水庫信息化建設(shè)的實(shí)踐與思考

吉 海 ，曾慶彬

（1.深圳市水務(wù)局，廣東 深圳 518036；2.深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)院，廣東 深圳 518036）

0 引言

鐵崗水庫位于深圳市寶安區(qū)西鄉(xiāng)河流域，西鄉(xiāng)河屬珠江口水系，是獨(dú)立入海的河流，發(fā)源于石巖鎮(zhèn)亞婆髻，流域面積 80.2 km2，水庫庫容 9950 萬m3。石巖水庫位于茅洲河流域的上游，控制流域面積 44 km2，水庫大壩位于石巖鎮(zhèn)紅星村，總庫容達(dá)到 3198.8 萬m3。石巖水庫溢洪道位于鐵崗水庫上游，距鐵崗水庫 3.4 km，汛期石巖水庫區(qū)域內(nèi)洪水通過石巖溢洪道向鐵崗水庫排洪。

這 2 個(gè)水庫現(xiàn)屬鐵崗、石巖水庫管理處管轄，是深圳市最大的原水生產(chǎn)基地，目前每天向?qū)毎矃^(qū)和深圳市多家自來水廠提供原水約 140 萬 m3，占深圳市原水生產(chǎn)的 30 %，此外，還肩負(fù)著深圳市西部地區(qū) 500 萬人口近千億資產(chǎn)的防洪重任，具有城市水文環(huán)境的特殊性，供水及防洪任務(wù)的重要性，水質(zhì)形勢嚴(yán)峻性，庫區(qū)周邊環(huán)境的復(fù)雜性。

1 水庫信息化系統(tǒng)構(gòu)架

受城市化進(jìn)程的嚴(yán)重影響，水庫的管理變得更加復(fù)雜，要實(shí)現(xiàn)城市水庫的精細(xì)化管理，必須借助先進(jìn)的信息技術(shù)手段為支撐，實(shí)現(xiàn)對三防、水資源、供水安全的實(shí)時(shí)監(jiān)控，優(yōu)化管理模式和創(chuàng)新管理手段，針對城市水庫的新特性，以鐵崗、石巖水庫為例，介紹水庫信息化建設(shè)的實(shí)踐及經(jīng)驗(yàn)。

鐵崗、石巖水庫信息化系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)主要由信息采集、視頻監(jiān)控、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、閘門自動控制、綜合系統(tǒng)平臺 5 大體系構(gòu)成[1]，信息采集系統(tǒng)包括：水質(zhì)、水情自動測報(bào)、大壩安全監(jiān)測、供水量信息等系統(tǒng)。系統(tǒng)總體框架如圖 1 所示。

系統(tǒng)基于統(tǒng)一平臺實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)的集成應(yīng)用，整合各業(yè)務(wù)信息資源，根據(jù)用戶權(quán)限的不同為各級領(lǐng)導(dǎo)和全體工作人員提供信息服務(wù)[3]。

2 信息采集系統(tǒng)

水務(wù)信息化系統(tǒng)建立在信息基礎(chǔ)上，而這些信息獲需要不同手段和措施，這些手段和措施及相應(yīng)采集點(diǎn)就組成了采集層，采集內(nèi)容有氣象、水雨情、工情、旱情、圖像、水質(zhì)、地下水，采集手段包括遙測和其他傳感器自動采集、云臺攝像等；監(jiān)測系統(tǒng)主要功能是監(jiān)控水庫，引水工程，主要河道和海堤的水雨情、水質(zhì)水量、視頻監(jiān)視，大壩的安全監(jiān)測、泵站閘門運(yùn)行等信息，即實(shí)時(shí)監(jiān)控水源，供水和工程安全、工程運(yùn)行等信息。

2.1 水情遙測系統(tǒng)

圖1 系統(tǒng)總體框架

水情遙測系統(tǒng)主要對庫區(qū)段流域面積內(nèi)的水情信息進(jìn)行采集和處理，為洪水預(yù)報(bào)和防洪調(diào)度提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。系統(tǒng)水情遙測系統(tǒng)由水位和雨量傳感器、遙測站、通訊鏈路、中繼站及中心站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成。水情遙測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 2 所示。

圖2 水情遙測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

鐵崗、石巖水庫水情遙測系統(tǒng)建設(shè)主要特點(diǎn)有：1）雨量站多，目前已建設(shè) 10 個(gè)雨量站；2）組網(wǎng)模式多，水情遙測系統(tǒng)的建設(shè)結(jié)合其他采集系統(tǒng)的建設(shè)，與視頻監(jiān)控、水質(zhì)在線監(jiān)測、大壩安全監(jiān)測等系統(tǒng)的通訊方式進(jìn)行統(tǒng)籌考慮。

