水利工程論文-現(xiàn)代化堤防安全監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)模式研究摘要：為了探討建立長(zhǎng)江堤防自動(dòng)化監(jiān)測(cè)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(yàn)基地，研制開(kāi)發(fā)了分布式監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng).本文對(duì)該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、量測(cè)儀器、通訊方式、安全評(píng)價(jià)模型、系統(tǒng)軟件及實(shí)現(xiàn)的功能等作了介紹，并闡述了堤防自動(dòng)化監(jiān)測(cè)預(yù)警的方法和原理.關(guān)鍵詞：長(zhǎng)江堤防自動(dòng)化監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)1998年洪災(zāi)暴露出我國(guó)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(zhǎng)期以來(lái)靠群眾性的抗洪搶險(xiǎn)來(lái)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(lái)，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(shí)，如能進(jìn)行堤防運(yùn)行狀態(tài)的經(jīng)常性監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理堤防的險(xiǎn)情隱患，則能更好地保障堤防的安全.在監(jiān)測(cè)手段方面，由于堤線(xiàn)漫長(zhǎng)，地層條件沿程變化大，采用一般的人工監(jiān)測(cè)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(shí)的監(jiān)測(cè)與分析計(jì)算很難做到.所以，實(shí)現(xiàn)堤防監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化是必然的要求和趨勢(shì).在自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，根據(jù)科學(xué)的分析對(duì)堤防的安全狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)和預(yù)報(bào)，可以及早發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情和維護(hù)堤防安全.將堤防的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)、安全評(píng)價(jià)和預(yù)報(bào)，組成一個(gè)整體，就是堤防監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng).對(duì)于長(zhǎng)江流域或中下游重要堤防而言，建立這樣的監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)是一項(xiàng)巨大的工程，其中必然會(huì)有很多的技術(shù)難題，如何合理規(guī)劃、設(shè)計(jì)和實(shí)施監(jiān)測(cè)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(dòng)化監(jiān)測(cè)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(xiǎn)情，汛后發(fā)生堤坡崩塌.該堤的堤身、堤基條件以及險(xiǎn)情發(fā)生的特點(diǎn)，在長(zhǎng)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(yàn)基地，研制開(kāi)發(fā)了分布式自動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)DSEWS(Dikesafetyearly-warningsystem)，本文結(jié)合對(duì)該系統(tǒng)的介紹闡述堤防自動(dòng)化監(jiān)測(cè)預(yù)警的方法和原理.1監(jiān)測(cè)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(gè)主要部分：量測(cè)儀器、自動(dòng)采集控制器、信息傳輸設(shè)備、安全評(píng)價(jià)理論模型和系統(tǒng)軟件.1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)自動(dòng)監(jiān)測(cè)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(kāi)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(dòng)監(jiān)控方式，諶家磯監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，如圖1所示.系統(tǒng)分為采集站(測(cè)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(jí)，見(jiàn)圖2.以堤防監(jiān)測(cè)斷面(或堤段)為測(cè)控單元設(shè)立采集站.多個(gè)采集站分別用微波將信號(hào)傳輸?shù)奖O(jiān)控主站，監(jiān)控主站同時(shí)控制多個(gè)采集站，向各采集站發(fā)送傳感器設(shè)置、采集參數(shù)、報(bào)警參數(shù)等指令.主站的數(shù)據(jù)通過(guò)電話(huà)公網(wǎng)傳輸?shù)轿錆h市內(nèi)或其它任何地方.1.2量測(cè)傳感器一般來(lái)說(shuō)，堤防監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括變形監(jiān)測(cè)(外部變形及內(nèi)部變形)、滲壓監(jiān)測(cè)、滲流量監(jiān)測(cè)、結(jié)構(gòu)(涵閘、防滲墻或防洪墻等)應(yīng)力應(yīng)變量測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)(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(cè).