貴州省中小型水庫運(yùn)行管理信息化平臺(tái)研究

周正媛，龍正翔，陳 靜

（貴州省水利水電工程咨詢有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550001）

0 引言

水庫保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和國家水安全中具有不可替代的基礎(chǔ)性作用[1]，貴州省有各型水庫約2 600 余座，占全國水庫總數(shù) 2.5%，其中約 99% 為中小型水庫。貴州中小型水庫受限于建設(shè)年代、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等因素，存在管理硬件明顯不足及運(yùn)行管理水平落后問題，主要表現(xiàn)為管理技術(shù)力量不足、監(jiān)測(cè)設(shè)施不完備、分析手段不科學(xué)、無法實(shí)時(shí)預(yù)警等[2-4]，制約其社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)揮。隨著水利部提出下一步水利工作的重心從水利工程建設(shè)轉(zhuǎn)到“有針對(duì)性地固底板、補(bǔ)短板、鍛長板”上來，以及智慧水利運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、遙感、人工智能識(shí)別、5G 等先進(jìn)信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，建設(shè)中小型水庫信息化管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行信息采集自動(dòng)化、業(yè)務(wù)管理數(shù)字化、決策分析智能化，為解決中小型水庫運(yùn)行管理難題提供了解決方案，中小型水庫信息化平臺(tái)建設(shè)工作逐步在江蘇、山東、四川等地進(jìn)行，并取得一定成就[5-7]，但在貴州處于起步階段。近年來，遵義市已開發(fā)出一套適合小型水利工程運(yùn)行管理的云平臺(tái)——“水庫管家”，可實(shí)現(xiàn)水庫多種監(jiān)測(cè)信息集成與人員考勤等功能[8]。本研究立足于解決中小型水庫運(yùn)行管理痛點(diǎn)，總結(jié)已有水庫信息化平臺(tái)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，以貴州省丹寨縣吊洞水庫為試點(diǎn)，以分布式新安江模型為預(yù)報(bào)核心，著重打造三維立體監(jiān)測(cè)體系，構(gòu)建貴州省中小型水庫運(yùn)行管理平臺(tái)（以下簡稱平臺(tái)）。

1 平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 思路與架構(gòu)

平臺(tái)基于水庫已有設(shè)計(jì)和建設(shè)成果，利用物聯(lián)網(wǎng)、預(yù)報(bào)模型、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)及 GIS 技術(shù)，緊密圍繞安全監(jiān)測(cè)、防洪度汛、興利調(diào)度、應(yīng)急管理、綜合管理等運(yùn)行管理業(yè)務(wù)重點(diǎn)，打造中小型水庫信息化運(yùn)行管理體系。平臺(tái)通過運(yùn)行管理、安全和運(yùn)行保障體系提供保障環(huán)境，其總體框架自下而上可以分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集層、運(yùn)行環(huán)境及支撐平臺(tái)層、業(yè)務(wù)應(yīng)用 3 層，具體如圖 1 所示。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集層，主要包含水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（水雨情、水質(zhì)、流量）、工程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（大壩、泵站）、儀器設(shè)備輔助監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（視頻監(jiān)控、無人機(jī)），以及電力保障系統(tǒng)（輸配電、備用電源、保壩電源）等，為平臺(tái)提供數(shù)據(jù)源，是整個(gè)平臺(tái)最基礎(chǔ)的信息數(shù)據(jù)來源。

圖 1 貴州省中小型水庫運(yùn)行管理平臺(tái)總體框架

運(yùn)行環(huán)境包含工程運(yùn)行管理調(diào)度指揮及信息化管理平臺(tái)搭建所需配套的相關(guān)軟硬件環(huán)境的建設(shè)，在保障完善設(shè)備安放基礎(chǔ)設(shè)施的同時(shí)，通過對(duì)控制網(wǎng)及管理網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用的需求分析，建設(shè)通信平臺(tái)及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，允許計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信網(wǎng)之間依據(jù)不同層次和帶寬需求采用不同的接口連接；支撐平臺(tái)包括平臺(tái)綜合數(shù)據(jù)庫及軟件應(yīng)用支撐平臺(tái)，為業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)提供統(tǒng)一的支撐環(huán)境，是連接數(shù)據(jù)庫和業(yè)務(wù)應(yīng)用的橋梁，可實(shí)現(xiàn)有效共享和應(yīng)用平臺(tái)的互連互通，為應(yīng)用平臺(tái)的功能實(shí)現(xiàn)提供技術(shù)支持、多種服務(wù)及運(yùn)行環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)應(yīng)用平臺(tái)之間、應(yīng)用平臺(tái)與其他平臺(tái)之間進(jìn)行信息交換、傳輸、共享的核心。

