英德市小型水库雨水情测报和大坝安全监测系统建设

高月明 陈希谣 李梓岚 广东华南水电高新技术开发有限公司

英德市地处广东省清远市，位于北纬23°50′31″～ 24°33′11″，东经112°45′15″～ 113°55′38″，水资源丰富，全市多年平均降水量1900毫米，现有小型水库123宗。英德市小型水库雨水情测报的建设工作尚未完善，大坝安全监测系统建设仍处于起步阶段，无法为小型水库的运行管理提供可靠的数据基础。因此，小型水库雨水情测报和大坝安全监测系统作为英德市防洪体系中的薄弱环节，亟需补齐短板。

1.建设现状

（1）雨水情测报设施。水雨情图像监测方面，英德市目前有110宗小型水库完成建设，其中部分水库的水雨情图像监测站由于管理不当不能正常运行；视频图像监视设施方面，目前建设现状无法满足广东省的建设要求，总体情况较为落后。

（2）大坝安全监测设施。目前英德市仅有10宗小型水库完成渗流量监测站，小型水库渗流压力、表面位移等大坝安全监测方面仍未开展建设工作，仅依靠传统的人工观测方式进行管理，安全隐患难以发现。

（3）水库动态监管系统。英德市现有水库动态监管系统软件目前仅实现了对水库水位、降雨量、实时现场图像等信息的管理、查询、显示及预警等功能，而对于大坝安全监测信息则无相关智能应用，无法对拟建设大坝安全监测设施水库的海量监测数据进行分析并实现大坝安全隐患预警。

2.建设目标

2.1 建设原则

①需求牵引、统筹考虑。围绕小型水库安全运行管理对信息感知处理需求，合理选择监测要素、通信方式和预警方式，兼顾小型水库信息管理、调度决策、运行管理等功能要求，整体设计，提出支撑小型水库全生命周期管理的综合解决方案。

②因地制宜、整合共享。因地制宜提出小型水库雨水情测报和大坝安全监测设施建设方案，充分利用现有网络、计算、存储、数据库等水利信息化资源和水文水资源监测设施，实现与相关水利业务应用系统数据共享，推进建立小型水库监测预警信息共享机制。

③衔接配套、实用安全。小型水库雨水情测报和大坝安全监测设施建设解决方案应与小型水库安全管理模式相适应，与水库应急预案、防洪调度监测衔接，与水库日常管理要求相配套，具备必要的网络信息安全防护功能。

2.2 建设目标

紧紧围绕水库管理现代化的需求，在英德市现有小型水库监测体系的基础上，充分利用智能传感设备、物联网、大数据、人工智能等新技术新手段，逐步完善英德市123宗小型水库水雨情监测和大坝安全监测设施，推动小型水库监测预警能力提升，逐步建立雨水情、工情的自动采集、远程传输、定期分析、自动预警相结合的现代化监测预警体系，为水库安全鉴定、除险加固方案制定和防汛指挥调度提供数据依据，为水库安全管理发挥实效。

2.3 建设内容

英德市小型水库监测设施建设主要分为小型水库雨水情、大坝安全自动化监测设施建设两部分。小型水库雨水情监测建设主要包括水雨情视频监控站、坝背视频监控站、溢洪道视频监控站、溢洪道视频监控站等的新建工作，已建 “三要素”监测站的升级改造工作及溢洪道泄流能力分析等辅助项目工作；大坝安全自动化监测建设包括、渗流压力监测设施、表面变形监测设施等建设工作及水库大坝安全监测平台软件、信息汇集与共享服务平台软件开发等辅助项目工作。

3.建设方案

3.1 总体架构

本项目基于物联网、大数据、云计算、人工智能以及移动互联网等高新技术的应用，从水库管理的实际需求出发，建设了涵盖雨水情测报、大坝安全监测设备以及数据采集和汇集应用的水库大坝安全监测平台，实现了英德市小型水库实时信息的采集、传输、存储、共享、分析及预警等，为指挥决策提供科学依据和现代化手段，提高水库防汛抢险的效率和效能。

英德市小型水库监测设施建设采用三层体系结构，如图1所示。其中信息采集作为系统的基本组成部分，通信和计算机网络是整个系统应用平台，提供其系统信息传输通道，也是整个系统的基础；其用户层主要是为不同对象服务的应用系统，是整个系统建设的目的和核心。

图1 系统总体架构图

3.1.1 采集层

实时准确地采集水库的库水位、降雨量、视频图像、大坝安全等信息，物联网终端存储、加密后实时或定时发送到管理部门的服务器。物联网终端必须同时兼容多种信道传输，如4G网络等。

