安全監測與監控系統在錦繡川水庫中的應用

李 偉，金增報

（濟南市錦繡川水庫管理處，山東 濟南 250112）

濟南市錦繡川水庫1970年建成，水庫大壩為拱形漿砌石重力壩，高47.38m，長378m，設10孔溢流閘門。2000年，投資2184萬元，對原水庫大壩進行除險加固，提高了防洪、城市供水、農業灌溉、水利發電、水產養殖能力，為濟南市生產生活用水及環境改善做出了巨大貢獻。但目前水庫在管理運行過程中仍存在如下問題：一是水庫大壩缺少安全監測設施，現狀位移監測點不符合規范要求；二是作為國家級重要飲用水水源地，水庫庫區缺少視頻監控，不能實時監視影響庫區水安全的行為；三是水庫管理處未建設中心網絡機房，缺少數據及信息共享交換平臺；四是水庫管理處缺少調度會商系統，不能實現水庫管理信息集中展示和調度。為此，盡快實施水庫安全監測和監控系統非常必要。

1 實施原則

錦繡川水庫安全監測、監控系統涉及面廣、綜合調度集成度高，為了確保工程能達到預期目標，在水庫后期的防洪與供水運行中發揮重要的作用，在工程實施時遵循了以下原則：

1.1 成熟性和實用性

采用成熟和實用的技術和設備，最大限度地滿足水庫管理處現在的功能需求和未來管理處工作發展的需求，采用集中管理控制的模式。按照實際需要來分別設計相應的子系統，在滿足功能要求和技術指標要求的基礎上盡量簡化設計，堅持實用化，充分滿足管理工作的需要。

1.2 先進性和開放性

充分考慮水庫綜合調度發展的趨勢，利用國內外較成熟的先進的計算機技術、控制技術、通訊技術、網絡技術等，保證系統在近幾年的先進性。充分考慮單位的信息發展規劃，使系統與未來擴展的設備具有互連性與互操作性，開放性的融入互聯網絡。

1.3 可維護性和可擴展性

為系統以后的升級預留空間，系統維護是整個系統生命周期中所占比例最大的，充分考慮結構設計的合理、規范，確保對系統的維護可以在很短時間內完成。

1.4 安全性、可靠性和容錯性

整個系統必須要具有極高的安全性、可靠性和容錯性。

2 系統功能介紹

2.1 水庫洪水預報調度系統

水庫建成至今已40多年，未進行過全面的清淤工作，庫區的淤積量未從庫容中去除，現狀庫容曲線不符合實際工程情況。

根據水庫管理需求，在對庫容進行重新測量、標定的基礎上，在平臺上開發功能模塊，采集水庫水位數據，根據重新實測的庫區1∶500地形圖，校核庫容變量，生成水位～庫容曲線，實時顯示庫容情況。主要工作內容有：1）庫區防洪水位線以下地形測量(包括水下地形測量)，共測量地形圖2.52km2。2）編制錦繡川水庫庫區測量報告，并根據測量成果繪制庫區等高線圖，生成現狀水庫庫容曲線表、圖。3）開發庫容曲線測報模塊軟件，在平臺上顯示庫容實況。

通過研究范圍內的降雨產流和下墊面匯流，管理人員在頁面中確定降雨分配等計算條件，系統調用后臺的產匯流模型計算庫區降雨過程，可在地圖頁面中進行產匯流成果的查看。基于流域洪水預報模型，通過優化方法對流域歷史洪水資料進行模擬計算，實現參數的率定，得到符合水庫流域實際情況的水文模型參數，對入庫流量進行產匯流計算，預測洪水行進過程，提高預報精度。并根據預報結果提出優化的調度方案，為水庫防洪調度提供技術支撐。同時系統基于濟南智慧水務應用平臺軟件標準開發，可接入智慧水務業務平臺，提高水庫管理效能。

2.2 大壩安全監測系統

1）壩體變形監測系統。在水庫大壩建設壩體變形監測系統，利用先進的衛星定位技術對壩體橫向和縱向形變進行精確不間斷測量，生成壩體形變過程參數；進行大壩壩基揚壓力監測，通過埋設滲壓計或測壓管進行監測，保障水庫大壩安全運行。根據錦繡川的現狀條件，大壩附近地質條件良好，有一定的基準點和工作基點建設條件，同時考慮到GNSS具有速度快、精度高、全天候等優點，管理處選擇全站儀、GNSS和水準儀作為錦繡川水庫大壩的安全監測設備。

2）壩基揚壓力監測系統。錦繡川水庫壩體建設時并未設置揚壓力監測設施，管理處對水庫大壩設置測壓管，配置跟蹤式智能滲壓遙測儀對測壓管水位自動觀測。采用跟蹤式監測控制技術，實時感知水面的位置并能跟蹤水面變化，將水面的位置信息轉換為水位數據顯示上傳。設備集水位智能感知、變化跟蹤、數據采集處理、無線自組網數據傳輸、自供電等一體化設計，具有低功耗、抗雷擊、抗干擾、數據準確、穩定可靠，不受水質泥沙等因素影響等特點。

