水庫管理發(fā)展與數(shù)字化初探

楊才杰

（1.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院），浙江 杭州 310017；2.浙江省水利防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310017）

1 問題的提出

水庫是開發(fā)利用水資源，攔洪蓄水調(diào)水興利的人工湖泊，其保障水庫下游人民生命財(cái)產(chǎn)安全，發(fā)揮顯著的攔洪、調(diào)洪、蓄水、供水、發(fā)電、灌溉、航運(yùn)及生態(tài)等經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。但由于水庫建設(shè)條件的復(fù)雜性及安全隱患的多樣性，病險(xiǎn)隱患潛在易發(fā)，水庫垮壩滑坡事件時(shí)有發(fā)生，一旦失事，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，將造成非常嚴(yán)重的影響。1971 年，浙江省寧?？h洞口廟水庫壩體因滑坡而垮壩，死亡186 人，沖毀農(nóng)田55.87 hm2（838畝）[1]；1975 年，河南省“75·8”特大洪水造成62座水庫垮壩失事，下泄洪水肆虐數(shù)十個(gè)縣，奪走數(shù)以萬計(jì)的生命，沖毀京廣鐵路102 km[2]。2021 年，河南郭家咀水庫漫壩，最大漫溢水深0.5 m，威脅下游數(shù)萬人生命安全和南水北調(diào)工程安全，造成重大經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響[3]。水庫安全無小事，事關(guān)千家萬戶、國計(jì)民生，水庫管理對于水庫正常運(yùn)行，消除安全隱患，減少安全事故，確保水庫長期安全運(yùn)行關(guān)系重大。文章根據(jù)時(shí)代變遷闡述水庫管理的發(fā)展變化，并結(jié)合智慧水利建設(shè)要求探討浙江省在水庫數(shù)字化建設(shè)與管理方面的階段成果，為水庫的安全管理探索數(shù)字化方案。

2 水庫管理發(fā)展

2.1 重建輕管

20 世紀(jì)50—70 年代，受經(jīng)濟(jì)條件和技術(shù)力量限制，不少水庫“邊勘測、邊設(shè)計(jì)、邊施工”，工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低、質(zhì)量差、資料缺失，“重建設(shè)，輕管理”現(xiàn)象嚴(yán)重，病險(xiǎn)水庫問題突出。1954—1982年間發(fā)生潰壩水庫3 115 座，其中1975 年河南遭遇特大洪水，62 座大、中、小型水庫垮壩。“75·8”特大洪水后，各級政府開始高度關(guān)注水庫安全，積極開展病險(xiǎn)水庫保壩和除險(xiǎn)加固工作，水庫的工作重點(diǎn)從建設(shè)轉(zhuǎn)移到加強(qiáng)管理上。進(jìn)入20世紀(jì)80 年代，《中華人民共和國水法》、《水庫大壩安全管理?xiàng)l例》、SL551—2012《土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》、SL106—2017《水庫工程管理設(shè)計(jì)規(guī)范》、《水庫大壩安全鑒定辦法》、《水庫大壩安全評價(jià)導(dǎo)則》等相關(guān)水事法律及規(guī)范性文件陸續(xù)頒布，標(biāo)志著我國水庫管理進(jìn)入制度化、規(guī)范化的管理階段[1-4]。

2.2 建管并重

進(jìn)入21 世紀(jì)，隨著社會(huì)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，水資源供需矛盾日益突出，水庫的防洪興利作用越發(fā)重要，水庫管理進(jìn)入新階段，水庫定期進(jìn)行安全鑒定，開展大規(guī)模的除險(xiǎn)加固，預(yù)先編制防洪預(yù)案、應(yīng)急措施，自動(dòng)化、信息化等新技術(shù)、新方法廣泛應(yīng)用，人工巡查及專項(xiàng)檢查常態(tài)化，現(xiàn)場實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控，安全責(zé)任制得到更好落實(shí)，水庫安全程度不斷提高，我國水庫工程從“重建輕管”逐步向“建管并重”轉(zhuǎn)變。2019 年，水利部提出水利工作的重心將轉(zhuǎn)到“水利工程補(bǔ)短板、水利行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管”上來。2021 年，全國實(shí)施大、中型病險(xiǎn)水庫除險(xiǎn)加固129 座、小型病險(xiǎn)水庫除險(xiǎn)加固4 295 座。2022 年水利部明確提出強(qiáng)化水庫安全管理，健全水庫大壩安全責(zé)任制，建立覆蓋所有水庫的信息檔案，全面、精準(zhǔn)、動(dòng)態(tài)掌握水庫基本情況，嚴(yán)格水庫運(yùn)行監(jiān)管，統(tǒng)籌病險(xiǎn)水庫除險(xiǎn)加固與安全度汛，加快小型水庫雨水情測報(bào)和大壩安全監(jiān)測設(shè)施建設(shè)，逐庫修訂完善調(diào)度方案、應(yīng)急預(yù)案，主汛期病險(xiǎn)水庫原則上一律空庫運(yùn)行，每座水庫都必須落實(shí)安全運(yùn)行管理責(zé)任，保證責(zé)任到機(jī)構(gòu)、責(zé)任到崗、責(zé)任到人。

