广东省小型水库雨水情测报和大坝安全监测系统建设

高月明，陈希谣

（广东华南水电高新技术开发有限公司，广东 广州 510610）

0 引言

我国小型水库点多面广，是我国水利基础设施和防洪体系最为重要的组成部分，在防洪、供水及灌溉方面发挥了重要作用。但受各种因素影响，小型水库病险率高，管理十分薄弱，给人民群众的生命财产安全造成了严重威胁。

国家高度重视小型水库的安全和管护，于2021年4月印发《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），明确提出要加强小型水库的雨水情测报和大坝安全监测[1]。

广东省为规范有序地开展小型水库监测工作，针对广东省水库具体情况，结合水库坝型、规模、坝高、坝长、下游影响、通信条件等，从省级层面组织开展《广东省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》[2]编制工作，用以指导各地开展项目建设。

1 建设现状及存在问题

广东省小型水库建设现状及存在问题分析如下：

1）小型水库管理薄弱。截至 2021年底，广东省共有小型水库 7 141座，其中鉴定为三类坝的病险水库有 1 386座。广东省重视小型水库管理，基本落实了“三个责任人”，但巡查责任人通常由附近村民兼任，汛期无法保证每日巡查，且由于缺乏专业技能，无法保证及时准确发现工程隐患。总之，由于管理经费、人员素质等原因，小型水库管理仍然薄弱。

2）雨水情测报设施覆盖过半。随着近年来山洪灾害防治项目和小型水库标准化建设，雨水情图像监测方面已经取得很大进展，目前有 6 546座小型水库建成雨水情和图像监测站，但其中部分站点由于建设时间长，未能及时维护，已不能正常运行。

3）大坝安全监测设施基本空白。目前小一型和坝高 15 m 以上的小二型水库基本完成渗流量监测站建设，但渗流压力、表面变形等大坝安全监测方面基本空白，仅依靠传统的人工观测方式进行管理，安全隐患难以发现。

4）省级应用软件平台支撑不足。虽然近年来开发了“平安小水库”等小程序，能够初步展示查询水库基本信息和实时雨水情数据，也能实现水库线上巡查，但对大坝安全监测信息还缺乏深度分析和预警，也缺乏对众多实时监测站点的数据汇聚和管理平台。

5）基础资料现状亟待统一校核。由于各种历史原因，小型水库的基础资料不全面，高程资料不准确和不统一，造成防汛预警不准确，给各级管理人员带来困扰。

2 建设原则与内容

2.1 建设内容

根据广东省小型水库现状分析，结合《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管理办法》（水运管〔2021〕313 号）的要求[3]，广东省小型水库雨水情测报和大坝安全监测系统的建设内容非常明确，主要包括省级监测软件平台、物联网平台、监测感知设施建设 3个部分，其中监测感知要素包括降水量、库水位、视频图像、渗流量、渗流压力、表面变形等。

2.2 建设原则

1）需求牵引，统筹考虑。围绕水库运行管理、调度决策等对信息感知处理的需求，统筹考虑小型水库雨水情测报及大坝安全监测设施建设要求。

2）因库制宜，充分利旧。结合水库现实条件，合理选择监测要素、通信和预警方式，做好与已有监测设施及除险加固、小型水库标准化等项目建设内容的衔接。

3）整合共享，实用安全。推进建立水库监测预警信息共享机制，实现与其他水利业务系统数据的互联互通，并配套必要的网络信息安全防护功能。

3 建设方案及设计要点

3.1 总体框架

应用“大智移云物”等高新技术[4]，基于水库管理的实际需求，建设涵盖雨水情测报、大坝安全监测设备，以及数据采集和汇集应用的小型水库雨水情测报和大坝安全监测系统，实现小型水库实时雨水情、视频图像、大坝安全等信息的采集，传输，存储，共享，分析及预警等，建立以信息流为主线的水库管理新模式，为小型水库的日常管理及防汛调度提供决策支持，推动小型水库管理向规范化、精细化、智慧化方向发展的跨越。

在系统设计中，小型水库雨水情测报和大坝安全监测系统建设遵循“五横两纵”的架构，五横包括监测感知层、通信传输层、物联网平台、应用系统层及用户层 5个层面，两纵是标准规范和信息安全 2个体系。总体设计框架如图1所示。