業(yè)務(wù)應(yīng)用層是平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的最終功能，根據(jù)吊洞水庫試點(diǎn)運(yùn)行管理工作需要，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)決策（防洪、興利及指揮調(diào)度）及監(jiān)測(cè)管理（平臺(tái)監(jiān)測(cè)監(jiān)控、維修養(yǎng)護(hù)、綜合管理及移動(dòng)應(yīng)用端）等功能。

1.2 預(yù)報(bào)模型

平臺(tái)使用分布式新安江模型（Grid-Xinanjiang）作為預(yù)報(bào)平臺(tái)核心模型，該模型將各下墊面柵格分別作為一個(gè)計(jì)算單元，蒸散發(fā)計(jì)算、產(chǎn)流計(jì)算及分水源計(jì)算分別采用新安江計(jì)算原理的三層蒸散發(fā)模型、蓄滿產(chǎn)流模型及采用自由水蓄水庫結(jié)構(gòu)進(jìn)行水源劃分，再計(jì)算出每個(gè)柵格上的張力水與自由水的蓄水容量[9]，得到每一個(gè)柵格單元的產(chǎn)流量和地表、壤中、地下 3 種水源，然后根據(jù)柵格演算次序矩陣，將每一個(gè)柵格上的地表徑流、壤中流按照Muskingum 法[10]逐柵格演算至流域的出口，地下徑流則采用新安江模型中線性水庫的方法演算至流域出口。在進(jìn)行柵格演算時(shí)，如果當(dāng)前柵格的土壤含水量未達(dá)到飽和，則上游柵格的出流量首先補(bǔ)充當(dāng)前柵格的土壤含水量如果當(dāng)前柵格有河道存在，屬于河道柵格，則地表徑流、壤中流將按比例把部分流量匯入河道中。計(jì)算流程圖[11]如圖 2 所示。

分布式新安江模型能夠較好地模擬徑流結(jié)果，尤其在徑流深誤差的控制與過程擬合效果方面表現(xiàn)得較為優(yōu)秀。通過引入分布式新安江模型，平臺(tái)來水預(yù)報(bào)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn) 7 d 以內(nèi)的中短期來水預(yù)報(bào)，以此為基礎(chǔ)配合遠(yuǎn)程會(huì)商機(jī)制，可以為水庫防洪及興利調(diào)度提供依據(jù)。

1.3 平臺(tái)亮點(diǎn)

1）先進(jìn)的技術(shù)體系。平臺(tái)構(gòu)建云容器技術(shù)（Kubernetes 框架）+ 微服務(wù)邊緣計(jì)算結(jié)合的技術(shù)體系，對(duì)洪水預(yù)報(bào)計(jì)算、興利調(diào)度模型、三維模型等多重業(yè)務(wù)利用云平臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度管理，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集、預(yù)警信息發(fā)布、視圖圖像處理、泵站現(xiàn)地控制等輕業(yè)務(wù)采用微服務(wù)邊緣計(jì)算模式即可現(xiàn)地完成。技術(shù)體系的搭建確保在資源管理上既實(shí)現(xiàn)了對(duì)云計(jì)算的云存儲(chǔ)資源的自由配置、動(dòng)態(tài)遷移和快速部署，也實(shí)現(xiàn)了對(duì)簡單業(yè)務(wù)的快速反應(yīng)、及時(shí)處理。同時(shí)也為將來的多水庫聯(lián)合計(jì)算調(diào)度提供了基本的可能性。

圖 2 分布式新安江模型計(jì)算流程

信息平臺(tái)可根據(jù)運(yùn)行狀況，對(duì)組件虛擬機(jī)的資源或數(shù)量進(jìn)行自動(dòng)彈性伸縮，縱向和橫向彈性擴(kuò)展。云平臺(tái)與微服務(wù)邊緣計(jì)算技術(shù)的結(jié)合保證了平臺(tái)的高可用性、穩(wěn)定性、快速性。通過將中小型水庫基礎(chǔ)信息整理錄入后，就可利用本技術(shù)快速提供的云平臺(tái)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程動(dòng)態(tài)接入管理，對(duì)外提供持續(xù)、可靠的多用戶工程群管理業(yè)務(wù)平臺(tái)服務(wù)。

2）全面的功能覆蓋。平臺(tái)采用監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警調(diào)度控制一體化集成技術(shù)，按照水利工程防洪、供水、灌溉、發(fā)電等多目標(biāo)的管理需求、“看-知-管-用”四步的管理思路，建立運(yùn)行管理安全管控平臺(tái)，解決傳統(tǒng)模式下人工運(yùn)行管理的問題，實(shí)現(xiàn)中小型工程 365×24 h 的智能化安全運(yùn)行管理。