3.1.2 数据层

数据接收入库服务负责实时接收物联网终端发送来的数据，必须能够快速、稳定、准确地处理、解析实时数据，且在大量终端（3000数量级以上）并发传输时依然能够保证期性能不出现明显下降。数据共享服务负责实现与相关业务平台的信息共享。

3.1.3 应用体系

1）支撑层：主要包括应用系统运行所必须的支撑服务。主要有Web应用服务器、GIS服务、数据访问服务、AI模型等。

2）应用层：包括水库大坝安全监测平台的Web应用、Web服务以及移动端应用。在此系统中可以监测、查询、分析、统计水库大坝的运行状况等信息。Web服务主要是对外提供数据接口，供其它应用系统调用，以无缝接入到其它系统中去。保证系统的扩展性和可移植性。

3）用户层：用户主要有两类。一是管理人员，包括水库管理所、各级水利部门相关管理人员，具有管理权限；二是其它应用系统，可以通过Web服务调用、抽取水库大坝安全监测平台的实时监测数据。

4）应用终端：用户可通过应用移动设备、PC、大屏、打印机等终端访问系统。

3.2 信息采集传输系统

信息采集传输系统由水位计、雨量计、视频摄像头、量水堰计、渗压计、GNSS接收机等部件组成。采集系统采集水库现场的水位、雨量、视频、渗流量、渗流压力、表面位移等信息，经过加密后通过无线传输模块（4G）将实时信息传送到服务器。

3.2.1 监测站网选定

本项目监测项目类型及监测站点选址严格按照《广东省小型水库雨水情测报和大坝安全监测设施建设与运行技术指南（试行）》的要求进行建设。

3.2.2 水雨情视频监控站

水雨情视频监控站的建设要点是实时可靠的完成系统所有站点的库水位、降水量、视频等数据的采集与处理，按照设定的工作方式、时间间隔、增量范围将数据传送服务器端。

水雨情视频监控站可通过现场设置及远程控制功能，实现数据定时自动传输和召测应答传输。监控站具备视频实时查看和图片定时推送的功能，可通过设置预置点进行定时定点抓拍。视频监视设备具备自动连续循环存储功能，且存储时间不少于15天。

3.2.3 原有“三要素”监测站升级改造

将水库已建水雨情图像站（“三要素”监测站）升级改造为水雨情全天候视频监控站。改造升级工作主要为加装视频摄像头模块、升级4G网络通信，由各类传感器采集到的水库实时雨水情、现场视频图像数据，通过4G网络转发到互联网，再由互联网传输到信息机房的服务器进行查看或存储管理。升级改造后的监测数据统一接入新建平台。

3.2.4 坝背召测式视频监控

坝背召测式视频监控站的主要功能是实时可靠的完成系统所有站点的视频图像采集传输，对水库背水坡等现场情况进行现地监视和远程监视。

坝背召测式视频监控站具备现场设置及远程控制功能，远程监视具备视频实时查看和图片定时推送功能；视频摄像头拍摄录像功能通过应答模式实现，在相关人员需要查看现场情况时才开启视频摄像头网络连接。

3.2.5 溢洪道全天候视频监控站

溢洪道全天候视频监控站的主要功能是实时可靠的完成系统所有站点的视频图像采集传输，对水库溢洪道进水渠及控制段等部位现场情况进行现地监视和远程监视。

溢洪道全天候视频监控通过现场设置及远程控制，可定时或实时查看定点监控情况，视频监视设备具备自动连续循环存储功能。设备供电采用太阳能电池板向蓄电池浮充的供电方式，能保证连续15天以上阴雨天气正常工作。

3.2.6 渗流量监测

在水库大坝背水坡集渗渠末端量水堰上游位置安装渗流量监测设备，采用量水堰计监测渗流水位，利用水位法，即量水堰与水位监测结合的方式监测渗流水流量，测量数据通过低功耗无线数据采集仪传到水雨情视频监控站的物联网终端，再由物联网终端统一打包上传到服务器。

通过现场设置及远程控制功能，由自动传输和召测应答相结合的测量频次进行数据采集与传输；遇特殊情况时，可提供渗流量数据监测密度智能调整功能。

3.2.7 渗流压力监测

在水库大坝背水坡安装渗压观测，采用渗压计监测渗压浸润线，测量数据通过低功耗无线数传模块传到坝前水雨情视频监控站的物联网终端，再由物联网终端统一打包上传到服务器。

通过现场设置及远程控制功能，由自动传输和召测应答相结合的测量频次进行数据采集与传输，同时可提供渗流压力数据监测密度智能调整功能。

3.2.8 表面变形监测

大坝变形监测采用当前技术成熟的GNSS设备进行自动监测，包括水平位移和垂直位移。每套完整的监测由监测站和基准站组成。GNSS由GNSS主机+天线组成，设备通过捕获、跟踪卫星，接收北斗/GPS信号并将它变换、放大和处理，测量信号传播时间进以计算坐标、时间。统一将数据接收入库，通过解算软件将数据解析后，可在平台上直观的展示。

