水電站大壩安全群控的關鍵技術問題

楊海云，陳安逸，陳澤欽，何金平

（1.國網福建省電力有限公司電力科學研究院，福州350007；2.武漢大學水利水電學院，武漢430072；3.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢430072）

0 引 言

根據2018年全國水利發展公報，截止2018年底，全國已建成各類水庫98 822 座，水庫總庫容8 953 億m3［1］；其中，由國家能源局監管的水電站大壩接近600 座，裝機容量占全國總裝機的75%，水庫庫容占全國總庫容的47%，囊括了全國壩高在200 m 及以上的特高壩［2］。因此，水電站大壩安全問題在壩工安全領域占有重要地位，水電站大壩及設施一旦破壞，將造成嚴重的后果［3］。

流域梯級開發是國內外水電開發的主要模式［4，5］。流域梯級開發具有水流利用充分、工程滾動開發、電力協同調度等多重優越性，在我國水電建設實踐中已逐漸形成了金沙江、雅礱江、大渡河、長江上游干流、瀾滄江干流、烏江、怒江、南盤江及紅水河、黃河上游及中游、湘西諸河、閩浙贛諸河、東北諸河等大型流域水電站開發基地。例如，金沙江干流規劃了8 級梯級開發，雅礱江干流規劃了11 級梯級開發，瀾滄江干流規劃了15級梯級開發等。即便是一些較小的流域或支流，也是主要采用梯級開發模式；例如，福建省主要分布有閩江、九龍江、汀江、穆陽溪、霍童溪等5 條流域，其中閩江流域及支流共布置了20 多座梯級水電站，分別表現為沙溪支流10 個梯級、金溪支流9 個梯級、尤溪支流4 個梯級、古田溪支流4 個梯級的梯級水電站開發模式。

電力生產企業是水電站大壩安全的責任主體。根據我國安全生產領域的相關規定，企業是本單位安全生產的責任主體，政府部門承擔安全生產的監管責任。我國五大發電集團和中國長江三峽集團公司以及其他各流域水電開發公司大多設置有各自的大壩中心，負責所屬水電站大壩（群）的安全管理。以雅礱江流域水電開發有限公司為例，該公司于2011年成立“大壩中心”，按照“流域化、集團化、科學化”的發展與管理理念，統籌流域梯級大壩群的安全管理，建立了流域集中管理與現場管理相結合的大壩安全分級管理機制［6］。

單座大壩安全監控仍是目前大壩安全監控的主要方式。安全監控是保障大壩安全運行的重要手段和主要途徑。雖然各大發電公司在開發過程中逐漸形成了流域大壩群或區域大壩群，但我國現有的水電站大壩安全監控主要還是針對單座大壩，即一座大壩設置一套安全監控系統。雖然部分發電公司對所屬的具有關聯性的多座大壩建立了大壩群安全監控系統，但主要是實現多座大壩監測資料的集中管理和信息共享，并未涉及到大壩群監測數據之間的實質性融合，更未涉及到大壩群之間的安全關聯性，因而本質上仍屬于單座大壩的安全監控系統，不過是多個單座大壩監測系統的簡單組合。仍以雅礱江流域水電開發有限公司為例［7］，公司于2011年啟動雅礱江流域大壩安全信息管理系統的建設工作，系統定位為雅礱江公司流域大壩安全管理和技術管理的統一平臺，主要功能是對各投運水電站大壩監測一級巡檢維護、定檢注冊等大壩安全信息進行全面管理，并為安全監控項目的管理提供信息化手段；該系統2013年投入試運行，至2017年已接入二灘、桐梓林、官地、兩河口、錦屏一級、錦屏二級和楊房溝等7 座水電站的監測數據，僅占全流域22座梯級水電站的一少部分，其余大壩仍采用單座大壩安全管理模式。

