安全监测系统在水利工程运行中的应用

马合木提·阿木提

（新疆维吾尔自治区塔里木河流域和田管理局，新疆 和田 848000）

1 工程概况及安全监测系统构成

某水库由一座主坝、四座副坝、泄洪闸、坝后电站等水工建筑物构成，是一个具备汛期防洪、农田灌溉、发电等功能的综合水利枢纽工程。

1.1 测控网络

水利工程安全监测系统是具备水情和水库安全信息采集、整理、分析、评价为一体的综合性系统，总体由分布式测控网络、局域网、远程互联网等构成系统通信网络，将现场监控层和管理层连为一体，形成完整的监测系统。

测控网络采用分布式设计，在每座大坝布设一台现场终端，通过RS485 现场总线与ADAM4520 采集模块连接，通过终端微机收集和处理采集数据，形成分布式采集终端；现场终端通过无线网络与监控中心的计算机通信，形成分布式监控网络；监控中心对终端数据进行收集、分析；渗流是衡量水库安全的重要指标，应根据地质、水文勘测资料，在各坝体布设浸润线、渗流量监测装置；为监测大坝水平、竖直位移情况，应合理布设坝体水平、垂直位移监测断面和监测基准点；

1.2 计算机局域网

监控中心服务器、测控网络上位机、水情监测计算机等工作站，通过计算机局域网通信连接。系统局域网内各计算机、工作站均应安装配套软件，执行信息管理、水情监控、大坝安全监测、水资源调度管理等任务。

1.3 远程互联网

局域网服务器上采用ASP（ActiveServerPages）技术建立系统网页，外部管理人员可通过互联网访问系统服务器，了解工程水情、雨情、大坝安全监测分析等信息，发布水资源调度任务。

2 安全监测系统数字化管理基本构架

2.1 数字化安全监测管理平台

当前水利工程数字化管理程度严重不足，为提升数字化管理水平，亟须结合水库工程安全监测管理特点、作业事项管理特点等，构建完善的数字化安全监测管理平台，为工程巡查管理标准化、安全监测数字化、闸门操作流程化管理提供平台支撑。

对有时间要求的安全检查、巡检、鉴定、监测等任务，在平台上建立完善的自动化监督体系，做到事前提醒、事中记录、事后存档；建立健全的数据库系统，做好数据分类及关联管理。数据库数据管理见图1。

图1 数据分类及数据关联图

2.2 安全监测系统数字化管理基本构架

应用层：采用B/S 结构，无须安装相应软件，通过Web 网页，即可与数据库交互，实现系统信息查询、业务管理、信息发布等功能；同时，B/S结构具有兼容性强、维护成本低、可拓展性强等优势。

支撑层：通过软件为系统提供地图、短信、语音等服务，同时为应用层和数据层数据传输提供安全保障。

数据层：主要包括数据库系统和各应用数据库，对系统、应用数据进行分类、存储、调用等。

硬件与网络层：包括服务器、工作站等硬件设备，此外，还包含网络安全设备，如防火墙、网关等，硬件为系统运行提供硬件支撑，网络层为数据层和采集层数据通信提供安全支撑。

采集层：主要采用C/S结构，以服务应用程序类型，在后台自动运行水情数据等进行安全监测，并对数据进行预处理，将经预处理的数据，以统一格式传输至数据层；系统架构见图2。

图2 系统架构图

3 主要功能与关键技术

3.1 水雨情监测与预报

水情监测是水库安全监测的关键内容，可为水库安全运营、水资源调度管理、水情预警提供有效支撑。本文所依托水库工程，在库区监理4 个水位监测站，可完成实时水情监控。

监控中心上位计算机，实时采集水、雨情监测信息，并将采集记录、水雨情信息写入数据库。在线监控系统，可根据雨量、水库水位监测数据，发布水情、雨情、洪汛评估、预警信息。

3.2 防洪安全监控优化调度

依托当前先进计算机技术、信息处理技术、智能技术等，建立基于蓄满产流模型和等流时线汇流模型的智能洪水预测模型，结合在线安全监控系统收集的水、雨情监测数据，及历年水情、雨情、汛情数据，精准预测和评估洪汛信息。

