物联网技术在小型水库大坝安全监测中的应用模式

许孝臣 ，杨 琼 ，戴春华 ，魏海云 ，叶 辉 ，郑汉种

（1.浙江广川工程咨询有限公司， 浙江 杭州 310020；2.浙江省水利河口研究院， 浙江 杭州 310020）

1 问题的提出

根据1954 — 2003年的统计资料，我国己溃坝3484座，其中大型水库2座，中型水库126座，小（1）型水库674座，小（2）型水库2682座[1]。可见小型水库破坏占了96%。小型水库缺乏必要的监测设施、缺乏专业管理人员，大坝安全隐患得不到及时的发现和处理，发生安全事故的可能性更大。随着近几年经济社会的发展，水利工程安全越来越受到社会各界人士的关注，小型水库失事造成的社会影响和经济损失变得越来越大。小型水库失事概率高、缺乏专业管理技术人员、管理设施短缺、病险水库多、失事影响大，因此小型水库大坝监测更有必要且监测自动化水平要求更高。

截至2015年年底，浙江省共建成小（2）型以上水库4334座，其中大型水库33座，中型水库156座，小型水库4145座。小型水库占到95%以上，近年来新建的小型水库多数都建设有监测设施，部分重要的小型水库建立了监测自动化系统，但老水库往往缺乏监测设施，并且相当数量的水库存在安全隐患。浙江省小型水库多，管理力量不足，监测手段没有或落后，自动化需求程度急迫。

小型水库往往地处偏远地带，没有电力供应或不稳定，需要大坝监测系统具有低功耗、自发电等特性，而现状的大坝安全监测系统往往需要稳定的电力供应。近几年发展起来的物联网技术具有测量技术数字化和微功耗的特点[2]，由于改变了传统的信息采集和传输方式，适合在小型水库中应用。

2016年以来，随着浙江省水利工程标准化建设工作的开展，水利工程的管理也将从重建轻管向建管并重转移。《浙江省小型水库运行管理规程（试行）》（2016.02）中明确规定，资料整理每2 ～ 3 a进行1次，资料分析每5 ～10 a必须进行1次。对水库的日常大坝安全监测的管理提出了更高的要求。

综上所述，小型水库开展基于物联网的远程大坝安全监测既是现实需求，也是水利工程标准化管理的要求，十分有必要开展。

2 研究现状

物联网最早于2000年在美国提出。2009年8月，无锡市建立了“感知中国”研究中心，中国科学院、运营商、多所大学在无锡建立了物联网研究院。物联网被正式列为国家五大新兴战略性产业之一。

物联网传感器产品已率先在上海浦东国际机场防入侵系统中得到应用。济南园博园应用ZigBee无线路灯照明节能环保技术达成无线路灯控制系统。

近年来，水利工程物联网技术、水利信息化、智慧水利发展较快，全国首个“水利部物联网技术应用示范基地”于2012年在无锡成立（感知太湖、智慧水利的物联网示范工程）。2015年水利部印发《水利信息化资源整合共享顶层设计》。2016年水利部审议通过《全国水利信息化“十三五”规划》：强化信息化对水利各业务的服务与支撑，加强水利信息基础平台建设。2018年十九大中提到以智慧水利建设为重点，强化水利创新驱动。可见水利信息化及智慧水利是水利的重点发展方向，而大坝监测是实现智慧水利最重要的体现方式。

基于物联网模式的水库大坝安全监测智能系统是在计算机互联网的基础上，综合应用无线传感网络技术“嵌入式计算机技术”“射频识别技术”、有线（无线）数据通信技术、“电子与信息技术”、水工技术等[3]，构建一个大坝安全监测信息网络系统。所以，传感器技术向网络化发展，特别是实现无线传感网是物联网对大坝安全监测技术的必然要求。如周干武[4]等构建了基于物联网技术的土石坝安全监测自动化系统，实现对土石坝大坝变形、渗流、应力应变以及环境气象等各种因子的实时监测、采集和控制。付学奎[5]等以现代物联网技术为基础，消除了异构数据，打通所有相关数据的访问路径；将智能传感器、物联网和云计算技术应用在水利水电工程安全监测领域，有效提高了水利水电工程安全要素的自动化监测水平。魏永强[6]等针对当前大坝安全监测系统的发展现状，以及我国大坝安全监测系统的设备化“网络化智能化程度低”“系统稳定性差”、数据传输滞后和数据丢失等缺陷，提出了基于物联网模式的水库大坝安全监测智能机系统设计。

目前基于物联网的大坝安全监测多是基于物联网实现监测数据的采集，更进一步的对采集数据进行分析整理，并进行预警。但还缺乏采集设备的反馈、控制和智能化管理。如过去监测一般以固定时间间隔进行自动采集，如果时间采集间隔过低，则容易造成内存占有过大，增加采用设备使用频率，降低适用寿命，多数数据为无用数据，如果采集时间间隔过长，则容易错过数据极值，错失发现隐患时机，根据采集数据自动调整采集频率（如水位升高增加监测频次），既能保证及时发现隐患，又不至于采集数据过多。