綜上所述，我國目前已經形成了流域水電站大壩群和區域水電站大壩群的開發模式，但水電站大壩安全管理還停留在單座大壩單獨監控的管理模式上。大壩群之間的安全性存在著相互影響，大壩群的安全管理難度比單座大壩的安全管理要復雜得多，目前針對單座大壩的安全管理模式遠不能滿足和適應大壩群控的需要。為此，本文對水電站大壩群的基本概念和大壩群控關鍵技術問題進行了探討。

1 大壩群與大壩群控的內涵

與一般意義上的大壩安全監控相比，大壩群安全監控（大壩群控）有兩方面的特殊性：一是研究對象是大壩群，而不只是單座大壩；二是研究內容是大壩群的健康診斷和安全監控，而不只是單座大壩的健康診斷和安全監控。因此，單座大壩的健康診斷和大壩群的健康診斷在研究思路和研究方法上具有明顯的區別，在大壩群控研究過程中，需要明確大壩群的范圍，明確大壩群控應納入的具體內容，以及開展大壩群控研究需要采取的技術支撐等。

1.1 大壩群的類型

大壩群控中的大壩群，主要包括兩種類型：一是地理位置上的大壩群，主要為同一流域上的多座大壩組成的大壩群，可稱之為“流域大壩群”；二是隸屬關系上的大壩群，主要是同一發電公司所屬的多座大壩組成的大壩群，可稱之為“區域大壩群”。此外，還有一類與電網有關的大壩群，主要是某一范圍內接入電網的多座大壩組成的大壩群，可稱之為“電網大壩群”。

1.1.1 流域大壩群

我國規劃的十三大水電基地中，絕大部分是以流域梯級開發形式呈現的。流域內高壩大庫龍頭水電站的建設，密集梯級的水電站開發，較好地解決了水資源時空分布不均的矛盾，極大地提高了流域水資源的綜合利用［8］，因此流域內的梯級水電站群開發已成為我國流域水資源綜合利用和能源供應基地建設的主要模式。

然而，流域內梯級大壩群在最大限度地實現水資源的綜合利用的同時，梯級大壩群之間的安全性因存在著相互影響而導致大壩群蘊含著更加復雜的安全風險，因此，流域內梯級大壩群的安全監控比流域內任何一座單座大壩的安全監控都要復雜得多。

1.1.2 區域大壩群

華能、大唐、華電、國電和中電投是我國五大全國性發電集團，所屬水電站大壩遍布全國各地，因而同一流域或同一區域存在著歸屬于不同發電公司的水電站大壩。除雅礱江流域由國務院授權雅礱江流域水電開發有限公司進行統一開發外，其他各大型流域上的水電站開發至少包含2家發電集團參與。

發電企業是水電站大壩安全的責任主體，因此同一區域內的不同大壩在安全監控上采取各負其責的管理模式，這也就在實際上將整個區域內的所有大壩按照其產權關系劃分為隸屬于不同發電公司的區域大壩群。

1.1.3 電網大壩群

發電公司與電網公司分開是我國目前電力行業的基本體制。我國電網分為國家電網和南方電網，兩個電網不交叉。同一區域內的所有水電站均接入該區域的電網，因此，就某一范圍而言，所有接入該電網的水電站大壩就在該范圍內構成了一個電網大壩群［9］。

上述三類大壩群事實上是相互交融的。流域大壩群以流域為載體，包含該流域內的所有大壩，這些大壩可能屬于一個發電公司或多個發電公司，大壩群控側重于上下游水電站大壩安全之間的相互影響；區域大壩群以責任主體為載體，包含某一區域內某一發電公司所屬的所有大壩，區域大壩群中的大壩屬于同一發電公司，但在同一個區域可能存在分屬于不同發電公司的區域大壩群，大壩群控側重于大壩安全的集中管理和監控。電網大壩群以電網為載體，包含某一范圍內接入電網的所有大壩，這些大壩分屬于不同的發電公司，大壩群控側重于大壩安全對電網安全穩定運行的影響。