3.2.9 水准点设置及高程坐标复核

由于英德市123宗小型水库站点大部分由于年代久远，缺乏准确的高程数据，导致站点监测的水位数据高程参考不一，使水位数据失去了可比性，因此本次项目对此次建设的所有站点进行高程测量。同时，以新设置的水准点为基点，在控制点上架设全站仪，设置好全站仪仪器高度，对水准点高程与水库工程特性值进行引测复核。

3.2.10 溢洪道泄流能力分析

项目通过对英德市123宗小型水库泄流能力分析，按照溢洪道和溢洪洞的泄流能力公式和库容曲线的计算，得出小型水库的蓄泄曲线。水库管理单位可通过水头变化，按照蓄泄曲线判断水库调洪调度水量，为小型水库安全运行、调洪调度提供数据依据。

3.3 信息汇集与共享服务平台

信息汇集与共享服务平台由感知数据接收处理子系统及数据共享子系统组成，其中，感知数据接收处理子系统采用多线程实时数据接收处理，可同时接收多台信息采集终端（即多个水库）传来的数据，保证前端测站采集到的数据接收及时，形成完整的实时数据文件，并自动存入后台的数据库系统；数据共享子系统可以根据系统授权，实时地将信息转发至其他服务器，以供多级部门分别共享实时信息。

3.3.1 感知数据接收处理子系统

感知数据接收处理子系统的结构在总体上可以分为初始化（配置读取）模块、数据接收模块、数据管理模块、线程管理调度模块和数据处理模块等（见图2）。

图2 感知数据接收处理子系统总体结构示意图

初始化（配置读取）模块负责读取配置，初始化全局变量，创建Socket并打开端口等。

数据接收模块负责接收数据并将数据存放到缓存中，调用线程管理模块来分配这些数据的处理工作。

线程管理调度模块负责将接收到的数据分配给合适的数据处理线程去处理，并跟踪处理的结果，对数据处理线程进行管理。

数据处理模块负责处理接收到的数据包，并将处理结果返回给线程管理调度模块。

3.3.2 数据共享子系统

考虑到与省级监测平台及其他水利业务系统对接共享的需求，数据共享子系统可提供相应的数据共享服务对接其他信息化工程。

1）数据层共享。可以将设备发送回来的数据转发到其它信息化工程前置机中，并解析保存到中间库供其它信息化工程使用。

2）应用层共享。提供数据共享WebService服务，其它信息化工程合法通过验证后可根据自己需要获取其数据。

数据提供接口的主要作用是将水库大坝安全监测平台的实时水雨情、大坝安全等数据提供给其他系统接入。为了避免接口万一出现问题而影响其他系统的正常运行，也避免其他系统修改本系统的数据，保证系统的低耦合性，数据提供接口采用中间库的方式。中间库的实时水雨情、大坝安全等数据表字段采用水利部标准库的字段。其他系统从中间库获取数据接入到自身的系统中去（见图3）。

图3 数据共享流程示意图

3.4 水库大坝安全监测平台软件

水库大坝安全监测平台包括八个模块，分别是综合分析、地图监视、实施监视、查询统计、监测预警、智能分析、报表库、系统管理等，这些模块共同完成相应的监视和信息展示、分析的功能，系统功能总体结构见图4。

图4 系统功能结构

用户能通过浏览器查看本地区所有水库的运行情况，也可以查看单个水库的各类信息，如水位、雨量、视频、大坝安全等；同时，在基于B/S的三维地图上可以清楚的看到各水库的地理位置及周围地理环境；水库一旦出现问题，达到预警条件（如水位超过防汛限制水位或低于死水位）系统将自动报警，并会将报警信息发送到相关人员的手机上。

4.结语

英德市小型水库众多，为强化英德市小型水库运行管理，进一步解决水库安全突出问题，迫切需要开展小型水库雨水情测报和大坝安全监测设施建设工作。通过小型水库雨水情测报和大坝安全监测设施建设，能够有力推进英德市小型水库规范设施建设与运行管理，提升信息化管理水平，为落实水库预报、预警、预演、预案措施提供技术支撑，保障英德市小型水库系统安全长效运行。