通過該系統建設實現了對現狀壩基揚壓力數據進行定時和不定時的自動采集和存儲；對壩基揚壓力作用狀況進行實時定性定量的簡明分析，實時監測斷面的揚壓力變化曲線以及數據報表等；對大壩揚壓力突變情況預報和報警。

2.3 閘門運行數據采集處理系統

錦繡川水庫先后建設了液壓啟閉機閘門自動控制系統、水位監測系統，為水庫管理提供了便利。目前各系統運行狀況良好，但單個系統間相互獨立，數據沒有實現互融互通，不能發揮數據價值，因此將建設統一的水庫閘門調度管理系統，從功能上將水庫設備監測控制、水位庫容計算分析、工程管理、防洪預案等相關業務流程及自動化管理有序融合，實現數據互享，并為水務大數據建設提供數據。

水庫已建溢洪閘的閘門開度通過同軸式開度儀監測，測量誤差大，監測精度不高，需要提高閘門開度的測量精度，本次改造在保留原有閘門自動控制系統的情況下，對閘門監測方式及流量監測技術進行改進，采用直接對閘板上下位移進行測量。通過內置物聯網測控終端、通信網絡協議轉換器、信號分配器等，在不影響原系統前提下將閘門開啟高度和監測設備數據采集并接入水庫內網調度工作站。利用高精度閘門過流計量儀，實時采集閘門開高、閘門上下游水位，并在本地處理器計算出過閘流量，通過有線遠程傳輸，將本地的流量、水位、閘門開高等數據上傳至水庫管理處，同時能夠本地存貯并在液晶屏上顯示。通過上述方法準確掌握閘門開高和閘孔出流水量，提高閘門監測的準確度。

2.4 視頻監控系統

錦繡川水庫現有的視頻監控點，是結合水庫建設項目分三次完成實施的，因建設標準不統一，監控點有的是無線網橋通訊，有的是通過監控同軸線纜通訊，監控圖像分辨率較低，管理處的監視系統也分成兩套，并且使用年限較長，設備狀態不穩定，現狀使用、管理及維護都比較繁瑣，不利于今后水庫安全管理工作的開展。

根據水庫現狀情況，管理處統一在水庫庫區改建及新建12處視頻監控點、在供水渠道重點部位新建22處視頻監控點，視頻監控中心設在錦繡川水庫管理處，對庫區和供水渠道進行24h不間斷監控和數字錄像。中心采用網絡管理NVR一體機，在實時錄像的同時，可以為水庫管理人員及上級主管部門提供視頻服務。

本系統方案集視頻監控、報警技術、圖像壓縮技術、計算機網絡通信技術于一體，實現水庫關鍵區域的近程和遠程的圖像監視、報警、查詢、現場設備監視、緊急調度指揮等多種功能，成為調度自動化和MIS系統的一個重要組成部分。

視頻監控系統解決了水庫關鍵區域的可視化以及設備的監視問題，為實現水庫管理的“少人值班，無人或少人值守”提供了可靠的保證，對提高生產運行的安全性和可靠性，提高水庫的管理水平有著重要的促進作用。

視頻監控系統主要由現場視頻采集部分、視頻傳輸部分、視頻管理服務器等組成。視頻采集部分主要實現現場視頻信號的采集，傳輸部分將視頻采集部分的視頻信號傳輸到管理中心視頻管理服務器，由視頻管理服務器實現視頻信號和監控攝像機的集中顯示和管理。

2.5 防汛會商系統

考慮到會商室的主要功能需求，安裝一套DLP拼接大屏顯示系統，屏幕采用3×3拼接，主要用于防汛會商及水庫綜合調度管理平臺畫面展示等功能使用，為了保證信息的共享，會商室顯示信號與值班室顯示信號可互動調用。DLP拼接大屏由60寸超窄邊框DLP拼接單元和圖像處理設備、大屏控制軟件、中控計算機等組成；此外防汛會商室配置專業多媒體管理中心、專業會議音頻設備，構建功能完善的防汛會商多媒體系統。

3 結論

錦繡川水庫安全監測、監控系統建設緊跟標準化水庫管理發展方向，綜合運用物聯網、大壩安全監測、自動化控制、數據存儲、視頻監控等技術，建立了一個以高精度傳感器監測、信息采集系統為基礎，以高速安全可靠的通信網絡為支撐的水庫安全管理信息系統。實時監測水庫雨情、水情、流量、閘位、大壩安全、視頻信息等運行數據，在GIS地圖上進行展示，實現水庫的洪水預報、水量調度、淹沒分析功能，為水庫供水、防汛功能提供科學現代化的管理手段，充分發揮水庫的防洪、供水、灌溉、環境生態作用。