大连地区小型水库雨水情和大坝安全监测信息化平台研究

张双翼

(辽宁省水利事务服务中心，辽宁 沈阳 110003)

目前，大连市注册登记的小型水库171座，其中小Ⅰ型水库42座，小Ⅱ型水库129座。考虑到水库降等、报废等多重因素，经过各地申报并报水利部核准，最终确定对152座小型水库进行建设，其中小Ⅰ型水库42座，小II型水库110座[1]。大连地区的152座小型水库多数修建于20世纪50、60年代，受当时历史条件的限制，建设标准低，施工质量差，配套设施简陋，经过几十年的运行，工程老化、失修失管现象严重，安全隐患十分突出，严重地威胁着下游人民生命财产的安全，制约当地经济的发展[2]。目前仅有个别小型水库安装雨水情监测设施、大坝安全设施、视频监控设备，但因安装年限较久、运维缺失、技术人员缺乏，传输协议停用等众多因素最终导致各监测设施均已停用。当水库遭遇暴雨洪水时，如准备不充分、措施不到位、抢险不及时，很可能会造成垮坝失事的重大事故[3]。小型水库是大连市水利工程的重要一环，灌溉、供水效益突出，是区域防洪、农业生产、农民生活的重要基础设施，其运行管理关系到小型水库功能和效益的发挥[4]。通过物联网、云计算、大数据、5G技术等信息化手段赋能大连市小型水库管理[5- 11]，形成以水库为主体，以市、县、乡多级行政区域水库集约化管理为特征的水库综合管理模式，协助水库主管部门与“3个责任人”对水库进行有效监管，融合智能感知、监视预警、巡查管理、轨迹跟踪、事件上报、问题处置、数据统计分析、信息管理和应急预案于一体，构建小型水库整合服务体系，提供系统的、完整的、管家式服务，保障水库安全运行，为水库防洪兴利保驾护航[12- 15]。

1 信息化需求分析

1.1 监测感知需求

监测数据是小型水库防汛的基础，但是目前小型水库的监测感知设备是大连地区防汛的薄弱环节。如何获取实时数据是保障科学防汛调度管理的关键，需要结合小型水库管理的实际需求。根据实际需要为小型水库配备相应的雨量、水位、位移、渗压、渗流及视频等监测设备，借助现代科学技术信息手段，依靠现场的监测感知体系，实现对水库不同运行状态下的综合管理分析，及时发布有效的预警、预报指令。监测设施建设按照统一要求、因库制宜、简便实用原则，综合考虑工程规模、坝型特点、坝高坝长及下游影响等因素，没有设施的新建，已有设施的完善或整合，做好与现有设施衔接。

1.2 数据资源需求

数据包括实时数据、基本数据及空间数据。基本数据包括水库概况、水工建筑物、管理机构、职工以及用水单元的基本数据；空间数据包括基础空间数据：主要为基础电子地图数据，专题空间数据：包括遥测站空间分布图等；实时数据包括雨量数据、水位数据、大坝表面变形数据、渗流数据以及视频监测数据。将已有的水库基础及监测数据信息和未来小库的相关数据进行有效整合，按照国家有关标准规范协议实现与其他系统之间的数据全面共享，有效提升数据质量。

1.3 应用支撑需求

为了充分打破水利数据壁垒，进一步提升小型水库业务应用的智能化水平和能力，需要在应用支撑手段上下功夫，包括基础应用支撑，例如数据库管理、地图服务、报表服务、身份认证服务等；专业应用支撑包括关系曲线测算、抗雨能力分析、视频智能报警等等，充分实现资源的整合共享，提升综合分析应用的能力，实现平台功能的通用化、专业化和多样化。

1.4 业务功能需求

小库防洪安全是防汛治理体系环节中的重中之重，开发建设大连市小型水库雨水情和大坝安全综合监管平台，将平台功能进行角色权限划分，实现多部门、多用户的广泛应用。根据实际应用需求，平台功能应覆盖小型水库雨水情及大坝安全分析、防汛预警管理、巡检事件、视频查看、统一报表管理、数据综合分析等各个方面，及时发现水库运行风险和安全隐患，及时防范和化解风险、消除隐患、发布预警，提高水库运行管理水平。

1.5 性能安全需求

根据水利防汛等业务需求和信息化目标，性能主要包括技术要求、运行环境、兼容性、先进性、适用性、安全性、扩展性、易操作性等。安全需求包括现场网络安全、主机安全、数据安全及安全管理等各方面，对于容易受到攻击者选定为目标的政府机构，由于水利业务系统信息的敏感性，防汛抗旱等水利信息系统一旦发生数据泄露、篡改、破坏、丢失等安全事件，将会严重影响水利行业的正常工作，进而损害人民群众的生命财产安全等切身利益。因此水利业务系统建设时必须充分考虑安全性问题。