图1 系统总体设计框架

1）监测感知层。水库现地建设的监测感知设施，采集内容包括水位、雨量、图像/视频、渗流量、渗压、大坝表面变形等，所有采集数据汇集到物联网终端统一对外通信。

2）通信传输层。使用 4G/5G，NB-IoT，LORA等无线网络进行数据传输，如果水库未覆盖以上网络，则使用光纤、北斗卫星等通信方式进行数据通信[5]。

3）物联网平台。汇集海量监测设备的数据，并进行设备管理，提供与市县级及其他应用系统间的数据共享。

4）应用系统层。建设统一的省级监测软件平台，以分发账号方式供多级用户使用。

5）用户层。包括省、市（州）、县（市、区）水利部门相关人员，水库管理相关人员。

6）标准规范体系。包括监测设施分级建设内容和标准、通信传输协议、数据汇聚和共享标准等，落实保障措施。

7）信息安全体系。完善安全技术措施及制度，加强日常管理，为监测信息网络、数据及应用系统安全稳定运行提供保障。

3.2 设计要点

考虑到广东省水库管理工作实际，除充分满足《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管理办法》的基本配置要求外，具体设计时还在以下方面提出特别的技术要求：

1）多视频站监控。随着移动通信的广泛覆盖和通信成本降低，具备有线或移动互联网等适宜视频传输通信条件的小型水库应从图像站升级为视频站。从水库管理需要及现场建站条件出发，确定视频图像监视点设置具体数量及位置，设置时需兼顾监视大坝迎水坡面、背水坡面、溢洪道进水渠及控制段等部位，这样可克服原本图像站或单一视频站只能监视某一固定区域的弊端，实现对水库的全方位监控。

2）视频融合叠加实时信息。视频图像可通过现地设备或监测平台融合叠加降水量、库水位、渗流量、渗流压力等实时监测信息，使水库管理人员在查看视频时可直观掌握当前最新的水位等信息，辅助判断水库大坝的运行状况[6]。视频融合叠加监测信息示意图如图2所示。

图2 监测平台视频融合叠加监测信息

3）监测信息前端汇集统一传输。为便于水库工程监测设施设备的统一管理，降水量、库水位、视频图像、渗流量及渗流压力监测信息均应汇集到一台物联网终端，并按照《广东智慧水利物联网平台接入规范》要求统一对外通信，实现与广东智慧水利物联网平台的对接，监测设施通信网络设计如图3所示。采用这种设计，对于上层的物联网平台来说，每座水库只需管理 1个对象，但对前端的物联网终端提出了更高要求，例如须解决多路视频汇集传输时通信信道拥挤问题。

图3 基于物联网架构的小库监测设施通信网络设计

4）数据一站多发。雨水情测报和大坝安全监测信息应具备一站多发功能，现场监测信息能向相关监测平台发送，保障省级和市县级共享数据成果。

5）水准点设置及高程坐标复核。由于小型水库大部分建设年代久远，缺乏准确的高程数据，导致各站点监测的水位数据高程参考不一，预警不准确，因此应以设置的水准点为基点，对水库工程特性值进行引测复核，主要对坝顶、堰顶高程等进行复核，并及时向登记机构办理变更事项登记。

6）溢洪道泄流能力分析。水库出库流量监测可为下游水文预报、内涝淹没分析、实时调洪调度和抢险救灾提供数据依据，具有重要意义。建设 1 套水库出库流量自动监测站需要投入较多经费，且建站后还需对站点进行长期流量率定，才可保证监测数据的准确性，而绝大部分小型水库往往不具备这样的条件，因此推荐按照水力学计算公式推求水库泄流过程。水库管理单位可通过水头变化，按照推求的蓄泄曲线判断水库调洪调度水量。

7）新技术应用。对于有条件地区，在满足可靠性要求的前提下，为提高小型水库监测感知设施建设标准和监测信息化水平，可结合实际探索采用以下新技术：

a．人工智能图像识别技术。对游泳、大坝入侵等问题有实时识别和预警提示需求的小型水库，采用边缘计算与云端识别协同方式进行 AI 图像识别，即时进行预警提醒[7]。

b．GNSS 坝体变形监测技术。GNSS（全球导航卫星系统）变形监测技术具有不受距离限制、实时连续监测等优点[8]，通过在水库大坝上建立连续高精度观测的 GNSS 自动化变形监测系统，不仅可减轻繁琐的人力测量工作，还可实时掌握坝体的形变规律，更好地反映形变机理，保证大坝安全运行。

