大連地區小型水庫雨水情和大壩安全監測信息化平臺研究

張雙翼

(遼寧省水利事務服務中心，遼寧 沈陽 110003)

目前，大連市注冊登記的小型水庫171座，其中小Ⅰ型水庫42座，小Ⅱ型水庫129座。考慮到水庫降等、報廢等多重因素，經過各地申報并報水利部核準，最終確定對152座小型水庫進行建設，其中小Ⅰ型水庫42座，小II型水庫110座[1]。大連地區的152座小型水庫多數修建于20世紀50、60年代，受當時歷史條件的限制，建設標準低，施工質量差，配套設施簡陋，經過幾十年的運行，工程老化、失修失管現象嚴重，安全隱患十分突出，嚴重地威脅著下游人民生命財產的安全，制約當地經濟的發展[2]。目前僅有個別小型水庫安裝雨水情監測設施、大壩安全設施、視頻監控設備，但因安裝年限較久、運維缺失、技術人員缺乏，傳輸協議停用等眾多因素最終導致各監測設施均已停用。當水庫遭遇暴雨洪水時，如準備不充分、措施不到位、搶險不及時，很可能會造成垮壩失事的重大事故[3]。小型水庫是大連市水利工程的重要一環，灌溉、供水效益突出，是區域防洪、農業生產、農民生活的重要基礎設施，其運行管理關系到小型水庫功能和效益的發揮[4]。通過物聯網、云計算、大數據、5G技術等信息化手段賦能大連市小型水庫管理[5- 11]，形成以水庫為主體，以市、縣、鄉多級行政區域水庫集約化管理為特征的水庫綜合管理模式，協助水庫主管部門與“3個責任人”對水庫進行有效監管，融合智能感知、監視預警、巡查管理、軌跡跟蹤、事件上報、問題處置、數據統計分析、信息管理和應急預案于一體，構建小型水庫整合服務體系，提供系統的、完整的、管家式服務，保障水庫安全運行，為水庫防洪興利保駕護航[12- 15]。

1 信息化需求分析

1.1 監測感知需求

監測數據是小型水庫防汛的基礎，但是目前小型水庫的監測感知設備是大連地區防汛的薄弱環節。如何獲取實時數據是保障科學防汛調度管理的關鍵，需要結合小型水庫管理的實際需求。根據實際需要為小型水庫配備相應的雨量、水位、位移、滲壓、滲流及視頻等監測設備，借助現代科學技術信息手段，依靠現場的監測感知體系，實現對水庫不同運行狀態下的綜合管理分析，及時發布有效的預警、預報指令。監測設施建設按照統一要求、因庫制宜、簡便實用原則，綜合考慮工程規模、壩型特點、壩高壩長及下游影響等因素，沒有設施的新建，已有設施的完善或整合，做好與現有設施銜接。

1.2 數據資源需求

數據包括實時數據、基本數據及空間數據。基本數據包括水庫概況、水工建筑物、管理機構、職工以及用水單元的基本數據；空間數據包括基礎空間數據：主要為基礎電子地圖數據，專題空間數據：包括遙測站空間分布圖等；實時數據包括雨量數據、水位數據、大壩表面變形數據、滲流數據以及視頻監測數據。將已有的水庫基礎及監測數據信息和未來小庫的相關數據進行有效整合，按照國家有關標準規范協議實現與其他系統之間的數據全面共享，有效提升數據質量。

1.3 應用支撐需求

為了充分打破水利數據壁壘，進一步提升小型水庫業務應用的智能化水平和能力，需要在應用支撐手段上下功夫，包括基礎應用支撐，例如數據庫管理、地圖服務、報表服務、身份認證服務等；專業應用支撐包括關系曲線測算、抗雨能力分析、視頻智能報警等等，充分實現資源的整合共享，提升綜合分析應用的能力，實現平臺功能的通用化、專業化和多樣化。

1.4 業務功能需求

小庫防洪安全是防汛治理體系環節中的重中之重，開發建設大連市小型水庫雨水情和大壩安全綜合監管平臺，將平臺功能進行角色權限劃分，實現多部門、多用戶的廣泛應用。根據實際應用需求，平臺功能應覆蓋小型水庫雨水情及大壩安全分析、防汛預警管理、巡檢事件、視頻查看、統一報表管理、數據綜合分析等各個方面，及時發現水庫運行風險和安全隱患，及時防范和化解風險、消除隱患、發布預警，提高水庫運行管理水平。

1.5 性能安全需求

根據水利防汛等業務需求和信息化目標，性能主要包括技術要求、運行環境、兼容性、先進性、適用性、安全性、擴展性、易操作性等。安全需求包括現場網絡安全、主機安全、數據安全及安全管理等各方面，對于容易受到攻擊者選定為目標的政府機構，由于水利業務系統信息的敏感性，防汛抗旱等水利信息系統一旦發生數據泄露、篡改、破壞、丟失等安全事件，將會嚴重影響水利行業的正常工作，進而損害人民群眾的生命財產安全等切身利益。因此水利業務系統建設時必須充分考慮安全性問題。

