某中型水庫水情測報及大壩安全監測建設改造方案研究

區文柱

(國電大渡河大崗山水電開發有限公司，四川 雅安 625409)

1 工程概況

某水庫工程2007年開工建設，2013年通過竣工驗收。水庫水情測報及大壩安全監測系統于2009年開始建設，全套系統建成以來，為水庫的管理工作提供了極大的幫助，發揮了很好的效益，至今系統已運行10年有余。隨著使用年限的延長，近年來運行維護工作量逐年增加，目前各子系統運行不穩定，外圍站點故障率持續增高，中心應用系統功能無法滿足日益增長的管理需求的問題也漸漸暴露出來，系統已不適應該水庫工程管理的需要。根據水庫水情測報及大壩安全監測系統運行的實際情況和水庫管理的迫切需求，對水情測報、大壩安全監測系統及水庫樞紐區視頻監控系統進行改造[1]。本文通過水庫水情測報、大壩安全監測系統及水庫樞紐區視頻監控系統現階段存在的問題進行改造方案研究。

2 系統存在的主要問題

該水庫水情測報及大壩安全監測系統于2009年開始建設，主要建設內容包括：上游徑流區自動雨量站2個、自動水位雨量站2個、六要素氣象站1個、庫區視頻監測站10個、浸潤線監測站8個、滲流量監測站1個、人工蒸發觀測站1個、會議系統1套、中心視頻監控電視墻1套、中心數據接收處理軟硬件平臺1套及視頻傳輸專線2條。經過8年的運行，主要存在以下問題[2]：

1) 設備老化現象嚴重，故障率上升。電子設備都存在一定的使用壽命，該系統始建于2009年，至今已運行8年時間，設備老化現象非常嚴重，導致整套系統故障頻發。如遙測終端故障導致數據不能持續采集傳輸，或者傳回的數據誤差值較大不能使用。

2) 產品技術陳舊，維修零件不易購買。系統建設時所選設備均為當時最先進的設備，但經過8年的發展，當時的技術相比現在已經落后太多。如遙測終端和通信模塊如今基本已合二為一，當時所用監測攝像機市場主流還是模擬攝像機，數字攝像機才處于起步摸索階段。而現在高清網絡攝像機早已取代模擬攝像機成為市場的絕對主流，模擬攝像機則已基本退出市場。故而對損壞設備的維修維護也變得越發困難，需更換的零部件無法采購而導致部份站點無法正常修復，這也是導致系統部份站點無法正常運維的的根本原因。10路視頻圖像回傳至監控中心后，分別采用10臺小屏幕液晶電視進行顯示，屏與屏之間不能高速互換及疊加比較與分析，單一屏體損壞后，線路臨時調整極為困難，管理人員使用多有不便。

3) 系統結構落后，不符合當前管理需要。系統的中心軟件平臺采用的C/S結構，操作人員只有在安裝了客戶端的3臺工作站上才能看到水庫運行管理所需要的監測信息，原水情測報及大壩安全監測軟件界面過于陳舊，水情數據僅僅只是展示，沒有進行深層次的加工與處理，數據趨勢變化與按需統計等功能性能偏弱，沒有真正的服務于管理。

水庫管理所可以調看視頻監控系統提供的10路實時視頻，但為了實現視頻圖像向水庫管理局及市水務局的傳輸，8年來管理局一直在使用租賃的兩條光纖專線。實際上水庫管理局及市水務局對于視頻系統的使用頻度并不高，也沒有視頻存儲的需求，為了進一步減少運行費用，降低維護難度，應改變傳輸的模式，放棄2條空置率較高的專線而采用互聯網化線路接入，以便于廣泛的互聯網化的管理，也更適應社會發展的需要

3 升級改造設計

3.1 水情測報部分

水庫水雨情測報系統包括2個自動雨量站、1個入流浮子式自動水位雨量站、1個庫區雷達式自動水位雨量站、1個出流浮子式自動水位雨量站、1個人工蒸發觀測皿及1個六要素氣象觀測站。

