某中型水库水情测报及大坝安全监测建设改造方案研究

区文柱

(国电大渡河大岗山水电开发有限公司，四川 雅安 625409)

1 工程概况

某水库工程2007年开工建设，2013年通过竣工验收。水库水情测报及大坝安全监测系统于2009年开始建设，全套系统建成以来，为水库的管理工作提供了极大的帮助，发挥了很好的效益，至今系统已运行10年有余。随着使用年限的延长，近年来运行维护工作量逐年增加，目前各子系统运行不稳定，外围站点故障率持续增高，中心应用系统功能无法满足日益增长的管理需求的问题也渐渐暴露出来，系统已不适应该水库工程管理的需要。根据水库水情测报及大坝安全监测系统运行的实际情况和水库管理的迫切需求，对水情测报、大坝安全监测系统及水库枢纽区视频监控系统进行改造[1]。本文通过水库水情测报、大坝安全监测系统及水库枢纽区视频监控系统现阶段存在的问题进行改造方案研究。

2 系统存在的主要问题

该水库水情测报及大坝安全监测系统于2009年开始建设，主要建设内容包括：上游径流区自动雨量站2个、自动水位雨量站2个、六要素气象站1个、库区视频监测站10个、浸润线监测站8个、渗流量监测站1个、人工蒸发观测站1个、会议系统1套、中心视频监控电视墙1套、中心数据接收处理软硬件平台1套及视频传输专线2条。经过8年的运行，主要存在以下问题[2]：

1) 设备老化现象严重，故障率上升。电子设备都存在一定的使用寿命，该系统始建于2009年，至今已运行8年时间，设备老化现象非常严重，导致整套系统故障频发。如遥测终端故障导致数据不能持续采集传输，或者传回的数据误差值较大不能使用。

2) 产品技术陈旧，维修零件不易购买。系统建设时所选设备均为当时最先进的设备，但经过8年的发展，当时的技术相比现在已经落后太多。如遥测终端和通信模块如今基本已合二为一，当时所用监测摄像机市场主流还是模拟摄像机，数字摄像机才处于起步摸索阶段。而现在高清网络摄像机早已取代模拟摄像机成为市场的绝对主流，模拟摄像机则已基本退出市场。故而对损坏设备的维修维护也变得越发困难，需更换的零部件无法采购而导致部份站点无法正常修复，这也是导致系统部份站点无法正常运维的的根本原因。10路视频图像回传至监控中心后，分别采用10台小屏幕液晶电视进行显示，屏与屏之间不能高速互换及叠加比较与分析，单一屏体损坏后，线路临时调整极为困难，管理人员使用多有不便。

3) 系统结构落后，不符合当前管理需要。系统的中心软件平台采用的C/S结构，操作人员只有在安装了客户端的3台工作站上才能看到水库运行管理所需要的监测信息，原水情测报及大坝安全监测软件界面过于陈旧，水情数据仅仅只是展示，没有进行深层次的加工与处理，数据趋势变化与按需统计等功能性能偏弱，没有真正的服务于管理。

水库管理所可以调看视频监控系统提供的10路实时视频，但为了实现视频图像向水库管理局及市水务局的传输，8年来管理局一直在使用租赁的两条光纤专线。实际上水库管理局及市水务局对于视频系统的使用频度并不高，也没有视频存储的需求，为了进一步减少运行费用，降低维护难度，应改变传输的模式，放弃2条空置率较高的专线而采用互联网化线路接入，以便于广泛的互联网化的管理，也更适应社会发展的需要

3 升级改造设计

3.1 水情测报部分

水库水雨情测报系统包括2个自动雨量站、1个入流浮子式自动水位雨量站、1个库区雷达式自动水位雨量站、1个出流浮子式自动水位雨量站、1个人工蒸发观测皿及1个六要素气象观测站。

