摘要：為了探討建立長(cháng)江堤防自動(dòng)化監測和安全預警系統技術(shù)，以武漢市諶家磯地區堤防為試驗基地，研制開(kāi)發(fā)了分布式監測預警系統。本文對該系統的結構、量測儀器、通訊方式、安全評價(jià)模型、系統軟件及實(shí)現的功能等作了介紹，并闡述了堤防自動(dòng)化監測預警的方法和原理。

　　關(guān)鍵詞：長(cháng)江 堤防 自動(dòng)化監測 預警系統

　　1998年洪災暴露出我國在防洪減災方面的科技水平不高，尤其在堤防安全的經(jīng)常性監控和管理方面很落后，長(cháng)期以來(lái)靠群眾性的抗洪搶險來(lái)維護汛期的安全，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)行堤防運行狀態(tài)的經(jīng)常性監測，及時(shí)發(fā)現和處理堤防的險情隱患，則能更好地保障堤防的安全。在監測手段方面，由于堤線(xiàn)漫長(cháng)，地層條件沿程變化大，采用一般的人工監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(shí)的監測與分析計算很難做到。所以，實(shí)現堤防監測的自動(dòng)化是必然的要求和趨勢。在自動(dòng)化監測的基礎上，根據科學(xué)的分析對堤防的安全狀態(tài)進(jìn)行評價(jià)和預報，可以及早發(fā)現險情和維護堤防安全。將堤防的自動(dòng)化監測、安全評價(jià)和預報， 組成一個(gè)整體，就是堤防監測預警系統。對于長(cháng)江流域或中下游重要堤防而言，建立這樣的監測預警系統是一項巨大的工程，其中必然會(huì )有很多的技術(shù)難題，如何合理規劃、設計和實(shí)施監測預警系統，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)化監測和預警系統模式的研究。

　　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(diǎn)，在長(cháng)江中下游堤防中具有一定的代表性。筆者以諶家磯地區堤防為試驗基地，研制開(kāi)發(fā)了分布式自動(dòng)監測預警系統DSEWS（Dike safety early-warning system），本文結合對該系統的介紹闡述堤防自動(dòng)化監測預警的方法和原理。

　　1 監測預警系統組成、結構及功能

　　系統組成包括以下5個(gè)主要部分：量測儀器、自動(dòng)采集控制器、信息傳輸設備、安全評價(jià)理論模型和系統軟件。

　　1.1系統結構

　　自動(dòng)監測系統的分布形式有集中式、分布式和混合式3種。20世紀80年代初期最先發(fā)展出集中式數據采集系統，20世紀80年代中期開(kāi)始出現了分布式系統，隨后就有將兩者結合的混合式系統。按照現代自動(dòng)監控方式，諶家磯監測預警系統采用分布式結構。系統分為采集站（測控單元）、監控主站和遠程信息管理中心（如洪指揮中心）3級。以堤防監測斷面（或堤段）為測控單元設立采集站。多個(gè)采集站分別用微波將信號傳輸到監控主站，監控主站同時(shí)控制多個(gè)采集站，向各采集站發(fā)送傳感器設置、采集參數、報警參數等指令。主站的數據通過(guò)電話(huà)公網(wǎng)傳輸到武漢市內或其它任何地方。

　　1.2量測傳感器

　　一般來(lái)說(shuō)，堤防監測項目包括變形監測（外部變形及內部變形）、滲壓監測、滲流量監測、結構（涵閘、防滲墻或防洪墻等）應力應變量測、環(huán)境監測（包括江水位、地下水位、氣溫、雨量等）等。其中最主要的是水、土壓力和位移監測。對于一個(gè)具體的堤防，應該根據該堤防的水文、地質(zhì)、環(huán)境、堤身堤基隱患，選擇確定適當的監測項目，在監測項目和布置上做優(yōu)化設計。

　　對于不同的監測項目，傳感器類(lèi)型及型號很多，監測方式各異。為使監測有效可靠，應從先進(jìn)性、環(huán)境適應性、長(cháng)期運行、能實(shí)現自動(dòng)化數據采集等方面，對傳感器進(jìn)行比選。一般而言，可以將國外高精度但價(jià)格昂貴的傳感器與國內精度稍低但價(jià)格低得多的傳感器搭配使用。在諶家磯堤防監測預警系統中，主要選用了孔隙水壓力傳感器和自動(dòng)傾斜計兩種傳感器，分別監測堤身堤基的孔隙水壓力和堤坡的滑動(dòng)位移，其中自動(dòng)傾斜計系自行研制。

