許 浩 ，李越川 ，張 威

（1. 水利部建設管理與質量安全中心，北京 100038；2. 河海大學水利水電學院，江蘇 南京 210098）

0 引言

我國現有小型水庫近 10 萬座，其中 77% 的小型水庫建于 20 世紀 50―70 年代，75% 的小型水庫由鄉(xiāng)鎮(zhèn)人民政府和農村集體經濟組織管理。由于歷史原因，小型水庫存在建設標準偏低、運行時間長、設備設施老化、除險加固不徹底，以及維修養(yǎng)護不及時、不到位等問題，如：2021 年 7 月 18 日 13 時48 分，莫力達瓦旗境內諾敏河支流西瓦爾圖河上的永安水庫發(fā)生垮壩；18 日 15 時 30 分左右，諾敏河支流坤密爾提河（永安水庫下游）新發(fā)水庫垮壩；7 月 20 日，鄭州二七區(qū)金水河上小（1）型水庫郭家嘴水庫下游壩坡大范圍沖刷垮塌。由此可見，由于先天不足，后天失管，小型水庫安全隱患依然突出。

近年來小型水庫的安全問題一直是國家關注的重點工程安全問題，也是水利科技工作者研究的熱點[1]。其中加強除險加固、做好小型水庫安全鑒定、完善小型水庫雨水情監(jiān)測設施和工程安全監(jiān)測設施、落實三個責任人等是降低小型水庫安全風險的有效措施。由于小型水庫水文結構類型復雜，本身技術難度較高，加上現有的相關技術規(guī)范對小型水庫適應性不強，使得小型水庫雨水情和工程安全監(jiān)測設施的實施各地理解不一，實施起來千差萬別。2021 年 3 月 23 日《國務院辦公廳關于切實加強水庫除險加固和運行管護工作的通知》（國辦發(fā)〔2021〕8 號）和 2021 年 9 月 22 日國務院常務會議均明確要求，加快推進水庫除險加固，加強雨水情和安全監(jiān)測預警設施建設，健全常態(tài)化管護機制，確保水庫安全長效運行。為進一步加快小型水庫監(jiān)測設施配置標準化，本研究以提高小型水庫雨水情測報與工程安全監(jiān)測建設標準化水平為目標，在分析小型水庫特征的基礎上，對小型水庫雨水情測報與工程安全監(jiān)測系統配置標準化進行研究，提出相關建議，為小型水庫監(jiān)測系統完善和標準化提供參考[2]。

1 標準化的依據

2021 年 10 月 19 日正式印發(fā)的《小型水庫雨水情測報和大壩安全監(jiān)測設施建設與運行管理辦法》和《小型水庫雨水情測報和大壩安全監(jiān)測設施建設與運行技術指南》，以及各省發(fā)布的《小型水庫雨水情自動測報系統項目建設管理辦法》為小型水庫雨水情測報和大壩安全監(jiān)測設施建設與運行管理提供了依據。這些文件給出了小型水庫建設最基本的要求，在具體執(zhí)行過程中還需要結合具體小型水庫的實際，參照 GB/T 22482—2008《水文情報預報規(guī)范》、SL 61—2015《水情自動測報系統技術規(guī)范》、SL 34—2013《水文站網規(guī)劃技術導則》、SL 551—2012《土石壩安全監(jiān)測技術規(guī)范》、SL 601—2013《混凝土壩安全監(jiān)測技術規(guī)范》等規(guī)范進行細化和優(yōu)化，才能更好地提升小型水庫雨水情測報和大壩安全監(jiān)測設施建設的標準化水平。

2 監(jiān)測項目和測點布置

2.1 雨水情

雨量水位是判斷漫壩、潰壩和大壩及庫岸滑坡或滲透破壞風險的重要物理量，也是水文分析和預報的關鍵參數，因此對于水位存在動態(tài)變化的小型水庫都應予以設置。出入庫流量是水庫庫容和調洪計算的關鍵，當出入庫流量對庫水位存在明顯影響時應予以設置。