對(duì)于一個(gè)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(cè)項(xiàng)目，在監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和布置上做優(yōu)化設(shè)計(jì).圖1DSEWS結(jié)構(gòu)框圖圖2DSEWS形象示意對(duì)于不同的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，傳感器類(lèi)型及型號(hào)很多，監(jiān)測(cè)方式各異.為使監(jiān)測(cè)有效可靠，應(yīng)從先進(jìn)性、環(huán)境適應(yīng)性、長(zhǎng)期運(yùn)行、能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集等方面，對(duì)傳感器進(jìn)行比選.一般而言，可以將國(guó)外高精度但價(jià)格昂貴的傳感器與國(guó)內(nèi)精度稍低但價(jià)格低得多的傳感器搭配使用.在諶家磯堤防監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)中，主要選用了孔隙水壓力傳感器和自動(dòng)傾斜計(jì)兩種傳感器，分別監(jiān)測(cè)堤身堤基的孔隙水壓力和堤坡的滑動(dòng)位移，其中自動(dòng)傾斜計(jì)系自行研制.1.3采集站采集站執(zhí)行數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、存儲(chǔ)、通信等功能，由以下部件組成：自動(dòng)采集控制器、電源、微波天線(xiàn)(也可采用總線(xiàn))及通信模塊、防雷裝置.監(jiān)測(cè)斷面的選擇對(duì)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(xiǎn)情情況綜合確定.堤防線(xiàn)路長(zhǎng)，監(jiān)測(cè)斷面之間距離以百米或千米計(jì).為避免電纜埋設(shè)過(guò)長(zhǎng)，一般宜對(duì)每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面設(shè)立1個(gè)采集站，因此采集站可以有多個(gè).本次諶家磯預(yù)警系統(tǒng)試驗(yàn)暫設(shè)2個(gè)，一個(gè)采集站以監(jiān)測(cè)堤防滲透為主，另一個(gè)采集站以監(jiān)測(cè)崩岸(滑坡)為主.各個(gè)采集站之間以及采集站和主站之間具有獨(dú)立性，可以在主站停機(jī)的情況下自行采集和處理數(shù)據(jù).自動(dòng)采集控制器應(yīng)根據(jù)堤防監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的輸出信號(hào)類(lèi)型及通道數(shù)要求進(jìn)行設(shè)計(jì).在可能的情況下最好為標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)置，以便不同類(lèi)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(shí)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(dòng)巡檢和手動(dòng)定點(diǎn)顯示測(cè)量數(shù)據(jù).本系統(tǒng)采集控制器可以設(shè)立報(bào)警限值，有通道報(bào)警時(shí)以每秒閃爍若干次提示，多通道報(bào)警輪巡.報(bào)警時(shí)繼電器吸合30s觸發(fā)撥號(hào)報(bào)警器聯(lián)網(wǎng)報(bào)警.聯(lián)網(wǎng)撥號(hào)報(bào)警器除可由主控站設(shè)置以外，還可以通過(guò)外線(xiàn)或手機(jī)進(jìn)行設(shè)撤防.1.4監(jiān)控主站主站的作用是對(duì)各個(gè)采集站進(jìn)行管理和控制、發(fā)送和接收采集的信號(hào)、評(píng)價(jià)安全狀況、報(bào)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(jī)構(gòu)的辦公用房?jī)?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(cè)預(yù)警系統(tǒng)軟件、工控微機(jī)(包括掃描、打印機(jī)等輸入輸出設(shè)備)、微波(或總線(xiàn)電纜)及通信模塊、Modem(調(diào)制解調(diào)器)、電話(huà)線(xiàn)路、報(bào)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(huà)網(wǎng)等組成的通信網(wǎng)絡(luò).圖3監(jiān)控主站采集數(shù)據(jù)曲線(xiàn)顯示界面信息傳輸方式可以根據(jù)實(shí)際需要和環(huán)境條件選擇，專(zhuān)用電纜、超短波、微波、電話(huà)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(xiàn)連接(電纜線(xiàn)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(wú)線(xiàn))方式，而主站信息可以通過(guò)電話(huà)網(wǎng)絡(luò)傳至任何一個(gè)地方.微波通信采用RS485方式，電話(huà)通信采用Modem方式.各通訊環(huán)節(jié)都需在使用前檢測(cè)，以保證不發(fā)生通信故障或失真.1.6安全評(píng)價(jià)模型在預(yù)警系統(tǒng)中，安全評(píng)價(jià)模型是至關(guān)重要的部分.有了安全評(píng)價(jià)模型，才能根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)堤防的安全.而安全評(píng)價(jià)的可靠性除了依賴(lài)于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，主要就取決于評(píng)價(jià)模型的合理性.因此，在預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研制中，一定要建立針對(duì)堤防具體條件和運(yùn)行環(huán)境的合理的安全評(píng)價(jià)模型.但是，由于問(wèn)題的復(fù)雜性，合理的安全評(píng)價(jià)模型有待于在堤防監(jiān)測(cè)實(shí)踐中摸索.堤防滲流是一個(gè)飽和-非飽和、非穩(wěn)定-穩(wěn)定的發(fā)展過(guò)程.加之滲流場(chǎng)有不同程度的