中小型水庫數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用探討

蔣志彥

（永州市水利水電勘測設(shè)計(jì)院，湖南 永州 425000）

前 言

水庫是蓄水之盆，具有保糧食安全、防洪安全、供水安全、生態(tài)安全等重要功能，是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展、滿足人民群眾對美好生活需要的重要基礎(chǔ)設(shè)施。據(jù)2019年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，全國約有中小型水庫9.74 萬座?！笆晃濉币詠?，國家投入大量資金在全國范圍內(nèi)開展了病險(xiǎn)水庫除險(xiǎn)加固，大部分水庫病險(xiǎn)問題得到有效整治，使水庫綜合效益得到充分發(fā)揮。特別是“十三五”以來，在習(xí)近平總書記“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”新時(shí)代治水思路指引下，國家進(jìn)一步加大了水庫除險(xiǎn)加固投入，并對水庫信息化工程建設(shè)及運(yùn)行管理做了硬性要求，取得了明顯實(shí)效。

為推進(jìn)新時(shí)代水利改革發(fā)展，積極踐行習(xí)近平總書記“十六字”治水方針，從2019 年開始，水利部將工作重心轉(zhuǎn)到補(bǔ)齊水利工程短板、加強(qiáng)水利行業(yè)監(jiān)管等工作方面來。特別是要求補(bǔ)齊水利信息化方面的短板；強(qiáng)化了對水資源的監(jiān)管，嚴(yán)格落實(shí)節(jié)水優(yōu)先、以水定需的工作方針，對水資源進(jìn)行最嚴(yán)格的管理，在水資源的開發(fā)、利用、配置、節(jié)約、保護(hù)、調(diào)配等各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行全面全過程監(jiān)管，加強(qiáng)水文水資源監(jiān)測；加強(qiáng)以中小型水庫為重點(diǎn)的水利工程監(jiān)管，強(qiáng)化了中小型水庫調(diào)度運(yùn)用方案、應(yīng)急預(yù)案和雨水情測報(bào)等三個(gè)重點(diǎn)環(huán)節(jié)的管理。

中小型水庫在灌溉、防洪、城鄉(xiāng)供水等方面發(fā)揮了重要作用，特別是在農(nóng)業(yè)灌溉方面，有效地保障了我國糧食生產(chǎn)安全，但目前因管護(hù)資金和人力短缺等原因，對中小型水庫調(diào)度與管理不夠科學(xué)精準(zhǔn)，大部分小型水庫的水資源管理處于無序狀態(tài)，汛期為保防洪安全要求，水庫直接泄水，能泄盡泄，造成汛末很多水庫蓄水量未達(dá)正常庫容，用水高峰到達(dá)后不久水庫便見底，管理相對粗放，沒有做到精準(zhǔn)按需放水、取水。造成這種局面的主要原因是對水庫的來水量和用水量缺乏精準(zhǔn)預(yù)測，在水庫水資源的管理和調(diào)度上不夠科學(xué)、精準(zhǔn)，沒有充分利用好水庫的調(diào)蓄功能。這在2022 年特大干旱的湖南顯得十分明顯：管理科學(xué)的水庫，可大大減緩旱情發(fā)展速度和干旱對灌溉區(qū)域所造成的影響，確保農(nóng)作物的收成；管理不到位或沒有科學(xué)調(diào)度管理的水庫，在晴熱天氣持續(xù)不到一個(gè)月的時(shí)間水庫就見底，農(nóng)作物絕收，關(guān)鍵時(shí)候水庫的蓄水灌溉作用沒有得到充分發(fā)揮。

經(jīng)過多年的水庫除險(xiǎn)加固工程建設(shè)，切實(shí)保障了全國中小型水庫安全、可靠運(yùn)行，有效發(fā)揮了中小型水庫的灌溉、防洪等作用，成效十分明顯。近兩年以來正在建設(shè)中小型水庫的雨水情測報(bào)系統(tǒng)和大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)，并將雨水情數(shù)據(jù)接入省級水庫信息管理系統(tǒng)，但由于各縣區(qū)人員與技術(shù)力量的限制，對中小型水庫雨水情監(jiān)測數(shù)據(jù)，特別是視頻畫面、數(shù)據(jù)等無法實(shí)時(shí)通過數(shù)據(jù)預(yù)判、評估，無法科學(xué)精準(zhǔn)判斷水庫的來水量和水位上升趨勢，無法科學(xué)調(diào)度水庫水位（水量）。

因此，加強(qiáng)對中小型水庫的大壩安全管理和水資源調(diào)度與管理顯得十分重要，研究利用數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用于中小型水庫智慧管理，可以大幅提高中小型水庫大壩安全在線監(jiān)測和水庫水資源科學(xué)管理水平，可以進(jìn)一步挖掘中小型水庫的社會效益與經(jīng)濟(jì)效益，推動我國水利事業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

1 水庫數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)在國內(nèi)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

