郁江流域水电站大坝灾害监测分析系统构建技术

郁江流域水电站大坝灾害监测分析系统构建技术

水利水电技术第48卷2017年第6期郁江流域水电站大坝灾害监测分析系统构建技术姚驰，赵晓琴(南瑞集团公司(国网电力科学研究院)，江苏南京21I106)摘要：因近年来灾害性天气对电站输变电设备的影响越来越大，以构建水电站大坝工程灾害监测与分析评估信息系统为目标，立足于大坝生产运营的实际需要，设计了相应的硬件网络结构与软件架构。在此基础上，研究了灾害与水电站大坝的信息接入、灾害评估与可视化展示，提供了水电站大坝灾害监测、智能水电厂一体化管控、水利工程综合管控等已有业务的数据通信接口、集成展示接口，以实施暴雨、台风、高低温、雷电、山火5种类型灾害的监测和评估，实现雨量与气温监测分析、卫星云图与热带气旋监测、气温预报、水电站气象灾害分析等应用功能。该系统具备自动化、智能化、兼容性和扩展性等特点。以郁江流域龙桥水电站为例，进行了灾害监测分析的功能与应用场景描述。该系统对水电站大坝气象灾害监测预警有一定的借鉴意义。关键词：郁江流域；水电站大坝；灾害监测分析；地理信息系统；大坝安全；水利信息化doi：10．13928／j．cnki．wrahe．2017．06．020中图分类号：TV698+P208文献标识码：A文章编号：1000—0860(2017)06．O106．07BuildingtechniqueofdisastermonitoringandanalysissystemfordamofhydropowerstationinYujiangRiverBasinYAOChi，ZHAOXiaoqin(NARIGroupCorporation(StateGridElectricPowerResearchInstitute)，Nanjing211106，Jiangsu，China)Abstract：Astheimpactfromdisastrousweatheronthepowertransmissionanddistributionequipmentofhydropowerplantbe—comeslargerandlargerinrecentyears，thecorrespondinghardwarenetworkstructureandsoftwarearchitecturearedesignedinaccordance试t}Ltheactualdemandfromtheoperationofdambytakingbuildingtheinformationsystemofthedisastermonitoring．analysisandassessmentforthedamofhydropowerstation．Onthebasisofthis，theinformationaccess，disasterassessmentandvisualizeddisplayfordisasteranddamofhydropowerstationarestudiedherein，whichprovidesthedatacommunicationinterfaceandtheintegrateddisplayinterfacefortheexistingservicesofdisastermonitoringfordamofhydropowerstation，integratedman—agementandcontrolofsmarthydropowerplant，comprehensivemanagementandcontrolofwatercontrolproject，etc．，SOastoimplementthemonitoringandassessmentmadeonthefivedisasters，i．e．rainstorm，typhoon，highandlowtemperature，light-ningandmountainfire，thusrealizestheapplicationfunctionsofmonitoringanalysisofrainfallandtemperature，monitoringofsatellitecloudandtropicalcyclone，temperatureforecasting，meteorologicaldisasteranalysisforhydropowerstation，etc．Thesystemhastheperformancesofautomatization，intelligentization，compatibility，expandability，etc．