根據使用總結的經驗[3]，目前已建水雨情測報站點基本能滿足收集庫區上下游水雨情數據的需要，故無需再增加站點，僅對站點老化的主要設備進行更換。

3.1.1 水位站

水庫自動水位站包括1個入流浮子式自動水位雨量站-滾水壩(石門沖入流站)、1個庫區雷達式自動水位雨量站、1個出流浮子式自動水位雨量站，共計3個。其中，庫區水位站于2015年10月將傳感器由原用的氣泡式水位計更換為雷達式水位計，至今運行正常，測量數據在誤差范圍內。但由于遙測終端和通信模塊使用年限過長，運行極不穩定，導致經常無法將數據傳回中心，影響了整套系統的運行。同樣，經現場檢測，入流水位站和出流水位站的傳感器運行均正常，但遙測終端和通信模塊的不穩定導致系統經常收不到數據，需要進行更換。由于運行年限過長，蓄電池也同樣存在老化嚴重的問題，需要更換。

因此，對于3個水位站的主要改造內容是更換老化嚴重的設備，排除由于設備老化導致的系統運行不穩定性問題。主要改造設備材料清單見表1。

3.1.2 雨量站

自動雨量站存在的問題與自動水位站基本相同，都是傳感器運行正常，但遙測終端、通訊模塊、蓄電池、太陽能板等老化嚴重運行不穩定。因此，采取和水位站同樣的改造措施，更換老化嚴重的設備，排除由于設備老化導致的系統運行不穩定性問題。主要改造設備材料清單見表2。

3.2 大壩安全監測部分

3.2.1 浸潤線監測

該水庫大壩安全監測系統浸潤線監測原來采用的是細井式浮子水位計，建設初期其測量值比較精準，完全可以滿足對浸潤線內部水位監測的需要。但隨著大壩運行的時間越來越長，浸潤線井內的環境逐漸變得惡劣，如新建時筆直的直井管道由于大壩的自然形變等導致管井不再平直，部分發生形變，或管道長期受到侵蝕腐蝕導致管壁變厚管徑變小，從而導致浮子在管井中的運行受到影響，上下行通道不再順暢，甚至出現被卡死的現象，導致測到的水位值誤差過大，其數值已不能代表實際的水位數值。而遙測終端、通訊模塊、蓄電池、太陽能板等設備也同樣存在老化嚴重運行不穩定的問題。因此，必須針對現狀來對整套系統進行改造[4]。

針對傳感器由于管井變形，浮子在管井中運行不順暢甚至卡死導致測量到的水位值與實際水位值不符合的情況，選擇投入式壓力水位計作為水位傳感器。因為投入式壓力水位計的工作原理是在它布設到位以后不需要根據水位浮動。但投入式壓力水位計由于安裝位置接近井底，極容易被污泥淤積堵塞探頭導致數據不準。因此需加強人工維護管理，定期將水位計取出進行清洗并校核數據的準確性。針對其他老化嚴重的主要設備，采取對遙測終端、通訊模塊、蓄電池、太陽能板等進行更換處理。同時為了便于校核水位數據，增加一只鋼尺水位計，用于人工測量浸潤線，通過定期測量浸潤線內水位與自動站測量數據比較校核。

3.2.2 滲流量監測

滲流量傳感器測量數據一直比較準確，只出現一次故障，返廠維修后數據一直不準確，需更換。同時需更換站點老化嚴重的設備和核心設備，如數據遙測終端、蓄電池、太陽能板等。

3.2.3 高音廣播站

為防止在溢洪道泄洪期內有人在溢洪道附近進行捕撈等活動導致有生命危險，在氣象站右側山上建一個高音廣播站，值班人員在發現溢洪道附近有人時，可立刻通過高音廣播進行警告，通知人員離開。

3.2.4 主要改造材料

水庫大壩安全監測系統主要改造更換設備材料清見表3。

3.3 視頻監控部分

3.3.1 視頻采集

水庫視頻監控系統共建有10路攝像機，采用的設備是當時主流的模擬攝像機。電子產品發展到今天，模擬攝像機已基本被淘汰。而且在實際管理應用中，也感覺到原建的10路視頻圖像還不能完全滿足水庫管理的需要，如庫尾管護區沒有防護，水庫的入庫道路到壩區的覆蓋還有所不足。因此，針對視頻采集部分，改造內容如下[5]：

1) 將現在還在使用的8只模擬攝像機全部更換為高清網絡球形攝像機，以便能將更清晰的圖像傳回中心，便于中心管理人員更準確地分辨前端的實時情況，作出更有效的應對。

2) 水庫管理區的入口到水庫管理中心的距離較長，而且經過村莊，路況較復雜。因此，在這段道路有必要增加4只攝像機，對水庫入口道路進行監控，發現問題及時處理，以保障水庫進出道路的暢通。

