小型水庫數(shù)字化監(jiān)管應用設計與實現(xiàn)

田嘉皓，胡琳琳，劉 鑫，翁 敏，屠伏烽，過團挺

（杭州定川信息技術有限公司，浙江 杭州 310026）

0 引言

根據(jù)2021年《中國水利統(tǒng)計年鑒》[1]統(tǒng)計，我國現(xiàn)有水庫 9.86 萬座，其中小型水庫 9.37 萬座，占比高達 95%，對防汛減災、供水保障和農(nóng)業(yè)灌溉至關重要，然而大部分小型水庫均存在信息化水平低、監(jiān)管能力薄弱的問題，這是防汛防臺的重要隱患點，也是水利工程安全運行管理的突出短板。

2016 年浙江省全面推進全省水利工程標準化管理，共有 10 700 個水利工程納入標準化管理創(chuàng)建名錄，截至 2021 年底，10 592 個水利工程已完成創(chuàng)建，基本實現(xiàn)了標準化管理。2020 年，浙江省制定《數(shù)字水庫試點建設要點》，大力、全面地推行全省大中小型水庫的數(shù)字化改造提升，標志著全省數(shù)字水庫建設的開端。不少專家學者進行了數(shù)字水庫的相關研究：陳華等[2-3]提出小型水庫“水庫管家”服務應用模式；曾逸[4]以成都市永安小型水庫為試點，建立基于云平臺的成都市水庫安全監(jiān)測群智慧管理網(wǎng)絡；蔡宏煒等[5]對小型水庫基礎管理和監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集進行了分析，利用信息化平臺初步實現(xiàn)小型水庫日常管理、數(shù)據(jù)自動采集、風險研判、智能預警和問題處理的閉環(huán)。

各地水庫管理單位也建設了大量的水庫運行管理相關平臺，但普遍存在應用功能單一、覆蓋面窄等問題，例如：大多數(shù)平臺僅對水庫基礎信息、日常運行管理等方面進行業(yè)務數(shù)字化；少部分平臺可以實現(xiàn)對水庫防汛、安全監(jiān)測能力的初步分析研判，但大多只針對單座水庫進行管理，難以實現(xiàn)對全市或全縣區(qū)域所有水庫的線上統(tǒng)一管理和業(yè)務處理。如孫湛博等[6]提到山東省小型水庫信息化管理平臺功能簡單，且目前絕大多數(shù)的縣未建設統(tǒng)一的管理平臺，各系統(tǒng)獨立運行。此外，部分小型水庫采用傾斜攝影甚至 BIM技術對水庫進行建模，費用極高，實用性不強。

為此，汲取前人在水庫安全監(jiān)測、日常管理信息化應用方面的建設經(jīng)驗，提出在水利工程標準化的基礎上，建設小型水庫數(shù)字化監(jiān)管應用，聚焦水庫防汛管理、督查檢查、安全研判、生態(tài)轉(zhuǎn)化等關鍵業(yè)務，旨在解決當前小型水庫在安全運行方面存在的突出問題。

1 需求分析

浙江省通過推進水利工程標準化建設，有效提升了小型水庫管理水平，但距離小型水庫管理智能化仍有較大差距。本研究以水庫運行數(shù)字化監(jiān)管核心業(yè)務需求為導向，開展了安全感知、精準督查、在線研判、生態(tài)轉(zhuǎn)化等多維度需求分析，主要包括以下幾個方面：

1） 提升水庫安全感知水平需求。小型水庫存在工情感知能力不足、險情不能預警、風險不能研判等問題，需通過安全監(jiān)測設備和自動化監(jiān)測預警系統(tǒng)，以及可納雨量實時查場景，提升水庫安全智能感知水平。

2） 提升水庫精準督查水平需求。水庫存在重復、盲目督查的情況，以及人工線下督查基層負擔過大的問題，可通過構建運行管理評分體系，建設問題水庫精準查場景和督查規(guī)則，與衢州市基層治理四平臺（綜治工作、市場監(jiān)管、綜合執(zhí)法、便民服務等 4 個功能性平臺）協(xié)同實現(xiàn)水庫問題發(fā)現(xiàn)至處理閉環(huán)流程，提升問題交辦反饋效率。

3） 提升水庫在線研判水平需求。小型水庫存在應急搶險保障手段單一，過分依賴現(xiàn)場指揮、決策等問題，需通過險情會診線上查場景，滿足遠程險情診斷和應急搶險需求。

4） 充分發(fā)揮水庫生態(tài)價值需求。當前小型水庫的生態(tài)價值未能得到體現(xiàn)，周邊群眾獲得感不強，需通過“兩山指數(shù)”一鍵查場景建設，轉(zhuǎn)化水庫生態(tài)資源，發(fā)揮水庫經(jīng)濟效益。