BytakingLongqiaoHydro—powerStationinYujiangRiverBasinasallactualease，thefunctionsofdisastermonitoringandanalysisandtheapplicationsee-收稿日期：作者简介：通信作者：1062016．11—09姚驰(1987一)，男，工程师，硕士，主要从事大坝灾害监测软件开发、模型分析与高级应用等研究。E—mail：yaochi@sgepn·sgcc·com．cn赵晓琴(1984一)，女，工程师，主要从事基于智能电网调度支持系统开发和综合应用等研究。E—mail：zhaoxiaoqin@sgepn·sgcc·com．c／1WaterResourcesandHydropowerEngineeringV01．48No．6n姚驰，等∥郁江流域水电站大坝灾害监测分析系统构建技术nariosaredescribedhereinaswell．Onthewhole，thesystemhascertainreferencesignificanceforthemeteorologicaldisastermonitoringandearlywarningfordamofhydropowerstation．Keywords：YujiangRiverBasin；damofhydropowerstation；disastermonitoringandanalysis；geographicinformationsystem；damsafety；waterinformatization0引言近年来随着灾害性天气对电站及输变电设备的影响越发严重¨J，迫切需要建立一种能够对水电站大坝工程进行灾害监测与分析评估的信息系统。为此，郁江流域水电站研究建立了大坝灾害监测分析系统(以下简称“灾害监测分析系统”)。灾害监测分析系统可以根据气象部门的预报信息，对水电站大坝系统运行方式进行及时调整，启动相关应急预案，加强设备巡查维护，并及时反馈灾害影响、评估及需求。郁江位于湖北省西南部、重庆市东南部，属长江支流乌江下游右岸最大的一级支流。龙桥水电站位于郁江上游，为郁江干流湖北省境内3级水电梯级开发的第一级，由大坝及坝身泄洪表孔、引水隧洞、厂房和开关站组成。水库正常蓄水位高程为585．00m，总库容为2625万m3，调节库容为1067万m3，属季调节水库。大坝为对数螺旋线型碾压混凝土双曲拱坝，顶厚为6．00m，底厚为21．16m，厚高比为0．23，坝顶高程为589．00m，最大设计坝高为91．00m，坝顶弧长为159．70m。坝顶中部共布置3个泄洪表孔，堰顶高程为575．00m，单孔净宽为12．00m，弧门挡水高为10．00m，最大泄洪流量为3580m3／s。引水隧洞长为2196．50m，设计引用流量为67m3／s，设有直径为10．00m的阻抗式调压井。厂房安装2台30MW的立式混流水轮发电机组，保证出电为0．44万kW，年平均发电量为1．69亿kW·h。水库枢纽工程为3等中型工程旧o。大坝为湖北省恩施州首座碾压混凝土双曲拱坝，坝高名列国内目前在建同类型坝的第五位，坝身泄洪单宽流量居全国同类型坝的首位。本文以郁江流域龙桥水电站为例系统介绍灾害监测分析系统的构建技术和功能。1系统结构1．1系统总体结构灾害监测分析系统是密切联系水电站大坝生产运营的专业应用系统，一方面包括强降雨、雷电、山火、台风等自然灾害的监测，为防灾、减灾服务，另水利水电技术第48卷2017年第6期一方面结合水电站大坝日常工作，具备灾害应急响应子系统功能，使灾害监测和防治结合起来。系统的基本原理是利用基本气象灾害数据结合相应的评估模型算法以及水电站大坝地理信息系统完成灾害监测，以指导安监部门的应急响应工作。如图1所示，灾害监测分析系统包括两个组成部分——信息接入平台与评估监测平台。信息接人平台包括系统内部数据流接口和数据处理功能。评估监测平台包括以气象灾害因素为诱因的灾害监测功能，具有台风监测、森林山火监测、雷电监测、高低温监测、强降雨监测等功能。水电站大坝灾害监测分析系统信息接入平台ll评估监渊平台蓁13蓁lI鏊錾ll耄蓁Il盒嚣ll蕊Il攀II藿蠹图1系统总体结构1．2硬件网络结构水电站大坝外网通过Intemet从气象部门通信服务器获取气象数据流，经过内外网防火墙进入“安全外网”的通信服务器，再经过隔离防火墙进入“安全局域网”的数据通信服务器。数据通信服务器解析数据文本，将数据结果写入气象灾害专用数据库。GIS服务器实现GIS系统服务的提供，Web服务器实现灾害监测分析系统Web发布，具体结构如图2所示。系统计算机配置采用交换式快速以太网技术，双重化冗余配置，计算机的工作方式采用分布式B／S方式结构，规模灵活可变，充分发挥计算机系统在灾害监测分析系统中的作用，确保系统运行可靠，保证计算机的响应指标、可靠性等相应要求。