　　1.3采集站

　　采集站執行數據自動(dòng)采集、存儲、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。

　　監測斷面的選擇對于堤防安全狀態(tài)的監控管理是非常關(guān)鍵的一步，需要根據土質(zhì)、水文、環(huán)境條件和往年險情情況綜合確定。堤防線(xiàn)路長(cháng)，監測斷面之間距離以百米或千米計。為避免電纜埋設過(guò)長(cháng)，一般宜對每個(gè)監測斷面設立1個(gè)采集站，因此采集站可以有多個(gè)。本次諶家磯預警系統試驗暫設2個(gè)，一個(gè)采集站以監測堤防滲透為主，另一個(gè)采集站以監測崩岸（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立性，可以在主站停機的情況下自行采集和處理數據。

　　自動(dòng)采集控制器應根據堤防監測項目的輸出信號類(lèi)型及通道數要求進(jìn)行設計。在可能的情況下最好為標準化設置，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)間間隔應允許選擇。本系統研制的采集控制器分7段設置，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)顯示測量數據。本系統采集控制器可以設立報警限值，有通道報警時(shí)以每秒閃爍若干次提示，多通道報警輪巡。報警時(shí)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置以外，還可以通過(guò)外線(xiàn)或手機進(jìn)行設撤防。

　　1.4監控主站

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

　　為了便于堤防安全管理和系統維護，監控主站設在當地堤防管理機構的辦公用房?jì)容^為合適。本系統將監控主站設在諶家磯堤防管理所。監控主站由以下部分組成：監測預警系統軟件、工控微機（包括掃描、打印機等輸入輸出設備）、微波（或總線(xiàn)電纜）及通信模塊、Modem（調制解調器）、電話(huà)線(xiàn)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、監控主站、遠程信息中心之間進(jìn)行數據和命令傳輸的由電纜、微波、電話(huà)網(wǎng)等組成的通信網(wǎng)絡(luò )。

　　信息傳輸方式可以根據實(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 )以及地球同步數字衛星等都可以作為信息通訊的手段。本系統中包含有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，要注意防水和防破壞），采集站與監控主站之間用微波（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(jià)模型

　　在預警系統中，安全評價(jià)模型是至關(guān)重要的部分。有了安全評價(jià)模型，才能根據監測數據評價(jià)堤防的安全。而安全評價(jià)的可靠性除了依賴(lài)于監測數據的準確性，主要就取決于評價(jià)模型的合理性。因此，在預警系統設計和研制中，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(jià)模型。但是，由于問(wèn)題的復雜性，合理的安全評價(jià)模型有待于在堤防監測實(shí)踐中摸索。

　　堤防滲流是一個(gè)飽和-非飽和、非穩定-穩定的發(fā)展過(guò)程。加之滲流場(chǎng)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雜。使得采用確定性方法計算堤防的汛期動(dòng)態(tài)滲流非常困難，難以準確計算和考慮各種復雜情況。對于這種非確定的、動(dòng)態(tài)變化的、部分信息環(huán)境的情況，基于現場(chǎng)觀(guān)測的數據統計、處理、推斷方法，直接用于堤防滲流險情的判斷和預報是比較合理的。但是，這方面的研究工作還很少見(jiàn)。

　　在邊坡穩定方面，力學(xué)性分析方面（極限平衡法和有限元法）對于一些基本穩定或基本不穩定的邊坡，能夠作出合理的定性的判斷，但對于一些介于穩定與非穩定之間的邊坡，卻難以準確計算安全程度。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(huì )繼續滑動(dòng)抑或保持穩定。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雜。因此，對于一個(gè)滑坡的評價(jià)和預報，除了做一些力學(xué)分析外，主要也是以現場(chǎng)的位移監測成果為依據�；�于現場(chǎng)觀(guān)測的數據統計推斷方法，早已用于滑坡的判斷和預報。在這方面國內外已有很多的研究工作和實(shí)踐經(jīng)驗。但是，位移的發(fā)展究竟達到什么速率和滿(mǎn)足什么條件，就能判定是否將發(fā)生滑坡，尚沒(méi)有一個(gè)明確的標準，也就是說(shuō)還沒(méi)有一個(gè)滑坡發(fā)生的充分的判據，實(shí)踐中不同研究者采用了各種不同的數學(xué)或經(jīng)驗的方法。堤防的滑坡又有自身的特點(diǎn)，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(jià)和預報有更大的難度，研究也很少。

