堤防安全监测系统方案

一、背景情况

堤防是开发利用水资源和防治水灾害的重要工程措施之一，对防洪、供水、生态、发电、航运等至关重要。我国现有堤防9.8万多座，其中大中型堤防4700多座、小型堤防9.4万座，80%以上修建于上世纪50至70年代。由于堤防管护力量薄弱，日常维修养护不到位，积病成险，堤防安全运行的风险依然比较突出。

二、建设内容

雨水情及堤防安全监测预警系统建设按照功能主要划分为以下几个部分：雨水情测报站、视频监测站、堤防安全监测站、数据传输、堤防管理平台、数据共享推送等。

（1）雨水情测报站建设

翻斗式雨量计、水位计、供电系统组成雨水情测报站。

（2）视频监测站建设

采用视频（球机和枪机）对堤防等设施环境进行监控。

（3）堤防安全监测站建设

埋设安装变形标点、GNSS、测压管（渗压计）、采集单元等仪器设备，对堤防变形、渗流渗压等进行监测。

（4）数据传输

通过数据采集传输终端根据现场网络条件利用3G＼4G无线公网或有线光纤、北斗短报文等，对雨水情数据、实时视频流或图像、堤防监测数据等信息实时传输，发现异常可通过短信等方式进行告警。

（5）堤防管理平台

采用物联网、大数据、云计算以及数据库中间件、数据挖掘、安全监控模型等众多的先进技术和算法，通过自动化数据数据采集、实时在线监测、实时分析及安全预警，建立以地理信息、堤防特性、水雨情、安全监测、巡查巡检、视频监控、应急处置、系统管理等内容的小型堤防堤防安全动态监管云平台。

（6）数据共享推送

监测预警平台信息共享与堤防运行管理、堤防安全监测监督平台、防汛

抗旱指挥、山洪灾害监测预警、水利建设管理、水利一张图等水利业务应用系统实现实时数据衔接。

三、雨水情测报系统

雨水情测报设施包括库水位和降雨量监测设备，实时监测库水位和降雨量信息。

3.1主要设备选型

雨量计

翻斗雨量计

1、雨量计筒直径 Φ200mm

2、分辨率 0、2mm/0、5mm（可选）

3、刃口锐角 40°～45°

4、输出方式 脉冲型

5、工作温度 0～50℃

6、工作湿度 <95%(40℃、

7、储存温度 -40～125°C

8、储存湿度 ＜80%（无凝结、

9、测量准确度 ≤±2%

10、雨强范围 0mm～4mm/min

11、允许通过最大雨强8mm/min

12、承受电压 ≤100V

13、承受电流 ≤0.5A

雷达水位计

雷达水位计

1、类型：FMCW；

2、发射角度：6°；

3、量程范围：0～12米、0～30米；0～65米。

4、测量精度：±1mm；

5、材质：304不锈钢；

6、功耗:240mw；

7、频率:80GHz；

8、温度：-40～+85°C；

9、供电电压范围：VDC 9-36V；

10、天线类型：透镜天线；

11、防护等级：IP67；

12、工作带宽：5GHz。

13、输出类型：RS485 modbus 9600bps；

14、盲区：0.1米；

15、安装方式：支架/法兰/螺纹。

遥测终端机

遥测终端机

标准电源：DC 12V/1.5A

供电范围：DC 7-35V

以太网接口：1个LAN口

串口：1 个RS232 和3 个RS485 接口，内置15KV ESD 保护，串口参数如下：

数据位：5、6、7、8 位

停止位：1、1.5、2 位

校验：无校验、偶校验、奇校验

串口速率：1200~230400bps

应用接口：4 路IO输入接口,干节点输入

3 路 电压采集 4-20mA

3 路通用开关量输出接口

2 路输出电压值与设备供电电压相同，默认12V

指示灯：两路 LED 指示灯

USB：1路USB接口

按键：4 路标准按键输入

天线接口：2 个标准天线接口

SIM/UIM卡接口：用户卡接口，支持1.8V/3V SIM卡

电源接口：工业级端子接口

北斗通信终端

北斗终端

1、接收信号类型：接收 S1I、S2C 出站信号，频率范围: 2491.75 ±8.16MHz；

2、接收灵敏度：

➢ S1I：信号功率为-127.6dBm 时，误码率：≤1×10-5；

➢ S2C：专用段 24kbps 信息帧，误码率：≤1E-5（信号功率-123.8dBm）；

专用段 16kbps 信息帧，误码率：≤1E-5（信号功率-127.5 dBm）；

专用段 8kbps 信息帧，误码率：≤1E-5（信号功率-130 dBm）

3、捕获灵敏度：

➢ 首次捕获时间：≤2s；

➢ 重捕获时间：信号中断 30s，重捕获时间不超过 1s；

4、同时接收波束个数：不少于 14 个；

5、通道时差测量误差：≤5ns（1σ）；

6、设备双向零值：1ms±5ns；

7、发射时间同步精度：≤5ns（1σ）

四、变形监测系统

采用专业仪器对坝体整体稳定性进行实时监测，确保堤防的安全运行。

可采用安装观测墩人工观测的方式，也可采用GNSS方式进行表面变形自动监测。或者在人工观测方式基础上同时增设GNSS自动监测设施，以自动为主人工为辅，监测数据可对比分析，提高效率与可靠性。

