广西小型水库雨水情测报和大坝安全监测系统建设

2023-01-11肖珍宝梁学文班华珍吴卫熊

广西水利水电 2022年1期

肖珍宝，梁学文，班华珍，吴卫熊

（广西壮族自治区水利科学研究院广西水工程材料与结构重点实验室，南宁 530023）

广西约有水库大坝4314 座，其中小型水库约4110 座，约占水库总数的95.3%，其中土石坝约3946 座，约占小型水库的96.0%。广西小型水库雨水情测报仍处于初步阶段、大坝安全监测设施严重缺失，全区14个地市小型水库基本未安装大坝安全监测设施，日常主要依靠人工观测，由于管理人员技术水平不一，观测数据不精准，不能及时发现水库存在的安全隐患，存在一定的风险隐患。因此，小型水库雨水情测报和大坝安全监测成为防洪体系中薄弱部分，并可能对下游人民生命财产安全构成严重威胁。

1 广西小型水库雨水情测报和大坝安全监测设施现状

（1）雨水情测报设施现状。2010—2013 年，广西依托山洪灾害防治非工程措施项目建设了约4708个水库雨水情监测站点，监测数据通过山洪灾害监测预警系统，实现与水利部互联互通。目前，这些水库雨水情测报设施设备大多已接近或超过设计使用年限，大部分电子设备已到报废期，进入故障高发期，运行状态不稳定，每年需要投入大量维修资金。此外，随着信息化进程的飞速发展和电子产品的快速更新换代，原来的监测系统架构已不能适应新发展阶段水库运行管理需求。

（2）大坝安全监测设施现状。广西约98.9%的水库建成于20 世纪50 年代末至70 年代中期，受当时经济社会和技术条件限制，小型水库工程建设标准低、安全监测配套设施缺失。在历次水库除险加固中，由于资金投入不足，在小型水库除险加固初步设计基本没有考虑大坝安全监测设施建设。目前，我区小型水库尚未安装有信息化的大坝安全监测设施，只有少数水库设置有沉降、位移、渗漏人工观测设施，由于管护人员专业技术欠缺，安全隐患难以及时发现。

（3）运行管理信息系统建设现状。目前已建有广西水库安全运行智慧管理服务平台，具备数据汇集与存储、数据查询与管理、数据统计与分析、信息共享服务等功能，经升级改造后可实现全区雨水情测报和大坝安全监测信息汇集与信息共享。

2 广西小型水库雨水情测报和大坝安全监测系统建设

2.1 建设原则

按照“统筹协调、因库制宜、实用有效、信息共享”的原则，充分利用现有条件，结合水库坝型坝高、下游影响、通信条件等，合理设置监测设施，并做好与已有监测设施及除险加固项目建设内容衔接，避免重复建设，建立完善监测平台，实现信息汇集、应用和共享。

2.2 建设目标

“十四五”期间，广西计划对3324座小型水库雨水情测报设施、2674座小型水库大坝安全监测设施进行建设，雨水情测报和大坝安全监测设施数据要一站多发（县、市、自治区），监测站点基本信息、设备状态信息和实时监测数据接入自治区统一管理平台，并符合数据治理的规范要求。升级改造广西水库安全运行智慧管理服务平台，实现全区雨水情测报和大坝安全监测数据汇集，实现信息共享，全面提升水库信息化管理能力和水平。

2.3 建设内容

项目分为雨水情测报、大坝安全监测两大部分。雨水情测报要素主要包括降水量、库水位、视频图像、预警等；大坝安全监测要素主要包括渗流量、渗流压力、表面变形等，监测设施的建设包括相应监测要素的设备设施布设、配置、及其供电、通讯系统和监测平台软件等辅助项目的建设。监测信息应以自动采集和报送为主，因特殊原因不能自动采集报送的应落实人工采集和报送措施。

2.3.1 雨水情测报

（1）降水量监测。至少设置1 个降水量监测点。对流域面积超过20 km2的可增加1个具有流域代表性降水量监测点。降水量监测采用自动测报方式，仪器分辨力应根据当地降水特点进行选择，满足面雨量计算精度要求，分辨力宜不大于0.5 mm。

（2）库水位监测。设置1个自动监测点、1组人工观测水尺和1组水准点，满足自动测报、人工观测和校验要求，库水位监测范围应覆盖死水位至坝顶的水位变化范围。自动监测可采用浮子式、气泡式、雷达式、压力式等水位计，有条件的首选浮子式水位计。水位计分辨力宜不大于1 cm。水尺可采用直立式、矮桩式或斜坡式，有条件的首选直立式水尺。