進(jìn)入“十四五”期間，為踐行習(xí)近平總書記“十六字”治水思路，水利部印發(fā)了關(guān)于智慧水利建設(shè)方面上層構(gòu)架文件[2～5]，各省也配套出臺相關(guān)配套文件[6]，規(guī)劃建設(shè)具有預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案的新時(shí)代智慧水利體系，推動我國水利事業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

我國正在全面開展數(shù)字孿生流域關(guān)鍵技術(shù)的研究，湖南省正在開展灌區(qū)數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)研究，“中小型水庫數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)研究”目前還未立項(xiàng)，未進(jìn)行系統(tǒng)的研究。根據(jù)國家和湖南省推進(jìn)智慧水利建設(shè)實(shí)施方案等相關(guān)文件要求，數(shù)字孿生技術(shù)在中小型水庫安全管理和水資源調(diào)度與管理方面的應(yīng)用是智慧水利建設(shè)不可或缺的技術(shù)，是智慧水利發(fā)展的必然趨勢，是水利行業(yè)適應(yīng)國家高質(zhì)量發(fā)展的必然要求。

利用數(shù)字孿生技術(shù)對中小型水庫進(jìn)行科學(xué)精準(zhǔn)管理，可大大提高中小型水庫調(diào)度運(yùn)行的科學(xué)性和精準(zhǔn)性，可以有效推動新時(shí)代水利事業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

2 主要研究內(nèi)容和目標(biāo)

孿生技術(shù)在中小型水庫管理中應(yīng)用是必然趨勢，它將助推我國中小型水庫水資源和水庫大壩安全生產(chǎn)管理水平的提高，使水庫的功能效益得以提升，中小型水庫的庫容有效利用率得以增加。

2.1 研究中小型水庫水資源智慧調(diào)度與管理系統(tǒng)

根據(jù)區(qū)域內(nèi)歷年水文、氣象及其預(yù)報(bào)資料和水庫歷年的運(yùn)行管理資料開發(fā)中小型水庫水文預(yù)報(bào)模型；利用當(dāng)?shù)貧v年水文、氣象及其預(yù)報(bào)、灌區(qū)農(nóng)作物的類別及分布、墑情、供水區(qū)的用水時(shí)空分布、其他骨干水源來水等數(shù)據(jù)資料開發(fā)中小型水庫的用水預(yù)報(bào)模型；根據(jù)中小型水庫的規(guī)模任務(wù)和特點(diǎn)，利用水庫水文預(yù)報(bào)和用水預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)開發(fā)水庫水資源調(diào)度管理模型。利用近、中、遠(yuǎn)期的氣象預(yù)報(bào)等數(shù)據(jù)，通過水文預(yù)報(bào)和用水預(yù)報(bào)模型分析計(jì)算水庫未來一段時(shí)間內(nèi)水庫來水量和用（需）水量；利用水庫水資源管理模型對水庫放水實(shí)施精準(zhǔn)調(diào)度，按需調(diào)整供水量，并精準(zhǔn)預(yù)測水庫水位和蓄水量的變化趨勢。在確保水庫安全運(yùn)行的前提下，這樣既能保證水庫水資源的科學(xué)合理利用、發(fā)揮水庫的最大效益，又可為中小型水庫安全運(yùn)行提供科學(xué)管理依據(jù)，確保水庫灌溉、防洪保安、供水效益最大化，確保灌區(qū)糧食生產(chǎn)安全，保障水庫安全運(yùn)行。

2.2 研究中小型水庫大壩安全自動監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，建立安全監(jiān)測模型

在中小型水庫已有雨水情測報(bào)和大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)基礎(chǔ)上，建設(shè)水庫大壩安全監(jiān)測模型，根據(jù)水庫集水區(qū)的降水量、庫水位、大壩滲流、滲壓、位移、變形等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲、分析計(jì)算和預(yù)測其數(shù)據(jù)變化的趨勢、評估大壩的安全狀態(tài)，為水庫運(yùn)行維護(hù)管理提供準(zhǔn)確、可靠的數(shù)據(jù)支撐。實(shí)時(shí)通過水庫管理平臺、手機(jī)移動APP 平臺語音、短信預(yù)警水庫的安全隱患，自動響應(yīng)相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案，為水庫的應(yīng)急管理提供科學(xué)有效的決策依據(jù)，為后續(xù)安全隱患分析、大壩除險(xiǎn)加固、維護(hù)方案提供真實(shí)可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.3 研究中小型水庫可靠的自動控水系統(tǒng)

目前中小型水庫大部分采用臥管放水，放水口基本采用木頭、拍門、閥門、閘門等控水裝置，且絕大部分是采用人工手動操作方式，管水控水設(shè)施非常原始，部分采用人工現(xiàn)場手電動操作方式。若要實(shí)時(shí)精準(zhǔn)調(diào)度好每個(gè)水庫的水資源，需要人工頻繁地操作，運(yùn)行管理工作量大，需要值守人員多，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)高，運(yùn)行管理不安全。中小型水庫現(xiàn)行傳統(tǒng)的管理模式很難做到精確管水控水，是造成中小型水庫水資源浪費(fèi)的主要原因。