應(yīng)用衛(wèi)星遙感、大數(shù)據(jù)、無人機(jī)、地面監(jiān)測(cè)儀器“天-空-地”三位一體的監(jiān)測(cè)感知網(wǎng)，采集衛(wèi)星、航拍影像、視頻流、氣象雷達(dá)、雨量站降水、入庫流量、常規(guī)水質(zhì)因子、大壩安全監(jiān)測(cè)、機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)，構(gòu)建工程保護(hù)范圍、樞紐建筑、關(guān)鍵設(shè)備的全方位透徹感知體系。以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，平臺(tái)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)防洪調(diào)度、興利調(diào)度、指揮調(diào)度、維修養(yǎng)護(hù)及手機(jī)端應(yīng)用功能，以自動(dòng)化為主輔以人工會(huì)商，覆蓋水庫運(yùn)行管理的各個(gè)方面。

3）自動(dòng)化的預(yù)警體系。平臺(tái)通過人工巡查與儀器監(jiān)測(cè)的共同作用，全面捕捉各建筑物在水庫運(yùn)行期大壩工情、視頻影像、水質(zhì)信息、水雨情、泵機(jī)狀態(tài)等監(jiān)測(cè)信息動(dòng)態(tài)，自動(dòng)進(jìn)行物理量換算并加以顯示。平臺(tái)將監(jiān)測(cè)值與專家設(shè)置的閾值進(jìn)行對(duì)比，自動(dòng)預(yù)警，省去人工比對(duì)分析，保障了預(yù)警的及時(shí)性。平臺(tái)通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)分析和加工清洗，結(jié)合歷史和區(qū)域資料，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘，對(duì)可能發(fā)生的涉及洪水、樞紐建筑物及關(guān)鍵設(shè)備的安全險(xiǎn)情啟動(dòng)預(yù)警發(fā)布，通過無線、短信、廣播等多種形式通知相關(guān)責(zé)任人及受影響群體，形成高效的聯(lián)動(dòng)預(yù)警發(fā)布機(jī)制。

4）科學(xué)的預(yù)報(bào)調(diào)度體系。平臺(tái)以分布式新安江模型為核心建立洪水預(yù)報(bào)平臺(tái)，可以生成實(shí)時(shí)洪水預(yù)警和洪水預(yù)報(bào)。與傳統(tǒng)的集總式新安江模型相比較，分布式新安江模型充分考慮了降雨、張力水蓄水容量，以及自由水蓄水容量在空間分布上的不均勻性，更為客觀準(zhǔn)確，提高了產(chǎn)流計(jì)算的精度；將計(jì)算得到的各柵格產(chǎn)流量劃分為地表徑流、壤中流及地下徑流 3 種水源，再根據(jù)柵格間的匯流演算次序，利用擴(kuò)散波匯流方法依次將各種水源演算至流域出口。在模型進(jìn)行產(chǎn)匯流計(jì)算時(shí)，分布式新安江模型能夠同時(shí)考慮了柵格間的水量交換問題及河道排水網(wǎng)絡(luò)的影響，因而匯流計(jì)算精度更高。從吊洞水庫流域應(yīng)用結(jié)果來看，分布式新安江模型對(duì)于洪峰誤差、徑流深誤差、峰現(xiàn)時(shí)差和過程擬合程度等方面都控制得非常好，尤其是徑流深誤差控制比集總式新安江模型要好。比較而言，分布式新安江模型能夠得到更高的模擬精度。

以此為基礎(chǔ)，結(jié)合分析泄水建筑物的泄洪能力，平臺(tái)可以自動(dòng)生成實(shí)時(shí)閘門調(diào)度方案，也能進(jìn)行特定起調(diào)水位和閘門開度下的模擬調(diào)洪計(jì)算，提供未來 24 h 的閘門調(diào)度建議。相比原初步設(shè)計(jì)的洪水調(diào)度原則，本平臺(tái)生成的調(diào)度方案充分考慮閘門運(yùn)行實(shí)際情況，同時(shí)避開閘門振動(dòng)區(qū)間，在洪水調(diào)度中盡量在一段時(shí)間內(nèi)維持 1 個(gè)開度，避免頻繁操作閘門，最大化貼近閘門操作的實(shí)際需求。方案通過云平臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程專家組會(huì)商形成最終調(diào)度方案，最大限度保障防洪安全。