1）水位雨量。每座水庫應設置 1 個上游庫水位和 1 個壩區(qū)雨量測點，對于壩體較長或降雨分布不均的水庫可以根據規(guī)范增加相應測點[3]。對于壩下存在長期明水的也應設置下游庫水位測點，也可以將下游水位測點結合量水堰、排水設施等進行布置。

2）流速流量。對于存在上游來水和下泄通道的水庫，當入庫或出庫流量和流速明顯影響庫水位及其漲落速度的情況下，應設置上游入庫和下游出庫流量測點[4]。

2.2 工程安全

工程安全監(jiān)測的測點布置應根據壩高、壩型、壩基特點及其可能的失效風險進行，一般情況下按以下原則進行測點布置：

1）變形。a. 均質土壩及心墻壩。?。?）型水庫，壩高 15 m 以上的土石壩應設置 1 個壩頂縱斷面，壩高 30 m 以上的土石壩應增加 1 個下游壩坡縱斷面；?。?）型水庫，壩高 30 m 以上、對下游影響較大的土石壩應設置 1 個壩頂縱斷面。

b. 混凝土（或砌石）重力壩和拱壩。小（1）型水庫應設置壩頂變形監(jiān)測縱斷面，一般選擇典型壩段設置，壩高 30 m 的水庫不少于 3 個測點；壩高 15 m 以上的?。?）型水庫、對下游影響較大的壩應設置壩頂變形監(jiān)測縱斷面。

c. 面板堆石壩。一般在最大壩高處布 1～2 個點組成縱斷面，同時在岸坡較陡、坡度突變及地質條件差的部位設置周邊縫或面板接縫監(jiān)測點。

2）滲流。a. 均質土壩或心墻壩。對于存在滲透破壞風險的壩至少布置 1 個滲流壓力監(jiān)測橫斷面；上游測點在壩（心墻）上游側，中間測點在壩頂（心墻）下游側，下游測點在壩腳（或排水體）上游，必要時在下游壩坡增設 1 個監(jiān)測點。

對于其他存在滲透破壞的高風險部位可以適當增設監(jiān)測橫斷面。滲流壓力一般設置在最大壩高、穿壩建筑物附近，對于存在接觸滲流破壞風險的部位應考慮設置接觸滲流監(jiān)測點[5]。

b. 混凝土或砌石重力壩。壩高 15 m 的?。?）型水庫或壩高 30 m 以上的?。?）型水庫大壩，或存在抗滑失穩(wěn)、防滲失效風險等情況的大壩應至少設置 1 個滲流監(jiān)測橫斷面，一般 3 個測點分別布置在防滲帷幕前、后和下游側。

c. 滲流量監(jiān)測。小（1）型水庫應設置 1 個監(jiān)測點，有分區(qū)監(jiān)測條件的可根據需要增加監(jiān)測點；壩高 15 m 以上的?。?）型水庫應設置 1 個監(jiān)測點[6]。

2.3 泄洪設施

泄洪設施一般采用開敞式或者帶閘門控制的溢洪道，按以下 2 個原則進行測點布置：

1）開敞式溢洪道。小型水庫正槽溢洪道一般為開敞式，且大部分無閘控制，這種溢洪道具有結構簡單，施工管理方便，水流平順等優(yōu)點，監(jiān)測內容為進水段、控制段、泄槽及消能工。主要監(jiān)測進水段有無阻水漂浮物或泄洪造成的沖刷、剝落等現象，對于失事后果嚴重的開敞式溢洪道應設置視頻監(jiān)控測點[7]。

2）帶閘門控制的溢洪道。當溢洪道設有閘門時，汛期應監(jiān)測閘門、啟閉機與工作橋等狀態(tài)，應設置視頻監(jiān)控測點。

3 監(jiān)測方法

3.1 雨水情

雨水情監(jiān)測主要是監(jiān)測水庫水位雨量及流量流速，一般情況下采用以下 2 種方法進行監(jiān)測：

1）水位雨量。水位監(jiān)測常用的有水尺和水位計，其中常用水尺有直立式、傾斜式、矮樁式和懸錘式水尺；常用的水位計有浮子式、光線、跟蹤式、壓力式和超聲波式水位計。小型水庫水位監(jiān)測方法和儀器選型應依據 GB/T 11828.1—2019《水位測量儀器》系列標準和 GB/T 27993—2011《水位測量儀器通用技術條件》確定。

