小型水庫安全信息感知及預警技術

章麗娟，龐 紅，何 淇

（1.水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇南京210012；2.河海大學水利水電學院，江蘇 南京210098）

0 引言

我國現有小型水庫9.8 萬余座，其中7.5 萬多座是庫容100 萬m3以下的小（2）型水庫。小型水庫在灌溉、供水、改善生態環境等方面發揮了巨大作用，效益顯著，是水利基礎設施的重要組成部分。但是小型水庫多建于20 世紀50—70年代，工程標準低、質量較差，運行維修養護經費投入不足，管理待完善。據統計，我國小型水庫平均病險比例高達53.3%[1]，目前仍有數千座小型水庫管護主體尚未落實，部分小型水庫存在管理機構缺失、管護人員不到位等問題。隨著經濟和科技條件的改善，加大對小型水庫安全管理的科技投入，充分利用傳感器、數據庫和網絡技術，構建小型水庫群安全風險感知和預警平臺已具備可行性。

文獻［2］以某小型水電站系統改造為背景，設計并實現一個基于J2EE 平臺的大壩遠程、實時監測系統。文獻［3］針對中小型水庫土壩特點，在分析傳統大壩安全監測系統局限性的基礎上，在系統結構、傳感器、數據采集模塊、電源自動管理、遠距離傳送、軟件系統幾個方面進行了創新與改進，研發出一套適用于中小型水庫土壩的安全自動監測及管理數字系統。文獻［4］首先針對傳統大壩監測系統的缺陷進行改進,從系統結構、傳感器、數據采集模塊、電源自動管理技術、遠距離傳送、軟件系統幾個方面對傳統大壩安全監測系統進行創新與改進，開發出一套實用的“中小型水庫土壩安全監測系統”。文獻［5］給出了一種簡易水庫大壩風險等級評估方法并在實際工程中加以應用。

上述研究都是針對單一水庫進行或是從管理模式上對小型水庫進行研究。文中將在分析小型水庫安全風險的基礎上，對建立小型水庫群風險感知及預警平臺進行研究。

1 小型水庫現狀及其安全風險

我國小型水庫具有數量多、監測設施不完善、運行管理技術理量不夠、維修養護經費不到位等問題，為降低小型水庫失事概論，有必要將現在小型水庫監測設施10%的比例向上提高。但由于小型水庫數量多、經費有效，因此有必要根據具體水庫的特點有針對性地布置安全監測設施。從目前小型水庫安全監測來看，總是將安全監測理解為變形、滲流監測，實際上安全監測有必要根據失事情況進行拓展，把引起小型水庫失事的各類重要因素和響應納入監測范圍，為此有必要首先對小型水庫失事成因進行總結。

1954年迄今全國潰壩3500 多座，其中絕大多數是小型水庫。典型失事成因如下：

1）水文氣象典型實例包括破沖口水庫、英德爾水庫、茶山坑水庫都是由于連降特大暴雨，降雨量超過設計標準，從而導致漫頂等事故發生。

2）材料結構滲流典型實例，包括石堡子混凝土面板堆石壩受壩體沉降變形影響，防浪墻整體變形嚴重，出現裂縫、分縫錯位。

3）運行監管典型實例包括溝后、大河、七仙湖、李家咀水庫潰壩等，都是由于缺乏有效監測設施或反應不及時引起。

2 安全監測預警的基礎工作

2.1 水庫安全風險分析

每座水庫由于其地理位置、水文地質條件、氣候氣象條件、下游發展等各不相同，因此起失事模式、失事路徑、失事后果各不相同，進行小型水庫的安全風險分析，將有利于針對具體水庫獲得影響水庫安全的敏感因素，從而針對性地設計水庫安全風險感知網絡。

2.2 水庫分類排序

2.2.1 根據風險源種類進行分類

根據可能引起水庫安全失事的原因及其后果不同，將風險源分成賦存環境風險、材料結構滲流風險、運行監管風險三大類。三類風險源各有其特色，其感知網絡與預警體系也存在明顯的不同。對于賦存環境風險，可以充分利用或結合“暴雨風險圖”“中國地震區劃”“洪水風險圖”“滑坡泥石流風險圖”和“臺風路徑圖”等已有研究成果進行。

2.2.2 根據風險大小進行排序

小型水庫數量多，風險大小差異大，考慮到經費等限制有必要在調查統計的基礎上參考文獻［5］等的做法進行風險評估，既考慮到整個水庫失事的概率也考慮到失事后的損失。根據風險大小進行排序分類，根據風險大小確定信息感知網絡的投入，包括監測/檢測項目、測點數量、儀器類型、冗余備份、軟件配置等。

