垛庄水库自动化监测系统建设与应用

丁若冰

（山东省水利科学研究院，山东 济南 250014）

垛庄水库于2003年被列入国家病险水库，一直以来水库安全监测设备配套率低，自动化监测水平更是存在较大漏洞。针对垛庄水库实际情况，建立了水库安全自动化监测系统，该系统集大坝安全监测、洪水预报、视频监控、数据处理于一体，实现了对垛庄水库全方位的实时监测。并配备了新型的大坝位移和渗流监测设备，提高了监测准确性和稳定性，最大程度的增加了监测系统的可靠性。

1 工程概况

垛庄水库位于章丘区垛庄镇，控制流域面积56 km2，设计洪水标准为100年一遇，校核洪水标准为500年一遇。设计洪水位304.3 m，校核洪水位305.1 m，总库容1 189万m3，是以防洪、灌溉为主，兼有供水、旅游等多功能用途的中型水库。水库始建于1966年10月，1967年7月完成大坝、溢洪道和放水洞工程，1974年保安全工程建成溢洪闸。水库工程枢纽由大坝、溢洪道、非常溢洪道、高（低）放水洞、电站等组成，坝顶高程307.0 m，顶宽5.8 m，最大坝高40.0 m。该水库于2003年被列入国家病险水库规划，为确保水库安全，需对水库实施安全监测。

2 水库安全自动监测系统建设的必要性

水库自动化监测系统对于日常运行管理、洪水调度、安全监测都有十分重要的意义。

1）数据采集、传输、分析的自动化需求。水库管理者迫切希望利用最新的传感探测技术和互联网传输技术，实时自动采集气象、水文、大坝应力、形变、水位、水压渗压、水质、振动等各项参数，给决策者提供必要的数据支持。

2）电子档案信息化需求。为便于调阅和统计分析，迫切需要档案资料的电子化处理。

3）洪水预报调度精准、自动化需求。基本水文数据的自动采集、积累和分析，并及时作出洪峰流量、洪水总量、时间等数据的预报，以及通过自模拟学习，逐步提高预报精度和自动化程度，是水库管理者的另一需求。

4）大坝安全监测的自动化需求。大坝变形、位移监测和浸润线监测等内容一般均由人工完成，对工作人员专业性要求较高，因此自动化是未来水库安全监测的必然之路。

3 水库安全监测自动化系统设计

3.1 系统总体组成

系统总体结构以NET技术为开发平台、SQL Server为存储数据库，以模型库、无线传输、空间信息等技术为支撑，采用最新的软件集成与信息处理技术，对系统进行开发与建设，系统体系结构主要包括信息采集、数据传输网络、智能化服务平台。

3.2 系统软件

系统用户界面采用B/S架构进行软件开发。分为查询浏览子系统、信息发布子系统、档案管理子系统、控制流域管理子系统、供水监测子系统、洪水预报调度系统、水库安全监测子系统、视频监控子系统和数据维护子系统等部分。

3.3 数据采集

1）大坝水平位移。采用激光引张线法，采集水平位移及移动速率。

2）垂直位移。采用激光静力水准测量法，利用激光位移传感器直接测量基准点和测量点液面高度的变化，从而求出测量点得沉降量。精度可达±0.1 mm，有良好的跟随性，可实现实时自动化测量、数据分析、预警。

3）浸润线。使用预制式过滤管和自检式水压力计，该水压力计可以进行自检，检查仪器是否工作正常。

4）水位。分别在溢洪道上、下游、闸墩放置电子水尺，对水库大坝上下游水库的实时监测。

5）温度。放置温度计，分别采集坝体表面、坝身及坝基的温度。

6）水质。采用在线检测仪实时监测渗流的pH值、水温、溶解氧、电导率及浊度。

7）水雨情。在水库控制区域内放置翻斗式雨量计采集雨量信息，并通过计算机软件根据实时雨水情信息和降雨预报过程进行洪水计算和未来雨情模拟。

8）视频监测。采用彩色/黑白摄像机加红外灯的方式，在任何天气下均能清晰的观测大坝外部整体状态。

3.4 数据传输

1）水库与管理局采用光纤连接，光纤沿大坝敷设，中途与大坝安全、水位等监测点连接，传输视频、建筑物安全监测等信息。

2）上游位置偏远地带，根据信号强度测试情况，选择采用GPRS、3G或4G技术将信息发送至系统数据管理平台。

3）对于较大型的水库，采用ZigBee技术将闸控、视频、建筑物安全监测、水位等信息传输到分中心监控主机，通过主干光纤传输至水库安全运行综合监测系统平台。

3.5 系统保障措施

1）自动测报系统要采用可靠、先进、实用、标准的技术和设备，保证系统能长期稳定运行，并给系统技术更新、功能升级、接口扩展留有余地。

2）交流电源增加浪涌吸收装置。采用光隔离技术/压敏电阻等浪涌吸收元件隔离或吸收雷电冲击，以有效防止信号线上引入的感应雷电对设备的冲击。

4 应用效果

1）系统主界面。不同用户根据权限登陆查看水库档案资料和实时监测信息。

2）系统内过程图。以时间和测量项目为横纵坐标，自动出图以反映监测值的变化情况。

3）大坝渗流监测。按照大坝各监测断面的比例显示；可观测当前水位和大坝浸润线；可切换显示不同监测断面；可动画显示大坝浸润线在一段时间内的变化情况。

4）洪水调度操作。根据洪水调度方案，可分别对泄洪闸和放水洞进行调控。

5 结语

1）档案电子化。将实体档案转变为电子档案，将物理上分布于各地的水库档案数据，电子化处理并集中存储，形成一个虚拟电子档案中心。

2）大坝安全监测自动化。采用自主研发的激光引张线法、激光静力水准测量方法和预制式过滤管配合自检式水压力计，提高了观测精度，保证了监测数据的准确性和连续性。

3）洪水预报。建立了具有山东省流域特点的洪水预报数学模型，针对某一水库或某一流域相关联的水库群，根据降雨及下垫面条件进行洪水预报，并可通过自模拟学习，不断地根据新的实测值来校正或改善原有预报模型参数，完善初始条件，逐步提高预报精度，使洪水预报结果更接近于真实值。

垛庄水库自动化安全监测系统已投入使用近3年，突破了以往单一监测设备独成系统，数据不融合，操作性差等限制，实现了水库的高效运行，最大限度的节省了人力、物力，为水库安全运行、智慧水库的建设起到了良好的示范作用。