根据使用总结的经验[3]，目前已建水雨情测报站点基本能满足收集库区上下游水雨情数据的需要，故无需再增加站点，仅对站点老化的主要设备进行更换。

3.1.1 水位站

水库自动水位站包括1个入流浮子式自动水位雨量站-滚水坝(石门冲入流站)、1个库区雷达式自动水位雨量站、1个出流浮子式自动水位雨量站，共计3个。其中，库区水位站于2015年10月将传感器由原用的气泡式水位计更换为雷达式水位计，至今运行正常，测量数据在误差范围内。但由于遥测终端和通信模块使用年限过长，运行极不稳定，导致经常无法将数据传回中心，影响了整套系统的运行。同样，经现场检测，入流水位站和出流水位站的传感器运行均正常，但遥测终端和通信模块的不稳定导致系统经常收不到数据，需要进行更换。由于运行年限过长，蓄电池也同样存在老化严重的问题，需要更换。

因此，对于3个水位站的主要改造内容是更换老化严重的设备，排除由于设备老化导致的系统运行不稳定性问题。主要改造设备材料清单见表1。

3.1.2 雨量站

自动雨量站存在的问题与自动水位站基本相同，都是传感器运行正常，但遥测终端、通讯模块、蓄电池、太阳能板等老化严重运行不稳定。因此，采取和水位站同样的改造措施，更换老化严重的设备，排除由于设备老化导致的系统运行不稳定性问题。主要改造设备材料清单见表2。

3.2 大坝安全监测部分

3.2.1 浸润线监测

该水库大坝安全监测系统浸润线监测原来采用的是细井式浮子水位计，建设初期其测量值比较精准，完全可以满足对浸润线内部水位监测的需要。但随着大坝运行的时间越来越长，浸润线井内的环境逐渐变得恶劣，如新建时笔直的直井管道由于大坝的自然形变等导致管井不再平直，部分发生形变，或管道长期受到侵蚀腐蚀导致管壁变厚管径变小，从而导致浮子在管井中的运行受到影响，上下行通道不再顺畅，甚至出现被卡死的现象，导致测到的水位值误差过大，其数值已不能代表实际的水位数值。而遥测终端、通讯模块、蓄电池、太阳能板等设备也同样存在老化严重运行不稳定的问题。因此，必须针对现状来对整套系统进行改造[4]。

针对传感器由于管井变形，浮子在管井中运行不顺畅甚至卡死导致测量到的水位值与实际水位值不符合的情况，选择投入式压力水位计作为水位传感器。因为投入式压力水位计的工作原理是在它布设到位以后不需要根据水位浮动。但投入式压力水位计由于安装位置接近井底，极容易被污泥淤积堵塞探头导致数据不准。因此需加强人工维护管理，定期将水位计取出进行清洗并校核数据的准确性。针对其他老化严重的主要设备，采取对遥测终端、通讯模块、蓄电池、太阳能板等进行更换处理。同时为了便于校核水位数据，增加一只钢尺水位计，用于人工测量浸润线，通过定期测量浸润线内水位与自动站测量数据比较校核。

3.2.2 渗流量监测

渗流量传感器测量数据一直比较准确，只出现一次故障，返厂维修后数据一直不准确，需更换。同时需更换站点老化严重的设备和核心设备，如数据遥测终端、蓄电池、太阳能板等。

3.2.3 高音广播站

为防止在溢洪道泄洪期内有人在溢洪道附近进行捕捞等活动导致有生命危险，在气象站右侧山上建一个高音广播站，值班人员在发现溢洪道附近有人时，可立刻通过高音广播进行警告，通知人员离开。

3.2.4 主要改造材料

水库大坝安全监测系统主要改造更换设备材料清见表3。

3.3 视频监控部分

3.3.1 视频采集

水库视频监控系统共建有10路摄像机，采用的设备是当时主流的模拟摄像机。电子产品发展到今天，模拟摄像机已基本被淘汰。而且在实际管理应用中，也感觉到原建的10路视频图像还不能完全满足水库管理的需要，如库尾管护区没有防护，水库的入库道路到坝区的覆盖还有所不足。因此，针对视频采集部分，改造内容如下[5]：

1) 将现在还在使用的8只模拟摄像机全部更换为高清网络球形摄像机，以便能将更清晰的图像传回中心，便于中心管理人员更准确地分辨前端的实时情况，作出更有效的应对。

2) 水库管理区的入口到水库管理中心的距离较长，而且经过村庄，路况较复杂。因此，在这段道路有必要增加4只摄像机，对水库入口道路进行监控，发现问题及时处理，以保障水库进出道路的畅通。