2）流速流量。流速流量的監(jiān)測方法很多，采用流速面積法、水工建筑物法或水位-流量關系法等，具體方法和儀器選擇要根據現場條件結合相關流量測量規(guī)范確定。

3.2 工程安全

工程安全的監(jiān)測一般采用以下方式進行監(jiān)測：

1）變形。常規(guī)的變形監(jiān)測方法有測量機器人、引張線、垂線、柔性位移計、測斜儀等方法。由于小型水庫大壩一般比較小，變形監(jiān)測時對精度和經費要求比較高，在具體方法選用時應予以論證。

2）滲流。滲透壓力監(jiān)測采用測壓管或埋設滲壓計的方法進行，但在施工過程中要確保不產生新的滲流通道或破壞原有防滲結構。常見儀器包括振弦式滲壓計、磁致伸縮量水堰儀和氣壓修正儀器等，目前在大中型水庫滲透壓力監(jiān)測應用較好的是進口振弦式滲壓計，量水堰堰上水頭一般選用磁致伸縮傳感器[8]。

4 系統配置及功能

考慮到小型水庫位置比較偏遠或管理技術人員比較少，為確保水庫安全運行，小型水庫應建設雨水情測報與工程安全自動監(jiān)測系統，其系統主要包括傳感器、測量控制裝置（或數據采集單元）、計算機及軟件、移動終端及 App。

1)基礎通信網絡系統:通信網絡作為信息化的核心內容,是氣象業(yè)務信息傳輸的樞紐,由氣象廣域網、氣象內網、政務外網、視頻會議專網幾部分組成。通信網絡須滿足氣象業(yè)務對高效穩(wěn)定數據傳輸的需求,具備應急通信能力,此外具備一定網絡安全風險防御能力。

現地測量控制裝置（或數據采集單元）一般應配置如下：

1）多種接口。翻斗式雨量計接口大于等于1 個，浮子式水位計接口大于等于 2 個，標準 RS-485接口大于等于 2 個，振弦式滲壓計輸入接口大于等于 8 個，標準信號傳感器接口大于等于 4 個。

2）多傳感器采集。支持雨量計、水位計、滲壓計、量水堰水位計、攝像頭等數據采集。

3）設備前端告警。降雨量、庫水位、滲壓計等多要素測值超閾值主動告警；人員入侵管理區(qū)域主動告警，實施現地單元告警。

4）視頻融合疊加。支持在主流攝像機上大于等于 8 行多信息疊加功能，實施現地單元告警。

5）語音自動播報及告警。支持事件觸發(fā)，并根據觸發(fā)類型播報相應音頻內容；實施告警在現地單元，且獨立設置播報告警站。

6）平均無故障工作時間大于等于 10 000 h。

4.1 電源

根據水庫所處位置確定電源的供應方式，一般情況下根據以下 2 個原則進行配置：

2）偏遠地區(qū)水庫。電源供應方式應采用太陽能浮充 + 蓄電池直流供電方式；優(yōu)先采用低功耗自帶鋰電池供電方式，對于日照時間長或風力資源豐富的地區(qū)可以考慮“風-光互補”等現地再生能源配合供電。

4.2 通信接口

根據系統情況，一般系統通信包括以下 2 個層次：1）現場信息感知網絡通信（現地通信）?？梢圆捎糜芯€（電纜或光纜）或無線（ZigBee 等短距離通信網，以及 4G，5G，NB-IoT，LoRa 信道等）通信方式。2）監(jiān)測數據上傳的雙向通信（遠傳通信）。除使用 4G，5G 移動公網外，對于偏遠的高風險水庫應考慮衛(wèi)星通信接口，并參照 SL 34—2013《水文站網規(guī)劃技術導則》采用必要的備用信道[10]。

