智慧水库综合平台建设研究——以萌山水库为例

王扬 张珂

(1.山东科技大学山东省土木工程防灾减灾重点实验室，山东 青岛 266590；2.淄博市萌山水库管理中心，山东 淄博 255318)

0 引言

水库作为国民经济和社会生产的重要基础设施，具有较高的社会价值和公益价值。由于水库的地理位置一般较为偏远，人们对水库的安全管理重视程度不高。特别是一些中小型水库，由于缺乏足够的政策和资金支持，在安全管理和信息化系统建设方面存在短板。目前，国内的部分中小型水库仅建立了自动水位监测、雨情监测、视频监控等基本的信息化系统，在安全管理中存在较大隐患。基于此，本文以萌山水库为例，阐述智慧水库综合平台的主要功能和应用效果，旨在提升水库安全管理水平。

1 萌山水库概况

萌山水库位于山东省淄博市文昌湖省级旅游度假区，控制流域面积288km2，总库容9993万m3，兴利库容5840万m3，是一座以水生态、水景观、水安全为主，集防洪、灌溉、生态供水于一体的全国重点中型水库，在推动和保障区域经济发展方面发挥着巨大作用。

2015年，萌山水库开始实施水库信息化开发建设，取得了一定成效，仍存在管理人员思想重视程度不足、信息化建设进度缓慢、信息系统缺乏针对性、数据分析功能不足、数据无法共享和兼容等问题，影响了水库的运行和管护。因此，急需完善萌山水库信息化系统，进一步提升水库安全管理水平，切实提高水库的运行管护能力。

2 基于层次分析法的萌山水库安全管理影响因素分析

2.1 建立综合评价指标体系

以《水库大坝安全评价导则》(SL258—2017)为依据，结合水库特点及专家意见，采用层次分析法分析萌山水库安全管理影响因素，建立萌山水库安全管理综合评价指标体系，主要包括目标层A(萌山水库安全管理综合评价)、准则层B(萌山水库安全管理一级影响因素，共7个指标)、方案层C(萌山水库安全管理二级影响因素，共24个指标)，如图1所示。

图1 萌山水库安全管理综合评价指标体系

2.2 确定各影响因素权重

邀请相关专家对各因素进行两两比较，根据各因素的相互重要程度构建判断矩阵。运用线性代数计算方法，计算各判断矩阵的权重向量W和最大特征值λmax，其中，W=(w1，w2，…，wn)T。经过层次单排序，计算判断矩阵中各因素的相对权重，并进行一致性检验。

以准则层B中各因素对目标层A为例，建立判断矩阵见表1。

表1 权重判断矩阵A-B

由表1可知，CR=0.037<0.1，说明通过一致性检验。同理，计算方案层C中各因素对准则层B中各因素的权重。经层次总排序计算并进行一致性检验后，得到各影响因素权重，如图2所示。

图2 萌山水库安全管理综合评价指标体系各指标权重

由图2可知，大坝坝体变形监测预警水平C51、大坝坝体稳定监测预警水平C52、大坝坝基渗流检测预警水平C41、大坝坝体渗流检测预警水平C41的权重较高，在建设信息系统平台时应给予高度重视。

3 智慧水库综合平台建设内容

3.1 建立大坝安全自动监测信息管理系统

智慧水库综合平台建设的重要任务是建立大坝安全运行信息监测管理系统。该系统根据国家和行业相关要求，结合萌山水库安全自动监测现状，利用三维可视化建模技术、信息智能测控、传感器物理感知、物联网、GIS地理信息、大数据、云平台等信息技术对水文、变位、渗流、水质等数据进行实时监测。

3.2 建立大坝表面变位监测系统和溢洪闸变位监测系统

目前，萌山水库坝体表面位移观测、溢洪闸位移观测主要采用人工观测方式，平均每半年监测1次，观测频次较低，无法对水库变形趋势做出预判。为解决上述问题，综合考虑萌山水库的运行环境、实际需求及建设成本，最终选择GNSS 监测系统对大坝、溢洪闸的垂直位移和水平位移进行自动化监测。监测数据可自动上传至大坝安全监测管理系统，并针对水库关键部位增加预警频次。同时，为满足监测数据的准确性要求，继续实施人工观测，通过对两种监测方式采集的数据进行综合分析，提高坝体表面位移的测量精度。