3) 在水库枢纽区原建系统不能覆盖的地方，新增4只高清网络摄像机，以对这些关键部位加强防护。

4) 在水库库尾的4个库区管护点，分别增加4台高清网络摄像机，在管护房内分别配置一台硬盘录像机，在本地进行存储显示，图像不传回中心。主要改造设备材料见表4。

表4 视频采集主要改造设备材料清单表

3.3.2 视频传输

1) 摄像机至水库管理中心原系统中，各点基本是采用光纤为主干进行传输。采用光端机进行视频信号和控制信号的转换和传输。摄像机至光端机发射端和光端机接收端到硬盘录像机都是使用同轴电缆和2芯线作为视频信号和控制信号的传输线缆。更换为高清网络摄像机后，需将光端机更换为光纤收发器，利用原有光纤链路作为传输主干，末端改为超五类双绞线链接。

2) 水库管理中心至管理局至市水务局。原系统中，水库管理中心至水库管理局的传输链路为租用的一条10M电信SDH专线，水库管理局至水务局的传输链路为租用的一条10M广电SDH专线。主要存在问题有两级链路两次费用，链路并非随时在使用，利用率不高，只能在链路接入点调看图像等。

3) 改造方案。建议在水库管理中心拉一条20M电信因特网固定IP专线，在费用不比两条10M电信专线费用高的情况下，管理局和水务局的领导也可以通过授权方式在任何可以上网的地方调看水库图像，了解水库的实时情况。同时，安装对应的手机APP，更可以在手机上调看各路摄像机的实时图像，为水库管理提供更开放、更便捷的手段。

3.3.3 中心处理与存储

原系统为模拟系统，中心的主要控制设备为视频矩阵和控制键盘，主要存储设备为一台10路硬盘录像机。随着前端设备的更换，中心相关设备也必须对应进行更换。主要更换设备为对应的32路硬盘录像机，增加配套的交换机等设备。

3.4 大屏显示部分

水库视频监控系统的主要显示设备由一台大电视及10台14寸监视器组成的电视墙。由于在画面小，分辨率低，显示效果无法达到很好的观察效果，需要进行更换。电视墙的替换产品主要有两种选择，一种是选择DLP拼接屏；另一种是选用小间距LED显示屏。两者相比，小间距LED显示屏的亮度更高，色彩更为艳丽。其缺陷在于距离过近时，LED的间距会导致画面感不强。但考虑到该水库的大屏主要用于显示监控画面，同时会议室是较为狭长的形状，那么小间距LED显示屏是更好的一个选择。

由于LED屏的安装必须考虑屏后的检修空间，如果安装在原电视墙安装位置，将会占用很大一部分会议室面积，也不利于安装，原位置不是太合适。考虑到会议室与机房仅一墙之隔，将LED屏安装在机房侧墙，背部与机房相通，检修可以直接在机房内进行，便于检修的同时，还有效保留了会议室的空间。因此，建议对会议室进行简单改造，针对屏安装位置的改变，对会议室的门窗相应进行改造以便于人员出入。同时，在大屏上方安装一组 LED 条屏用于展示。

3.5 中心站硬件平台部分

原系统中采用一台服务器作为水雨情测报及大坝安全监测系统的数据接收、数据处理及数据发布服务器，同时配备对应的电脑作为管理人员监看数据的工作站。服务器经过6年不间断的运行，现在老化非常严重，存在速度低、经常死机等问题。

为保障系统正常运行，需要更换服务器和相应的工作站。考虑到现在技术的发展进步，为避免服务器的老化及故障导致系统出现问题，建议不再单独购置服务器，而是采取租赁云服务器的方式，租用云服务器主要有安全性高、稳定性强和价格便宜的优势。

4 结论及建议

水情自动测报系统和大坝安全监测系统在该水库防汛调度中发挥着不可替代的作用，为充分发挥水库监测系统的作用，使水库管理人员及时、准确、有效地掌握库区水情信息，进行科学调度，本次水情测报和大坝安全监测系统改造建设在总体设计上本着“系统分析、合理规划、优化设计”的原则，保证系统的稳定可靠、技术先进，并兼顾系统筹建运行的合理经济性，能够及时准确地为库区和下游提供准确科学的水情预报。项目于2018年开始建设，2019年3月完成并投入使用。