目前物联网大坝安全监测技术仅在大中型工程中进行应用，小型工程还缺乏相应的工程经验，而物联网技术具有测量数字化和微功耗的特点，可以弥补小型水库地处偏远、无稳定电力供应的特点，开展本项研究可以实现小型水库的无人值守、智能管理，为小型水库的安全运行提供技术保障。

3 实现形式

3.1 系统集成

小型水库大部分为土石坝，土石坝的破坏形式一般有3种：洪水漫顶、渗透破坏（管涌、流土和接触渗漏等）和坝坡失稳。

《浙江省小型水库运行管理规程（试行）》中要求，土石坝必设的监测项目有环境量监测、表面变形监测和渗流量监测。

结合大坝发生破坏的形式，小型水库的监测项目有库水位监测、渗流量监测和沉降监测，有条件的可增加渗压监测和水平位移监测，具体水库监测项目见图1。其中库水位监测可以提前发现洪水漫顶情况；渗透破坏首先表现出来的是渗流量的增加，因此监测渗流量可提前发现渗流破坏现象；边坡失稳必然会导致大坝发生不正常的变形，可通过沉降监测和水平位移监测提前感知。另外重力坝、拱坝、面板堆石坝等混凝土结构防渗的坝型，受温度影响较大，还应增加温度监测项目。

图1 水库监测项目图

由传感器、数据采集单元和监测计算机构成环形网，监测计算机对所有测量控制单元进行控制，并采集所有MCU的数据，存入数据库中。综合应用无线传感网络技术、嵌入式计算机技术、射频识别技术、有线（无线）数据通信技术、电子与信息技术、水工技术等，构建一个基于物联网的小型水库大坝安全监测信息网络系统。小型水库大坝安全监测系统集成采用分层、开放式的结构型式。系统由3层网络组成。底层为感知层，即ZigBee无线传感器网络层，包括感知影响大坝安全的水位、渗流、变形等因子；中间为网络层，即WiFi/GPRS网络传输层；上层为应用层，即大坝安全监测云中心。

3.2 预测预警

预测预警的前提是数据的准确性，而观测误差在水库大坝安全监测中是客观存在的，依据其产生机理可分为3类：偶然误差、系统误差和粗差。系统通过数据自校、回归分析等手段，对粗差识别，并对数据进行自动剔除。

根据小型水库的3种破坏形式，洪水越顶通过采集水库水位数据，分析水位是否超过常水位、设计洪水位、校核洪水位等，确定是否发生洪水越顶风险。利用统计模型，计算各测点在设计水位、校核水位或给定上游水位下渗流压力或渗流量，与安全允许值进行比较。当预测值大于安全允许值，利用统计模型反推渗流压力水位在安全范围内的最小安全上游水位。边坡稳定分析采用实时采集的水位或渗压水位，按照块体极限平衡理论，采用Bishop法进行计算，采用单纯形法搜索最小安全系数，与规范值进行比较确定边坡稳定风险。另外，还可以对数据进行多元逐步回归分析和分离变量统计分析、位势分析、相关性分析、滞后性分析、化引流量分析等。根据以上分析，最终给出大坝安全状态评价。

3.3 智能管理实现

物联网的应用更多的在于信息的互联互通和智能控制。通过对监测数据的分析可以在以下方面实现智能管理和控制：

（1）过去监测一般以固定时间间隔进行自动采集，如果时间采集间隔过短，则容易造成内存占有过大，增加采集设备使用频率，降低使用寿命，多数数据为无用数据，如果采集时间间隔过长，则容易错过数据极值，错失发现隐患时机，根据采集数据自动调整采集频率（如水位升高增加监测频次），既能保证及时发现隐患，又不至于采集数据过多。因此系统通过对数据进行挖掘分析（见3.2节分析方法），根据监测平台的实时分析结果（洪水越顶风险、渗透破坏分析、边坡失稳风险），可以实现实时调整监测频次，如果洪水、渗透、边坡风险等级超限将加密采集数据。

（2）根据粗差识别，对数据进行判断，对比仪器自检结果，可以判断仪器是否失效，进而发出预警，提示更换仪器。

（3）每次数据采集前均首先进行自检，采集系统电源情况，电量不足给出报警，实时监测内存情况，当内存不足影响采集效率时，自动清空内存。

（4）对面板堆石坝、重力坝、拱坝等混凝土结构，在温度变化时，会产生较高的温度应力，进而造成结构破坏或降低使用寿命，因此根据温度监测结果，可自动实现对大坝喷淋系统的控制，通过喷水降温保证大坝安全。对大体积混凝土，尤其是拱坝，通常会建有通水降温系统，通过对坝体内部温度的监测，可以实现自动通水控制，保证大坝不产生温度裂缝。

智能管理实现方式见图2。

图2 智能管理实现方式图

4 结 语

物联网技术具有测量技术数字化和微功耗的特点，适合在小型水库中应用。针对小型水库的破坏形式，结合大坝安全监测的特点，组成小型水库大坝安全监测系统，实现基于物联网监测数据的采集分析和预警，并通过多种数据分析方法，分别确定水库的洪水越顶风险、渗透破坏风险和边坡失稳风险，最终判断大坝安全运行状态。根据监测分析结果，可以实现实时调整监测频次、判断仪器失效、电源内存管理、通水降温等智能控制。进而实现小型水库的无人值守，智能管理。