　　基于預警系統的需要和上述研究現狀，本項目研究和建立了初步的以監測數據為基礎的滲流安全評價(jià)模型和滑坡預測模型。前者系以土層實(shí)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、嚴重危險和即將破壞4級標準。后者為采用灰色和突變理論對堤坡位移和滑坡與否進(jìn)行預測。此外，為考慮各種土層厚度不均勻和土的抗滲強度的不均勻性，建立了滲流安全評價(jià)的概率模型。為了對下一時(shí)刻的滲流安全進(jìn)行預測，建立了滲流安全灰色預測模型。表1是所建立的模型種類(lèi)名稱(chēng)。

　　1.7 系統軟件

　　系統軟件實(shí)現的主要功能包括；采集、檢測、控制、存儲、計算處理、安全評價(jià)及預測、通信等。

　　1.7.1軟件開(kāi)發(fā)工具

　　選用目前普遍使用Windows9x的32位操作系統的PC電腦平臺作為本軟件的開(kāi)發(fā)平臺，可以滿(mǎn)足本預警系統的開(kāi)發(fā)要求。采用MS公司的VC++的VB6.0作為開(kāi)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，其提供的數據控件、訪(fǎng)問(wèn)對象等可以方便地進(jìn)行數據庫系統的開(kāi)發(fā)，VC可以直接對底層進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。

　　1.7.2 實(shí)現的功能

　　軟件采用模塊結構，有數據采集處理和安全評價(jià)預警兩大模塊。實(shí)現的主要功能有：

　�。�1）數據采集處理模塊：設采集站選擇菜單，監測剖面圖形可以繪制和修改；傳感器可以逐個(gè)在監測剖面上安裝（或撤消）并以填表形式輸入編號，類(lèi)型、型號、量測范圍、生產(chǎn)廠(chǎng)家、標定系數（方程）、安裝部位以及安裝時(shí)間；可以隨時(shí)設置或取消報警限值；采集的數據以傳感器編號順序列表，注明采集時(shí)間；以采集值和時(shí)間為軸，顯示信號的時(shí)間變化過(guò)程，時(shí)間軸可以定義，如秒、分、小時(shí)、天；數據庫可以隨時(shí)調出查看、編輯、另行存儲。自動(dòng)采集的孔隙水壓力過(guò)程線(xiàn)的顯示頁(yè)面形式。

　�。�2）安全評價(jià)預警模塊：設有采集站選擇菜單；調用采集處理模塊的數據；有滲流評價(jià)、預測模型及滑坡預測模型；評價(jià)結果自動(dòng)彈出；當有警情時(shí)自動(dòng)彈出報警窗口、發(fā)布報警蜂鳴和電話(huà)撥號指令。滲流安全評價(jià)結果的顯示頁(yè)面形式。

　�。�3）遠程信息管理：接收監控主站的參數與數據庫，隨時(shí)了解堤防運行現狀；安裝有與主站相同的安全評價(jià)與預警軟件，以便能夠進(jìn)行遠程的安全評價(jià)和預測。

　　總之，本系統軟件靈活適用、功能齊全，適用于堤防的監測與安全預警。

　　2 結語(yǔ)

　　監測預警系統主要需要解決以下3方面的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題：（1）合理的監測布置原則；（2）自動(dòng)化采集和通信技術(shù)；（3）安全評價(jià)和預測的理論模型。諶家磯堤防監測預警系統DSEWS作為一個(gè)試驗研究項目，進(jìn)行了各方面的研究和摸索，系統已經(jīng)建成并經(jīng)歷過(guò)了一段時(shí)期的運行考驗，顯示系統的自動(dòng)化采集及遠程通信穩定可靠，監控主站和遠程終端可隨時(shí)監視堤防運行情況及安全狀態(tài)。通過(guò)模擬演示，表明系統具有可靠的自動(dòng)報警功能。系統的軟件界面功能豐富、直觀(guān)、使用方便，符合工程專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)。DSEWS是一個(gè)利用現代科技手段建立的國內第一個(gè)堤防安全監測預警系統，在長(cháng)江堤防、病險水庫的管理以及滑坡預測等方面具有廣泛的推廣應用前景。

　　參 考 文 獻：

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

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

　　[3] 曹敦履。長(cháng)江干堤滲流穩定的評價(jià)及防護措施[J].人民長(cháng)江，1993.

　　[4] 曹敦履。長(cháng)江堤防滲流管涌的數學(xué)模型[C].93全國水動(dòng)力學(xué)研討會(huì )文集，1993，9.

　　[5] 顧沖時(shí)。大壩安全綜合評價(jià)專(zhuān)家系統[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.