水库大坝管理信息化技术

水库大坝管理信息化技术目录1概述2水库大坝管理信息化的主要技术3安全监测信息化4水雨情测报信息化5水库调度管理信息化6大坝风险评估与应急管理信息化7水库大坝日常管理信息化8水库大坝管理信息化系统开发1概述水库大坝管理1.1我国水库大坝管理概况水库是在河道、山谷、低洼地及地下透水层修建挡水坝或堤堰、隔水墙，形成集水的人工湖，具有多方面的功能,如调节河川径流、防洪、供水、灌溉、发电、养殖、航运、旅游、改善环境等，具有重要的社会、经济和生态意义。1.1.1水库大坝概况1.1我国水库大坝管理概况大坝是挡水建筑物的代表形式,一般分为混凝土重力坝、混凝土拱坝、土石坝等。我国是世界上水库大坝最多的国家,根据水利部和国家统计局2013年发布的《第一次全国水利普查公报》统计资料,我国共有水库98002座,总库容9323.12亿m³。水库大坝在防洪、发电、供水、灌溉等方面发挥了巨大的社会效益和经济效益，对国民经济发展和社会安定起到了巨大作用。我国水库大多建于20世纪50--70年代,由于历史原因,大量水库存在病险情和不安全因素,对水库所在地区构成潜在威胁。1.1.1水库大坝概况1.1我国水库大坝管理概况2020年5月中旬，美国密歇根州大范围持续降雨，河道水位暴涨。5月19日下午7:30（当地时间），提塔巴瓦西河（Tittabawassee）河上的伊登维尔（Edenville）大坝发生溃坝事故，溃坝洪水下泄后，于晚上8:49造成下游桑福德（Sanford）大坝发生漫顶破坏。1.1.2国际溃坝事件1.美国密歇根州伊登维尔大坝与桑福德大坝溃坝事故1.1我国水库大坝管理概况乌兹别克斯坦萨尔多巴水库于2017年完工，依锡尔河（SidaryoRiver）而建，水库类似我国引水注入式的平原水库，由西、北、东三段堤坝围成，库容9.22亿m3（相当于我国大（2）型水库），水库功能以灌溉供水为主，兼顾渔业和水力发电。萨尔多巴水库溃坝发生前，乌兹别克斯坦正在遭受强台风袭击，溃坝发生在当地时间2020年5月1日6时左右，溃口位于水库西侧坝体，根据溃坝前后的卫星图片显示，大坝溃决时水库处于较高水位运行，溃坝后大部分库水迅速下泄，造成水库以北的乌兹别克斯坦至哈萨克斯坦部分地区大量农田和多座村庄被淹，约7万名当地居民被疏散，并造成4人死亡、56人受伤。1.1.2国际溃坝事件1.乌兹别克斯坦萨尔多巴水库溃坝事故1.1我国水库大坝管理概况乌兹别克斯坦和美国的两起溃坝事故均遭遇了强降雨过程，与极端天气导致的洪水过程直接相关。在全球气候变化背景下，极端天气导致的旱涝灾害事件呈现明显增加趋势，尤其在部分沿海地区导致风暴潮、台风等事件频发，给大坝安全管理带来前所未有的挑战。1.1.2两起溃坝事件的警示1.极端气候变化将给大坝安全管理带来前所未有的挑战（1）工程质量先天不足，老龄化大坝的安全运行风险长期存在。（2）仅具公益性功能的老龄化大坝日常维修养护资金缺口巨大。（3）病险水库除险加固缺乏固定的渠道保障。（4）专业技术管理人员匮乏加剧老龄化水库大坝管理难度。2.我国中小型水库大坝老龄化问题存在潜在风险1.1我国水库大坝管理概况1.1.2两起溃坝事件的警示3.全生命周期安全监管体系是水库大坝安全运行的根本保障（1）我国基层水库应对突发事件能力仍然相对薄弱的现实应引起重视。（2）水情测报系统和通信设施不完备的状况应尽快改善。（3）中小型水库应急预案（EPP）编制质量偏低的状况应尽快提高。2.非工程措施是水库风险管理中的重要支撑（1）新建水库或除险加固水库工程必须严格按要求开展蓄水安全鉴定。