4.3 中心站軟件及 App

對于重要小型水庫可結合 SL 34—2013《水文站網規(guī)劃技術導則》、GB/T 22482—2008《水文情報預報規(guī)范》有關內容，以及庫水位漲落對工程安全影響進行測點優(yōu)化。根據水庫的風險等級區(qū)分高風險及低風險水庫，針對不同風險等級的水庫配置相應的移動客戶端：

1）高風險水庫。指發(fā)生潰決或誤操作可能造成人員死亡的水庫。實時采集多種監(jiān)測數據，包括地表變形、內部變形、浸潤線（滲流滲壓）、滲漏量、雨量、庫水位、流量、氣溫、水溫及視頻圖像等數據。實現監(jiān)測數據自動采集、傳輸、存儲、分析及預警，并支持人工新增、修改或刪除數據。可設置多級報警，支持彈出軟件窗口、郵件、短信及聲光等報警功能。

對于區(qū)域水庫群可以通過自動化數據采集、實時監(jiān)測、實時分析及安全預警，建立集 GIS、水庫特性、雨水情監(jiān)測、工程安全監(jiān)測、智能巡檢、視頻圖像、安全鑒定、日常管理、3 個責任人、3 個重點環(huán)節(jié)、信息上傳下達、系統管理等內容的多壩型小型水庫大壩安全大數據動態(tài)監(jiān)管云平臺，實現區(qū)域小型水庫一張圖式智慧管理。

為方便異地和移動信息管理查詢，高風險小型水庫應開發(fā) App 并配置相應的移動終端，實現異常報警和關鍵信息查詢，特別是應急通信和上報等功能。

2）低風險水庫。指在發(fā)生潰決或誤操作時不會導致人員傷亡、不會產生嚴重經濟損失或對環(huán)境造成重大影響的水庫。其工程安全風險小，軟件功能可以簡化，一般只需要進行水庫超限水位、泄洪設施工作狀態(tài)事實查詢功能即可。

5 模型或算法配置

針對高風險水庫，為實現預報預警功能，有效降低水庫運行風險應開發(fā)配置相應的模型或算法，具體有以下幾種：

1）雨水情測報。根據各省實際小型水庫安全鑒定采用的實用庫水位計算模型或方法，如瞬時、綜合、地形等單位線法或推理公式法，在模型應用和軟件開發(fā)時要根據水庫所在區(qū)域及水庫類型（山丘還是平原水庫）、特征等進行充分論證和參數設置，必要時應具有動態(tài)參數更新功能。同時在模型參數率定和檢驗方面應參照 GB/T 22482—2008《水文情報預報規(guī)范》進行[11]。

2）大壩安全監(jiān)測預警。對高風險大壩應根據敏感性分析選擇重要測點設置必要的預報預警模型，一般選用多元逐步回歸模型和動態(tài)閾值法，實現關鍵部位變形或滲流監(jiān)測的預報預警。

3）圖像識別。圖像主要用于識別閘門、溢洪道的工作狀態(tài)，也可以實時監(jiān)控多個水庫庫區(qū)的水位、雨量及現場工況，需要通過基于機器視覺的算法實現異常情況的及時發(fā)現。

6 結語

小型水庫存在數量多、安全狀況差異大、技術人員缺乏等問題，因此有必要提高小型水庫雨水情測報與工程安全監(jiān)測系統配置標準化水平。小型水庫的標準化要從監(jiān)測項目和測點布置、儀器設備配置、軟件功能及模型開發(fā) 4 個方面入手，根據水庫實際安全風險進行。推動小型水庫雨水情和大壩監(jiān)測工作離不開小型水庫標準化，應根據我國小型水庫實際的雨水情和工程安全監(jiān)測相關技術規(guī)范、運行維護、鑒定標準等，盡快編制適合我國小型水庫的相關技術標準，細化具體配置和運行要求。