同時(shí)，平臺(tái)通過中長期來水預(yù)報(bào)，自動(dòng)生成月供水計(jì)劃，并綜合分析庫前水文站采集的入庫及閘門、泵站、生態(tài)流量計(jì)采集的出庫流量數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)調(diào)整供水計(jì)劃，滿足用水戶隨機(jī)性用水的需求。平臺(tái)結(jié)合實(shí)時(shí)庫水位、動(dòng)態(tài)供水計(jì)劃提供自動(dòng)和人工計(jì)算 2 種供水方式。平臺(tái)通過日供水調(diào)度模塊可自動(dòng)生成每天的各級(jí)泵站開機(jī)方案，提供開機(jī)臺(tái)數(shù)、運(yùn)行時(shí)長等數(shù)據(jù)，顯示泵站提水情況，便于泵站供水的科學(xué)化調(diào)度，最大限度避免棄水。最終的供水計(jì)劃可以通過云平臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程專家組會(huì)商形成最終調(diào)度方案，平臺(tái)以控制泵站運(yùn)行的方式實(shí)現(xiàn)調(diào)度方案。

2 試點(diǎn)建設(shè)情況

平臺(tái)以吊洞水庫作為試點(diǎn)建設(shè)，目前已全面建成并基本實(shí)現(xiàn)既定功能。

2.1 試點(diǎn)基本情況

吊洞水庫位于丹寨縣興仁鎮(zhèn)點(diǎn)烈村所在的河流擺泥河，屬長江流域沅江水系清水江一級(jí)支流。水庫工程主要任務(wù)以供水為主，兼顧灌溉等綜合利用，是丹寨縣城、金鐘工業(yè)供水和灌溉規(guī)劃的重要水源之一。水庫壩址以上集水面積為 119 km2，正常蓄水位為 742.0 m，相應(yīng)庫容為 2 060 萬 m3，總庫容為 2 210 萬 m3，為 Ⅲ 等中型水庫，水庫年總可供水量為 3 865 萬 m3。水庫目前主要分為水源樞紐和供水工程（含輸水管線和泵站）。樞紐主要建筑物由碾壓砼拱壩、壩頂開敞式溢洪道、左岸壩身放空底孔、右岸取水口等建筑物組成。

2.2 試點(diǎn)建設(shè)成就

平臺(tái)在吊洞水庫試點(diǎn)運(yùn)行后，通過信息化手段，可為吊洞水庫管理單位及主管部門節(jié)約大量人力、管理等成本，可減少約 70% 的水庫管理人員，并且對(duì)供水調(diào)度提供技術(shù)支撐，經(jīng)科學(xué)調(diào)度后可增加供水等直接效益。通過對(duì)水庫運(yùn)行管理各方面采集信息及預(yù)報(bào)信息的自動(dòng)分析，提前預(yù)判設(shè)備運(yùn)行狀況并對(duì)可能發(fā)生的故障提前預(yù)警，延長設(shè)備使用壽命，減少設(shè)備維修費(fèi)用；通過精細(xì)化的水量預(yù)報(bào)調(diào)度，減少棄水，增加工程綜合供水效益。將中小型水庫的管理流程智慧化，實(shí)現(xiàn)中小型水庫運(yùn)行全面管理，提升水庫管理水平。

3 結(jié)語

在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，抓住中小型水庫管理硬件明顯不足、運(yùn)行管理能力薄弱問題，通過完善水庫的全面監(jiān)測(cè)感知，研發(fā)精確洪水預(yù)報(bào)、動(dòng)態(tài)興利調(diào)度模型，建立應(yīng)急預(yù)警，規(guī)范管理制度，以吊洞水庫為試點(diǎn)，搭建貴州省中小型水庫運(yùn)行管理信息化平臺(tái)。該平臺(tái)內(nèi)置調(diào)洪核心程序，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)洪演算，提供閘門未來 24 h 調(diào)度建議；多種計(jì)算模型，提供閘門靈活調(diào)度建議；內(nèi)置興利調(diào)度核心程序，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)演算；結(jié)合中長期來水預(yù)報(bào)與水庫實(shí)時(shí)情況，提供智能決策建議。通過建設(shè)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了水庫運(yùn)行管理的安全可靠監(jiān)管、科學(xué)防洪調(diào)度、增強(qiáng)水庫效益、快速指揮調(diào)度，提升了運(yùn)行管理水平，從而補(bǔ)齊水庫安全運(yùn)行管理短板，最終實(shí)現(xiàn)中小型水庫運(yùn)行管理智能化和水量調(diào)度精細(xì)化，充分發(fā)揮社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益，在貴州省內(nèi)具有推廣價(jià)值。