2.2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用有線和無線傳輸?shù)慕Y(jié)合，由于水庫岸線長，地形復(fù)雜，全部采用光纖，投資巨大，在設(shè)計(jì)和建設(shè)中，根據(jù)有線光纖和無線網(wǎng)絡(luò)的不同特點(diǎn)，優(yōu)化組網(wǎng)模式，實(shí)現(xiàn)了光纖和無線 IP 網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的模式構(gòu)建數(shù)字網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)具備成本低、帶寬高、容量高、視頻傳輸能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。視頻監(jiān)控系統(tǒng)集成方案如圖 3 所示。

2.3 供水計(jì)量系統(tǒng)

流量計(jì)量系統(tǒng)對自來水廠進(jìn)水量計(jì)量，共 28 個(gè)計(jì)量點(diǎn)，每天通過 GSM 短信將數(shù)據(jù)發(fā)往中心站，系統(tǒng)自動根據(jù)水庫出、入庫流量計(jì)量站點(diǎn)的流量監(jiān)測數(shù)據(jù)，計(jì)算選定時(shí)間段內(nèi)的出、入庫流量信息。用戶可將多個(gè)流量站點(diǎn)的實(shí)時(shí)、累積流量過程線按選定的時(shí)間區(qū)間進(jìn)行疊加顯示和統(tǒng)計(jì)。系統(tǒng)可顯示水庫蒸發(fā)量信息，輔助計(jì)算當(dāng)前水庫的庫容變化情況。

2.4 水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)

鐵崗、石巖水庫共布置 4 個(gè)水質(zhì)站點(diǎn)，具體作用如下：1）有效監(jiān)測水庫周邊污染源對水庫水質(zhì)的影響，為分析水質(zhì)變化，進(jìn)行水務(wù)管理決策提供了科學(xué)依據(jù)；2）指導(dǎo)截污工程運(yùn)行的需要，通過水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)儀表自動檢測，若水庫入水口發(fā)現(xiàn)水質(zhì)未達(dá)標(biāo)，就采取截污方式把污水抽進(jìn)市政管網(wǎng)。

2.5 大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)

鐵崗水庫主壩設(shè)置測壓管 30 支（其中壩體 15 支，壩基 15 支），測壓管內(nèi)安裝滲壓計(jì)。壩后設(shè)量水堰 1 個(gè)，安裝量水堰儀；石巖大壩安全監(jiān)測包括石巖水庫大壩滲壓、滲流量、環(huán)境監(jiān)測。石巖大壩為土石壩，壩長 580 m，在石巖主壩上布設(shè)了 7 個(gè)測壓斷面，每個(gè)斷面 4 個(gè)測壓管，共監(jiān)測 28 個(gè)點(diǎn)。

全部傳感器接入自動化監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)由信息采集主機(jī)和若干臺 MCU-1/2M 型測控裝置構(gòu)成數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中央節(jié)點(diǎn)為信息采集主機(jī)，其主要功能是對數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理。大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)在運(yùn)行期監(jiān)測大壩在不同荷載條件下運(yùn)行性態(tài)及其變化。

3 高級應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)

水庫應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)最終目就是為防汛抗旱、水資源合理配置、水環(huán)境管理、水土保持等決策提供科學(xué)及準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。根據(jù)水務(wù)工作實(shí)際情況，水務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)主要包括：預(yù)報(bào)、水資源管理支持、優(yōu)化調(diào)度等系統(tǒng)。

3.1 水資源管理支持系統(tǒng)

圖3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)集成方案

水資源管理支持子系統(tǒng)主要任務(wù)是支持水資源管理日常業(yè)務(wù)工作和政務(wù)管理工作，包括對水資源評價(jià)利用、規(guī)劃、取水許可、用水情況、水質(zhì)監(jiān)測、水量分配方案、水資源保護(hù)、節(jié)約用水和計(jì)劃用水、水資源工程規(guī)劃與建設(shè)等管理工作提供輔助支持。

3.2 預(yù)報(bào)系統(tǒng)

水務(wù)預(yù)報(bào)系統(tǒng)主要包括：洪水、水量、水質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)是防汛調(diào)度的基礎(chǔ)，由于受到城市化進(jìn)程的影響，下墊面條件或氣候條件因受人類活動影響發(fā)生了改變，因此常規(guī)的水文預(yù)報(bào)方法對城市水庫水文預(yù)報(bào)效果很不理想。分布式水文模型把具有時(shí)空分布特征的水文參數(shù)和變量作為模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)，能改善城市水庫水文預(yù)報(bào)[2]，下一步鐵崗、石巖水庫可利用氣象局電暴雨預(yù)警系統(tǒng)，利用閃電數(shù)據(jù)及氣象雷達(dá)數(shù)據(jù)，結(jié)合分布式洪水預(yù)報(bào)模型，建設(shè)水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)，可以比較準(zhǔn)確地預(yù)測降雨的強(qiáng)度，并且進(jìn)一步得出洪峰到達(dá)的時(shí)間和流量，從而延長洪水的預(yù)見期。

