淤地坝自动化监测预警系统探讨
本文刊登于《中国水土保持》2022 年第 7 期。
作者：李晓洋,女,甘肃庆阳人,工程师,硕士, 主要从事水利信息化及水利工程方面的工作。
淤地坝作为黄土高原重要的水土保持工程措施,发挥着拦泥滞洪、蓄水保田、增产减沙的作用,在黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略的实施中具 有重要地位。多年来甘肃省淤地坝的监测预警都是人工现场作业,存在技术手段落后、应急报警不及时、专业人员缺乏、工作条件艰苦、工作效率不高等问题。 2021年甘肃省选取了48座大中型淤地坝配置自动化监测预警系统,辅助淤地坝安全运行工作,目前已初步形成了一些具有地域特色的技术模式和思路。
1 监测预警系统
淤地坝监测预警系统主要建设目标是实现淤地坝自动化管理、安全运行管理,监测的全过程智能化、数 字化、可视化。管理部门通过淤地坝监测预警系统,可以直观地监测管辖范围内淤地坝的运行状况,对特殊情况能第一时间做出研判,并及时部署相关防御措施,提高监测精准度及效率,解决传统人工模式下延报或信息不完整等问题。淤地坝监测预警系统由硬件和软件两部分构成,其中硬件主要包括采集设备、固基设备、传输设备、供电设备等,软件包括采集结果统计分析展示系统和预警模型。淤地坝监测预警系统主要有坝体变形监测预 警、浸润线监测预警、视频监视预警等功能模块,监测内容主要包括水位、雨量、流量、坝体变形、坝体渗漏、水毁、坝区等。监测设备所采集的数据为监测预警系统提供了基础数据支撑。
1.1 水位监测
水位监测主要是记录瞬时水位值。淤地坝水位监测重点是坝前水位，预警系统实时将监测水位与汛限水位对比，通过计算水位变化速率，预测水位达到汛限，水位的时间，为判断坝体运行是否存在潜在风险提供依据。
淤地坝水位监测通常采用非接触式雷达水位计， 实现在无人值守或极端天气情况下自动监测水位。同时,在坝坡等差高程处安装水尺，通过高清摄像头查看辅助校核水位计采集水位的准确性。
1.2 流量监测
流量的大小不仅关系着泄水建筑物、坝体背水面的安全性，也影响着淤地坝水位的变化趋势，所以需在泄水口增设流量监测点,采集坝体泄水建筑物的瞬时流量。掌握了泄水建筑物的瞬时流量，预警系统就可,预判泄水量对泄水建筑物和淤地坝 安全运行的影响。
淤地坝流量监测通常采用非接触式多普勒流量计或雷达流量计。雷达流量计内部可集成水位计，同时测量水位、流速、流量、累计流量等。
1.3 雨量监测
雨量监测主要是采集坝区的降雨量。降雨量是防洪减灾和水情监测预报的水文要素，掌握坝区的瞬时降雨量、历时降雨量，可通过预警系统计算降雨量对淤地坝水位造成的影响，判断坝体周边环境的稳定性。
淤地坝雨量监测点布设在野外，无人值守,易遭受 低温、大风等极端天气损毁,且人工维护成本较高。翻斗式自动雨量计体积小、适应能力强,可自动洗涤灰尘，在提高测量精度的同时还可降低人工维护成本，因此非常适用于淤地坝雨量监测。为保证监测数据的强相关性，翻斗式自动雨量计应和非接触式雷达水位计安装在同一监测点,目前多数采用摄像头、雨量计、水位计一体安装。
1.4 坝体变形监测
坝体变形监测主要是监测外力作用下坝体形态的变化,确保淤地坝的安全运行。目前,坝体变形监测技术主要有四种:一是通过三维激光扫描坝体,对比初始扫描数据,得到坝体变形数据;二是利用无人机低空飞行技术获得坝体、边坡的变形数据及坝体周边水系、植被的遥感影像数据,对比初始遥感数据,获取坝体变形数据及周边生态变化数据;三是在坝体安装地表位移监测站、渗压传感器、应力变化监测站,实时获取坝体的变形数据";四是在坝体变形监测点上安装GPS接收机,利用GPS精度高、速度快、全天候等特点,实现大坝变形的自动化监测。