3) 在水庫樞紐區原建系統不能覆蓋的地方，新增4只高清網絡攝像機，以對這些關鍵部位加強防護。

4) 在水庫庫尾的4個庫區管護點，分別增加4臺高清網絡攝像機，在管護房內分別配置一臺硬盤錄像機，在本地進行存儲顯示，圖像不傳回中心。主要改造設備材料見表4。

表4 視頻采集主要改造設備材料清單表

3.3.2 視頻傳輸

1) 攝像機至水庫管理中心原系統中，各點基本是采用光纖為主干進行傳輸。采用光端機進行視頻信號和控制信號的轉換和傳輸。攝像機至光端機發射端和光端機接收端到硬盤錄像機都是使用同軸電纜和2芯線作為視頻信號和控制信號的傳輸線纜。更換為高清網絡攝像機后，需將光端機更換為光纖收發器，利用原有光纖鏈路作為傳輸主干，末端改為超五類雙絞線鏈接。

2) 水庫管理中心至管理局至市水務局。原系統中，水庫管理中心至水庫管理局的傳輸鏈路為租用的一條10M電信SDH專線，水庫管理局至水務局的傳輸鏈路為租用的一條10M廣電SDH專線。主要存在問題有兩級鏈路兩次費用，鏈路并非隨時在使用，利用率不高，只能在鏈路接入點調看圖像等。

3) 改造方案。建議在水庫管理中心拉一條20M電信因特網固定IP專線，在費用不比兩條10M電信專線費用高的情況下，管理局和水務局的領導也可以通過授權方式在任何可以上網的地方調看水庫圖像，了解水庫的實時情況。同時，安裝對應的手機APP，更可以在手機上調看各路攝像機的實時圖像，為水庫管理提供更開放、更便捷的手段。

3.3.3 中心處理與存儲

原系統為模擬系統，中心的主要控制設備為視頻矩陣和控制鍵盤，主要存儲設備為一臺10路硬盤錄像機。隨著前端設備的更換，中心相關設備也必須對應進行更換。主要更換設備為對應的32路硬盤錄像機，增加配套的交換機等設備。

3.4 大屏顯示部分

水庫視頻監控系統的主要顯示設備由一臺大電視及10臺14寸監視器組成的電視墻。由于在畫面小，分辨率低，顯示效果無法達到很好的觀察效果，需要進行更換。電視墻的替換產品主要有兩種選擇，一種是選擇DLP拼接屏；另一種是選用小間距LED顯示屏。兩者相比，小間距LED顯示屏的亮度更高，色彩更為艷麗。其缺陷在于距離過近時，LED的間距會導致畫面感不強。但考慮到該水庫的大屏主要用于顯示監控畫面，同時會議室是較為狹長的形狀，那么小間距LED顯示屏是更好的一個選擇。

由于LED屏的安裝必須考慮屏后的檢修空間，如果安裝在原電視墻安裝位置，將會占用很大一部分會議室面積，也不利于安裝，原位置不是太合適。考慮到會議室與機房僅一墻之隔，將LED屏安裝在機房側墻，背部與機房相通，檢修可以直接在機房內進行，便于檢修的同時，還有效保留了會議室的空間。因此，建議對會議室進行簡單改造，針對屏安裝位置的改變，對會議室的門窗相應進行改造以便于人員出入。同時，在大屏上方安裝一組 LED 條屏用于展示。

3.5 中心站硬件平臺部分

原系統中采用一臺服務器作為水雨情測報及大壩安全監測系統的數據接收、數據處理及數據發布服務器，同時配備對應的電腦作為管理人員監看數據的工作站。服務器經過6年不間斷的運行，現在老化非常嚴重，存在速度低、經常死機等問題。

為保障系統正常運行，需要更換服務器和相應的工作站。考慮到現在技術的發展進步，為避免服務器的老化及故障導致系統出現問題，建議不再單獨購置服務器，而是采取租賃云服務器的方式，租用云服務器主要有安全性高、穩定性強和價格便宜的優勢。

4 結論及建議

水情自動測報系統和大壩安全監測系統在該水庫防汛調度中發揮著不可替代的作用，為充分發揮水庫監測系統的作用，使水庫管理人員及時、準確、有效地掌握庫區水情信息，進行科學調度，本次水情測報和大壩安全監測系統改造建設在總體設計上本著“系統分析、合理規劃、優化設計”的原則，保證系統的穩定可靠、技術先進，并兼顧系統籌建運行的合理經濟性，能夠及時準確地為庫區和下游提供準確科學的水情預報。項目于2018年開始建設，2019年3月完成并投入使用。