现代化堤防安全监测与预警系统模式研究

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摘要：为了探讨建立长江堤防自动化监测和安全预警系统技术，以武汉市谌家矶地区堤防为试验基地，研制开发了分布式监测预警系统。本文对该系统的结构、量测仪器、通讯方式、安全评价模型、系统软件及实现的功能等作了介绍，并阐述了堤防自动化监测预警的方法和原理。

　　关键词：长江 堤防 自动化监测 预警系统

　　1998年洪灾暴露出我国在防洪减灾方面的科技水平不高，尤其在堤防安全的经常性监控和管理方面很落后，长期以来靠群众性的抗洪抢险来维护汛期的安全，防汛投入很大但效果却不好，这种状况亟需改变。近年来，堤防建设力度加大，部分堤段的防洪能力得以提高。与此同时，如能进行堤防运行状态的经常性监测，及时发现和处理堤防的险情隐患，则能更好地保障堤防的安全。在监测手段方面，由于堤线漫长，地层条件沿程变化大，采用一般的人工监测方式不仅工作条件非常恶劣，工作量巨大，而且在汛期江水位猛涨的情况下，适时的监测与分析计算很难做到。所以，实现堤防监测的自动化是必然的要求和趋势。在自动化监测的基础上，根据科学的分析对堤防的安全状态进行评价和预报，可以及早发现险情和维护堤防安全。将堤防的自动化监测、安全评价和预报， 组成一个整体，就是堤防监测预警系统。对于长江流域或中下游重要堤防而言，建立这样的监测预警系统是一项巨大的工程，其中必然会有很多的技术难题，如何合理规划、设计和实施监测预警系统，需要研究和探索。为此，有必要选择典型河段堤防进行自动化监测和预警系统模式的研究。

　　武汉谌家矶堤防在1998年洪水期间发生了大量的散浸、管涌险情，汛后发生堤坡崩塌。该堤的堤身、堤基条件以及险情发生的特点，在长江中下游堤防中具有一定的代表性。笔者以谌家矶地区堤防为试验基地，研制开发了分布式自动监测预警系统DSEWS（Dike safety early-warning system），本文结合对该系统的介绍阐述堤防自动化监测预警的方法和原理。

　　1 监测预警系统组成、结构及功能

　　系统组成包括以下5个主要部分：量测仪器、自动采集控制器、信息传输设备、安全评价理论模型和系统软件。

　　1.1系统结构

　　自动监测系统的分布形式有集中式、分布式和混合式3种。20世纪80年代初期最先发展出集中式数据采集系统，20世纪80年代中期开始出现了分布式系统，随后就有将两者结合的混合式系统。按照现代自动监控方式，谌家矶监测预警系统采用分布式结构。系统分为采集站（测控单元）、监控主站和远程信息管理中心（如洪指挥中心）3级。以堤防监测断面（或堤段）为测控单元设立采集站。多个采集站分别用微波将信号传输到监控主站，监控主站同时控制多个采集站，向各采集站发送传感器设置、采集参数、报警参数等指令。主站的数据通过电话公网传输到武汉市内或其它任何地方。

　　1.2量测传感器

　　一般来说，堤防监测项目包括变形监测（外部变形及内部变形）、渗压监测、渗流量监测、结构（涵闸、防渗墙或防洪墙等）应力应变量测、环境监测（包括江水位、地下水位、气温、雨量等）等。其中最主要的是水、土压力和位移监测。对于一个具体的堤防，应该根据该堤防的水文、地质、环境、堤身堤基隐患，选择确定适当的监测项目，在监测项目和布置上做优化设计。

　　对于不同的监测项目，传感器类型及型号很多，监测方式各异。为使监测有效可靠，应从先进性、环境适应性、长期运行、能实现自动化数据采集等方面，对传感器进行比选。一般而言，可以将国外高精度但价格昂贵的传感器与国内精度稍低但价格低得多的传感器搭配使用。在谌家矶堤防监测预警系统中，主要选用了孔隙水压力传感器和自动倾斜计两种传感器，分别监测堤身堤基的孔隙水压力和堤坡的滑动位移，其中自动倾斜计系自行研制。