4.1主要设备选型

（1）水准标石

不锈钢标点规格及埋设要求满足《水位观测标准》（GB/T50138-2010）中混凝土普通水准标石相关要求，且稳固无松动。埋设完成后进行编号、现场绘制点记录和委托保管等工作。

（2）精密水准仪

电子水准仪， 采用国内外知名品牌， 测量中误差不小于 0.5mm/km。

（3）GNSS

GNSS接收机

GNSS接收机技术参数如下表：

技术参数

卫星频点追踪

GPS:L1C/A,L1C,L1P,L2C,L2P,L5

BDS:B1I,B2I,B3I,B1C,B2a,B2b,ACEBOC

GLONASS:G1,G2,G3

Galileo:E1,E5a,E5b,ALTBOC,E6

QZSS:L1C/A,L1C,L2C,L5,LEX

静态监测精度

平面：±（2.5mm+0.5*10-6D）RMS；高程：±（5mm+0.5*10-6D）RMS

RTK定位精度：

平面：±8mm + 1ppm(RMS)

高程：±15mm + 1ppm(RMS)

差分数据格式：RTCM 3.2

天线一体化设计，内置测量型天线

系统配置

操作系统：Linux

CPU：1Ghz高性能处理器

存储空间：内置32GB板载存储，可拓展512G存储

通讯

无线通讯：支持4G、WIFI、蓝牙、LoRa/NB-IOT

有线通讯：支持RS485、RJ45

远程控制：支持远程配置、诊断，定位跟踪。

电气性能

电池容量：内置10200mAh锂电池，支持连续工作24小时以上。

电压输入：9-15V输入

电压读取：支持读取外接电源电压

解算方式

解算方式：支持接收机本机前端解算、服务器后台解算和RTK实时解算。

解算对接：采用前端解算时，由本机前端解算引擎完成高精度位移解算，解算结果通过接收机推送到遥测终端机。

解算频次：支持常规和加密监测

物理特性

工业等级：IP68

工作温度：-30°C～+70°C

存储温度：-40°C～+85°C

湿度：99%无冷凝

材质：镁铝合金

其他

传感器接入：可接入RS485协议的监测传感器，为传感器提供供电和网络支持

安装方式：标准英制5/8连接螺母安装

MEMS：集成MEMS加速度传感器（选配）

可靠性指标：MTBF≥35000h

其他功能：具备掉电保护功能，具有防雷及抗干扰功能；在雷电、暴雨等恶劣天气条件下能正常运行。

大样图

案例图

（二） GNSS自动观测

GNSS是现代大地测量的一种技术手段，GNSS形变监测技术通过卫星地面接收机接收全球导航卫星系统发送的导航电文，通过静态差分定位的方式，获取监测点位的三维位移量。该技术具有全天候、高精度、全自动等功能点，但会受地形或遮挡影响导致卫星信号不足及反射严重而精度降低。目前该技术的监测精度水平位移可达±2.5mm，垂直位移达±5.0mm。

GNSS测量系统是一款基于全球卫星导航系统的高精度表面位移测量系统，其主要功能是通过对GNSS卫星原始数据的实时解算，实现被测对象三向位移变化量的监测，用于堤防的位移及变形等监测。

系统原理如下图如所示。

GNSS测量系统主要由基准点、监测点、解算软件及信息中心平台组成。每个基准点和监测点均包括GNSS接收机及接收天线、供电系统及控制器、电池、保护罩、避雷设备、立杆及安装支架、数据传输模块等设备。采用光纤、无线公网等通讯方式进行数据传输。系统基准点和监测点采用静态同步观测，差分解算。

GNSS监测点布设在灾害体变形量较大、稳定性状态差处；

基准站布设在灾害体外围稳固处；GNSS监测点应保证搜星条件良好，测点位置空旷，在±15°高度截止角上空不能有成片障碍物，以便接收卫星信号。周围无高压线、变电站等电磁干扰源。

（1）堤防监测点位布设以控制隐患点整体稳定性为总体原则，各类监测点应能控制堤防前、中、后缘变形；

（2）根据堤防的破坏模式，确定监测点的位置与内容。推移式堤防重点布设于起始变形滑块（堤防后缘），兼顾布设堤防前缘，控制堤防整体变形情况。牵引式堤防重点布设于牵引滑动段，兼顾布设堤防后缘，用于控制堤防整体变形情况；

