北斗云智能监测技术在建新水库的应用

黄院生，黄若迪

（1.福建省水利管理中心，350001，福州；2.中化明达（福建）地质勘测有限公司，350001，福州）

对水工建筑物的监测，既包括对水工建筑物固定测点按一定频次进行的仪器观测，也包括对水工建筑物外表及内部定期或不定期的直观检查和仪器探查。 根据国务院《水库大坝安全管理条例》， 以及水利水电工程安全监测技术规范等要求， 水库大坝必须开展安全监测。 大坝监测是通过仪器观测和巡视检查等手段， 对大坝工程主要结构及相关设施等进行测量及观察， 及时取得反映大坝变化以及环境对大坝作用的各种数据， 并进行相应资料处理等的工作， 其目的是分析估计大坝的安全程度，以便及时采取措施，确保大坝安全运行。 大坝监测通常采用人工观测的较多， 随着各类监测仪器、传感技术的升级以及计算机、物联网技术的普及， 大坝监测正在向自动化、智能化发展。 智能监测是大坝监测的发展方向。

一、北斗云智能监测技术

北斗云智能监测技术可通过卫星、水位传感器、雨量传感器等采集数据，将数据经通信网络传输到阿里云服务器， 并搭建由地图服务器、数据库服务器、文件服务器等组成的各类数据交互的北斗监测云平台，数据经后台专业软件解算、 数值分析，所得结果在网站、手机、电脑等终端及时发布，达到“观测智能、预报精确”的效果。 目前北斗云智能监测的项目有变形监测、雨量监测、水位监测、裂缝监测、视频监视，以及软基监测、山坡监测、水质监测等。

二、建新水库概况

福建省建新水库是一座以灌溉为主，兼具防洪、发电、养鱼等功能的中型水库。 该水库于1970 年12 月动工兴建，1974 年 5 月枢纽工程基本建成，1977—1980 年完成保坝加固；水库集雨面积为44.8 km2，相应总库容3 892 万 m3。

建新水库枢纽工程由大坝、溢洪道、输水涵洞、坝后电站等组成。 大坝坝型为黏土心墙土石混合坝，坝顶高程77.79 m，防浪墙顶高程78.60 m，心墙顶高程75.26 m，最大坝高50.79 m，坝顶长度335.00 m，坝顶宽度5.00 m。水库下游保护人口4 万多人， 农田3万多亩（1 亩=1/15 hm2），以及福厦高速公路、福厦铁路等重要基础设施。

目前建新水库的大坝监测为人工观测， 水平位移观测采用视准线法，垂直位移观测采用水准法。 坝顶下游侧设观测点一排5 个，在迎水坡74.7 m 高程和背水坡 67.0 m、57.0 m高程各布置一排观测点， 每排5 点，共20 点。 水库雨情观测采用雨量斗，数据通过模拟无线信号传输，在大坝及水库流域共设3 套雨情观测设备。由于水库管理单位缺乏技术人员，无法根据规范要求进行大坝水平位移、垂直位移观测， 变形观测数据缺乏，相应的变形观测分析不足；3 套雨量观测设备经过9 年运行出现各种问题，不能正常地发报数据。2018 年，针对水库观测设施存在的问题，建新水库工程引进北斗云智能监测技术开展大坝监测。

三、北斗云智能监测技术在建新水库的应用

1.平台架构

北斗云智能监测平台采用应用服务器为Tomcat，与之交互的数据库为 MySQL，平台强大、稳定、安全。 平台将所监测点位变形监测数据和雨量、 水位等水雨情监测数据实时上传并加以分析处理， 然后以对应的文字图表、 成果判读展示在手机或电脑终端上， 若是有任何异常则可以采取应急措施， 同时也可以根据时间段来查询历史数据， 以分析大坝运行是否正常。 监测平台架构示意图见图1。

图1 监测平台架构示意图

2.测点布置

2010 年建新水库大坝采用低弹模混凝土防渗墙进行防渗加固，并在防渗墙上设置混凝土防浪墙，防浪墙与低弹模混凝土连为一体。 为监测大坝，尤其监测低弹模混凝土防渗墙的变形情况，在防浪墙上布置北斗云智能变形监测系统。 共布置5 个观测点进行大坝水平位移、垂直位移变形观测，桩号分别为 0+060、0+120、0+180、0+240、0+300； 另在大坝左侧山体布置1 个变形观测基点。 以上6 个观测点采用6 个北斗云GNSS 监测一体机进行监测； 同时结合水雨情改造，水库设3 套雨量观测点、1 套水位观测点、1 套水位雨量观测点。大坝水平位移、垂直位移监测设备选用市电降压后供电，水雨情观测设备由太阳能电池板供电。 各监测设施均安装防雷装置，由接闪器、引下线和接地装置组成，用以防御雷电攻击。