3.3 建设方案

本研究重点阐述省级监测软件平台、物联网平台、监测感知设施的建设方案。

3.3.1 省级监测软件平台

省级监测软件平台的建设是水库监测感知数据的载体，是全省水库管理和防洪调度的基础保障。平台功能涵盖水库基本信息管理、自动化监测、综合查询、监视预警、移动巡检、智能分析等，可对水库进行全方位信息化管理，帮助“省、市、县、水库”多级用户全面掌握水库大坝的渗流、变形、环境量、现场实况等信息，并通过对各类监测数据的分析，判断坝体表面运动变化情况，完成坝体稳定性分析，针对异常状况可自动分级发出预警信息。省级监测软件平台功能架构如图4所示。

图4 省级监测软件平台功能架构

1）综合分析。提供水库运行监管全局统计分析视图，帮助用户掌握辖区内水库的整体运行情况，使得数据可视化有针对性。

2）地图监视。在电子地图上显示水库监测站点的位置、数据和视频图像信息，用户可直观看出监测站点的分布情况。面向的是县级及以上的用户，关心的是宏观和全局信息。

3）实时监视。实时监视是监视水库运行状态的核心，通过信息图表、过程线、相关图等直观的展现形式，展示水库雨水情、渗流量、渗流压力和表面位移监测等实时信息。

4）视频监控。将库区视频监控球机拍摄到的视频接入系统，具备视频监控实时观看、历史记录查看与回放、云台控制、预置点设置抓拍等功能。

5）基本信息。汇聚水库基础信息、测站信息、责任人信息、相关预案、资料档案、相关链接等基本信息，为水库管理者、决策指挥人员在日常办公和应急响应时，提供水库所有资料、预案等查询，提高工作效率。

6）移动巡检。基于 App 应用，实现水库巡视检查信息的记录及查询，包括巡检时间、人员、路线、结果，以及上报问题等信息。

7）查询统计。提供水库重点关注信息的查询统计功能，包括水库水情、雨情、渗流量、渗流压力、表面变形位移量、蓄水量统计、工程信息、测站信息等。

8）安全风险分析。构建水库大坝安全评价模型，根据雨水情、安全监测、工程巡查状况、水库基本信息和气象预报情况等，对工程安全性态演化趋势进行分析预测，并做出实时动态的评估和情景推演，自动生成水库风险清单并推送至相关责任人。通过点、线、面结合，展示水库大坝安全状态，对运行中的问题提出合理的防范建议。

9）智能识别。全场景云端智能分析可根据不同场景预设相应的识别功能。智能识别功能共 10种，包括大坝杂草、非法捕捞、网箱识别、水质异常、坝体入侵、水面漂浮物、游泳检测、非法养殖、车辆入侵、钓鱼检测。

10）监测预警。包括水位预警、雨量预警、大坝安全实时分析与预警等功能。根据预先设定的预警条件，对水库实时运行状态进行监控，一旦实时监测数据达到预警条件，系统将自动报警，并将报警信息发送到相关人员手机或预警设备上。

11）报表管理。包含以下 2 类报表：a．自定义报表，可根据时间段、监测数据类别等条件要求，自动生成管理者需要了解的数据报表；b．定制化报表，包括降雨量、水位年报表等其他定制化报表。

3.3.2 物联网平台

为解决未来海量物联网设备接入和管理的问题，建设物联网平台：向下可承接感知设备，梳理水库各类信息采集的数据汇集流向，统一数据采集和标准，统一设备接入和管理，并对站点建设质量、运行状态和监测数据质量进行监督，评价，考核；向上可作为应用和服务支撑的基础平台，确保数据获取快速、准确，一数一源，避免数据自相矛盾。