2.3 數(shù)字化要求

2017 年，黨的十九大提出“網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國、數(shù)字中國、智慧社會(huì)”的決策部署；2019 年，全國水利工作會(huì)議提出加快“智慧水利”建設(shè)的總體要求；2021 年，浙江省委召開全省數(shù)字化改革大會(huì)部署全面推進(jìn)數(shù)字化改革工作，浙江省水利廳積極響應(yīng)，開展第一批全省水利數(shù)字化改革試點(diǎn)項(xiàng)目。順應(yīng)新形勢新要求，水庫從傳統(tǒng)管理模式逐漸向數(shù)字化管理模式轉(zhuǎn)變，以“機(jī)器換人、數(shù)字賦能、制度重塑”為目標(biāo)，構(gòu)建以水、安全與管理為主線的水庫核心業(yè)務(wù)應(yīng)用場景，提升水庫決策與管理的科學(xué)化、精準(zhǔn)化、高效化。

3 水庫數(shù)字化建設(shè)

水庫數(shù)字化建設(shè)是長期的螺旋式上升過程，應(yīng)統(tǒng)籌現(xiàn)有技術(shù)水平、資金力量，根據(jù)緩急輕重分層次、分階段推進(jìn)，立足水庫管理規(guī)程，以數(shù)據(jù)和應(yīng)用為切入點(diǎn)，通過數(shù)字賦能和流程重塑，深挖業(yè)務(wù)管理，充分發(fā)揮水庫綜合效能。

浙江省已開展多年水庫標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)與管理，數(shù)字化建設(shè)要做好頂層設(shè)計(jì)，優(yōu)化完善水庫管理流程，不能完全拋開標(biāo)準(zhǔn)化成果做數(shù)字化，也不能局限于標(biāo)準(zhǔn)化成果做數(shù)字化，水庫數(shù)字化建設(shè)應(yīng)在水庫標(biāo)準(zhǔn)化成果基礎(chǔ)上進(jìn)行應(yīng)用場景迭代升級、綜合集成，強(qiáng)化獲取數(shù)據(jù)的能力和應(yīng)用、實(shí)用、管用、好用及擴(kuò)展升級的能力，實(shí)現(xiàn)從量變到質(zhì)變。

水庫管理離不開數(shù)據(jù)，除基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)及外部共享數(shù)據(jù)外，應(yīng)實(shí)現(xiàn)感知能力顯著提升，強(qiáng)化感知體系的全覆蓋、全要素及感知數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)采集、實(shí)時(shí)傳輸、集約存儲(chǔ)、互聯(lián)共享，以及大壩裂縫、壩坡滲水、違法入侵、非法堆占、閘門啟閉等情況的智能識(shí)別，并強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)及時(shí)、動(dòng)態(tài)、精確、可靠、唯一與共享。

業(yè)務(wù)應(yīng)用是水庫管理的重要載體，在基礎(chǔ)管理、洪水預(yù)報(bào)、安全管理、控制運(yùn)用、應(yīng)急管理和維修養(yǎng)護(hù)等已建應(yīng)用基礎(chǔ)上，搭建BIM+GIS 數(shù)字模型可視化底座，研發(fā)安全研判、實(shí)時(shí)預(yù)警、智能識(shí)別、在線體檢、水資源調(diào)度等模型，構(gòu)建以水、安全與管理為主線的水庫核心業(yè)務(wù)應(yīng)用場景，推進(jìn)水庫一體化、動(dòng)態(tài)化、智能化、可視化管理，實(shí)現(xiàn)數(shù)字賦能、制度重塑、科學(xué)決策和高質(zhì)量管理。圖1 為水庫數(shù)字化涉及的數(shù)據(jù)與應(yīng)用基本要素圖。