地表位移监测站、渗压传感器、应力变化监测站需在坝体中钻孔安装,钻孔深度20~100m,对安装深度和操作精度都有较高的技术要求,且安装投资大,维护成本高。因此,宜采用GPS 自动化变形监测系统或无人机低空飞行技术获取淤地坝变形数据，同时要进行定期巡测、特殊节点加测，以便更全面、更准确地掌握坝体变形数据。
1.5 坝体渗漏监测
坝体渗漏监测主要是坝体浸润线的监测,采用在坝体内埋设测压管或电子渗压传感器的方式进行监测。预警系统根据传感器监测的数据绘出坝体浸润线,与坝体设计浸润线进行比较,达到预警阈值时预警。
1.6 水毁监测
造成淤地坝水毁的主要诱因是暴雨、洪水,尤其是短历时的强降雨,同时影响淤地坝水毁程度的还有坝体施工质量、管护水平、淤积情况、坝坡防护措施等。工作人员需及时掌握坝体水毁的情况并立即修补，设置水毁监测设施可保证工作人员实地查看，提高解决问题的效率。
李莉等研究发现在坝体外坡26°处冲刷量会达到最大值,裂缝等损伤肉眼可见。因此,应在坝坡迎水面和背水面分别安装高清摄像头，利用AI识别技术对摄像头采集到的图片和视频进行判别，对疑似存在的水毁情况发出预警，再由相关工作人员复查。
1.7 坝区监测
坝区监测主要是监测坝前坝后水位、坝内积水、坝体排水、坝体周边环境等。通过摄像头的影像查看当前坝区情况,记录坝区及坝周环境的变化过程,同时比对历史影像,及时判断淤地坝的运行状况及坝周环境变化情况。
坝区监测主要通过坝区安装的摄像头定频自动采集坝区影像来实现。影像资料分为图片和视频两种类型。360°摄像设备可远程调整摄像头角度查看水位及坝体周围的实时情况,可满足淤地坝自动化监测中远程查看的需求。影像采集可根据淤地坝的运行情况及所处时期,设置不同的监测角度及采集频率,将采集到的影像资料保存到预警系统中,方便工作人员调看。为保证夜间能清晰地查看淤地坝运行状况,摄像头应具有良好的夜视功能,有时还需额外增设照明设备来补足视差。
2 合理配置预警模型
2.1 建立单变量预警模型
目前多数淤地坝监测预警系统中的预警模型都是单变量预警模型,即降雨量、水位、流量等某单一监测值达到预警系统中的分类预警阈值时即发起预警。单变量预警模型公式为
X ≥ N (1)
式中:X 为采集到的数据;N 为分类预警阈值。
将采集的数据分别与预警阈值作差,取得数大于等于0且数值最小的预警阈值作为预警响应值。例如,某淤地坝设定的降雨量预警阈值见表 1。
当翻斗式自动雨量计采集到的1h降雨量为18mm时,用18mm 与1h降雨量预警阈值作差,得数大于0的有蓝色预警(18-7=11)、黄色预警(18-15=3),因 3<11,所以预警系统触发降雨量黄色预警。 由此可见,利用单变量预警模型预警简便快速,基本满足预警需求。在采用单变量预警模型时,除需通过模型做出判断外,还需依靠经验丰富的工作人员,凭借其对坝体、坝周环境及当地气候特征的熟悉度,再结合当时的气象预报等信息,综合地对淤地坝安全运行状态进行研判。
2.2 多变量水位预警模型
2.2.1 多变量水位预警模型构成要素
水位是影响淤地坝安全运行的决定性因素,而影响淤地坝水位的因素主要有降雨量、上游来水量、泄水量等。为了保证淤地坝的安全运行,提高预警精准度, 应采用多变量水位预警模型。多变量水位预警模型是 根据采集的数据,把降雨量、上游来水量、泄水量三大因素可能造成的影响结合起来,不仅可预测未来不同历时的水位值,还可绘制未来水位库容曲线,并依据采 集到的数据进行动态调整,真正意义上实现自动化预 测和预警。 多变量水位预警模型由以下四个要素组合 构成。
