及对下游实际影响等因素，不设置大坝安全监测。

3.2 数据采集与传输

水库现场数据采集与传输系统结构采用分层分布式结构。各种数据采集主要通过采集终端RTU和MCU实现。雨量计、水位计、预警广播、视频监控等数据通过无线局域网或通信电缆上传至RTU，再由RTU 实现自动联动控制、监测与数据上传。渗压计、渗流量计等数据通过通信电缆上传至MCU，并由MCU 进行数据解算，并将处理后的数据上传到数据接收系统，实现大坝安全自动监测。

RTU和MCU的监测数据采用一站多发方式，同时往自治区和县级分中心传输数据，传输方式应根据水库所在地现有的通信条件进行选择。根据建设单位要求，永福县的小（1）型水库应尽可能实现水库实时视频监控，考虑实时视频产生的数据流量较大，有条件部署宽带网络的小（1）型水库均新装电信专网宽带供雨水情测报与大坝安全监测共同使用，上传遥测数据，每个水库主要配置1台宽带路由器、1台串口服务器等通信设备，通信线配置1套信号浪涌保护器防止外部过电压侵入。对于九塔水库和低塘弄水库，经过与当地运营商沟通，确认由于水库地理位置问题，如需新装电信专网宽带，费用过高。考虑节省投资费用，九塔水库、低塘弄水库与26座小（2）型水库均采用移动网络上传遥测数据，每座水库配置1台全网通4G DTU（兼容3G网络通信），DTU 支持路由器功能，具有RS-232/485/422 等通用总线接口，可同时接入雨水情自动测报系统和大坝安全监测系统提供数据传输，DTU可方便地将现场采集装置通过3G/4G无线通信网络连接到网络，并配置1 套信号浪涌保护器防止外部过电压侵入。

3.3 供电系统

附近有稳定市电的水库均采用就近拉接AC220V 市电电源供电，电源进线配置信号专用浪涌保护设备。根据该原则，结合实际情况，永福县所有小（1）型水库，以及草劲头水库、老山水库、红旗水库、三五水库、杨家厂水库、东风水库、低塘水库、屯都水库、矮山水库、塘坊水库、拉怀水库11 座小（2）型水库均采用市电电源供电，线路采用架空线路或电缆埋地，长度和导体截面需根据现场情况确定。每个水库再配置1 套UPS 不间断电源系统，该电源系统能保证断电3 d以上仍能正常供电。其他小（2）型水库现场因距离所在村落太远，接入市电费用过高，且测控设备相对较少，故采用太阳能供电系统，配置太阳能板和相应蓄电池用于现场测控设备供电。根据各水库实际安装测控设备的总功率及使用情况，并考虑太阳能电池板的转化率，按保证连续5 d以上阴雨天气配置太阳能电池板及蓄电池的安装容量。

3.4 数据管理平台

永福县小型水库雨水情测报和安全监测平台主要包括物联网平台、雨水情自动测报系统、大坝安全监测系统、视频监控系统、区域告警系统、智能巡检系统、地图综合展示系统、系统管理8个子系统。

（1）雨水情自动测报系统主要用于纳入本次项目实施范围所有水库的雨水情数据信息进行接收和分析展示，包括对所选水库的雨水情监测数据的管理和查询、对监测站点的综合分析以及对监测站点的监测要素的统计等功能，具有洪水预测预报功能，即根据水库当前水位等数据预测一定降水量时水库最高洪水位，并根据水库当前水位预测水库最高洪水位达到设计洪水位时所能承载的降水量。为水库报汛、调度提供有效信息。

（2）大坝安全监测系统建成后能随时掌握大坝的安全情况，通过实时采集、传输、接受各测点的监测信息，建立数据库管理数据，并根据采集到的数据绘制位移过程线图、断面浸润线图等统计图表，并进行相关计算分析，判断大坝的安全稳定情况，辅助管理人员与技术人员进行阶段性大坝安全鉴定。

（3）视频监控系统主要是对水库视频监控的信息进行管理，包括实时监控视频、报警问题管理、监控视频信息管理3 个模块。其中，视频监控系统对纳入实施范围内水库的实时监控视频进行管理，可通过搜索查看不同水库视频、水雨情视频，单个视频放大界面里提供云台操作按钮根据用户需求调整摄像头方向等操作。报警问题管理系统对纳入实施范围内水库的视频报警问题进行管理，包括报警类型、报警时间等信息。监控视频信息管理系统对纳入实施范围内水库的监控设备信息进行维护，包括工作人员对监控设备基础信息进行录入、修改、删除等。

（4）区域告警系统包括设备超限告警和视频AI智能告警。前者是对水雨情、大坝安全监测设备实时采集的数据如有超过设定阀值的站点进行告警，后者基于人工智能图像识别技术，自动识别前端视频流数据中的场景和违法违章行为，对人员穿越安全警戒线或非法垂钓时，摄像机主动识别，同时系统可以通过前端喇叭实现语音喊话发出警报。

（5）智能巡检系统提供水库安全检查管理，具有巡检任务计划、巡检信息上报、上报查询、巡检任务安排等功能。通过手机App 快速查看相关人员分配给登录用户的巡检任务，以及拍照或录入文字记录巡检情况，和相应巡检管理后台等。

（6）地图综合展示系统基于GIS地图综合展示雨水情实时监测信息，包括水库宏观雨水情信息、测站位置分布、实时监测数据、历史监测数据以及站点基本信息、运行状态、预警状态等。

（7）系统管理包括对所有水库基本信息、水库工程特征等信息进行统一维护管理、对本县市水库相关管理机构的基本信息进行统一维护管理，以及对使用本系统的用户基本信息进行统一维护管理。

4 结语

2022 年，永福县要完成县域38 座小型水库的雨水情测报和安全监测设施建设任务，应参照《典型设计》，并按照“一库一策”原则，根据每座水库的基本情况布置数据采集设施，但实际中各水库情况远比《典型设计》复杂得多，这就需要设计人员根据实际情况，如实际坝长、坝高、大坝形态、对下游实际影响、资金充裕程度等方面进行综合考虑。在满足基本功能的前提下，设计应具有一定的前瞻性及可扩展性，注意避免重复投资、建而不用和过度建设。