沙河集水库信息化系统建设实践与分析

张 敏 谢庆跃

一、工程概况

沙河集水库位于滁州市南谯区沙河镇，坝址位于滁河支流清流河的大沙河上，距离滁州市18km，集水面积300km2，总库容1.97 亿m3，是一座以防洪、城市供水、灌溉等综合利用的大（2）型水库。水库工程始建于1958 年，先后经七期施工达到现状规模。

水库枢纽由主坝、副坝、溢洪道、非常溢洪道以及三座涵洞（南涵、北涵、北小涵）组成。主坝为均质土坝，坝顶长705.0m，坝顶宽5.0m，坝顶高程44.4m，防浪墙墙顶高程45.6m，最大坝高26.4m，上游为混凝土护坡，下游为草皮护坡。副坝为均质土坝，与主坝隔山而建，左坝头与溢洪道泄洪闸右边墙连接，坝顶长50.0m，坝顶宽5.0m，坝顶高程44.5m，最大坝高10.5m，上游为混凝土预制块护坡，下游为草皮护坡。溢洪道为有闸控制，设两级跌水，底板高程33.0m，布置5 孔，每孔净宽10.0m，工作闸门为弧形钢闸门。非常溢洪道紧邻溢洪道左侧，宽200.0m，挡水建筑物为滚水坝，坝顶高程42.58m。北涵位于左坝头0+050 处，属灌溉涵，洞身为钢筋混凝土箱涵，断面尺寸1.2m×1.8m（宽×高），涵底高程30.0m。南涵位于右坝头0+680 处，为钢筋混凝土箱涵结构，尺寸为2.0m×2.8m（宽×高），涵底高程29.0m。北小涵位于溢洪道左侧，为预应力钢筋混凝土圆涵，内径Φ0.4m，进口处安装手动螺杆式启闭机。

二、信息化现状

沙河集水库已建大坝渗流监测、视频监视和闸门监控等系统。随着水库管理标准化、精准化要求不断提高，现有系统难以满足水库日常管理工作需求，存在以下不足：

（1）自动化程度低：表面变形采用人工观测，工作量大；巡视检查手段落后，工作不规范，巡视范围无法保证；水雨情信息需从滁州市水文局获取，实时性差。

（2）业务功能不全：仅有监测资料整编与分析功能，缺少洪水预报与调度、洪水演进与风险分析和移动APP 等系统。

（3）业务协同不够：视频监视与闸门控制、视频监视与巡视检查之间信息没有融合，系统没有联动。

（4）通信方式多样：现有通信方式主要有光缆、通讯电缆、4G 等，通信设备类型较多，线缆易被挖断，不利于维护和扩展。

三、系统框架

根据水库日常管理工作需要，沙河集水库信息化系统由基础设施层、测控层、网络层、数据层、支撑层和应用层组成，系统框架见图1。

图1 系统框架图

基础设施层为系统提供运行条件，包括计算设备、存储设备、网络设备、安全设备等，这些设备均部署在沙河集水库管理处监控中心。

测控层包括水情测报、大坝安全监测、视频监视、闸门监控，其中大坝安全监测包括表面变形监测和渗流压力监测。

网络层为系统提供统一的无线通信服务，由无线宽带自组网构成。

数据层采用数据库和文件方式存储水库基础信息、水雨情信息、洪水预报与调度信息、大坝安全监测信息、大坝安全分析预警信息、视频图像信息、闸门运行信息和洪水风险分析信息等。

支撑层为应用层提供必要的软件支撑，包括应用服务中间件、消息中间件、图表工具、GIS 服务、三维引擎和用户管理。应用服务中间件提供Web 应用服务，消息中间件提供消息在应用系统内同步和异步传输，图表工具为应用系统绘图提供绘图方法，GIS 服务为应用系统提供地图服务，以便信息在地图上展现，三维引擎为应用系统提供三维场景渲染。

应用层为用户提供业务应用服务，包括综合信息管理、巡视检查、洪水预报与调度、大坝安全分析预警、洪水演进与风险分析和移动APP 等。

四、系统组成

（一）水情测报系统

现有水情测报系统包括8 个雨量站和2 个水位雨量站，遥测站通过4G 将水雨情数据报送至滁州市水文局。

水情测报系统升级改造内容：在遥测站上增加通信模块，采用一站多发方式，通过无线宽带自组网，同时将水雨情数据发送至沙河集水库。监控中心的数据接收软件将水雨情数据存储至数据库。

（二）大坝安全监测系统

大坝安全监测包括渗流压力监测和表面变形监测，渗流压力监测已实现自动化。

现有渗流压力监测系统包括5 个大坝监测断面、1 个北涵监测断面、1 个南涵监测断面和绕坝监测断面，共32 个测点，数据采集装置通过光缆，采用RS-485 协议，将数据传输至监控中心。

渗流压力监测系统升级改造内容：数据采集装置采用以太网，通过无线宽带自组网，将监测数据发送至监控中心，数据接收软件与水情测报系统共用。

新建表面变形GNSS（Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统）监测系统，包括2 个基准站和15 个监测站，基准站设在主坝两端，监测站分布在5 个断面，每个断面3 个。基准站和监测站通过无线宽带自组网，将监测数据发送至监控中心，经过GNSS 解算软件计算，得到垂直位移和水平位移。