3.功能与参数

（1）变形监测

北斗云GNSS 监测一体机是一种高定位精度的GNSS 设备， 具有RTK动态测量和静态测量两种观测模式，功耗低， 支持芯片级多路径抑制，可为用户提供毫米级载波相位观测值。监测一体机在原生搭载分布式大数据处理算法基础上进行北斗云GNSS高精度变形监测数据处理，实现数据实时采集、现场分布式计算与远程传输，实时掌握被监测体的瞬时形变情况， 达到对坝体瞬时形变监测的需求。 静态测量数据采用北斗云GNSS算法处理后可达到亚毫米级精度。 有关参数见表1。

表1 GNSS 监测一体机设备参数表

（2）水雨情观测

雨量传感器为机械双稳态结构，工作原理类似于跷跷板：当一斗室接水时，另一斗室处于等待状态，当所接雨水容积达到预定值时，由于重力作用自行翻倒，进入等待状态，如此反复交替接水，有关参数见表2；水位监测传感器为压力式， 精度达到0.1%、0.3%、0.5%F.S 级。 雨量、水位监测传感器所采集的数据通过有线传输至北斗云数据采集仪，再通过LoRa物联网传输模块无线传输至北斗云路由器，统一上传至服务器端。

表2 雨量传感器参数表

4.设备安装

根据观测需求布置测点，检查仪器及配件是否完备。 安装变形监测设备时现场开挖一个长110 cm、 宽80 cm、深70 cm 的基坑作为基础，用于安装立柱支架和放置蓄电瓶等设备；固定立柱并在立柱支架上安装北斗云GNSS 监测一体机、 太阳能板及其他设备； 连接各种线路并安装好4G天线以及LoRa 天线。

安装雨量、 水位监测设备时可参照变形监测设备安装工艺，其中水位传感器布置在水库水位观测位置即可。

根据北斗云智能监测规划设计，建新水库管理单位于 2018 年 10 月开始采购及定制设备，11—12 月安装调试维护设备，并构建网络、软件平台，2019 年 1 月设备试运行。 主要安装设备包括GNSS 变形监测一体机6台、单雨量观测站3 套、坝头水位雨量站1 套、渠道水位站1 套以及防雷设备 11 批。

5.监测成果分析

北斗云所有监测成果在线自动提供，无须人工干预，任何安卓手机、电脑都可以作为操作终端。 建新水库的观测成果包括实时水平位移、垂直位移变形、实时雨量、实时水位等，软件平台可自动绘制位移量与时间关系曲线、 沉陷量与时间关系曲线，计算流域内雨量加权平均值，以及分析实时水位与库容关系、水位与流量关系等，自动生成监测月报成果、监测年报成果，并根据变形监测成果判读工程是否正常运行或进一步分析，达到智能监测的目的。

根据2019 年监测成果可知，2019年建新水库坝头雨量站累计年降雨量 1 465.00 mm， 年最大日降雨量81.40 mm， 年最高库水位 68.35 m，相应库容2 286.37 万m3；年最大累计位移量出现在#2 变形监测点，累计位移7.115 mm； 年最大累计沉陷量出现在#2 变形监测点， 累计沉陷2.701 mm。通过累计沉陷量与时间关系图分析，沉陷曲线趋于平稳， 且沉陷速度减缓，变形符合土石坝变形规律，综合判读水库大坝运行正常。

6.应用展望

未来将以单个坝体为监测及分析单元，通过对降雨量、库水位、坝体表面变形、 内部变形、 渗漏量等各类监测数据和曲线进行分析判定， 将同一监测点或多个监测点的变形速率—时间曲线和累计变形—时间曲线进行对比分析， 结合卫星遥感数据、 无人机影像等监测数据， 探索坝体变形演化过程的不同因素，尤其是坝体变形、降水量、渗漏量影响和产生不利变化的临界条件，确定多尺度的预警阈值，进一步研究水库大坝北斗云监测预警预报模型。