施工安装：

（1）在选取的点位上先开挖一个60*60*80cm的基坑；

（2）制作观测墩的浇筑模板，使用模板用钢钉固定住形成60*60*20cm的正方形模板；

（3）采用的水泥标号不低于325，按照C25的混凝土强度标准进行混凝土拌和；

（4）放入地笼，浇筑30cm混凝土进行振捣，振捣结束后，放入&30的PVC管；

（5）放入制作好的模板，浇筑混凝土，进行振捣直至混凝土与模板齐平；

（6）静止12小时后方可进行拆模。

（7）天线罩安装

（8）天线罩安装前，应该将天线电缆先穿进立杆，然后将天线固定在强制对中器后，在将天线电缆接头与天线接头连接，并拧紧，套上天线保护罩；注意将天线保护罩配套螺丝拧上，以防被大风吹走或者非人为破坏。

（9）设备安装调试

（10）表面位移设备安装主要是GPS主机安装，主机安装前，应该对每个监测点进行IP规划，对主机设置好IP号和端口号，并做记录保存。

GNSS安装大样图

五、渗流压力监测系统

坝体挡水后，在坝体内部、坝肩岸坡处等会形成上游向下游的渗流，渗透水会造成土壤饱和降低其抗剪强度和抗滑性，进而造成管涌、流土、滑移等渗透变形。采用渗压计进行渗透水压力监测，动态掌握坝体、岸坡内部的稳定性情况。

5.1主要设备选型

（1）渗压计

振线渗压计

1、量程范围：0～0.35Mpa、0～0.7Mpa；0～1Mpa；0～2Mpa；0～3Mpa；

2、分辨率：≤0.025%F.S；

3、灵敏度：±0.1℃；

4、测温精度:±0.5℃；

5、温度：-40～+80℃；

6、修正系数b:≈0.10 KPa/℃；

7、耐水压：测量范围1.2倍；

8、绝缘电阻：≥50 MΩ。

（2）数据采集仪MCU

数据采集终端

1.产品尺寸：长x宽x高=162x100x62mm(单通道)；242x162x75mm（4、8通道）；282x132x110mm（16、20通道）；400x300x170mm（32通道）；500*400*200mm（40通道）。

2.微功耗设计

采用定时开机，完成数据采集及传输后，4-10分钟内无操作CPU进入休眠状态。模块进入休眠状态后，一是当采集周期到来时模块自动启动采集数据并存储，传输数据（自报开关打开）；二是如果模块采用RS485通讯时，可以向模块发送任意字节指令唤醒，等待时间超过2s后可对模块进行操作。

休眠：小于300uA。

工作：小于50mA（无线4G），小于10mA（RS485）

传输采集：小于500mA。

3.存储容量：256Mb，可存储30000条数据。

4.通讯接口：1路标准R485串口通讯。可选配无线4G等。

5.实时时钟：内部自带时钟，每条数据记录都会记录数据采集的时间。

6.供电电压监测，可以实时监测电源电压（7V～30V）。

7.电源供电：3.7V大容量聚合物锂电池，9-24V输入给内置锂电池充电。亦可以采用高容量不可充电电池（一次性电池），工作时间大于1年。

8.工作电流：随功能切换变化。

9.休眠电流：35uA+((供电电压-18V)/100K)。

10.工作环境

工作温度：-40℃-+80℃。
工作湿度：5％－95％。

11.平均无故障工作时间：MTBF>30000小时。

12.数据丢失率：小于5‰。

13.其他：支持防反接保护、支持过压保护30V-TVS、支持过流保护2A、外部可编程看门狗、外部RTC。

渗压监测站安装大样图

六、 软件平台

软件系统建设的主要内容包括相关系统软件（工作站操作系统、数据库软件、服务器操作系统）和应用软件（安全监测和数据接收软件、水库信息管理软件、移动APP软件）.

管理软件技术路线遵循“平台化、分层设计”的理念，其核心是面向业务的多层应用体系架构平台。该平台主要包括：数据资源层、基础构件层、基本功能层、业务应用层等。数据资源层实现对关系数据、非关系数据、文档资料、参数文件等的管理；基础构件层包括客户端构件库、服务器端构件库、通用业务构件库；基本功能层包括流量录入、水位录入、测点管理、水情录入、水情查询、来水量查询、水情整编、雨情录入、雨情查询等基本功能；水库信息管理系统为水库解决了监测中的实际问题，利用地理信息技术的强大功能，将各个监测点空间信息直观清晰地展现出来；具有水位/流量超限报警功能，为水库预警系统和水库配水调度管理系统提供及时的数据信息支持。

信息管理系统以水情信息采集为基础，实现信息的实时查询、统计分析及展示，并结合应用软件开发技术、数据库技术和地理信息技术，通过曲线拟合的手段推导适用性较强的水位流量关系曲线，从而根据水位得到流量。为灌区的资源调度、水资源经营、工程建设以及综合利用提供科学依据，为水库信息化管理工作提供数据基础。