（三）视频监视系统

现有视频监视系统包括15 个红外球机、3 个球机、4 个变焦半球机、5 个枪机，覆盖大坝、溢洪道、南涵、北涵和办公区，视频信号通过光缆传输至监控中心的硬盘录像机。

视频监视系统升级改造内容：摄像机采用无线宽带自组网，将视频信号传输至监控中心的硬盘录像机。升级视频管理软件，增加图像智能识别功能，能够识别水面漂浮物、水尺以及裂缝、沉陷、渗水、散浸、管涌等大坝安全隐患。

（四）闸门监控系统

现有闸门监控系统能够对溢洪道5 孔闸门、北涵闸门、南涵闸门进行监测和控制，监控中心的闸门监控主机通过光缆与现地控制柜通信，实现闸门远程测控。

闸门监控系统升级改造内容：闸门监控主机通过无线宽带自组网与现地控制柜通信；升级闸门监控软件，与视频监视系统进行联动，闸门动作时，自动选择附近摄像机，调整摄像机方向，显示闸门动作部位图像。

（五）无线宽带自组网

新建无线宽带自组网，根据距离远近，在库区和水库枢纽布设不同功率的无线宽带自组网站点，将无线宽带网络覆盖整个水库，电源可采用市电和太阳能。无线宽带自组网具有智能组网快、部署制约小、适用时空广、融合互联便、抗毁能力强、传输质效高、系统功耗低、设备体积小等优点，无线宽带自组网建成后，沙河集水库已有和未来的信息化系统，只要支持以太网，就可以直接使用该网络。

（六）业务应用系统

业务应用系统包括综合信息管理系统、巡视检查信息管理系统、洪水预报与调度系统、大坝安全分析预警系统、洪水演进与风险分析系统和移动APP，主要功能结构见图2。

图2 功能结构图

综合信息管理系统能够在地图上显示当前气象、水雨情、大坝安全监测、视频、闸门运行等信息；实时显示来自水雨情、洪水预报、大坝安全分析、视频监视图像、巡视检查图像和闸门监控的预警信息；对水库基础信息、水雨情信息、大坝安全监测信息、视频图像信息、闸门运行信息进行增删改。

巡视检查信息管理系统能够根据沙河集水库实际情况，设置巡检点、巡检部位和巡检线路；编制巡检计划，根据巡检计划生成巡检任务，向移动APP 提供巡检任务下载，接收来自移动APP 的巡检记录，查询巡检记录，统计巡检进度。

洪水预报与调度系统能够自动定时预报，显示预报结果；进行已知雨量分布预报、已知未来降水预报、人工交互经验预报、相似洪水预报等人工干预预报；查询预报场次、预报结果、预报精度；显示水位泄流关系，进行泄流量控制调度、规则调度、开度调度，生成防汛调度预案。

大坝安全分析预警系统能够进行监测资料整编，绘制各种专业图形，生成报表；针对变形监测数据，建立统计模型，进行趋势分析、沉降率分析、横断面裂缝分析、纵断面裂缝分析；针对渗流压力监测数据，建立统计模型，进行滞后时间分析、趋势分析、浸润线分析、位势分析、抗渗能力分析，采用有限元法进行渗流场分析；采用瑞典圆弧法和毕肖普法对大坝进行结构稳定分析；在上述分析基础上，对大坝安全进行综合诊断，给出大坝安全性态；根据预警指标，对实时监测信息进行研判，发现异常数据或监测数据超安全阈值时，进行实时预警。

洪水演进与风险分析系统能够在地图上划定沙河集水库下游风险区，对风险区图层进行处理，查询图层上自然要素、水利要素等；计算溢洪道泄洪量和溃坝洪水，在地图上进行二维洪水演进，采用三维引擎进行三维洪水演进；分析各时段洪水，对下游洪水进行剖面分析，计算水面线；计算下游淹没范围和淹没水深，分析下游淹没损失。

移动APP 安装在手机上，能够在地图上显示当前气象、水雨情、大坝监测、视频、闸门运行等信息；实时显示来自水雨情、洪水预报、大坝安全分析、视频监视图像、巡视检查图像和闸门监控的预警信息；从服务端下载巡检任务，执行巡检路线提示、巡检点到位确认、巡检部位拍照、图像智能识别、巡检轨迹记录、巡检结论填写等巡检任务，上传巡检记录。

五、结语

沙河集水库信息化系统是指导沙河集水库运行管理的重要非工程措施，是确保水库安全运行和充分发挥水库效益的重要保障，因此，建设沙河集水库信息化系统意义重大。信息化系统建设可根据投资情况分期进行，并根据信息化技术发展，适时调整建设内容。系统建设过程中应预留相关接口，便于后期系统的接入和扩展。在重视系统建设的同时，也应注重系统运维人员的培养，落实维护经费，确保系统长期有效运行■