（2）定期安全鉴定是准确掌握大坝安全状况的有效手段。（3）必须严控水库汛期限制水位对水库合理调度。（4）重视除险加固前和降等报废后水库（山塘）存在风险的监督管理。1.1我国水库大坝管理概况1.1.3水库大坝管理概况水库大坝管理就是采取法律.行政、技术和经济措施，合理组织水库的建设与运行,保证水库安全,满足经济社会发展对水库综合效益的需求。我国水库的管理分为水库工程建设管理和水库大坝运行管理,水库工程建设管理是对水库建设管理工作的总称,包括建设行政管理和建设项目管理。水库大坝运行管理是对建成后水库大坝管理工作的总称。1.1我国水库大坝管理概况1.1.3水库大坝管理概况中华人民共和国成立后，水库大坝管理在法规制度、管理手段等方面大致分为以下三个阶段。（1）重建轻管(20世纪50---70年代)1.建设管理发展历程（2）注重工程安全（20世纪80-90年代）（3）管理信息化（2000年至今）1.1我国水库大坝管理概况1.1.3水库大坝管理概况大坝安全管理实行从中央到地方分级负责的管理体制,管理机构可分为水行政管理、技术管理和运行管理三类。各级防汛抗旱指挥机构参与水库大坝管理相关工作,科研、教学和设计单位为水库大坝管理提供技术支撑服务。2.管理机构水行政管理机构包括国务院水行政主管部门、流域管理机构、地方各级水行政主管部门。技术管理机构：各级大坝安全管理中心、水利工程管理总站、水利工程管理局。运行管理机构即水库业主(法人)设立的管理单位,负责工程维修养护、执行调度指令和日常运行管理。1.1我国水库大坝管理概况1.1.3水库大坝管理概况水库大坝管理制度包括安全管理、注册登记、调度运用、防汛抢险、风险管理、安全监测、维修养护、安全鉴定、除险加固和降等报废等制度,是《水库大坝安全管理条例》所要求的水库安全管理基本制度。3.管理制度4.信息化设施根据2012年水利部、国家电监会、国家能源局、国家安全监督管理总局四部委联合开展的全国大型水库大坝安全调研情况,全国水利行业311座大型水库中，平均每座水库有测点248个，,96%的水库具有监测数据,73%的水库建立了自动化系统,72%的水库建立了监测数据库，大型水库大坝管理信息化工作总体充分。1.2水库大坝管理业务范畴分类1.2.1安全监测安全监测范围包括坝体、坝基、坝肩、对大坝安全有重大影响的近坝区岸坡以及与大坝安全有直接关系的其他建筑物和设备。水库大坝管理按业务范围可分为安全监测、水雨情测报、水库调度管理、风险评估与应急管理、日常运行管理等系统。1.2.2水雨情测报水雨情测报内容主要包括:水位、雨量、流量.流速、蒸发、泥沙、冰凌、墒情、水质等。1.2.3水库调度管理水库调度包括防洪调度与兴利调度两个方面，水库调度管理的主要内容包括:编制水库调度方案和运行计划,及时掌握、处理、传递水文气象和社会经济及综合利用等基本情况，为水库调度工作提供可靠依据1.2水库大坝管理业务范畴分类1.2.4风险评估与应急管理2006年3月，国家防汛抗旱总指挥部办公室在遵循《国家有关部门和单位制定和修订突发公共事件应急预案框架指南》(2004年，国务院办公厅)；《国家突发公共事件总体应急预案》(2006年,国务院)的基本原则基础上颁布了《水库防汛抢险应急预案编制大纲》；2015年9月,水利部颁布了《水库大坝安全管理应急预案编制导则》(SL/Z720-2015)。1.2.5日常运行管理水库大坝日常运行管理工作主要包括工程的维修养护、水库大坝管理考核、安全生产管理、工程档案管理以及办公管理等内容。