1.2 大壩群控的內容

大壩群控涉及的內容十分廣泛，既包括環境量，也包括效應量；既包括大壩的壩體及壩基，也包括近壩庫岸和庫區；既包括大壩主體結構，也包括閘門等附屬結構；既包括工情監控，也包括水雨情監控。

1.2.1 群控對象

環境量是影響大壩安全的決定性因素，對環境量的監控是所有大壩必須開展的項目，特別是對庫水位、壩址溫度的監控。

監測效應量是對大壩運行性態的直接反映，是評價大壩安全狀態的基本依據。對不同類型的大壩，監控的重點也不盡相同。比如，對混凝土重力壩，重點監控的效應量主要有壩體變形和壩基揚壓力；對混凝土拱壩，重點監控的效應量包含壩體變形和壩肩變形以及溫度荷載；對土石壩，重點監控的效應量主要為滲透壓力，包括壩體浸潤線和壩體及壩基滲透坡降等；對泄洪設施，則應重視對水力學方面效應量的監控。

除監測效應量外，大壩安全巡視檢查也是保障大壩安全的重要手段。在大壩監控中，必須將儀器監測與巡視檢查緊密結合。

單座大壩的監控是大壩群安全監控的基礎。對大壩群控而言，在布置單座大壩的安全監控時，還需要關注不同大壩之間（特別是流域大壩群之間）效應量的關聯性，為大壩群關聯監控的實現提供可能。

1.2.2 群控范圍

在大壩群控中，大壩是一種泛指，是壩體、壩基、壩肩、近壩庫岸以及庫區的總稱。因此，大壩既包括主體結構，也包括近壩庫岸和庫區，還包括各種附屬設備等。

大壩主體結構主要包括各類擋水建筑物，各類泄水建筑物（如混凝土壩的溢流壩段，土石壩的溢洪道、泄洪隧洞等），以及相應的發電建筑物（如地面廠房、地下廠房、輸水管道等）等。

近壩庫岸和庫區的安全監控是大壩安全監控中容易忽視的部分。但是，已有的大壩失事實例表明，因近壩庫岸崩塌導致的大壩失事、因庫區滑坡和泥石流等災害導致的大壩事故時有發生，有些導致了極其嚴重的災難性后果，如著名的意大利瓦伊昂拱壩的失事。

大壩附屬設備的運行安全監控也是大壩安全監控中比較容易忽視但確是十分重要的監控內容，其中閘門是大壩最主要和最重要的附屬設備，因閘門不能正常工作而導致的洪水漫頂并最終導致大壩潰決的教訓是慘痛的，比如著名的板橋大壩的失事等。

因此，在大壩安全監控中，不僅要重視對大壩主體結構的監控，而且要高度重視對近壩庫岸和庫區以及閘門等附屬設備的監控。

1.2.3 群控系統

大壩群不同于單座大壩，大壩群之間的安全性具有關聯性，安全因素具有相互影響，因此，大壩群控不僅要監控大壩結構的安全，而且要監控大壩群之間的安全影響因素。前者主要涉及到工情監控系統，后者主要涉及到水雨情監控系統。

水雨情監控系統主要包括對水庫水位、庫區降雨等進行的實時監控，其目的是為水庫運行調度、水情預測預報等提供實時、準確的監測數據。

將工情監控系統與水雨情監控系統有機結合對大壩運行進行聯合調度是未來大壩安全監控（特別是大壩群控）的發展趨勢。工情監控系統提供了大壩運行性態的實時監控信息和安全預測信息，水雨情監控系統提供了大壩安全影響因素的實時信息和預報信息，兩者信息的有效融合可實現對閘門調度、水位控制等主要安全手段的控制。

