現(xiàn)代化堤防安全監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)模式研究

申請免費試用、咨詢電話：400-8352-114

摘要：為了探討建立長江堤防自動化監(jiān)測和安全預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)，以武漢市諶家磯地區(qū)堤防為試驗基地，研制開發(fā)了分布式監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。本文對該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、量測儀器、通訊方式、安全評價模型、系統(tǒng)軟件及實現(xiàn)的功能等作了介紹，并闡述了堤防自動化監(jiān)測預(yù)警的方法和原理。

　　關(guān)鍵詞：長江 堤防 自動化監(jiān)測 預(yù)警系統(tǒng)

　　1998年洪災(zāi)暴露出我國在防洪減災(zāi)方面的科技水平不高，尤其在堤防安全的經(jīng)常性監(jiān)控和管理方面很落后，長期以來靠群眾性的抗洪搶險來維護(hù)汛期的安全，防汛投入很大但效果卻不好，這種狀況亟需改變。近年來，堤防建設(shè)力度加大，部分堤段的防洪能力得以提高。與此同時，如能進(jìn)行堤防運行狀態(tài)的經(jīng)常性監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)和處理堤防的險情隱患，則能更好地保障堤防的安全。在監(jiān)測手段方面，由于堤線漫長，地層條件沿程變化大，采用一般的人工監(jiān)測方式不僅工作條件非常惡劣，工作量巨大，而且在汛期江水位猛漲的情況下，適時的監(jiān)測與分析計算很難做到。所以，實現(xiàn)堤防監(jiān)測的自動化是必然的要求和趨勢。在自動化監(jiān)測的基礎(chǔ)上，根據(jù)科學(xué)的分析對堤防的安全狀態(tài)進(jìn)行評價和預(yù)報，可以及早發(fā)現(xiàn)險情和維護(hù)堤防安全。將堤防的自動化監(jiān)測、安全評價和預(yù)報， 組成一個整體，就是堤防監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。對于長江流域或中下游重要堤防而言，建立這樣的監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)是一項巨大的工程，其中必然會有很多的技術(shù)難題，如何合理規(guī)劃、設(shè)計和實施監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，需要研究和探索。為此，有必要選擇典型河段堤防進(jìn)行自動化監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)模式的研究。

　　武漢諶家磯堤防在1998年洪水期間發(fā)生了大量的散浸、管涌險情，汛后發(fā)生堤坡崩塌。該堤的堤身、堤基條件以及險情發(fā)生的特點，在長江中下游堤防中具有一定的代表性。筆者以諶家磯地區(qū)堤防為試驗基地，研制開發(fā)了分布式自動監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)DSEWS（Dike safety early-warning system），本文結(jié)合對該系統(tǒng)的介紹闡述堤防自動化監(jiān)測預(yù)警的方法和原理。

　　1 監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)組成、結(jié)構(gòu)及功能

　　系統(tǒng)組成包括以下5個主要部分：量測儀器、自動采集控制器、信息傳輸設(shè)備、安全評價理論模型和系統(tǒng)軟件。

　　1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　自動監(jiān)測系統(tǒng)的分布形式有集中式、分布式和混合式3種。20世紀(jì)80年代初期最先發(fā)展出集中式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，20世紀(jì)80年代中期開始出現(xiàn)了分布式系統(tǒng)，隨后就有將兩者結(jié)合的混合式系統(tǒng)。按照現(xiàn)代自動監(jiān)控方式，諶家磯監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)分為采集站（測控單元）、監(jiān)控主站和遠(yuǎn)程信息管理中心（如洪指揮中心）3級。以堤防監(jiān)測斷面（或堤段）為測控單元設(shè)立采集站。多個采集站分別用微波將信號傳輸?shù)奖O(jiān)控主站，監(jiān)控主站同時控制多個采集站，向各采集站發(fā)送傳感器設(shè)置、采集參數(shù)、報警參數(shù)等指令。主站的數(shù)據(jù)通過電話公網(wǎng)傳輸?shù)轿錆h市內(nèi)或其它任何地方。