圖1 水庫數(shù)字化涉及的數(shù)據(jù)與應(yīng)用基本要素圖

4 水庫數(shù)字化管理

2021 年，通過水利數(shù)字化改革試點(diǎn)，高坪橋、周公宅、合溪、康門等水庫已經(jīng)初具數(shù)字化管理雛形，形成以下特色。

4.1 一體化管理

水庫現(xiàn)有信息化系統(tǒng)種類繁多、多系統(tǒng)共存，如水雨情遙測系統(tǒng)、洪水預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)、大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)、泄洪閘控制系統(tǒng)、三維安防系統(tǒng)、綜合管理信息系統(tǒng)和綜合信息數(shù)字化大屏等，由于開發(fā)單位及技術(shù)力量各異，使得系統(tǒng)相互獨(dú)立，系統(tǒng)間數(shù)據(jù)難以聯(lián)通共享，系統(tǒng)使用率低，給水庫管理帶來困擾。本次水庫數(shù)字化建設(shè)，結(jié)合水庫業(yè)務(wù)、需求、功能及信息化系統(tǒng)現(xiàn)狀，進(jìn)行梳理、再開發(fā)及融合，使水庫信息化系統(tǒng)歸一化，統(tǒng)一為一個(gè)水庫數(shù)字化管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)聯(lián)通、業(yè)務(wù)融合、綜合決策，提升水庫管理效率，推動(dòng)水庫治理體系和治理能力現(xiàn)代化，同時(shí)預(yù)留接口，支持系統(tǒng)擴(kuò)展升級。圖2 為合溪水庫“智慧合溪1.0 版”圖。

圖2 “智慧合溪1.0 版”圖

4.2 動(dòng)態(tài)化管理

水庫運(yùn)行管理中的數(shù)據(jù)主要包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、感知數(shù)據(jù)及外部共享數(shù)據(jù)等，其中外部共享數(shù)據(jù)根據(jù)水庫需要由外部共享接入?；A(chǔ)數(shù)據(jù)在工程竣工投入運(yùn)行后基本形成，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在日常管理活動(dòng)中產(chǎn)生，這2 類數(shù)據(jù)主要基于“人”在管理活動(dòng)中產(chǎn)生。水庫感知數(shù)據(jù)在工程現(xiàn)場生成，由感知體系采集，是水庫的觸覺、嗅覺和聽覺，可以及時(shí)反饋水庫安全運(yùn)行狀態(tài)及隱患動(dòng)態(tài)。浙江省水庫的雨情、水情、工情及安全等監(jiān)測設(shè)施一般由水庫管理單位負(fù)責(zé)建設(shè)管理，應(yīng)在水庫已建標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上升級改造，引進(jìn)無人機(jī)、無人船、北斗、機(jī)器視頻智能測量系統(tǒng)、時(shí)移電法、白蟻?zhàn)詣?dòng)監(jiān)測技術(shù)及視頻AI 智能識(shí)別技術(shù)等先進(jìn)信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水庫自動(dòng)巡查、表面變形自動(dòng)監(jiān)測、大壩滲流場實(shí)時(shí)監(jiān)測、白蟻?zhàn)詣?dòng)監(jiān)測及隱患智能識(shí)別，相關(guān)技術(shù)在九峰、湯浦、康門等水庫均有不同程度的應(yīng)用。水庫基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和感知數(shù)據(jù)歸集進(jìn)入水利數(shù)據(jù)倉，納入數(shù)據(jù)治理統(tǒng)一體系，實(shí)行動(dòng)態(tài)管理、互聯(lián)共享。圖3 為浙江衛(wèi)視中國藍(lán)新聞報(bào)道康門水庫應(yīng)用時(shí)移電法滲流監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場視頻截圖。