2 應用設計

將小型水庫數(shù)字化監(jiān)管應用納入浙江省數(shù)字政府建設體系，對準“浙里安全”架構下的“自然災害風險防控在線”跑道，聚焦民生實事，以水庫作為小切口，回應群眾關注的水庫服務能力較弱、監(jiān)測預警能力不足、汛期風險難以預測等重大問題，集成整合浙江省水平臺、市級河長制平臺、縣級水利工程標準化運行管理平臺等 15 個省市縣三級平臺的現(xiàn)有數(shù)據(jù)資源，設計小型水庫數(shù)字化監(jiān)管應用，做到守牢安全底線，服務經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展。

2.1 總體設計

小型水庫數(shù)字化監(jiān)管應用按照浙江省數(shù)字化改革“四橫四縱”總體架構進行設計，“四橫”自上而下分別是業(yè)務應用、應用支撐、數(shù)據(jù)資源和基礎設施等 4 個體系，“四縱”分別是政策制度、標準規(guī)范、組織保障和網(wǎng)絡安全等 4 個體系。應用技術架構如圖1 所示，具體介紹如下：

圖1 小型水庫數(shù)字化監(jiān)管應用技術架構圖

1） 基礎設施層?；A設施層包括服務器及網(wǎng)絡、感知設施等，依托政務云提供的計算、存儲和網(wǎng)絡資源進行應用部署，并通過感知設施實現(xiàn)對水庫運行狀態(tài)的動態(tài)監(jiān)測。

小型水庫數(shù)字化監(jiān)管應用的建設需依托水庫感知監(jiān)測體系，將感知設備作為數(shù)據(jù)源，獲取雨水情監(jiān)測（包括庫水位、降雨量等監(jiān)測）、大壩安全監(jiān)測（包括表面變形、滲流壓力、滲流量等監(jiān)測）、視頻監(jiān)控（包括上游壩面及附近水域、下游壩面、輸（泄）水建筑物啟閉機房和進出口一定范圍等重要區(qū)域的監(jiān)控）等各類感知數(shù)據(jù)，支撐業(yè)務應用體系的建立和防汛研判、安全監(jiān)測、AI 智能識別等功能的實現(xiàn)。

小型水庫數(shù)字化監(jiān)管應用充分利用水庫已有的感知設備，并通過物聯(lián)網(wǎng)、4G 等手段匯聚各類感知監(jiān)測數(shù)據(jù)。在必要情況下，水庫須根據(jù) DB 33/T 2214—2019《小型水庫管理規(guī)程》[7]要求新增布設各類監(jiān)測設備，以增強感知的全面性，更好地發(fā)揮應用功能。

衢州全市 449 座小型水庫雨水情遙測覆蓋率為100%，大壩安全監(jiān)測覆蓋率為 14%，視頻監(jiān)控覆蓋率為 31%。借助本次監(jiān)管應用建設，針對楊家源、工農(nóng)兵 2 座試點水庫，對每座大壩進行 GNSS（北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)）變形監(jiān)測設施增設，布置 1 條測線、2 個變形測點及 1 個基點；進行滲流監(jiān)測布設，布置 2 個斷面，每個斷面布設 3 支測壓管。

2） 數(shù)據(jù)資源層。數(shù)據(jù)資源層通過庫表建立、數(shù)據(jù)匯聚、清洗轉(zhuǎn)換、加載入庫等步驟，實現(xiàn)監(jiān)管應用中各類數(shù)據(jù)的匯聚和存儲，包括水庫基礎、監(jiān)測、運行臺賬、運行管理、空間及綜合等數(shù)據(jù)。

3） 應用支撐層。包括核心通用組件、業(yè)務組件、模型引擎等通用服務，為業(yè)務應用提供服務支撐。

4） 業(yè)務應用層。主要包括以下 2 個應用體系：

a.監(jiān)管端。監(jiān)管端包括綜合駕駛艙與業(yè)務后臺，為水行政主管部門的管理人員提供全域水庫信息的總覽大屏，并為業(yè)務人員提供可以對所有水庫進行管理操作的業(yè)務后臺。

綜合駕駛艙通過可交互駕駛艙的形式，建設綜合看板，并打造可納雨量實時查、問題水庫精準查、險情會診線上查、“兩山指數(shù)”一鍵查 4 個小切口場景，建成全景感知、全時調(diào)控、全域協(xié)同的水庫管理場景化駕駛艙，對區(qū)域水庫的分布情況，以及雨水情、運行管理等基本信息進行統(tǒng)計展示，并實現(xiàn)風險提前研判預警、水庫督查等級分析、視頻聯(lián)動遠程應急搶險、水庫綠水指數(shù)評價等功能。