　　1.3采集站

　　采集站执行数据自动采集、存储、通信等功能，由以下部件组成：自动采集控制器、电源、微波天线（也可采用总线）及通信模块、防雷装置。

　　监测断面的选择对于堤防安全状态的监控管理是非常关键的一步，需要根据土质、水文、环境条件和往年险情情况综合确定。堤防线路长，监测断面之间距离以百米或千米计。为避免电缆埋设过长，一般宜对每个监测断面设立1个采集站，因此采集站可以有多个。本次谌家矶预警系统试验暂设2个，一个采集站以监测堤防渗透为主，另一个采集站以监测崩岸（滑坡）为主。各个采集站之间以及采集站和主站之间具有独立性，可以在主站停机的情况下自行采集和处理数据。

　　自动采集控制器应根据堤防监测项目的输出信号类型及通道数要求进行设计。在可能的情况下最好为标准化设置，以便不同类型的传感器都可接入，且不同的采集站采用相同的软、硬件。采样时间间隔应允许选择。本系统研制的采集控制器分7段设置，分别为1min、5min、10min、30min、1h、2h和4h.可以自动巡检和手动定点显示测量数据。本系统采集控制器可以设立报警限值，有通道报警时以每秒闪烁若干次提示，多通道报警轮巡。报警时继电器吸合30s触发拨号报警器联网报警。联网拨号报警器除可由主控站设置以外，还可以通过外线或手机进行设撤防。

　　1.4监控主站

　　主站的作用是对各个采集站进行管理和控制、发送和接收采集的信号、评价安全状况、报警、向远程信息中心（远程办公室或防汛指挥中心）发送数据。

　　为了便于堤防安全管理和系统维护，监控主站设在当地堤防管理机构的办公用房内较为合适。本系统将监控主站设在谌家矶堤防管理所。监控主站由以下部分组成：监测预警系统软件、工控微机（包括扫描、打印机等输入输出设备）、微波（或总线电缆）及通信模块、Modem（调制解调器）、电话线路、报警指示灯、防雷装置等。

　　1.5 通信网络

　　指在传感器、采集站、监控主站、远程信息中心之间进行数据和命令传输的由电缆、微波、电话网等组成的通信网络。

　　信息传输方式可以根据实际需要和环境条件选择，专用电缆、超短波、微波、电话网络以及地球同步数字卫星等都可以作为信息通讯的手段。本系统中包含有3种通信方式：在传感器与采集器之间是电缆线连接（电缆线以埋在地下较为恰当，要注意防水和防破坏），采集站与监控主站之间用微波（无线）方式，而主站信息可以通过电话网络传至任何一个地方。微波通信采用RS485方式，电话通信采用Modem方式。各通讯环节都需在使用前检测，以保证不发生通信故障或失真。

　　1.6 安全评价模型

　　在预警系统中，安全评价模型是至关重要的部分。有了安全评价模型，才能根据监测数据评价堤防的安全。而安全评价的可靠性除了依赖于监测数据的准确性，主要就取决于评价模型的合理性。因此，在预警系统设计和研制中，一定要建立针对堤防具体条件和运行环境的合理的安全评价模型。但是，由于问题的复杂性，合理的安全评价模型有待于在堤防监测实践中摸索。

　　堤防渗流是一个饱和-非饱和、非稳定-稳定的发展过程。加之渗流场有不同程度的非均质和各向异性，几何形状和边界条件又很复杂。使得采用确定性方法计算堤防的汛期动态渗流非常困难，难以准确计算和考虑各种复杂情况。对于这种非确定的、动态变化的、部分信息环境的情况，基于现场观测的数据统计、处理、推断方法，直接用于堤防渗流险情的判断和预报是比较合理的。但是，这方面的研究工作还很少见。

　　在边坡稳定方面，力学性分析方面（极限平衡法和有限元法）对于一些基本稳定或基本不稳定的边坡，能够作出合理的定性的判断，但对于一些介于稳定与非稳定之间的边坡，却难以准确计算安全程度。尤其对于发生了一定位移的边坡，力学分析法很难判断是否会继续滑动抑或保持稳定。这一方面是由于力学分析法本身含有诸多假定，不能精确，另一方面是由于边坡土性不均匀和边界条件复杂。因此，对于一个滑坡的评价和预报，除了做一些力学分析外，主要也是以现场的位移监测成果为依据。基于现场观测的数据统计推断方法，早已用于滑坡的判断和预报。在这方面国内外已有很多的研究工作和实践经验。但是，位移的发展究竟达到什么速率和满足什么条件，就能判定是否将发生滑坡，尚没有一个明确的标准，也就是说还没有一个滑坡发生的充分的判据，实践中不同研究者采用了各种不同的数学或经验的方法。堤防的滑坡又有自身的特点，它往往是与河流冲刷引起的崩岸联系在一起，其安全评价和预报有更大的难度，研究也很少。