1.3水库大坝管理信息化的作用与意义1.3.1水库大坝管理信息化的意义优化水库水资源配置、提升水库安全预测预警及应对突发事件的能力、提高防灾减灾能力，有效保障工程安全、饮水安全、粮食安全与公众安全起到重要技术支撑作用。实现工情、水情的在线监测、实时传输和智能评价，有效提高水库工程运行管理的信息化水平，极大地提高水库工程运行管理地效率和效能1.3.2水库大坝管理信息化的作用信息资源共享、信息管理与决策支持、提高管理效率和水平。1.4水库大坝管理信息化发展与应用现状1.4.1水库管理信息化技术实践与应用水库管理信息化工作主要体现在单座水库大坝安全监测自动化与信息管理、群体水库大坝安全运行监督管理平台建设。全国水利行业311座大型水库中,平均每座水库测点248个,96%的水库具有监测数据,73%的水库建立了自动化系统,72%的水库建立了监测数据库,大型水库管理信息化工作总体充分。但由于监测项目多、监测仪器种类多、设备供应商不同,存在监测数据共享性差,整合难度大,基层管理单位分析应用能力薄弱，监测数据应用能力严重不足等问题。水利部大坝安全管理中心先后开发研制了全国水库大坝基础信息数据管理系统、全国病险水库除险加固及溃坝信息管理系统、除险加固动态信息报送系统、水库大坝注册登记系统等系统,在相关工作中得到广泛应用,在我国水库大坝建设与管理领域发挥了重要作用。1.4水库大坝管理信息化发展与应用现状1.4.2国内水库大坝管理信息系统存在的问题（1）数据不能共享,无法有效融合，“信息孤岛”。（2）管理软件系统是结合具体水库的特定业务定制开发的,功能比较单一，未能形成良好的联动、协调，效力有限。（3）信息化系统主要针对水雨情测报和大坝安全监测的信息采集、管理以及后续的查询、展示,更接近于信息查询管理系统。只有“看”的功能,而不能满足水库大坝管理真正需要“做”的业务。（4）管理人员数量有限、缺乏信息化等专业人员、水库的运行经费限制等,亟需信息化系统为其提供专业化的技术支持,对水库大坝安全性态进行分析评估。（5）软件系统对信息安全、数据存储安全、网络安全以及操作系统安全等问题考虑不周全，系统的开发、部署以及运行维护没有统一的对内、对外安全控制机制,系统的数据未进行加密处理、分级审计及管理。1.4水库大坝管理信息化发展趋势（1）集成化管理平台以通信和计算机网络系统为基础,形成集水资源调度、防汛抗旱、指挥决策、工程管理等多功能和多任务为一体的水利信息网络和集成化管理系统平台是当前水库大坝管理信息化的总体趋势。（2）移动智能终端移动终端系统和计算机终端系统的整合逐步推广开来,使水库大坝管理人员能够随时随地掌握水库大坝各类信息,为防洪抗灾、现场指挥等决策部署提供科学依据。1.4水库大坝管理信息化发展趋势（3）遥感技术遥感已经成为水利信息化建设不可分割的一个重要组成部分，水利是遥感技术应用范围最为广泛的一个行业,其发展前景将呈现全方位、定量化和业务化。（4）地理信息系统移动终端系统和计算机终端系统的整合逐步推广开来,使水库大坝管理人员能够随时随地掌握水库大坝各类信息,为防洪抗灾、现场指挥等决策部署提供科学依据。（5）物联网技术物联网技术与水利行业的深入结合将能够有效促进水利信息化建设,扩大信息采集终端的网络覆盖范围,提升信息处理、决策和响应能力。1.4水库大坝管理信息化发展趋势（6）虚拟现实技术虚拟仿真系统为水利工程规划设计提供了一个全新的研究平台,具有安全、经济、可控、便于观察、便于参与、实用、无破坏性、可多次重复、整体性等特点,可以对各种决策的效果与作用进行分析比较,以做出科学合理的选择,为宏观决策和项目管理提供快速、系统、准确的信息与技术支持,大大提高各项工作的及时反应能力和决策水平。