圖3 康門水庫應(yīng)用時(shí)移電法滲流監(jiān)測系統(tǒng)圖

4.3 智能化管理

利用采集數(shù)據(jù)，研究水庫業(yè)務(wù)管理智能算法，運(yùn)用信息處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)大壩安全在線研判預(yù)警、白蟻在線診斷、滲流隱患區(qū)自動(dòng)提醒、水位AI 智能識(shí)別、大壩實(shí)時(shí)體檢、水資源綜合調(diào)度等業(yè)務(wù)應(yīng)用場景，對發(fā)現(xiàn)的隱患、預(yù)警實(shí)現(xiàn)閉環(huán)管控，根據(jù)其類型、特征、嚴(yán)重程度及危害性，分級推送到水庫管理人員、水行政管理人員、水利專家，多方線上線下協(xié)同診斷、處理，快速消號。圖4 為九峰水庫大壩安全在線研判預(yù)警及處置情況展示場景圖。

圖4 九峰水庫大壩安全在線研判預(yù)警及處置情況展示場景圖

4.4 可視化管理

水庫大壩工程樞紐建筑物包括攔河壩、溢洪道、放空洞、輸水洞、電站等，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，建立高精度BIM 模型；利用無人機(jī)對庫區(qū)范圍建筑物及地形地貌進(jìn)行拍攝，運(yùn)用專業(yè)軟件處理航拍數(shù)據(jù)，建立三維傾斜攝影GIS 實(shí)景模型。采用輕量化及融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)BIM 模型與GIS 實(shí)景結(jié)合運(yùn)用，真實(shí)還原庫區(qū)、建筑物的內(nèi)外部場景，搭建水庫BIM+GIS 全三維數(shù)字仿真模型。

基于水庫BIM+GIS 全三維數(shù)字仿真模型，接入感知要素、模型計(jì)算及運(yùn)維管理等信息，將交互信息與BIM+GIS 數(shù)字模型結(jié)合展示，建立基于水庫工程BIM+GIS 數(shù)字模型的工程漫游、設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控、日常巡查、監(jiān)測信息、水文預(yù)報(bào)、預(yù)警信息、調(diào)度工況等三維展示系統(tǒng)。圖5 為BIM+GIS數(shù)字模型與監(jiān)測信息融合展示示意圖。

圖5 BIM+GIS 數(shù)字模型與監(jiān)測信息融合展示圖

5 結(jié)論

本文闡述了我國水庫管理的發(fā)展，并探討水庫管理數(shù)字化方面的一些成果，主要結(jié)論如下：

（1）水庫是防洪興利的重要水利工程，垮壩失事的后果十分嚴(yán)重，應(yīng)重視水庫的安全管理。

（2）建國初期水庫重建輕管的現(xiàn)象十分普遍，水庫垮壩事故頻發(fā)，隨著相關(guān)水事法律及規(guī)范性文件陸續(xù)頒布，水庫管理進(jìn)入制度化、規(guī)范化管理階段。進(jìn)入21 世紀(jì)，水庫的戰(zhàn)略性地位更加突顯，水庫管理進(jìn)入新階段，從“重建輕管”逐步向“建管并重”轉(zhuǎn)變。

（3）2017 年后數(shù)字化上升為國家戰(zhàn)略，順應(yīng)新形勢新要求，水庫從傳統(tǒng)管理逐漸向數(shù)字化管理需求轉(zhuǎn)變，2021 年浙江省水庫數(shù)字化經(jīng)過試點(diǎn)建設(shè)，高坪橋、周公宅、合溪、康門等水庫建立了水庫數(shù)字化雛形，立足水庫管理規(guī)程，以數(shù)據(jù)和應(yīng)用為切入點(diǎn)，應(yīng)用先進(jìn)感知技術(shù)，搭建BIM+GIS 可視化底座，研發(fā)數(shù)字賦能應(yīng)用場景，構(gòu)建以水、安全與管理為主線的核心業(yè)務(wù)場景，推進(jìn)水庫一體化、動(dòng)態(tài)化、智能化、可視化管理，實(shí)現(xiàn)水庫高質(zhì)量發(fā)展。

（4）水庫數(shù)字化建設(shè)是一個(gè)長期的螺旋式上升的過程，難以一蹴而就，應(yīng)統(tǒng)籌現(xiàn)有技術(shù)水平、資金力量及重要性、迫切性，分層次、分階段推進(jìn)，逐步實(shí)現(xiàn)全庫區(qū)的數(shù)字化、智慧化。