　　1.2量測傳感器

　　一般來說，堤防監(jiān)測項目包括變形監(jiān)測（外部變形及內(nèi)部變形）、滲壓監(jiān)測、滲流量監(jiān)測、結(jié)構(gòu)（涵閘、防滲墻或防洪墻等）應(yīng)力應(yīng)變量測、環(huán)境監(jiān)測（包括江水位、地下水位、氣溫、雨量等）等。其中最主要的是水、土壓力和位移監(jiān)測。對于一個具體的堤防，應(yīng)該根據(jù)該堤防的水文、地質(zhì)、環(huán)境、堤身堤基隱患，選擇確定適當(dāng)?shù)谋O(jiān)測項目，在監(jiān)測項目和布置上做優(yōu)化設(shè)計。

　　對于不同的監(jiān)測項目，傳感器類型及型號很多，監(jiān)測方式各異。為使監(jiān)測有效可靠，應(yīng)從先進(jìn)性、環(huán)境適應(yīng)性、長期運行、能實現(xiàn)自動化數(shù)據(jù)采集等方面，對傳感器進(jìn)行比選。一般而言，可以將國外高精度但價格昂貴的傳感器與國內(nèi)精度稍低但價格低得多的傳感器搭配使用。在諶家磯堤防監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)中，主要選用了孔隙水壓力傳感器和自動傾斜計兩種傳感器，分別監(jiān)測堤身堤基的孔隙水壓力和堤坡的滑動位移，其中自動傾斜計系自行研制。

　　1.3采集站

　　采集站執(zhí)行數(shù)據(jù)自動采集、存儲、通信等功能，由以下部件組成：自動采集控制器、電源、微波天線（也可采用總線）及通信模塊、防雷裝置。

　　監(jiān)測斷面的選擇對于堤防安全狀態(tài)的監(jiān)控管理是非常關(guān)鍵的一步，需要根據(jù)土質(zhì)、水文、環(huán)境條件和往年險情情況綜合確定。堤防線路長，監(jiān)測斷面之間距離以百米或千米計。為避免電纜埋設(shè)過長，一般宜對每個監(jiān)測斷面設(shè)立1個采集站，因此采集站可以有多個。本次諶家磯預(yù)警系統(tǒng)試驗暫設(shè)2個，一個采集站以監(jiān)測堤防滲透為主，另一個采集站以監(jiān)測崩岸（滑坡）為主。各個采集站之間以及采集站和主站之間具有獨立性，可以在主站停機的情況下自行采集和處理數(shù)據(jù)。

　　自動采集控制器應(yīng)根據(jù)堤防監(jiān)測項目的輸出信號類型及通道數(shù)要求進(jìn)行設(shè)計。在可能的情況下最好為標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)置，以便不同類型的傳感器都可接入，且不同的采集站采用相同的軟、硬件。采樣時間間隔應(yīng)允許選擇。本系統(tǒng)研制的采集控制器分7段設(shè)置，分別為1min、5min、10min、30min、1h、2h和4h.可以自動巡檢和手動定點顯示測量數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采集控制器可以設(shè)立報警限值，有通道報警時以每秒閃爍若干次提示，多通道報警輪巡。報警時繼電器吸合30s觸發(fā)撥號報警器聯(lián)網(wǎng)報警。聯(lián)網(wǎng)撥號報警器除可由主控站設(shè)置以外，還可以通過外線或手機進(jìn)行設(shè)撤防。

　　1.4監(jiān)控主站

　　主站的作用是對各個采集站進(jìn)行管理和控制、發(fā)送和接收采集的信號、評價安全狀況、報警、向遠(yuǎn)程信息中心（遠(yuǎn)程辦公室或防汛指揮中心）發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　為了便于堤防安全管理和系統(tǒng)維護(hù)，監(jiān)控主站設(shè)在當(dāng)?shù)氐谭拦芾頇C構(gòu)的辦公用房內(nèi)較為合適。本系統(tǒng)將監(jiān)控主站設(shè)在諶家磯堤防管理所。監(jiān)控主站由以下部分組成：監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)軟件、工控微機（包括掃描、打印機等輸入輸出設(shè)備）、微波（或總線電纜）及通信模塊、Modem（調(diào)制解調(diào)器）、電話線路、報警指示燈、防雷裝置等。

　　1.5 通信網(wǎng)絡(luò)

　　指在傳感器、采集站、監(jiān)控主站、遠(yuǎn)程信息中心之間進(jìn)行數(shù)據(jù)和命令傳輸?shù)挠呻娎|、微波、電話網(wǎng)等組成的通信網(wǎng)絡(luò)。