2水库大坝管理信息化的主要技术水库大坝管理2.1数据采集技术为了实现对雨量、水位、流量、渗流、变形、应力等物理量的观测以及视频信息采集,需要先通过传感器把上述物理量转换成能模拟物理量的电信号(即模拟电信号),再将模拟电信号经过处理转换成计算机能识别的数字量,这就是数据采集。2.1.1数据采集基本概念用于数据采集的成套设备称为数据采集系统(DAS,dataacquisitionsystem)。数据采集的主要技术指标是采集速度和精度。2.1数据采集技术数据采集系统包括硬件和软件两大部分。硬件部分又可分为模拟部分和数字部分。2.1.2数据采集系统的基本组成2.1数据采集技术水库大坝管理基础数据的采集分空间数据采集和属性数据采集两部分。2.1.3数据采集技术在信息化系统的应用对于相对较为小型的、覆盖流域面积小且工况较为简单的水库大坝,可以直接使用高分辨率卫星影像与1:50000DEM结合工程地形图等资料,通过空间数据的整理入库，形成基确的空间数据库。对于中型或重点监测的水库大坝，由于涉及流域及大坝上下游受影响面积大,水库大坝控制系统及设施复杂,对其进行监测管理的流程较多、面积和范围也较广,可采用最新的航拍数据；采用近年较为流行的无人机航拍方式；在要求不高以及条件允许的情况下,也可以使用当前流行的网络地图引擎(GOOGLEMAP、天地图等)作为基础空间信息的底图。2.1数据采集技术水库大坝属性数据：基本数据和监测数据。基本数据：流域和社会经济概况、工程和水文概况、水情和工情监测系统概况以及历次病险及处置情况。2.1.3数据采集技术在信息化系统的应用水库大坝基础数据采集涵盖了多种不同的数据源,包括地形地貌数据、监测数据、交通、基础设施等。但大部分数据都具备地理位置的概念,因此必须通过统一的位置坐标将这些多源数据整合到一个框架或场景下,便于查询、统计和分析。根据数据结构的差异可以将地形三维显示的数据分为栅格数据与矢量数据,其中栅格数据主要是数字高程模型(DEM)与纹理图像数据,矢量数据主要有等高线、地形特征点以及相关要素数据(如河流、道路等)。DEM是地形三维显示中最重要的数据,可以通过等高线、地形特征点等矢量数据生成,纹理图像数据主要是各种数字遥感图像。2.2数据处理及存储技术2.2.1数据处理概述数据处理是指使用计算机对大量的原始数据或资料进行录人、编辑、汇总、计算、分析、预测、存储管理等的操作过程。过程：①对所需的数据进行收集整理,按一定的格式输人,并保存在存储介质上。②在输入数据过程中,对原始数据进行检查、逻辑判断、查错、修改和简单的算术运算。③对录人的数据进行分类、合并、逻辑校正、插人、更新、排序检索等操作。④对数据汇总、分析、制表打印、存档等。⑤建立信息数据库,便于今后使用。2.2数据处理及存储技术2.2.1数据处理概述数据处理是指使用计算机对大量的原始数据或资料进行录人、编辑、汇总、计算、分析、预测、存储管理等的操作过程。过程：①对所需的数据进行收集整理,按一定的格式输人,并保存在存储介质上。②在输入数据过程中,对原始数据进行检查、逻辑判断、查错、修改和简单的算术运算。③对录人的数据进行分类、合并、逻辑校正、插人、更新、排序检索等操作。④对数据汇总、分析、制表打印、存档等。⑤建立信息数据库,便于今后使用。2.3数据通讯技术2.3.1定义数据通信是指操作员利用终端设备,通过线路与远端计算机交换信息的过程,或者计算机之间交换信息的过程。数据通信可以采用数字信道和载波信道传输。