1．3软件系统结构软件结构由基础支撑、数据库服务、应用服务、Web容器和前台客户端5个部分组成(见图3)。系统最底层是基础设施层，在硬件装置与网络架107n姚驰，等∥郁江流域水电站大坝灾害监测分析系统构建技术信息外网安全外网客户端Web服务器应用服务器气象内外安全局域网图2系统硬件网络数麟厂——一一服务器L一一专业应用组件服关系型数据库系统软硬件基础设施图3系统设计构的支撑下实现系统平稳与高效的运行。数据层保存气象灾害信息数据，并为系统实现的各种功能应用提供支撑。应用服务层包括：(1)GIS地图服务器。负责GIS数据解析、GIS几何对象映射、GIS渲染绘制、108地图坐标投影转换，实现OGC规范的WMS、WFS协议，并提供对GIS资源的目录管理。(2)专业应用组件。包括业务流管理器、信息检索查询与数据通信与接入组件。(3)系统运行监控组件。监控系统运行状态，记录重要改动或异常信息。(4)Web服务器。负责实现J2EE规范，提供慨rvlet实现，完成对GIS服务请求的分发处理。GIS服务通讯层负责解析客户端的HTllP请求，完成对符合OGC规范的URL请求的解析处理，并负责实现符合OGC规范的KVP对象封装。最终发布网站系统，提供必要的性能优化。2关键技术2．1灾害数据采集灾害监测分析系统使用的气象灾害数据包括近30年的气候灾害统计资料和天气灾害资料，其中实时天气灾害资料又分为常规气象灾害要素的观测数据和预报数据、气象卫星云图数据以及天气雷达图像数据。2．2灾害信息空间化灾害监测分析系统在GIS平台上展示各类气象灾害要素实测及预报信息，将给定气象灾害数据采用空间化处理。气象灾害资料通过数据插值的方法进行网格化，然后根据网格携带的地理信息，使气象灾害网格资料具备空间地理坐标属性。然后进一步利用GIS的空间分析统计工具，形成等值面图或者色斑图。该过程涉及GIS坐标变换计算以及相关业务规范的衔接。2．3灾害监测可视化研究系统设计最基本的目的是服务于人，一般界面设计包括结构、交互和视觉3个设计部分。结构设计是指信息检索图形界面体系结构设计，在系统中采用水利水电技术第48卷2017年第6期nMVC模型一视图一控制模式实现(见图4)。交互设计需满足人对物的3个层次的需求，即有用性、可用性、可表达性。视觉设计需要实现用户对于界面的可控，同时可以降低记忆约束。八(视图)U图4MVC模式请求流程3主要功能灾害监测分析系统在相应的灾害评估模型支撑下实现了暴雨、台风、高低温、雷电、山火5种类型的监测功能，对应急响应子系统建立、应急库建设、应急处理流程记录和应急物资调配提供了依据。3．1气象灾害信息接入与因子选择(1)系统内部数据流接口：系统从后台底层直至前台页面的任何层次上均提供统一的、标准化的网络服务数据接口进行数据流发布。(2)数据处理功能：数据处理模块是按照《地面气象观测规范》的要求对采集来的实时数据，进行合理性检查、统计和整理，将气象部门提供的日雨量、最低气温等气象信息数据转换为0：00q4：00日历格式并存人系统数据库。3．2灾害评估模型灾害监测分析系统包含5大类灾害评估模型，下面以郁江流域内的暴雨评估模型为例进行介绍。3．2．1气象因子选择袁慧敏等口3在暴雨过程综合等级评估模型研究中，选取了平均雨量、雨强i降雨范围3个指标作为模型因子，因而本文在预评估系统的研究中选取暴雨过程综合等级评估模型中的单项指标评估标准作为预评估指标的气象因子指标，其中1二‰=÷∑一，，=1，⋯，n(1)水利水电技术第48卷2017年第6期姚驰，等∥郁江流域水电站大坝灾害监测分析系统构建技术式中，K。为平均雨量因子；n为降雨区域内的测站数量；Pi为第，个测站的总雨量值。K。=max(p_『)，J=1，⋯，n(2)式中，K。为雨强因子；max为极大值；p，为第歹个测站在整个降雨区间的某个24h雨量极值。k=号(3)式中，k为降雨范围因子；N为所有的测站数量。3．2．2影响级别划分选取流域内发生的68次降雨过程作为样本数据，按照上述因子公式转换生成各因子数据集。等级划分的思想是：将上述选择的因子进行呈正态分布趋势的公式转换，再使用密度函数划分级别。以平均雨量为例，其样本集平均值是91．31，中位数是89．12。首先进行正态转换，以Q。一1．5R／Q：+1．5R确定截断点，R=23．65表示4分位极差，Q，=(戈18+戈19)／2=76．12，Q2=(z54+戈55)／2=lOO．12表示上下4分位数，得到截断点为41．12和132．11。利用截断点剔除偏离正态分布的异常值可以使转换更符合正态分布。然后进行Jarque—Bera检验HJ，正态分布在0．05信度下成立，该样本均值为4．49，标准差为O．18。最后使用正态概率分布函数，可得1年、2年、5年、10年、100年一遇的平均雨量概率对应的分位数是4．