物联网平台主要包括以下功能模块[9]：

1）设备接入。根据通信传输协议接收感知设备信息，实现设备统一接收，包括安全接入、设备对接、设备双向通信等功能。

2）设备管理。通过物联网平台对设备进行分类管理，可进行注册、建模，实现设备基础信息管理、设备运行参数配置、设备迁移、采集时间间隔设置、数据召测、数据追溯、远程升级等功能。

3）设备状态监控。实现在线感知设备数量、上下行消息数量、设备网络状态等指标数据的实时监控。

4）数据监控。建立智能算法模型，对数据质量、到报率、数据波动等进行分析，将可疑数据导出作进一步的处理或在数据应用前将异常数据剔除。

5）告警服务。根据设备状态监测与数据智能分析结果生成告警信息。

6）评价考核。按站点承建单位、行政区划进行站点建设维护质量评价。

7）应用服务。提供多样化的 API 接口为应用提供支撑。

3.3.3 监测感知设施

监测感知设施设计是核心，也是省级监测平台的数据来源。建设的小型水库监测感知设施，主要包括雨水情测报及大坝安全监测两大类设施。根据《土石坝安全监测技术规范》[10]和《混凝土坝安全监测技术规范》[11]，广东省针对不同规模、坝型的水库提出监测设施配置要求，配置汇总如表1所示，其中“★”为必设项目，“☆”为一般项目，可根据需要选设。

表1 小型水库监测设施配置表

广东省小型水库点多面广，坝型、规模、坝高、坝长、下游影响、通信条件等各有不同，各市县技术能力也是千差万别，因此基于广东省监测设施配置要求及设计要点，总结已实施的雨水情测报和大坝安全监测的经验做法，将水库初步分成 4 类，并提炼了可推广应用的典型设计。

3.3.3 .1 典型设计Ⅰ

此类设计适用于坝高 15 m 以下的小二型水库，监测内容为降水量、库水位、工程视频图像。每座水库至少需布设以下监控站：1个坝前雨水情视频监控站，可兼顾水库迎水坡面、溢洪道位置的视频监控；1个坝背图像监控站，实现对水库背水坡面的实时监控。另还需在水库迎水坡面、溢洪道进水渠口各设置 1 组人工观测水尺，水库附近稳固位置设置 1 组水准点。各类站点布设位置如图5所示。

图5 典型设计Ⅰ站点布设示意图

3.3.3 .2 典型设计Ⅱ

此类设计适用于坝高 15 m 以上或重点小二型水库。监测内容在典型设计Ⅰ的基础上，增加 1个渗流量监测站和 3个渗压监测站，均采用 LORA 传输，将测量数据传输至坝前雨水情视频监控站的物联网终端再对外通信，实现渗流量、渗压的实时监测；同时在坝体及坝外稳固基岩处建设位移观测点、工作及校核基点，为大坝表面位移提供人工观测渠道。各类站点布设位置如图6所示。

图6 典型设计Ⅱ站点布设示意图

3.3.3 .3 典型设计 Ⅲ

此类设计适用于所有小一型水库。监测内容在典型设计 Ⅱ 的基础上，增加 3个渗压监测站，即共布设 2个渗压监测横断面。各类站点布设位置如图7所示。

图7 典型设计Ⅲ站点布设示意图

3.3.3 .4 典型设计 Ⅳ

此类设计适用于有条件的小型水库。监测内容在典型设计 Ⅲ 的基础上，将坝背图像监控站改为坝背视频监控站，实现对水库背水坡面全方位视频监控；将 3个位移观测点升级为 GNSS 表面变形监测站，1个校核基点升级为 GNSS 基准站，实现大坝表面变形的自动监测。

4 结语

目前，广东省已按本研究成果编制印发《广东省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》，并分别在花都区红崩岗、集益水库，以及博罗县的大洞水库开展试点水库建设，水库现地管理处和各级行政主管部门可通过应用系统进行直观的水库安全值班，当安全监测数据异常时系统及时预警，切实提高了水库安全管理水平，也在全省起到了良好示范效果。

广东省各县区在“十四五”期间将根据《广东省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》进行监测设施建设，监测数据也将汇聚至省级应用平台进行分析应用。广东省小型水库众多，随着监测站点的逐步完善，还应关注落实运行维护责任，保障发挥长效作用，并做好数据整编和分析，发挥数据效益。