数字传输是为各种通信业务(电报、电话、数据、传真等)提供的一种与模拟传输不同的传输形式。数据通信系统主要有三大部分:数据终端设备，数据传输设备和数据处理设备。2.3数据通讯技术2.3.2通信技术的发展（1）1G语音时代1G即第一代移动通讯系统。大哥大？之所以那时候打电话可以摆脱电话线是因为有了移动通讯1G技术，其采用的是模拟蜂窝组网，是移动通讯时代的开始（2）2G文本时代第二代手机通讯技术规格，其以数字语音传输技术为核心。一般定义为无法直接传送如电子邮件、软件等信息；只具有通话和一些如时间、日期等传送的手机通讯技术规格。不过，手机短信在它的某些规格中能够被执行2.3数据通讯技术2.3.2通信技术的发展（3）3G图片时代TD-SCDMA网络是拥有我国自主知识产权的第三代通信技术，其打破了长期以来欧美对国际通信网络标准的垄断（4）4G视频时代手机聊天、看视频、玩游戏，这些都多亏了有4G的支撑。4G具备速度更快、通信灵活等特点。4G技术让我们随时看电影不再成为奢侈。（5）5G视频时代5G是一个全新的通讯技术，具有高速率、大容量、低延时的特性，这使5G技术在物联网、智慧家居、远程服务、外场支援、虚拟现实等领域有了全新的应用。2.3数据通讯技术2.3.3管理信息化系统中的数据通信数据通信方式主要分为无线和有线两种(1)无线通信：INTERNET网络技术、GSM短信方式、GPRS(2)有线通信：租用通信运营商提供的VPN专线网络或建立基于互联网的VPN网络2.4可视化监控技术2.4.1概述视频监控也称图像监控,是利用摄像机进行即时的场景采集,然后通过传输介质传输到远端的监控中心,同时通过在视频采集点配备机械传动装置和电控可变镜头实现对远端场景全方位的观察,达到远程实时监控的目的。2.4.2视频编码技术监控中主要采用MJPEG、MPEG-1/2、MPEG-4(SP/ASP).H.264/AVC、VC-1、RealVideo等几种视频编码技术。主要指标有清晰度、存储量(带宽)、稳定性及价格等。2.4可视化监控技术2.4.3分辨率监控行业中主要使用以下分辨率:SQCIF、QCIF、CIF、4CIF、2CIF。各分辨率优缺点如下:①SQCIF和QCIF的优点是存储量低,可以在窄带中使用,使用这种分辨率的产品价格低廉;缺点是图像质量往往很差,难以被用户所接受。②CIF是监控行业的主流分辨率,优点是存储量较低，能在普通宽带网络中传输,价格也相对低廉,图像质量较好,被大部分用户所接受。缺点是图像质量不能满足高清晰度的要求。2.4可视化监控技术2.4.3分辨率监控行业中主要使用以下分辨率:SQCIF、QCIF、CIF、4CIF、2CIF。各分辨率优缺点如下:③4CIF是标清分辨率,优点是图像清晰。缺点是存储量高,网络传输带宽要求很高,价格也较高。④2CIF(704×288)已被部分产品采用,用来解决CIF清晰度不够高和4CIF存储量高、价格高昂的问题。但由于704×288只是水平分辨率的提升,图像质量提高不是特别明显。目前,已经研发出2CIF分辨率528×384,比704×288能更好解决CIF、4CIF的问题。特别是在512Kb/s~1Mb/s码率之间,2CIF能获得稳定的高质量图像,满足用户较高图像质量的要求。这一分辨率已被许多网络多媒体广播所采用,被广大用户所接受。2.4可视化监控技术2.4.4监控系统的组成视频监控系统是以计算机为中心,数字视频处理技术为基础,利用图像数据压缩的国际标准(JPEG、MPEG-1或MPEG-4),综合利用图像传感器、计算机网络、自动控制和人工智能等技术的系统。