　　信息傳輸方式可以根據(jù)實際需要和環(huán)境條件選擇，專用電纜、超短波、微波、電話網(wǎng)絡(luò)以及地球同步數(shù)字衛(wèi)星等都可以作為信息通訊的手段。本系統(tǒng)中包含有3種通信方式：在傳感器與采集器之間是電纜線連接（電纜線以埋在地下較為恰當(dāng)，要注意防水和防破壞），采集站與監(jiān)控主站之間用微波（無線）方式，而主站信息可以通過電話網(wǎng)絡(luò)傳至任何一個地方。微波通信采用RS485方式，電話通信采用Modem方式。各通訊環(huán)節(jié)都需在使用前檢測，以保證不發(fā)生通信故障或失真。

　　1.6 安全評價模型

　　在預(yù)警系統(tǒng)中，安全評價模型是至關(guān)重要的部分。有了安全評價模型，才能根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)評價堤防的安全。而安全評價的可靠性除了依賴于監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，主要就取決于評價模型的合理性。因此，在預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計和研制中，一定要建立針對堤防具體條件和運行環(huán)境的合理的安全評價模型。但是，由于問題的復(fù)雜性，合理的安全評價模型有待于在堤防監(jiān)測實踐中摸索。

　　堤防滲流是一個飽和-非飽和、非穩(wěn)定-穩(wěn)定的發(fā)展過程。加之滲流場有不同程度的非均質(zhì)和各向異性，幾何形狀和邊界條件又很復(fù)雜。使得采用確定性方法計算堤防的汛期動態(tài)滲流非常困難，難以準(zhǔn)確計算和考慮各種復(fù)雜情況。對于這種非確定的、動態(tài)變化的、部分信息環(huán)境的情況，基于現(xiàn)場觀測的數(shù)據(jù)統(tǒng)計、處理、推斷方法，直接用于堤防滲流險情的判斷和預(yù)報是比較合理的。但是，這方面的研究工作還很少見。

　　在邊坡穩(wěn)定方面，力學(xué)性分析方面（極限平衡法和有限元法）對于一些基本穩(wěn)定或基本不穩(wěn)定的邊坡，能夠作出合理的定性的判斷，但對于一些介于穩(wěn)定與非穩(wěn)定之間的邊坡，卻難以準(zhǔn)確計算安全程度。尤其對于發(fā)生了一定位移的邊坡，力學(xué)分析法很難判斷是否會繼續(xù)滑動抑或保持穩(wěn)定。這一方面是由于力學(xué)分析法本身含有諸多假定，不能精確，另一方面是由于邊坡土性不均勻和邊界條件復(fù)雜。因此，對于一個滑坡的評價和預(yù)報，除了做一些力學(xué)分析外，主要也是以現(xiàn)場的位移監(jiān)測成果為依據(jù)?；诂F(xiàn)場觀測的數(shù)據(jù)統(tǒng)計推斷方法，早已用于滑坡的判斷和預(yù)報。在這方面國內(nèi)外已有很多的研究工作和實踐經(jīng)驗。但是，位移的發(fā)展究竟達(dá)到什么速率和滿足什么條件，就能判定是否將發(fā)生滑坡，尚沒有一個明確的標(biāo)準(zhǔn)，也就是說還沒有一個滑坡發(fā)生的充分的判據(jù)，實踐中不同研究者采用了各種不同的數(shù)學(xué)或經(jīng)驗的方法。堤防的滑坡又有自身的特點，它往往是與河流沖刷引起的崩岸聯(lián)系在一起，其安全評價和預(yù)報有更大的難度，研究也很少。

　　基于預(yù)警系統(tǒng)的需要和上述研究現(xiàn)狀，本項目研究和建立了初步的以監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的滲流安全評價模型和滑坡預(yù)測模型。前者系以土層實際承受的滲透水力坡降與土的臨界水力坡降進(jìn)行比較，分為安全、輕度危險、嚴(yán)重危險和即將破壞4級標(biāo)準(zhǔn)。后者為采用灰色和突變理論對堤坡位移和滑坡與否進(jìn)行預(yù)測。此外，為考慮各種土層厚度不均勻和土的抗?jié)B強度的不均勻性，建立了滲流安全評價的概率模型。為了對下一時刻的滲流安全進(jìn)行預(yù)測，建立了滲流安全灰色預(yù)測模型。表1是所建立的模型種類名稱。