3 信息感知

3.1 感知方式

3.1.1 巡視檢查及遙感

專業技術人員以及無人機的巡查、空天遙感可以獲取水庫壩體、相關建筑物、庫區邊坡等大面積的安全信息。

3.1.2 視頻及圖像

充分利用可見光、紅外光、微光等對壩體或樞紐關鍵部位的環境輸入、結構響應以及人為操作等實施有效監測。

3.1.3 儀器監測

儀器監測應根據工程敏感輸入或響應確定，無需要像大中型水庫一樣面面俱到。為延長預報期，對于氣象、臺風、暴雨等信息可以充分利用氣象等部門的前期預報信息，對于氣溫、水位、雨量等工程安全影響因素，也可以充分利用相關部門的監測數據，避免不必要的重復建設。

3.1.4 狀態檢測

采用高密度電法、超聲波等無損檢測的方法對小型水庫的壩體、混凝土結構、鋼筋銹蝕情況和金屬結構進行檢測，可以有效獲取工程隱患的重要信息，從而為實現工程安全動態預警提供依據。

3.2 感知要素

3.2.1 賦存環境

氣候氣象風險具有明顯的地理區域特色,因此在全國各地其系統配置也應具有明顯不同。

水文地質風險需要根據入庫水量組成和路徑、地質災害形式等進行感知項目設置。

地震風險是高震區小型水庫面臨的重大安全風險，其采集項目包括自由場的加速度時程（包括幅值和相位）。

3.2.2 材料結構滲流效應

監測部位和項目包括大壩壩身變形和滲流狀態、泄洪閘門變形以及啟閉設施可靠性參數、泄洪或行洪建筑物穩定、近壩庫岸或者邊坡穩定、壩下建筑物與壩體連接部位穩定和滲流等。由于各座水庫具體情況不一樣，設置上述項目和測點要根據工程風險和敏感度大小及其之間的關系進行。

3.2.3 運行監管

運行、管理和監督的水平、效率和效果是影響小型水庫安全風險高低的重要因素，充分利用圖像采集、數據上傳、培訓考核、現場督查、網上答題等手段和方法可以有效感知運行監管風險要素。運行監管風險感知的要素包括法律、法規、標準和上級文件精神的熟悉、理解和執行到位情況；相關制度的針對性、可操作性和完備性；責任落實的具體性、明確性和匹配性；分工協作的協調性、完備性和可靠性；人員、設備、設施和經費的保障性；獎懲措施的有效性等幾個方面。

3.3 感知網絡

整體網絡要實現水庫管理單位、主管部門、監督單位、技術專家與支撐單位、水利行政主管部門、應急部門以及相應政府部門的實時連接，支持移動查詢和關鍵信息推送的云平臺網絡。根據風險級別的大小采取相應的應急響應機制，重要信息采用多路推送關鍵設備備份措施，確保惡劣或關鍵時候信息保送和系統運行正常、及時，同時在水庫風險區建立基于移動短信、微信、廣播等應急信息發布和疏散路徑引導網絡，最大限度實現提前預報和最大限度地減少災害損失。

3.3.1 電源設計

網絡電源供應方式一般可以采用市電、太陽能、蓄電池和低功耗自帶鋰電池，在具體設計中，將根據系統規模、通信方式、距離管理處遠近、設備安全情況和當地市電、日照時間等情況確定。

3.3.2 通訊設計

根據系統情況，一般系統通訊包括兩個層次，即現場信息感知網絡通訊和上一級雙向通訊。現場通訊可以采用有線（電纜或光纜）、GPRS、Lora、Zigbee 等，上一層的通訊可以采用公網（GPRS、4G）、衛星、光纖等。為確保系統穩定性，在關鍵鏈路采用必要的備用措施。

4 預警指標體系

4.1 賦存環境

根據具體水庫在環境因素作用下漫頂、超泄量、滑坡等對應的輸入因素的強度或等級，具體包括臺風級別、暴雨雨強和累積降雨量、壩前水位、入庫流量、地震震級等。

4.2 材料及結構響應

4.2.1 擋水及泄洪建筑物

根據建筑物極限承載力所對應具體包括響應量及其時間變化速率（或空間梯度，如不均勻系數）等的臨界值。

4.2.2 金屬結構與機電設施

金屬結構的強度和穩定性、機電設施的可靠性等對應的變形分布、應力分布、輸出電磁特征等所對應的特性或功能突變都可以得到對應的預警指標。

4.3 運行監管風險

4.3.1 管理體系

依據相關法規、規章和部門文件設置相應閾值，采取分級預警。如“三個責任人”“三個重點環節”等落實情況。

4.3.2 監督體系

對主管單位對小型水庫管理監管的有效性、及時性、可靠性等方面設置預警指標。

5 結論與建議

小型水庫群具有水庫數量多、安全狀況差異大、交通不便、技術人員匱乏等特點，因此有必要建設相應得水庫感知和預警平臺，實現小型水庫群的集中管理，充分發揮技術、人才和經費優勢。