水量預(yù)報(bào)系統(tǒng)對于優(yōu)化調(diào)度具有重要意義，目前在降水預(yù)報(bào)及徑流的長、中、短期預(yù)報(bào)方面，國內(nèi)外已經(jīng)做了大量的工作，取得的大量成果已被應(yīng)用到業(yè)務(wù)系統(tǒng)中提高水庫的利用效率。建設(shè)水量預(yù)報(bào)系統(tǒng)是即將開展水資源綜合管理和優(yōu)化調(diào)度的基礎(chǔ)。

水質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，不但可預(yù)測水質(zhì)的變化，也可為水環(huán)境的決策提供科學(xué)依據(jù)，目前鐵崗、石巖水庫已經(jīng)建設(shè)了供水水質(zhì)在線系統(tǒng)，水質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)可結(jié)合地理信息系統(tǒng)理論構(gòu)建水質(zhì)綜合模型，考慮污染物的遷移和生態(tài)轉(zhuǎn)化工程，實(shí)現(xiàn)污染物遷移擴(kuò)散的常規(guī)預(yù)報(bào)、水華的預(yù)警預(yù)報(bào)及突發(fā)污染事件的模擬。

3.3 調(diào)度決策支持系統(tǒng)

調(diào)度決策支持系統(tǒng)主要包括三防決策支持和水源調(diào)度決策系統(tǒng)，目前已經(jīng)鐵崗、石巖水庫已建設(shè)了比較完善的專題空間數(shù)據(jù)庫，具備建設(shè)三防指揮決策支持的條件，正在研制的洪水調(diào)度仿真模型研究開發(fā)完成后，可改變很難在實(shí)時(shí)變動環(huán)境中做出合理可行、易于實(shí)施調(diào)度決策的現(xiàn)狀。

水庫優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)是根據(jù)鐵崗、石巖水庫的實(shí)際情況，在對水庫供水對象需水狀況及入庫徑流進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)用多種模型進(jìn)行水庫優(yōu)化調(diào)度，并根據(jù)水庫長系列興利調(diào)度的結(jié)果建立水庫調(diào)度函數(shù)以指導(dǎo)水庫運(yùn)行。各模型通過逐時(shí)段滾動控制與反饋相結(jié)合，可以增加水庫調(diào)度的效益，減少不確定性因素對調(diào)度的影響。

3.4 水庫水生態(tài)信息系統(tǒng)

水庫水生態(tài)信息系統(tǒng)將基于和諧水生態(tài)系統(tǒng)的目標(biāo)構(gòu)建健全水指標(biāo)體系，實(shí)現(xiàn)水生態(tài)信息的“全過程跟蹤”，可充當(dāng)和研究解決水生態(tài)問題的有效工具。對一般的用戶，生態(tài)信息系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)信息的查詢和檢索；對高級用戶而言，可利用模型庫信息挖掘技術(shù)為水生態(tài)治理和管理提高決策依據(jù)。

4 應(yīng)用系統(tǒng)及平臺

系統(tǒng)采用 WebGIS 技術(shù)，與水庫電子沙盤聯(lián)合運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)了基于三維場景的水文、水工、水質(zhì)、大壩安全監(jiān)測、視頻、水量信息等的定位的三維實(shí)景化查詢，用戶可通過與三維場景的交互，可對三維數(shù)字地圖上的要素進(jìn)行定位、查詢。查詢的結(jié)果以數(shù)據(jù)表格、圖表、視頻等多種形式體現(xiàn)。

5 系統(tǒng)建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)和思考

鐵崗、石巖水庫水務(wù)信息化系統(tǒng)的建設(shè)堅(jiān)持統(tǒng)一規(guī)劃，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的原則，以滿足水庫業(yè)務(wù)應(yīng)用需求為牽引，緊緊圍繞水庫工作實(shí)際，開發(fā)業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)。以能提升工作效率和效能，提高管理水平，幫助解決工作難題作為信息系統(tǒng)的最終檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)開發(fā)要注重實(shí)際應(yīng)用效果，實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)系統(tǒng)的“有用”、“能用”、“好用”。系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)如下：