该系统可根据水、雨情监测信息，提供洪汛预测、预警，为水库防洪、水资源调度管理提供信息支撑；此外，可根据洪汛预警信息和实时水情，形成防洪调度预案，为防洪调度决策提供支持；在水库水位接近警戒值时，实时监测系统会向指挥中心发出警报信号，并向安全监控专家系统提供水、雨、工情信息，系统可根据当前水、雨、工情，从模型库中调取适合贴合当前情况的调洪分析模型，进行调洪模拟分析；决策者根据洪汛信息、调洪模拟分析、水库安全评估情况，选择符合当前工情的调度方案，做好防洪调度和水资源利用。

3.3 大坝安全监控

依托水库工程，将坝体渗流监测和坝体变形监测作为安全监测的主要内容。渗流现象是造成大坝结构失稳的重要因素，本工程以浸润线和渗流量作为主要监控指标。安全监测系统的渗流模型，可根据渗流量、浸润线监测数据，评估渗流形态，对大坝抗渗抗滑稳定性分析、渗流水利坡度分析、渗流破坏分析等分析，评估大坝安全性能；因地质灾害、洪汛灾害、渗流破坏等原因造成的大坝异常位移，是坝体结构失稳发生溃坝的先兆，本工程在主坝及各副坝坝顶和背水坡，设立了多个位移监测断面和监测点；大坝安全监控系统与在线安全监控系统联机运行，对坝体移位、渗流情况进行实时监测，并根据监测数据，定时给出坝体安全评估报告；对监测到的异常渗流、异常位移立即报警，并启动动态监控模型。

3.4 水安全水资源联合优化调度

水资源的安全、可持续利用是水利工程建设的根本目的，水安全水资源联合优化调度，可在保证上下游安全的基础上，提高水资源利用率，最大化提升水利工程的社会和经济效益。

对类似本工程的具有防汛、蓄洪、发电、灌溉等功能的中型可调节水库，水资源联合优化调度主要内容有：一是汛期做好预防性防洪调度；二是旱季做好灌溉用水调度；三是协调防汛、蓄洪、灌溉和发电调度，调整和优化用水结构，消除水害，提升水资源利用率；在保证防汛抗洪预防要求、满足灌溉用水要求等社会效益的前提下，优化经济效益目标，提升水库发电效益。

水安全水资源联合优化调度要点如下：根据水库库容、上下游雨汛季节分布，合理调整最佳防洪库容，确保防洪调度可靠性；根据历年下游灌溉用水情况，当年雨汛情况，合理分析和预测下游灌溉用水需求，形成合理的灌溉用水调度；根据系统收集的水、雨、季节气候因素，预测洪汛情况，结合工程泄洪能力、防洪标准等，制定可靠的防洪调度预案；做好往年来水、蓄水、灌溉用水调度记录，分析历年来水、蓄水、灌溉用水关系，结合当年监测情况，制定合理的汛期蓄洪调度方案和灌溉用水调度方案；结合往年来水、蓄水、灌溉用水数据，量化调度模型约束条件，并根据历年数据做好持续优化，提升调度模型分析效果；根据实际水、雨、工情，适时调整和优化调度方案，获得最佳效益。

3.5 预警与实时决策支持

建立完善大坝安全预警与实时决策支持体系，可极大地提升水利工程突发性灾害应对能力，为此，该工程建立了遥测、分析、评估、预警、安全调控支持一体化的完整预警与实时决策支持体系。

该体系反应过程以事件为驱动，依托专家系统和智能信息，对当前防洪调度和大坝安全进行分析、评估，为防汛抗洪调度和大坝运营安全调控提供决策支持。系统通过分析和解释监测信息，给出当前水库、大坝安全评判，对可能风险进行预估和预警，给出兼顾防灾与兴利的决策支持。

4 结论

建立完善的水库安全监测系统，可为水库汛期防洪调度、下游旱季灌溉用水调度、发电调度提供有力支持，提高水库防洪能力，消除水害，充分发挥水库社会和经济效益；此水库安全监测系统，是具备水库安全监测、水库水资源调度管理决策支持、水库大坝安全调控决策支持为一体的监测系统，能够根据实时监测信息，对当前防洪风险、大坝安全风险进行评估、预警，为防洪调度、大坝运营安全调控提供决策支持；该系统在本水库工程投入使用后，解决了传统安全监测系统的不足，实现了自动化安全监测和调度管理，显著优化了本水库防洪、用水、发电调度，提高了水库调度管理质量和效率；同时，极大增强了本水库大坝安全监测和风险评估能力，为本工程大坝修整、渗漏治理等提供了有力决策，有效防范了大坝安全风险。