35、4．55、4．70、4．78、4．95。将雨强和降雨范围两个因子同样经过上述计算，得到因子等级如表1所列。表1因子等级标准评估因子I级Ⅱ级Ⅲ级Ⅳ级V级平均雨量(avg)<4．354．554．704．78>4．95雨强(str)<10．4112．3013．6114．41>16．24降雨范围(COY)<0．430．58O．720．80>O．953．2．3因子权重调整将因子等级矩阵进行无量纲转换，然后计算无量纲矩阵的每行向量标准差和均值，最后计算其变异系数，归一化后即为各因子的权重向量W+=[0．12910．31500．5559]。根据实际多次训练，对权重向量进行了平均雨量权重增大、范围权重减小的常量偏移，使得权重更加符合实际，同时还不影响资料样本的分布特征。根据调整后的权重，计算得到的单项因子评估标准如表2所列。无量纲矩阵为109n姚驰，等∥郁江流域水电站大坝灾害监测分析系统构建技术表2单项因子标准评估因子I级Ⅱ级Ⅲ级Ⅳ级V级平均雨量(avg)<一0．030．15O．290．35>O．55雨强(str)<2．oo3．805．155．05>7．50降雨范围(COV)<0．40O．55O．70O．78>0．94，一0．05210．2513o．53240．63561．0000、p=l0．27430．42510．68290．71561．0000【0．42610．61140．7143o．81231．0000J使用2016年郁江流域的3次强降水过程为评估样本。其样本值与经过评估模型计算出的因子标准如表32016年郁江流域的3次强降水指标雨量雨强范围降雨过程avgstrCOV／mm／nun／万km2S．(6月11—1313)82．9O．031955．51O．270．27S2(7月16—1813)109．80．3l3329．76O．190．19S3(8月8—10Et)57．1—O．3313l3．210．10／，0．47190．45180．64190．80131．2108、d=l1．91200．90120．76890．74190．8901【0．65981．01971．31781．48981．9187J110统的控制面板中，对降水过程前、降水过程中的业务流完成了4种监测评估模型，即过程前的暴雨综合风险、影响范围内风险、暴雨过程时损失等3种评估与撤退线路分析。以撤退线路为例，其运行效果如图5所示。0@@@囤图5影响范围暴雨监测撤退线路3．3．3应急响应专题图监测系统的应急响应输出结果由报表制作、专题图制作和符号库管理3部分组成。专题图和报表制作中可使用系统现有数据，产出满足实际业务且符合业务规范的图形文字和报表综合专题成果，符号管理可对地理要素的描述形式进行设置。该部分功能具有系统稳定性和高级应用可配灵活性特点，输出专题成果具有地表要素美观、直观和业务信息真实、精确等效果，成果如图6所示。灾情监测应急响应2叭6M)9-119fb灾情地址：右岸高边境监挂点右岸高边坡监掩点Il口午后至丧间出理r舒布不均的雷雨太风导崔对瘟天气．境内下白滩、鸡冠山、花山沟等地障下大列暴雨r·b、县陆办主任均在崮值守．【作人员密切跟踪寅时雨情．第一时间转发各妻朋譬预报信息．严格做好各项应急工作。图6应急响应成果3．4灾害监测可视化展示灾害监测分析系统在灾害评估模型的支撑下，实现了暴雨、台风、高低温、雷电和山火等灾害监测的可视化展示。水利水电技术第48卷2017年第6期@蛰n姚驰，等∥郁江流域水电站大坝灾害监测分析系统构建技术图7雷达评估图8台风监测鐾白．t∞●匝。l∞tni’图9高低温监测(1)多普勒雷达暴雨监测：实现多普勒雷达对短时临近暴雨的监测，并具备对暴雨区的水电站大坝设备评估功能(见图7)。(2)台风监测：实现对台风经过或即将经过区域的输变电设备监测功能(见图8)。水利水电技术第48卷2017年第6期二蠡i但萍幽片qi_(3)高低温监测：提供全网预报高低温分析功能，绘制高低温地区气温点图和等值面图(见图9)。(4)雷电监测：根据气象台提供的动态概率预报数据，并结合电力公司的静态雷区分布图，完成输出高概率雷击设备监测功能。(5)山火监测：以卫星遥感图片的矢量火点为计算点，结合数值格点预报的风速风向和降雨情况，计算出未来1～12h影响范围，完成范围内的水电站大坝设备监测功能。4结语郁江流域水电站大坝灾害监测分析系统已经正式投人运行，目前接人了龙桥水电站工程。其灾害监测和评估分析内容涉及强降雨、雷电、台风、高低温等自然灾害。其主要创新成果包括：(1)将GIS应用于水电站大坝灾害监测分析。在郁江流域水电站大坝灾害监测分析系统中，GIS提供了对多种信息的实时监视、历史数据查询、强降雨气象等值线填色图生成与动态演进、台风路径演示、雷电灾害监测、森林山火监测、输电线路污闪监测等功能。(2)自主研发的GIS平台降低了成本与开发投入。