2 总体设计框架

充分运用“云物移大智”等信息技术赋能水库管理全过程，完成大连市小型水库雨水情测报和安全监测设施的建设，加强水库雨情、水情、工情以及视频信息的采集、传输与处理，为小型水库的防汛指挥和日常管理提供决策支持，并推动大连市小型水库管理规范化、精细化、智能化的跨越式发展，提高大连市智慧水务建设水平为建设目标，以建设目标为指引，构建“六横两纵”的大连市小型水库雨水情和大坝安全综合监管平台的总体框架，“六横”包括物联感知、网络通信、基础设施、数据中心、应用支撑、业务应用6个层面，“两纵”分别是网络安全体系和保障体系，如图1所示。

3 建设内容

主要包括雨水情监测和大坝安全监测，以及水库大坝安全综合监管平台。5座水库有5G信号覆盖，可采用5G技术将监测数据回传至数据中心，本身5G具有高带宽，低时延，大连接等技术优势，因此可提升用户体验，从而打破原有传统水利行业，推动水利行业迈向高质量发展。其他水库可采用4G无线网络进行数据传输。

图1 平台总体框架图

3.1 雨水情监测

对大连地区152座小型水库进行勘察。综合大坝类型、流域面积、坝高、坝长、施工条件等因素，对152座水库布设雨水情、视频监控等设备，对除王家店水库、凌水水库、金普新区石河街道东沟水库、山里水库四座重力坝水库以外的148座水库布设渗流压力、渗流量、表面变形等设备，实时采集监测信息，采集的信息通过远传终端传输至数据中心。

(1)雨水情监测系统组成

雨水情监测站主要由遥测终端机、通讯模块、雨量计、水位计、设备终端箱、供电系统等组成。根据布设原则进行站点布设，设备供电采用太阳能浮充蓄电池供电，采集数据定时通过通讯模块进行数据传输，集中汇至小型水库数据接收平台。监测系统结构如图2所示。

(2)视频监控系统组成

视频监控站主要由网络摄像机、存储卡、设备终端箱、供电系统等组成。视频采集图像和图片通过通信网络进行数据传输，集中汇至小型水库视频接收平台。监测系统结构如图3所示。

3.2 大坝安全情监测

(1)渗流压力监测系统组成

渗流压力监测站主要由数据采集单元、渗压计、设备终端箱、供电系统等组成。每日采集数据定时通过通讯模块进行数据传输，集中汇至小型水库数据接收平台。渗流压力监测系统结构如图4所示。

图2 库水位监测站系统结构图

图3 视频监控系统拓扑图

(2)渗流量监测系统组成

渗流量监测站主要由数据采集单元、通讯模块、量水堰仪、设备终端箱、供电系统等组成。每日采集数据定时通过通讯模块进行数据传输，集中汇至小型水库数据接收平台。

(3)变形观测系统组成

表面变形监测站主要由GNSS接收机、强制对中器、供电系统等组成。每日采集数据定时通过通讯模块进行数据传输，集中汇至小型水库数据接收平台。

3.3 信息化综合监管平台

为规范和加强小型水库信息化建设，提高小型水库安全管理水平，更好地发挥小型水库效益，对全市小型水库进行动态监控，实现雨水情和大坝安全采集规范化、自动化，为小型水库安全管理和水资源的合理利用提供准确、及时和充分的基础信息支撑。建立可持续的水库大坝安全综合监管平台。平台主要包括综合大屏、智能看板、一张图、雨水情、大坝安全、视频监控、预警管理、报表管理、巡查管理、事件管理、考核管理、水库档案、设备管理、信息管理、通知管理、系统管理以及移动app功能模块，构建的信息综合监管平台如图5所示。

3.4 移动APP管理平台

充分借助移动应用基础广泛的特点，开发移动应用端，实现“多功能合一”，集水库管理工作、信息监视、水库巡查、事件处理、消息提醒等重要功能于移动APP，最大化丰富移动端应用，实现政务人员不论何时、何地，随时查看水库相关基础信息、实时信息，并能及时处理重要事件，为工作者提供真正的全方位的移动指挥办公手段。移动APP具体功能包括首页，综合监视、水库巡查、事件管理、我的5大功能模块如图6所示。

图4 渗流压力监测系统拓扑图

图5 信息化综合监管平台

图6 小型水库移动APP功能框架

4 结语

(1)小型水库雨水情监测设施供电十分重要，供电主要采用太阳能板浮充蓄电池方式，为了接收较强的太阳辐射，太阳能板的安装角度建议与当地的纬度保持一致，即南偏西方向。太阳能供电系统中太阳能板建议选取60W单晶硅太阳能板、蓄电池选12V 65AH的耐低温胶体电池。

(2)水库综合管理系统也可以对外提供数据接口服务，其他业务系统可以通过数据接口进行数据共享。实现数据资源共享、业务应用的交互协同。建设标准化的数据接口可以加强数据流通与整合，同时还可以促进数据资源的充分利用，也可满足“城市大脑”的需求，从而实现与“城市大脑”的对接。