1）加強(qiáng)系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)。能有效克服低水平重復(fù)建設(shè)、信息資源分散、開發(fā)利用效率低下信息資源共享不足等問題，促進(jìn)水務(wù)信息資源的共享，強(qiáng)化業(yè)務(wù)協(xié)同效應(yīng)，是實(shí)現(xiàn)深圳市高效水源綜合管理的有力保障措施。

2）強(qiáng)化水庫信息資源的整合。梳理了水庫信息資源目錄體系，制定數(shù)據(jù)采集規(guī)程、標(biāo)準(zhǔn)化體系與接口技術(shù)規(guī)范，建立集中存儲、共享、分發(fā)水務(wù)數(shù)據(jù)的公共數(shù)據(jù)平臺，為領(lǐng)導(dǎo)決策和業(yè)務(wù)系統(tǒng)建設(shè)提供數(shù)據(jù)支持。

3）加強(qiáng)平臺系統(tǒng)的整合。水庫綜合信息平臺是充分利用現(xiàn)有資源，整合已有系統(tǒng)進(jìn)行集成統(tǒng)一的信息平臺，充分實(shí)現(xiàn)資源和信息共享，實(shí)現(xiàn)對水利工程的安全分析評價(jià)，對洪水進(jìn)行預(yù)報(bào)，并可根據(jù)水利工程安全現(xiàn)狀、洪水預(yù)報(bào)結(jié)果和水質(zhì)水量變化動態(tài)，提出最優(yōu)化調(diào)度方案，供領(lǐng)導(dǎo)決策。實(shí)現(xiàn)平臺統(tǒng)一，有利于水庫的安全生產(chǎn)和度汛，對于提高水庫管理的工作效率，增強(qiáng)水管工作的準(zhǔn)確、科學(xué)、前瞻性具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。

4）提高采集信息系統(tǒng)的精度和代表性。水庫常用的信息采集設(shè)備有大壩安全信息、雨量、水位、流量、溫度、濕度等多類型的感知和監(jiān)測設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對涉水基礎(chǔ)信息的采集、控制問題。新型傳感器的應(yīng)用能夠提高采集信息的精度，加大和優(yōu)化傳感器的安裝密度能夠提高采集信息的代表性，促進(jìn)水資源的合理利用。

5）加強(qiáng)視頻監(jiān)控的力度及新技術(shù)的應(yīng)用

水庫視頻監(jiān)控系統(tǒng)將遠(yuǎn)程監(jiān)視及流域的整體監(jiān)控作為必備的技術(shù)要求，同時(shí)已建監(jiān)控點(diǎn)將逐步實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)改造和接入。為適合這種發(fā)展趨勢逐步出臺了相應(yīng)的配套標(biāo)準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)水利視頻監(jiān)控的標(biāo)準(zhǔn)化。從技術(shù)上講，流域監(jiān)控系統(tǒng)必然對系統(tǒng)架構(gòu)及服務(wù)器平臺提出更高的要求，作為深圳數(shù)字水務(wù)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的子單元，在建設(shè)過程中，必須要實(shí)現(xiàn)服務(wù)器分布式部署，同時(shí)解決服務(wù)器級聯(lián)、備份及互相支援等問題，提高流媒體服務(wù)器的轉(zhuǎn)發(fā)效率以滿足大流量視頻數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和分發(fā)，并確保不堵塞現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)。

6 結(jié)語

水庫信息化建設(shè)是深圳市數(shù)字水務(wù)建設(shè)的子單元，它的總體規(guī)劃、建設(shè)理念能高效的滿足數(shù)字水務(wù)建設(shè)的需要，和數(shù)字水務(wù)有機(jī)的融合，其業(yè)務(wù)的高集成和信息的高共享，減輕了水庫管理人員的工作負(fù)擔(dān)，為實(shí)現(xiàn)水庫的精細(xì)化管理提供了強(qiáng)有力的信息支持。當(dāng)然目前的鐵崗、石巖水庫水務(wù)信息化系統(tǒng)也存在一定的局限性，如高級應(yīng)用系統(tǒng)還不夠完善，高清視頻遠(yuǎn)程共享受網(wǎng)絡(luò)的帶寬限制，隨著下一步數(shù)字水務(wù)工程的建設(shè)，將得以改善。

[1]陳光勝，吉海，周其春，等. 深圳市鐵崗石巖水庫水務(wù)信息化初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R]. 深圳：深圳市水務(wù)局，2009: 7.

[2]越飛，任汝成. 水庫綜合信息平臺研究與探索[J]. 中國農(nóng)村水電及電氣化，2006 (8): 48.

[3]宋雅坪. 東北洪水預(yù)報(bào)模型的理論研制與實(shí)踐[J]. 大壩與安全，2000 (3): 28.

[4]劉云，盧少同，周亮. 網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 微型計(jì)算機(jī)，2009 (25): 129.