小型水库雨水情测报和大坝安全监测设施建设应用技术探讨

刘仔旭， 李军岩， 张俊卓

(1.辽宁江海水利工程有限公司，辽宁 沈阳 110002； 2.辽宁省水资源管理集团，辽宁 沈阳 110166 ； 3.辽宁省水利水电科学研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110003)

我国小型水库数量众多，小型水库在灌溉、供水、防洪、生态中效益突出，是农业生产、农民生活、农村发展和区域防洪防治的重要基础设施，但存在工程建设标准低、运行管护措施弱等历史问题，除了部分水库配备了雨水情测报系统，大坝安全监测设施普遍缺失，且存在监测设施薄弱、手段落后、标准不一、融合性差等现实问题，降低了小型水库监测预报和应急预警能力。为加强雨水情和安全监测预警设施建设，健全常态化管护机制，确保水库安全长效运行，水利部将小型水库雨水情测报和大坝安全监测设施建设列为“十四五”的重点工作来抓，作为实现乡村振兴战略、防汛抗旱工作、生态文明建设的重要保障措施[1-3]。

1 建设必要性

辽宁省已注册登记小型水库657座，其中小(1) 型水库268座，小(2)型水库389座。多数建于20世纪50～70年代，土石坝类型水库占96%以上，由于受技术经济条件的限制，部分小型水库工程先天不足、后天管理跟不上。多年来，辽宁省陆续开展了小型水库的除险加固工程，工程形象面貌有所改观，大坝安全状况显著提高，但总体的运行管理条件和能力仍相对薄弱，自动化水平尚低，难以满足工程实际管理需求，可用设施设备保有率较低。通过对辽宁省小型水库的现状调查，已建设雨情测报设施的水库176座、大坝安全监测设施水库3座、视频监视设施213座，其中库水位观测完全依靠人工观测报讯，每日定时上报和汛期加密上报；雨量监测在山洪灾害防治、除险加固等项目中部署了部分水库；借助河长制、水库移民等资金建设了一些视频监控点。由于设备运行多年、缺少专业化管护、日常运维资金落实未保障等原因，难以满足长效的保障机制，因此亟须开展辽宁省小型水库雨水情测报和大坝安全监测设施建设项目的实施。

2 技术路线

按照需求牵引、问题导向的原则，围绕小型水库量大面广，且自动化、信息化明显短板的实际问题，辽宁省小型水库雨水情测报和大坝安全监测设施建设监测对象涵盖降雨量、库水位、渗流量、渗流压力、变形以及视频图像等要素，主要建设内容包括雨水情测报系统、视频监控系统、大坝安全监测系统、雨水情测报和大坝安全监测管理平台四个部分。

2.1 雨水情测报系统

将实现对库水位变化和降雨过程的实时、动态、连续的监测，确保测得到、报得出、报得准，为防汛抗旱、应急抢险、生态保护等提供科学保障。

2.2 视频监控系统

将实现对水库重点部位和水尺设施等的全天候监控，可远程实时查看、随时调用影像信息，对固定区域进行设防及报警管理，保障水库安全防范措施有力。

2.3 大坝安全监测系统

将实现对大坝重点部位的全面监测，实现工程安全运行状态的实时动态监测，及时发现工程安全隐患，为灾害应急处置提供科技支撑。

2.4 雨水情测报和大坝安全监测管理平台

采用省级部署，省、市、县多级应用的建设模式，实现信息共享和应用，显著改善小型水库监测运行环境，切实提升小型水库监测预警能力。

3 点位布设原则

为了全面实现设施设备应设尽设、自动化报送，监测平台数据汇集应用、信息共享的要求，各类监测项目布设应遵循水文遥测和大坝安全监测等规范标准的建设要求，根据本地区的特点，并形成规范化的建设标准。

3.1 自动雨量站

小型水库至少设置1个降雨量监测点，对流域面积超过20 km2的可增加具有流域代表性的监测点。测点主要位于坝址附近或上游流域典型区域，建在大坝左右岸空旷地带或管理站房附近无遮挡位置。

3.2 自动水位站

小型水库设置1个水位自动监测点、1组人工观测水尺和1组水准点。库水位监测点建在输水洞附近或左右岸稳固边坡或大坝岸坡上，测量范围为坝顶至死水位区间。若该水库需新建雨量站，将其结合布设。

3.3 视频监控站

小型水库设置1～2个视频点，坝长500 m以上根据需要增加监视点。视频监控重点对大坝全貌(坝顶、迎水坡、背水坡)、水尺、溢洪道、放水涵等部位进行监视，推荐布置在溢洪道附近，兼顾水尺观测。