（3）视频监视。对大坝、溢洪道等现场情况进行现地监视，具有有线互联网或移动互联网等通信条件的小型水库实现远程监视，并具备视频实时查看和图片定时推送功能。

（4）警报与预警。配置1～2 个有源高音号角喇叭，实现强降雨、高水位、人员入侵等多场景自动语音报警，以及远程喊话功能（1个喇叭与摄像头连接实现报警，1 个用于喊话对讲），自动语音报警应具有现场人工干预关闭功能。有条件的小型水库或重要水库配置1 块现地LED 显示屏，滚动显示实时水位、雨量、库容、测压管水位等信息，显示屏宜设置在有市电的重点水库，安装在室内。

2.3.2 大坝安全监测

（1）渗流量监测。存在渗漏明流的大坝设置渗流量监测点，小（1）型水库设置1 个监测点，有分区监测需求的根据需要增加监测点；小（2）型水库坝高15 m以上的设置1个监测点，坝高15 m以下影响较大的根据需要设置监测点。渗流量监测采用量水堰进行监测，量水堰型式宜用三角形，在量水堰旁安装量水堰计实现自动监测。

（2）渗流压力监测。小（1）型水库大坝设置1～2 个监测横断面，一般设置在最大坝高和渗流隐患坝段，对坝长超过500 m 的根据需要增加监测断面；小（2）型水库坝高15 m 以上的设置1 个监测横断面，坝高15 m以下影响较大的根据需要设置监测断面。每个监测横断面设置2～3个监测点，土石坝中均质坝、心墙坝、斜墙坝监测点设置在坝顶下游侧或心（斜）墙下游侧、坝脚或排水体前缘。必要时在下游坝坡增设1个监测点。渗流压力监测宜采用在测压管中安装渗压计。

（3）表面变形监测。对坝高超过30 m 或下游影响较大的土石坝，或坝高超过50 m或下游影响大的混凝土坝、砌石坝，宜设置表面变形监测设施。其他小型水库，根据工程实际落实大坝变形监测设施的设置。在坝顶下游侧设置一个变形监测纵断面，对土石坝必要时可增设一个监测纵断面。表面变形监测一般采用安装观测墩人工观测的方式，以县级为单位统一配置全站仪、水准仪等观测仪器，各水库统筹使用。对于一些重要的小（1）型水库，有条件的可采用GNSS方式进行自动监测。在附近山体设置1 个GNSS 基准站点，坝上设置3～4 个位移监测站点，通过通讯网络实时将监测数据发送到控制中心，实时差分解算出各监测点三维坐标，实现表面变形的自动监测。监测的误差要求：水平方向≤±2.5 mm+0.5 ppm，高程方向≤±5 mm+0.5 ppm。

2.3.3 数据采集与传输

（1）RTU 与MCU。一是配置雨水情数据采集终端RTU，接入雨量计、水位计、视频摄像、预警广播等设备，实现自动控制与监测，并将数据上传到监测平台；二是配置大坝安全监测数据采集单元MCU，接入渗压计、渗流量计，进行数据采集与解算，并将数据上传到监测平台；三是RTU与MCU可配置集成式一体化监测终端设备，使用一体化监测终端应确保性能可靠、成熟稳定、经济合理，避免为了追求集成而提高成本，增加因故障造成的整体数据缺失风险；四是RTU 和MCU 的监测数据采用一站多发方式，同时往县级和自治区平台发送数据，确保数据的及时、可靠传输。

（2）数据传输。一是数据通信依次优先采用有线互联网（宽带）、移动互联网（4G）、NB-IoT、北斗卫星通讯等公共通信资源；二是雨水情测报和安全监测应根据水库的现有条件，采用同一套通讯设备、选择同一种通讯方式进行数据传输。

2.3.4 供电系统

供电方式根据现场条件选择，优先采用坝首已有的市电，坝首暂无市电的，尽量考虑就近接入市电；因距离太远实在无法接入市电的，采用太阳能供电。采用市电时，配置UPS 电源，确保市电断电情况下能为监测设备正常供电3 d以上。采用太阳能供电时，蓄电池容量应保证连续5 d 以上阴雨天气能正常供电。并应充分考虑不同的供电方式，配置避雷器、避雷针和防雷接地等防雷保护设备。

2.3.5 监测平台

自治区监测平台建设由水利厅统一规划、分级落实，实现数据采集管理、分析应用和信息共享功能。平台统一部署，自治区、市、县三级应用。监测平台数据库用于存储管理降水量、库水位、渗流量、渗流压力、视频图像等监测数据，数据库表结构与标识符采用国家标准。各县建设县级监测平台，具备数据接收和基本查询功能。接收数据采集终端一站双发上传的数据，经处理后上传自治监测平台。降低因单条数据传输链路出现数据中断造成管理缺失的风险。县级平台所使用的服务器、网络设备等，原则上与山洪灾害防治项目的设备共用，不另外配置。