南瑞集团自主研发的“二维GIS通用平台”是针对厂房监控、流域调水、洪水预报、水工监测、水利规划等信息管理与分析的适用于水利行业的GIS系统，提供了水电站大坝灾害监测、智能水电厂一体化管控、水利工程综合管控等已有业务的数据通信接口、集成展示接口，大大降低了采购商业GIS软件的成本与后续开发投入。(下转第148页)n王书吉，等∥不同微润管埋深土壤水分入渗特性及对小白菜根系生长的影响参考文献：[2][3][4][5]国攀，薛翔，宋时雨，等．微润灌溉技术的研究进展[J]．湖北农业科学，2016，55(15)：3809．3812．牛文全，张俊，张琳琳，等．埋深与压力对微润灌湿润体水分运移的影响[J]．农业机械学报，2013，44(12)：128．134．张俊．微润线源入渗湿润体特性试验研究[D]．北京：中国科学院研究生院(教育部水土保持与生态环境研究中心)，2013．杨文君，田磊，杜太生，等．半透膜节水灌溉技术的研究进展[J]．水资源与水工程学报，2008，19(6)：60-63．KOUMANOVKS，HOPMANSJW，SCHWANKLLW．Spatialandtemporaldistributionofrootwateruptakeof∞almondtreean-dermierospfinlderirrigation[J]．Irrigationscience，2006，24(4)：267—278．[6][7][8][9][10]任杰。王振华，温新明，等．毛管埋深对地下滴灌线源人渗土壤水分运移影响研究[J]．灌溉排水学报，2008，27(5)：80一82．李朝阳，夏建华，王兴鹏．低压微润灌灌水均匀性及土壤水分分布特性[J]．节水灌溉，2014(9)：9．12．刘国宏，谢香文，王则玉．微润灌毛管不同布设方式对新定植红枣生长的影响[J]．新疆农业科学，2016，53(2)：248．253．张珂萌，牛文全，薛万来，等．间歇和连续灌溉土壤水分运动的模拟研究[J]．灌溉排水学报，2015，34(3)：11一16．张明智，牛文全，王京伟，等，微润管布置方式对夏玉米卣期生长的影响[J]．节水灌溉，2016(3)：80一83．张国祥，申丽霞，郭云梅．微润灌溉条件下土壤质地对水分入渗的影响[J]．灌溉排水学报，2016，35(7)：35-39．(责任编辑王海锋)(上接第111页)(3)实现了GIS与灾害信息集成。采用WebGIS技术，集成WebGIS服务器和空间数据引擎，实现了地理信息与气象灾害信息集成。通过可视化的操作，动态计算雨量与气温数据，快速形成基于GIS的业务应用。(4)囊括了水电站大坝灾害监测的主要业务内容。灾害监测分析系统共7大类25个模块，具有雨量与气温监测分析、卫星云图与热带气旋监测、气温预报、水电站气象灾害分析等应用功能bJ。结合电力专业数据库，可以对水电站大坝灾害的监测进行研究，生成包括强降雨、雷电、山火、台风、高低温自然灾害的监测GIS图。(5)提升了水电站大坝灾害监测能力。利用气象局气象信息、电力部门自有相关气象信息和电网生产运行信息，提高了水电站大坝灾害监测能力，最大限度降低了气象灾害因素对水电站大坝安全稳定运行的不利影响，确保了水电站大坝高效、安全、稳定运行，为生产运行、应急管理、调度精益化管理、电网生产调度决策提供了强有力的决策支持‘6—81。(6)实现灾害信息数据库管理。灾害监测分析系统实现了实时灾害信息数据和历史数据库两部分数据库的存储与管理。为保持与水电站大坝灾害监测日常工作的结合，后期会继续开发灾害应急响应子系统，使水电站大坝灾害监测和防治结合起来，利用灾害数据结合对应的模型算法以及水电站地理信息系统完成灾害预警，以期指导安监部门的应急响应工作，形成理想的水电站大坝灾害监测分析系统平台。148参考文献：[2][3][4][5][6][7][8]胡超凡，陈刚，赵玉柱．2004年国家电网安全运行情况分析[J]．中国电力，2005，38(5)：9-12．刘学祥，郭志鸿，赵根源，等．龙桥水电站大坝安全监测成果初步分析[J]．湖北水力发电，2007，69(4)：114-117．袁慧敏，王秀荣，范广州，等．长江中下游沿江地区暴雨过程综合评估模型及应用[J]．气象，2012，38(10)：1170—1176．THORSTENT，HERBERTB．Jarque—BeraTestanditscompetitorsfortestingnormality：apowercomparison[J]．Journalofappliedsta—tisties。2007，34(1)：87—105．杨华舒，闫毅志，魏海，等．工程检测与大坝安全[M]．北京：中国水利水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