　　基于预警系统的需要和上述研究现状，本项目研究和建立了初步的以监测数据为基础的渗流安全评价模型和滑坡预测模型。前者系以土层实际承受的渗透水力坡降与土的临界水力坡降进行比较，分为安全、轻度危险、严重危险和即将破坏4级标准。后者为采用灰色和突变理论对堤坡位移和滑坡与否进行预测。此外，为考虑各种土层厚度不均匀和土的抗渗强度的不均匀性，建立了渗流安全评价的概率模型。为了对下一时刻的渗流安全进行预测，建立了渗流安全灰色预测模型。表1是所建立的模型种类名称。

　　1.7 系统软件

　　系统软件实现的主要功能包括；采集、检测、控制、存储、计算处理、安全评价及预测、通信等。

　　1.7.1软件开发工具

　　选用目前普遍使用Windows9x的32位操作系统的PC电脑平台作为本软件的开发平台，可以满足本预警系统的开发要求。采用MS公司的VC++的VB6.0作为开发环境，可以广泛利用Windows下的各种资源，如各种控件、OLE对象等，其提供的数据控件、访问对象等可以方便地进行数据库系统的开发，VC可以直接对底层进行访问。

　　1.7.2 实现的功能

　　软件采用模块结构，有数据采集处理和安全评价预警两大模块。实现的主要功能有：

　　（1）数据采集处理模块：设采集站选择菜单，监测剖面图形可以绘制和修改；传感器可以逐个在监测剖面上安装（或撤消）并以填表形式输入编号，类型、型号、量测范围、生产厂家、标定系数（方程）、安装部位以及安装时间；可以随时设置或取消报警限值；采集的数据以传感器编号顺序列表，注明采集时间；以采集值和时间为轴，显示信号的时间变化过程，时间轴可以定义，如秒、分、小时、天；数据库可以随时调出查看、编辑、另行存储。自动采集的孔隙水压力过程线的显示页面形式。

　　（2）安全评价预警模块：设有采集站选择菜单；调用采集处理模块的数据；有渗流评价、预测模型及滑坡预测模型；评价结果自动弹出；当有警情时自动弹出报警窗口、发布报警蜂鸣和电话拨号指令。渗流安全评价结果的显示页面形式。

　　（3）远程信息管理：接收监控主站的参数与数据库，随时了解堤防运行现状；安装有与主站相同的安全评价与预警软件，以便能够进行远程的安全评价和预测。

　　总之，本系统软件灵活适用、功能齐全，适用于堤防的监测与安全预警。

　　2 结语

　　监测预警系统主要需要解决以下3方面的关键技术问题：（1）合理的监测布置原则；（2）自动化采集和通信技术；（3）安全评价和预测的理论模型。谌家矶堤防监测预警系统DSEWS作为一个试验研究项目，进行了各方面的研究和摸索，系统已经建成并经历过了一段时期的运行考验，显示系统的自动化采集及远程通信稳定可靠，监控主站和远程终端可随时监视堤防运行情况及安全状态。通过模拟演示，表明系统具有可靠的自动报警功能。系统的软件界面功能丰富、直观、使用方便，符合工程专业特点。DSEWS是一个利用现代科技手段建立的国内第一个堤防安全监测预警系统，在长江堤防、病险水库的管理以及滑坡预测等方面具有广泛的推广应用前景。

　　参 考 文 献：

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　　[2] 李思慎。长江堤防渗流控制的实践与经验[J].水利建设与管理，1999，（2）。

　　[3] 曹敦履。长江干堤渗流稳定的评价及防护措施[J].人民长江，1993.

　　[4] 曹敦履。长江堤防渗流管涌的数学模型[C].93全国水动力学研讨会文集，1993，9.

　　[5] 顾冲时。大坝安全综合评价专家系统[M].北京：科学技术出版社，1997.

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