對于大壩群，流域水雨情系統則更為重要。流域內的雨情、上游水庫的泄洪、下游大壩的制約等都是影響大壩群安全的重要因素。

大壩群控的基本內涵可以概括為圖1。

圖1 大壩群控的基本內涵Fig.1 The basic connotation of dam group safety monitoring

2 大壩群控關鍵技術問題

水電站大壩安全群控的研究目前還處于起步階段，實質性的研究成果還不多，且主要集中在流域大壩群監測信息的集中管理和潰壩洪水對流域大壩群安全的影響等方面［10-12］。然而，大壩群控不只是對多座大壩的監測系統實施遠程監控，或將多座大壩的監測資料集中起來進行統一管理，大壩群控的關鍵在于對大壩群監測資料進行深度融合，實現對大壩群的智能化健康診斷和安全監控。

2.1 大壩群控平臺建設

大壩群控平臺是實現大壩群監測信息深度融合的基礎設施。就單座大壩而言，我國大中型水電站均布置有大壩安全監測系統，有比較完善的監測信息感知設施，能及時獲得大壩變形、滲流和應力應變等監測資料。但是，這些監測資料主要分散在每座大壩，難以實現大壩群數據采集的遠程控制、信息管理的多源融合和大壩安全的智能監控。為此，需要采用現代信息技術和新一代網絡技術，開發適合于大壩群安全監控的系統和平臺。

（1）平臺的構建技術。基于分布式技術、虛擬化技術、信息共享技術和新一代網絡技術的云計算平臺，將信息存儲空間、云計算能力和用戶應用軟件作為一種服務提供給用戶使用，為大壩群控平臺的建立提供了一種新模式和新技術，也是大壩群控平臺未來的發展趨勢。

（2）平臺的功能。基于云平臺的大壩群控系統，利用現有的單座大壩的安全監測系統作為大壩安全信息的感知系統，利用現代通信技術和網絡技術實現監測數據采集的遠程控制，利用云數據中心構建虛擬化的云基礎設施和集成化的數據資源池以實現監測信息的共享與管理，因此，大壩群控平臺的主要功能在于為實現數據深度挖掘、多源信息融合、智能健康診斷、安全監控預警等用戶應用軟件功能提供基礎設施和數據資源。

2.2 智能化大壩群控技術

大壩群控不同于單座大壩的安全監控，除常規的技術手段外，更側重于大壩群監測信息的關聯、融合和挖掘，因而對智能化的要求更高。以人工神經網絡、機器學習、模式識別、數據挖掘、大數據理論為代表的人工智能技術的飛速發展，為大壩群控提供了智能化技術支撐。

（1）多維度智能化安全監控。單座大壩安全監控智能化是大壩群控智能化的基礎，無論是單座大壩還是大壩群，安全監控智能化在時間維度上需要貫穿建設期與運行期的全生命周期，在空間維度上需要覆蓋全流域或全區域的范圍，在應用維度上需要涉及到智能化監測儀器與數據采集系統、智能化工程病害識別與健康診斷、智能化安全預警與應急預案以及智能化的失事后果風險分析等全過程。智能化大壩群控涉及到工程學、儀器學、信息學、現代數學等多學科交叉與融合。

（2）信息深度融合。信息深度融合是大壩健康診斷和安全監控的主要手段和重點內容。對單座大壩，信息融合的重點是從多測點、多效應量監測資料中挖掘和提取表征大壩安全的關鍵信息；對大壩群，大壩群之間本身是具有一定關聯性的，大壩運行條件、實測性態等方面也具有一定的關聯性，因此信息融合的重點在于尋找能融合具有關聯性的多座大壩監測信息的特征參數，采用諸如信息熵理論、互信息理論、聯系度理論、機器學習等現代信息技術，研究大壩群信息關聯方法，實現大壩群之間多源監測數據的信息融合，挖掘大壩群之間安全特性的規律性。