视频监控系统是以计算机为中心,数字视频处理技术为基础,利用图像数据压缩的国际标准(JPEG、MPEG-1或MPEG-4),综合利用图像传感器、计算机网络、自动控制和人工智能等技术的系统。普遍采用的是数字视频监控系统。2.4可视化监控技术2.4.5可视化监控在大坝管理信息化中的应用视频监控点是系统的眼睛,无论在日常运行管理,还是在应急响应中都具有至关重要的作用。目前,很多水库大坝已建有视频监控系统,在枢纽区、管理区、库区布设了监控点,配备了可旋转云台,实现了对大坝各个场景的全方位监控。实时监控用于查看当前水库的各视频监测点的实时图像信息。通过实时监控信息的综合集成展示,管理人员能以最便捷、最直观的方式掌握水库大坝的运行状态。历史查询对于支持录像或保存图片的视频监控系统,该功能主要用于查询本地视频监控录像资料。如在闸门监控中,可查看闸门开关的历史操作记录,便于追踪开闸放水的情况。2.5空间信息技术2.5.1GIS概述地理信息系统(geographicinformationsystem,GIS)是融合计算机图形和数据库于一体，用来存储和处理空间信息的高新技术。GIS把地理位置和相关属性有机地结合起来,能根据用户的需要将空间信息及其属性信息准确真实、图文并茂地输出给用户,满足城市建设、企业管理、居民生活对空间信息的需求。2.5.2GIS在大坝信息化系统中的应用在大坝信息化系统中,借助于地理信息系统,结合水库大坝管理的实际业务,实现了基于地理信息的快速、直观地查询、展示水库的地理位置、各建筑物的分布、各类监测点及断面的布设情况等功能。2.5空间信息技术2.5.2GIS在大坝信息化系统中的应用(1)地图浏览地图浏览主要提供地图漫游定位、图层管理、信息标注、几何量测、地图查询等功能。(2)基础地理信息查询将水库的基础要素如主副坝、灌区、各类测点、摄像头等在地图上进行标记,并将各要素的属性信息以弹出窗口的形式进行展示，以便水库大坝管理人员快速的查找.查看。2.5空间信息技术2.5.2GIS在大坝信息化系统中的应用(3)测点信息查询针对水库的水雨情、安全监测、水质.闸门、出入库流量等实时信息,通过测点信息查询,在地图上可将其实时值进行标识显示,并根据其测值的颜色标识为正常、异常、报警等状态。(4)报警信息在预警分析结果的基础上,预警发布面向更广泛的管理人员,在一定规则支持下,通过短信和邮件方式进行内部预警。将水库的雨量报警信息、水位超限信息、灾情信息、巡检检查问题以及安全监测测点超限等各类报警,在地图上以红色辐射状直观提示管理人员进行处置。2.6物联网和云技术2.6.1物联网技术的定义及应用物联网是通过各种信息传感设备及系统(传感器、射频识别系统、红外感应器、激光扫描器等)、条码与二维码、全球定位系统,按约定的通信协议,将物与物、人与物、人与人连接起来，通过各种接入网、互联网进行信息交换,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种信息网络。2.6.2云技术云技术是指在广域网或局域网内将硬件、软件、网络等系列资源统一起来,实现数据的计算、储存、处理和共享的一种托管技术。云技术(cloudtechnology)是基于云计算商业模式应用的网络技术、信息技术、整合技术、管理平台技术、应用技术等的总称,可以组成资源池,按需选用,灵活便利。2.7网络及系统安全技术系统应具有拒绝非授权用户访问、合法用户只能访问授权的功能模块等安全机制,并具有完善的日志文件来记录用户操作,包括用户登录,用户添加、