2 總體設計框架

充分運用“云物移大智”等信息技術賦能水庫管理全過程，完成大連市小型水庫雨水情測報和安全監測設施的建設，加強水庫雨情、水情、工情以及視頻信息的采集、傳輸與處理，為小型水庫的防汛指揮和日常管理提供決策支持，并推動大連市小型水庫管理規范化、精細化、智能化的跨越式發展，提高大連市智慧水務建設水平為建設目標，以建設目標為指引，構建“六橫兩縱”的大連市小型水庫雨水情和大壩安全綜合監管平臺的總體框架，“六橫”包括物聯感知、網絡通信、基礎設施、數據中心、應用支撐、業務應用6個層面，“兩縱”分別是網絡安全體系和保障體系，如圖1所示。

3 建設內容

主要包括雨水情監測和大壩安全監測，以及水庫大壩安全綜合監管平臺。5座水庫有5G信號覆蓋，可采用5G技術將監測數據回傳至數據中心，本身5G具有高帶寬，低時延，大連接等技術優勢，因此可提升用戶體驗，從而打破原有傳統水利行業，推動水利行業邁向高質量發展。其他水庫可采用4G無線網絡進行數據傳輸。

圖1 平臺總體框架圖

3.1 雨水情監測

對大連地區152座小型水庫進行勘察。綜合大壩類型、流域面積、壩高、壩長、施工條件等因素，對152座水庫布設雨水情、視頻監控等設備，對除王家店水庫、凌水水庫、金普新區石河街道東溝水庫、山里水庫四座重力壩水庫以外的148座水庫布設滲流壓力、滲流量、表面變形等設備，實時采集監測信息，采集的信息通過遠傳終端傳輸至數據中心。

(1)雨水情監測系統組成

雨水情監測站主要由遙測終端機、通訊模塊、雨量計、水位計、設備終端箱、供電系統等組成。根據布設原則進行站點布設，設備供電采用太陽能浮充蓄電池供電，采集數據定時通過通訊模塊進行數據傳輸，集中匯至小型水庫數據接收平臺。監測系統結構如圖2所示。

(2)視頻監控系統組成

視頻監控站主要由網絡攝像機、存儲卡、設備終端箱、供電系統等組成。視頻采集圖像和圖片通過通信網絡進行數據傳輸，集中匯至小型水庫視頻接收平臺。監測系統結構如圖3所示。

3.2 大壩安全情監測

(1)滲流壓力監測系統組成

滲流壓力監測站主要由數據采集單元、滲壓計、設備終端箱、供電系統等組成。每日采集數據定時通過通訊模塊進行數據傳輸，集中匯至小型水庫數據接收平臺。滲流壓力監測系統結構如圖4所示。

圖2 庫水位監測站系統結構圖

圖3 視頻監控系統拓撲圖

(2)滲流量監測系統組成

滲流量監測站主要由數據采集單元、通訊模塊、量水堰儀、設備終端箱、供電系統等組成。每日采集數據定時通過通訊模塊進行數據傳輸，集中匯至小型水庫數據接收平臺。

(3)變形觀測系統組成

表面變形監測站主要由GNSS接收機、強制對中器、供電系統等組成。每日采集數據定時通過通訊模塊進行數據傳輸，集中匯至小型水庫數據接收平臺。

3.3 信息化綜合監管平臺

為規范和加強小型水庫信息化建設，提高小型水庫安全管理水平，更好地發揮小型水庫效益，對全市小型水庫進行動態監控，實現雨水情和大壩安全采集規范化、自動化，為小型水庫安全管理和水資源的合理利用提供準確、及時和充分的基礎信息支撐。建立可持續的水庫大壩安全綜合監管平臺。平臺主要包括綜合大屏、智能看板、一張圖、雨水情、大壩安全、視頻監控、預警管理、報表管理、巡查管理、事件管理、考核管理、水庫檔案、設備管理、信息管理、通知管理、系統管理以及移動app功能模塊，構建的信息綜合監管平臺如圖5所示。

3.4 移動APP管理平臺

充分借助移動應用基礎廣泛的特點，開發移動應用端，實現“多功能合一”，集水庫管理工作、信息監視、水庫巡查、事件處理、消息提醒等重要功能于移動APP，最大化豐富移動端應用，實現政務人員不論何時、何地，隨時查看水庫相關基礎信息、實時信息，并能及時處理重要事件，為工作者提供真正的全方位的移動指揮辦公手段。移動APP具體功能包括首頁，綜合監視、水庫巡查、事件管理、我的5大功能模塊如圖6所示。

圖4 滲流壓力監測系統拓撲圖

圖5 信息化綜合監管平臺

圖6 小型水庫移動APP功能框架

4 結語

(1)小型水庫雨水情監測設施供電十分重要，供電主要采用太陽能板浮充蓄電池方式，為了接收較強的太陽輻射，太陽能板的安裝角度建議與當地的緯度保持一致，即南偏西方向。太陽能供電系統中太陽能板建議選取60W單晶硅太陽能板、蓄電池選12V 65AH的耐低溫膠體電池。

(2)水庫綜合管理系統也可以對外提供數據接口服務，其他業務系統可以通過數據接口進行數據共享。實現數據資源共享、業務應用的交互協同。建設標準化的數據接口可以加強數據流通與整合，同時還可以促進數據資源的充分利用，也可滿足“城市大腦”的需求，從而實現與“城市大腦”的對接。