（3）大壩群控與智慧流域。大壩群控是智慧流域建設的基礎。在流域大壩群、區域大壩群和電網大壩群三種類型中，最常見的還是流域大壩群。智慧流域以新一代網絡技術、信息感知技術、人工智能技術等為基本技術手段［13，14］，以全面感知、實時監控和智能處理為基本運行方式，將全流域水雨情監控系統和工情監控系統融于一體，實現對全流域的高度智能化綜合管理。流域大壩群控的實現，使得智慧流域的實施成為可能，為流域水資源綜合利用、流域洪災風險控制、流域工程效益充分發揮等提供了前提條件。

2.3 大壩群安全風險分析

大壩安全風險分析是一種以風險控制為核心的安全管理模式，主要包括風險識別、風險評估、風險標準和風險處置等方面的內容。風險分析使得大壩安全管理逐步從以工程安全管理為核心的傳統模式向以工程風險管理為核心的現代理念轉變，是未來大壩安全管理的主要發展趨勢。目前對單座大壩的風險分析研究較多，但大壩群風險分析方面的研究成果還較少。

（1）流域大壩群風險分析。梯級開發能滿足流域內多目標開發的需要，獲取最大的梯級效益，但是流域梯級開發也不可避免地面臨工程安全和管理調度兩方面的風險［11］。其中，工程安全風險主要表現在：流域梯級內不同大壩的工程等級不一致，導致防洪標準不協調；上游干流甚至支流上的大壩一旦潰壩，將有可能引起下游大壩群發生潰壩的連鎖反應。為此，流域梯級大壩群風險研究時，需要特別研究兩類失事模式：一是尋找個體失事概率最高的薄弱大壩，這是梯級大壩群風險控制中的“短板”；二是尋找能降低潰壩風險傳遞效應或截斷潰壩風險的控制性大壩，一般是流域中的高壩大庫，控制著流域的整體風險水平。

（2）區域大壩群風險分析。區域大壩群的研究在水利領域有所研究，但在水電站大壩群中研究成果很少。這主要是由于目前的區域大壩群以省域劃分為主，水利大壩在省域內管理職權比較明確，而水電站大壩在省域內則分屬不同的發電集團。區域大壩群風險分析的目的目前主要是確定區域內各大壩的風險水平，進而確定大壩安全改造的資金強度和先后順序［15］。

（3）電網大壩群風險分析。電網大壩群是一類比較特殊的大壩群，電網大壩群風險不僅關心大壩本身的風險水平，而且更關心大壩失事對電網的安全穩定運行帶來的不利影響［9］。接入電網的大壩群，既包括流域上的大壩群，也包括某一區域內的大壩群，因此電網大壩群風險研究比流域大壩群和區域大壩群風險研究更為復雜。目前比較可行的研究方法主要有聯系度方法和貢獻度方法，即：將電網運行狀態視為目標，將接入電網的各大壩視為影響因子，研究各座大壩失事導致電網故障的關聯程度，或各座大壩失事對電網故障的“貢獻”程度。

3 結 語

無論是流域上還是區域內的水電站大壩，主要表現為大壩群的形式。這些大壩群之間存在著相互聯系和相互影響，因此，在大壩安全研究時需要特別重視對大壩安全群控的研究。本文在總結了我國水電開發模式和水電站大壩安全管控方法的基礎上，對水電站大壩群和大壩群控的內涵進行分析，提出了水電站大壩群控研究的關鍵技術問題。

本文將水電站大壩群劃分為流域大壩群、區域大壩群和電網大壩群三大類。流域大壩安全群控側重于上下游水電站大壩安全之間的相互影響，區域大壩群控側重于大壩安全的集中管理和監控，電網大壩群控側重于大壩安全對電網安全穩定運行的影響。

水電站大壩群控的關鍵在于對大壩群安全信息的深度融合，對大壩群健康狀態的智能診斷和監控，主要包括大壩群控平臺建設、智能化大壩群控技術以及大壩群安全風險分析等關鍵技術問題。 □