　　1.7 系統(tǒng)軟件

　　系統(tǒng)軟件實現(xiàn)的主要功能包括；采集、檢測、控制、存儲、計算處理、安全評價及預(yù)測、通信等。

　　1.7.1軟件開發(fā)工具

　　選用目前普遍使用Windows9x的32位操作系統(tǒng)的PC電腦平臺作為本軟件的開發(fā)平臺，可以滿足本預(yù)警系統(tǒng)的開發(fā)要求。采用MS公司的VC++的VB6.0作為開發(fā)環(huán)境，可以廣泛利用Windows下的各種資源，如各種控件、OLE對象等，其提供的數(shù)據(jù)控件、訪問對象等可以方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的開發(fā)，VC可以直接對底層進(jìn)行訪問。

　　1.7.2 實現(xiàn)的功能

　　軟件采用模塊結(jié)構(gòu)，有數(shù)據(jù)采集處理和安全評價預(yù)警兩大模塊。實現(xiàn)的主要功能有：

　　（1）數(shù)據(jù)采集處理模塊：設(shè)采集站選擇菜單，監(jiān)測剖面圖形可以繪制和修改；傳感器可以逐個在監(jiān)測剖面上安裝（或撤消）并以填表形式輸入編號，類型、型號、量測范圍、生產(chǎn)廠家、標(biāo)定系數(shù)（方程）、安裝部位以及安裝時間；可以隨時設(shè)置或取消報警限值；采集的數(shù)據(jù)以傳感器編號順序列表，注明采集時間；以采集值和時間為軸，顯示信號的時間變化過程，時間軸可以定義，如秒、分、小時、天；數(shù)據(jù)庫可以隨時調(diào)出查看、編輯、另行存儲。自動采集的孔隙水壓力過程線的顯示頁面形式。

　?。?）安全評價預(yù)警模塊：設(shè)有采集站選擇菜單；調(diào)用采集處理模塊的數(shù)據(jù)；有滲流評價、預(yù)測模型及滑坡預(yù)測模型；評價結(jié)果自動彈出；當(dāng)有警情時自動彈出報警窗口、發(fā)布報警蜂鳴和電話撥號指令。滲流安全評價結(jié)果的顯示頁面形式。

　?。?）遠(yuǎn)程信息管理：接收監(jiān)控主站的參數(shù)與數(shù)據(jù)庫，隨時了解堤防運行現(xiàn)狀；安裝有與主站相同的安全評價與預(yù)警軟件，以便能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程的安全評價和預(yù)測。

　　總之，本系統(tǒng)軟件靈活適用、功能齊全，適用于堤防的監(jiān)測與安全預(yù)警。

　　2 結(jié)語

　　監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)主要需要解決以下3方面的關(guān)鍵技術(shù)問題：（1）合理的監(jiān)測布置原則；（2）自動化采集和通信技術(shù)；（3）安全評價和預(yù)測的理論模型。諶家磯堤防監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)DSEWS作為一個試驗研究項目，進(jìn)行了各方面的研究和摸索，系統(tǒng)已經(jīng)建成并經(jīng)歷過了一段時期的運行考驗，顯示系統(tǒng)的自動化采集及遠(yuǎn)程通信穩(wěn)定可靠，監(jiān)控主站和遠(yuǎn)程終端可隨時監(jiān)視堤防運行情況及安全狀態(tài)。通過模擬演示，表明系統(tǒng)具有可靠的自動報警功能。系統(tǒng)的軟件界面功能豐富、直觀、使用方便，符合工程專業(yè)特點。DSEWS是一個利用現(xiàn)代科技手段建立的國內(nèi)第一個堤防安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，在長江堤防、病險水庫的管理以及滑坡預(yù)測等方面具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。

　　參 考 文 獻(xiàn)：

　　[1] 長江水利委員會。一九九八年長江防汛總結(jié)[R].1998，12

　　[2] 李思慎。長江堤防滲流控制的實踐與經(jīng)驗[J].水利建設(shè)與管理，1999，（2）。

　　[3] 曹敦履。長江干堤滲流穩(wěn)定的評價及防護(hù)措施[J].人民長江，1993.

　　[4] 曹敦履。長江堤防滲流管涌的數(shù)學(xué)模型[C].93全國水動力學(xué)研討會文集，1993，9.

　　[5] 顧沖時。大壩安全綜合評價專家系統(tǒng)[M].北京：科學(xué)技術(shù)出版社，1997.

　　[6] Cedegren H R.Seepage in earth dam，Embankment Dam Engineering[M].John Wiley，1972.