3.4 渗流压力监测站

小型水库设置1～2个监测横断面，主要设在最大坝高或隐患断面，坝长500 m以上根据需要增加断面，每个监测断面测压孔数量2～3个。其中均质土坝(斜墙坝)背水坡方向设置1个测压孔，排水棱体上游或坝脚处设置1个测压孔；心墙坝迎水坡、背水坡各设置1个测压孔，点位避开心墙最宽处，防止钻孔时破坏墙体结构，排水棱体上游或坝脚设置1个测压孔；混凝土重力坝(浆砌石坝)坝上、坝下各设置1点。

3.5 渗流量监测站

小型水库存在渗漏明流的大坝应设置1个渗流量监测点，有分区监测需求的根据需要增加监测点。

3.6 变形观测站

对坝高超过30 m和地震烈度8度以上的小型水库进行测点布设，设置1个纵断面，位于迎水坡面设计洪水位以上，设置位移测点3个，均匀分布，中间测点位于最大坝高断面，工作基点1处设在坝区稳固地基区域内。采用GNSS监测技术开展大坝变形位移监测，实现高频率的数据采集。

4 系统设计

根据辽宁省雨水情测报和大坝安全监测设施建设总体目标，在智慧水利总体架构的基础上，构建雨水情测报和大坝安全监测设施建设项目的总体架构。总体架构包括感知层、网络及基础设施层、数据资源层、应用支撑层、应用层、展示层六个层次，纵向形成网络安全、运维保障两个体系，最终形成六横二纵的智慧水库管家架构体系，主要实现水库实时水雨情及工情信息的采集、网络传输、数据存储、应用管理、防汛预警、动态监测等功能。 雨水情测报和大坝安全监测总体架构图如图1所示。

小型水库监测平台建设适合我省智慧水利发展的需求，采集传输规约满足水文监测数据通信规约和省级对采集频次和发送标准的统一要求，遥测终端机和数据采集单元批量供货前应于省级平台完成测试对接工作，数据、图像传输满足一站多发的通信方式，满足未来不同用户的管理需要。

图1 雨水情测报和大坝安全监测系统总体架构

5 平台功能设计

利用物联网、云计算、大数据、人工智能等高新技术，以水库全链条业务为核心，打造全省小型水库安全运行智慧监控云平台，主要包括雨水情测报、大坝安全监测、视频监控、三维展示、综合运维、安全监测分析、防洪预警、信息共享，以及巡查养护等功能模块，主要对重点功能进行介绍。

5.1 雨水情测报

在对全省小型水库降雨量、库水位数据进行实时采集、传输、存储的基础上，采用GIS、图表等多种方式对数据进行查询展示、统计分析、综合告警、整编导出。雨水情测报系统包括用户管理、水库基础信息管理、遥测站管理、GIS、视频监控管理、水文测报、水文数据查询与管理、数据分析，以及预报预警等多个功能模块，能够及时准确地将前端遥测站和监视站的数据图像采集入库并自动汇总、分析、成果数据及发出预报预警，用户可通过平台及时掌握水库的降雨量、库水位等讯息，基于GIS的水库安全管理与防汛决策支持，搭建数据库、模型库、方法库、知识库等专家体系，建立水库抗雨能力分析和防汛管理决策，实现预报、预警、预演的有效防范。

5.2 大坝安全监测

对全省小型水库的渗流量、渗流压力、表面变形等大坝安全监测要素进行采集、管理、查询、统计、告警、整编，汇集全省监测信息，提高水库监管水平。大坝安全监测系统包括用户管理、大坝基础信息管理、大坝信息管理、监测站管理、数据查询与管理、数据分析、预报预警等多个功能模块，能够及时准确地将前端监测站数据采集入库并自动汇总、分析、成果数据及发出预报预警，用户可通过平台及时掌握坝前水位、坝体坝基的渗流压力、坝体表面位移等，以水库大坝的空间图形信息和属性信息为基础，依托数学评价、预测和预报模型以及GIS系统的空间分析能力，形象地进行水库大坝安全的风险评估，为各职能部门有效控制、防治、处置水库大坝隐患、降低水库大坝灾害造成的损失提供科学决策依据。大坝安全监测系统架构示意如图2。

图2 大坝安全监测系统架构图示

6 结 论

项目实施依托前端信息感知手段实时采集水库运行信息和现场视频图像，将实现雨水情测报和大坝安全监测信息实时、可靠的在线采集，配备雨水情测报设施保障了水库雨水情的测报与预警能力，配备视频监控设备可直接获取水库重点部位和直观水尺状态，配备大坝安全监测设施提升了大坝安全监测与预警能力，构建省级监测平台实现数据信息互联互通，为各级水管部门提供监测数据信息汇集应用与共享服务目标，为水库适度蓄水、安全度汛、科学灌溉、生态建设、日常管理等提供全面保障，防范并避免水库运行安全隐患的出现，为各级水利管理部门科学管理、安全度汛、安全鉴定等工作提供全面的技术支撑。