研究并應(yīng)用安全可靠的自動控水系統(tǒng)，以徹底解決目前純靠人工控水的方式，是解決上述問題的有效途徑。根據(jù)水文預(yù)報(bào)模型、用水預(yù)報(bào)模型預(yù)測水庫來水、需水、庫水位等，利用水庫水資源管理模型實(shí)時(shí)對水庫放水進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)與控制，達(dá)到精準(zhǔn)按需放水，充分、高效利用水資源，發(fā)揮水庫最大的效益。

2.4 研究中小型水庫數(shù)字化可持續(xù)發(fā)展方式

全國中小型水庫近10 萬座，點(diǎn)多面廣，每年對中小型水庫的基本管護(hù)資金數(shù)額巨大，全國各地由于基本管護(hù)資金不到位，部分小型水庫管護(hù)處于失控狀態(tài)。隨著雨水情測報(bào)和大壩安全監(jiān)測設(shè)施等信息化設(shè)施的投運(yùn)，這些設(shè)施大部分是電子設(shè)備，且長期處于室外的工作環(huán)境，隨著投運(yùn)時(shí)間的增加，信息化設(shè)備需要專業(yè)技術(shù)力量的維護(hù)，需要有專門的維護(hù)資金作為保障，否則水利信息化將無法可持續(xù)發(fā)展。研究利用新能源技術(shù)解決中小型水庫信息化設(shè)施管護(hù)資金不足、管護(hù)不到位的問題，實(shí)現(xiàn)中小型數(shù)字水庫可持續(xù)發(fā)展，勢在必行。

3 主要技術(shù)路線研究與創(chuàng)新

水庫數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)主要利用新一代信息技術(shù)與水利技術(shù)的深度融合，強(qiáng)化數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)、人工智能、區(qū)塊鏈等技術(shù)在水利工程技術(shù)中的應(yīng)用，建立中小型水庫水文預(yù)報(bào)模型、用水預(yù)報(bào)模型、水庫水資源調(diào)度管理模型及水庫安全監(jiān)測模型；利用現(xiàn)代化控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)水庫的自動控水，利用新能源技術(shù)解決水庫信息化供電容量及管護(hù)資金不足、管護(hù)不到位的問題?？茖W(xué)、精準(zhǔn)預(yù)測水庫近、中、遠(yuǎn)期來水，合理調(diào)度水庫，并根據(jù)水庫可供水量進(jìn)行分析計(jì)算，實(shí)時(shí)調(diào)整水庫供水量，科學(xué)高效管理水庫水資源，確保水庫安全，主要從以下幾方面進(jìn)行創(chuàng)新：

1）科學(xué)、精準(zhǔn)預(yù)測中小型水庫近、中、遠(yuǎn)期來水量，自動對水庫進(jìn)行調(diào)洪計(jì)算并進(jìn)行調(diào)度，實(shí)時(shí)評估水庫的安全狀態(tài)。

2）科學(xué)、精準(zhǔn)預(yù)測中小型水庫供水區(qū)域近、中、長期需水量，通過實(shí)時(shí)分析計(jì)算、自動動態(tài)調(diào)整水庫供水量，確保水庫水源的高效利用，解決水庫水資源管理無序狀態(tài)。

3）建設(shè)中小型水庫安全監(jiān)測平臺，實(shí)時(shí)監(jiān)測、評估大壩的安全性態(tài)，自動提供應(yīng)急預(yù)案，并為安全隱患分析、大壩除險(xiǎn)加固、維護(hù)方案提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

4）利用新能源等技術(shù)解決數(shù)字水庫可持續(xù)發(fā)展中存在的運(yùn)行維護(hù)資金不足問題。

4 結(jié) 語

中小型水庫數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)可為智慧水利建設(shè)提供技術(shù)成果支撐。中小型水庫數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)中小型水庫的全過程智能化管理，實(shí)現(xiàn)中小型水庫科學(xué)、精準(zhǔn)蓄水、用水，確保水庫水資源的高效利用，提高我國中小型水庫的灌溉、防洪和供水效益，保障糧食生產(chǎn)安全，在應(yīng)對全球氣候變暖導(dǎo)致極端氣候頻發(fā)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響方面發(fā)揮重要作用，進(jìn)一步提高中小型水庫在國民經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展中的作用。中小型水庫數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用可破解目前我國中小型水庫管護(hù)人員不足、管護(hù)經(jīng)費(fèi)缺乏、日常管護(hù)不精準(zhǔn)、不到位等難題，可有效促進(jìn)水利基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生水利建設(shè)投入的良性循環(huán)。中小型水庫數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用可提高水庫水資源調(diào)度與管理及大壩安全運(yùn)行管理水平，增加中小型水庫的庫容有效利用率，具有明顯的社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)效益。