3.3 升级改造大坝渗流监测系统

通过实地勘察可知，萌山水库大坝原有的渗流观测设施存在设备老化、淤积严重等问题，已经无法采集准确、有效的数据。因此，急需对水库大坝渗流观测设施进行升级改造。通过安装智能渗压遥测仪，实时智能感知坝体和坝基内水面位置并跟踪水面变化，实现测压管水位数据的自动监测及数据采集传输。

3.4 建立放水洞综合监测系统

由于萌山水库放水洞的放水流量、渗流量、振动等关键参数无法实现自动实时监测，放水洞安全管理存在隐患。经过多方比对，最终选择配置插入式超声波流量计对放水洞供水涵管的过水流量进行监测，同时可满足有压流状态和无压流流态的流量测量要求。

4 智慧水库综合平台建设成效

智慧水库综合平台建设遵循“科学先进、功能完善、满足需求、分步推进”的原则，搭建了技术先进、功能整合的系统框架；充分利用水库安全运行综合监测分析管理系统，对水库的安全信息进行全面采集和深度分析，为水库大坝的结构形态和安全状况提供了准确评价。

4.1 实现数据的实时采集和安全预警

智慧水库综合平台建成后，在水文监测、变形监测、渗流监测等方面保证了观测数据的实时性、完整性和准确性，弥补了人工观测存在的不足；在资料整编方面，实现了数据存储的便捷性和可操作性。通过实时监测大坝、溢洪闸、放水洞等重点部位的安全状态，管理人员能够及时处理突发问题，做到“早发现、早预警、早处置”，消除了安全管理隐患。

4.2 提升水库智能感知能力

萌山水库的信息化系统包括水情测报系统、大坝变位监测系统、溢洪闸变位监测系统、地表水自动检测系统、溢洪闸门自动化控制系统、视频监控系统等，具体分析如下：

(1)水情测报系统。通过对水库水位、入库流量进行实时监测，对流域范围内的雨情进行实时测算，为水库预报调度和日常管理提供基础数据。

(2)大坝变位监测系统和溢洪闸变位监测系统。在远程变位监测分析终端实时监测垂直和水平变化量；通过渗压监测设备实时监测坝体、坝基测压管内的水位变化情况；自动实时监测对放水洞内流量、渗流量及振动等关键参数。通过对水库大坝、溢洪闸、放水洞等重点部位的变位、渗流等数据进行自动采集、整理、分析、预警，为水库稳定运行提供安全保障。

(3)地表水自动检测系统。能够自动采集水库水质中的氨氮、硫酸根等重要监测指标，为及时掌握水质变化及供水安全提供数据支撑。

(4)溢洪闸门自动化控制系统。能够方便、快捷地对闸门进行启闭控制，实现对闸门启闭状态、机电设备运行情况、开度情况及上级调度指令的准确管控，确保水库在应急情况下能够快速启闭闸门，保障大坝安全。

(5)视频监控系统。能够全方位掌握监控区域的整体情况及局部情况，重点监测各子系统运行情况及重点部位的安防情况，便于管理人员及时查找问题，保障管理区域安全。

4.3 实现数据共享

通过将各子系统整合至水库安全运行综合监测分析管理系统，实现了各子系统之间的数据共享，减少了因人工计算、操作失误等造成的误差。同时，为了更加方便、直观地查看各子系统监测数据的变化过程及实时状态，增加了手机端和APP端远程登录、远程访问、远程管理、远程维护等功能，提升了水库安全管理信息化水平。

5 结语

本文结合萌山水库运行现状，运用层次分析法分析萌山水库安全管理的影响因素，并根据各因素重要性进行排序，进一步优化和完善了萌山水库信息化系统，有效提升了水库安全管理能力，可为其他水库安全管理和信息系统改造提供参考。