(1)降雨量。持续降雨和短历时强降雨对淤地坝 水位有较大的影响,所以降雨量也是多变量水位预警 模型中的一项要素。依据采集到的瞬时降雨量和历时 降雨量,根据有效集雨面积可计算历时径流量,测算不 同历时径流量对淤地坝水位的影响程度。
(2)上游来水量。对有上下游关系的淤地坝来说,上游来水量对淤地坝的水位有重要的影响,因此多变量水位预警模型中还需考虑上游来水量。上游来水量包括上游坝的泄水量和上游河道来水量。上游淤地坝的安全运行程度也是影响下游淤地坝安全运行的重要因素,当上游坝体达到溃坝风险时,下游坝体应进入联动变化预警状态,可通过多变量水位预警模型计算出影响时间,为下游淤地坝安全防御提供准备时间。
(3)泄水量。泄水量作为影响淤地坝水位变化的要素之一,在多变量水位预警模型中不可缺失。 依据采集到的瞬时泄水量,可测算不同历时泄水量,评估当 前泄水量对淤地坝水位的影响。
(4)水位库容关系。水位库容关系反应水库水位和库容的对应关系,当水库水位为某限值时,库容对应为某特征库容,如正常蓄水位与兴利库容、死水位与死 库容、防洪高水位与防洪库容等。影响淤地坝库容变化的有降雨量、来水量、泄水量等,获取这些水量数据后,通过水位库容关系换算为水位数据,与预设的水位 预警阈值进行对比,同时还可绘制水位库容曲线,预测水位、库容未来变化过程。 另外,淤地坝水位库容曲线可通过遥感影像测量,对比淤地坝设计的水位库容曲 线和淤地坝历史降雨量与水位关系校核其准确度后,可作为实测数据,保存预警系统中。
2.2.2 建立多变量水位预警模型
统筹考虑水位库容关系、上游来水量、降雨量、泄水量等因素建立的多变量水位预警模型可以预测水位变化过程,同时绘制水位库容曲线,真正意义上对淤地坝的安全运行做到及时、全面、准确的预警、预判。多变量水位预警模型公式为
式中:Z预为预测水位,m;N水位为水位预警阈值,m;Z现为当前水位,m;a为水位库容关系系数,m/m3 ,是由淤地坝设计的水位库容曲线拟合,经不同淤积情况下校核,辅以历史实测数据验算后确定的;Q径 为历时径流量,m3;Q上为上游来水量,m3;Q泄为历时泄水量,m3。
将得到的预测水位与水位预警阈值作差,按照预警级别排序,触发得数大于等于0且数值最小的预警阈值对应的预警级别,同时给出预测历时信息。
2.3 预警模型对比
多变量水位预警模型的优点是:考虑的要素全面,预测预警结果综合性强、精确性高,适用于坝周环境复杂、有上游来水情况的大型和部分中型淤地坝的自动 化监测。缺点是:水位库容关系的准确度要求较高,坝 体受淤积或变形等因素影响时,水位库容曲线需多次 测量和校核,如果拟合关系超出误差范围,则对预测结 果的准确性影响较大。
单变量预警模型的优点是:简便快捷,适用于环境简单、没有上游来水情况的小型和部分中型淤地坝的自动化监测。缺点是:对工作经验不丰富、周边环境不 熟悉的工作人员,或在极端特殊情况下,无法综合准确 地判断坝体运行状态。
3 结 语
为保证淤地坝自动化监测预警系统正常、高效、安 全地运行,在采集设备安装前应考虑监测点的征地、遮 挡、信号、供电、地质、季节等外部因素,还应考虑安装 后设备检修和校核的难度,降低运维人工成本。摄像头、水位计、流量计、水尺等采集和观测设备在汛前、特大汛情、汛后等特殊节点需进行精度校核,以确保监测数据的准确性。