通過應用業(yè)務后臺，管理人員可查詢水庫位置分布、工程信息、感知監(jiān)測數(shù)據(jù)，進行水位、雨情、溢洪、安全監(jiān)測等分析，完成標準化運行管理、度汛檢查與AI智能巡查、水庫設備管理與運維等水庫日常管理業(yè)務，實現(xiàn)小型水庫防汛形勢、安全性態(tài)與運行狀態(tài)的實時智能研判分析。

b.服務端?；?H5 技術打造移動端 App 及公眾號等服務端，面向企業(yè)、公眾，通過移動看板的形式實現(xiàn)水庫信息查詢、消息推送、決策咨詢等功能，提高公眾、企業(yè)對水庫管理的參與感；面向水庫管理人員，根據(jù)小型水庫業(yè)務管理特色，滿足各類應用場景、移動辦公需求，實現(xiàn)水庫基礎信息隨時查、監(jiān)測信息隨時看、業(yè)務事項隨身辦等功能，同時集成展示雨水情、大壩監(jiān)測等運行信息，實時推送水庫重要預警信息等。

2.2 分項設計

1） 可納雨量實時查場景。貫通氣象局的 24 h 降雨預報，基于水庫實時水位、庫容曲線、蓄水量，構建簡明可靠的水庫安全風險研判機制，提前預報全市、各區(qū)（縣、市）及每座水庫的可納雨量，為水庫泄洪、群眾轉(zhuǎn)移等決策提供有效的數(shù)據(jù)支撐，更好地保障人民群眾的生命、財產(chǎn)安全。可納雨量實時查場景呈現(xiàn)全市水庫的雨水情形勢、納蓄能力及預警情況，界面示例如圖2 所示。

圖2 可納雨量實時查場景界面圖

2） 問題水庫精準查場景。通過督查時間、問題、頻次及公眾投訴等歷史檢查數(shù)據(jù)，結合視頻 AI、水情、雨情、變形和滲流等實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立水庫健康檔案，形成水庫體檢結論，有針對性地開展督查活動，構建水庫精準督查、重塑問題交辦和反饋等機制，提高巡查效率和質(zhì)量，減輕基層巡查壓力和督查負擔。問題水庫精準查場景呈現(xiàn)全市水庫的督查等級、健康評價、風險隱患、履職評分等狀態(tài)。

3） 險情會診線上查場景。構建水庫險情處置的遠程線上會商、指揮和決策機制，在水庫出現(xiàn)損毀或滑坡等重大險情時，同步觀看大壩、溢洪道等重點部位視頻，同時掌握水位、蓄水量、大壩變形和滲流等關鍵監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)搶險在現(xiàn)場、專家在全國、診斷在云端的協(xié)同作業(yè)，做到對病險壩第一時間搶救。險情會診線上查場景實時監(jiān)控庫區(qū)視頻畫面，可進行云臺操控，查看應急預案、防汛防臺形勢圖，開啟遠程會商，輔助搶險決策。

4）“兩山指數(shù)”一鍵查場景。充分利用監(jiān)管應用中已有或收集的水庫水質(zhì)、蓄水量、地理方位、病險壩，以及水庫配套中的道路通、電力通、通信通，及有人員、資金、制度、預案、物資、監(jiān)測設施、放空設施、管理房等“三通八有”關鍵數(shù)據(jù)，建立綠水指數(shù)評價模型，生成水庫的綠水指數(shù)。為水庫作為生態(tài)資源在“兩山銀行”進行儲蓄、抵押和經(jīng)營權競拍提供科學的數(shù)據(jù)支撐，實現(xiàn)水庫資源的“兩山轉(zhuǎn)化”。

5） 業(yè)務后臺。業(yè)務后臺包括水庫專題圖、工程概況、運行管理、多跨協(xié)同、設備管理、預警管理、維修養(yǎng)護、安全監(jiān)測、防汛管理等模塊。通過專題圖，可在地理空間上直觀掌握水庫的分布情況；通過工程概況，查詢水庫的概要信息、水位庫容、劃界確權、責任人、水庫風采等信息；通過運行管理，掌握水庫的運行管理評分，促進相關責任人更好地履職；通過多跨協(xié)同，實現(xiàn)檢查問題與基層治理四平臺的協(xié)同處理，可實時掌握處理流程；通過設備管理、預警管理、維修養(yǎng)護、安全監(jiān)測、防汛管理，滿足水庫標準化管理的需求。

小型水庫數(shù)字化監(jiān)管應用針對雨水情監(jiān)測、水庫可納雨量、安全監(jiān)測的超警戒情況，以及度汛檢查、AI 智能識別中發(fā)現(xiàn)的隱患問題，自動生成預警信息，通過“浙政釘”、系統(tǒng)推送、短信等方式發(fā)送預警信息至相應責任人。責任人收到預警提醒，進行各類隱患問題的線下處理，在監(jiān)管應用中完成處理內(nèi)容的上報反饋，形成閉環(huán)，并記錄從產(chǎn)生預警到完成處置的全過程。

6） 移動端。移動端包括預警中心、精準督查、可納雨量、基本信息、履職評分、安全鑒定、工程巡查、健康檔案、管保范圍、臺風路徑等內(nèi)容，其中：通過預警中心、精準督查、可納雨量，可查看水庫是否存在風險，針對不同的情況進行對應的操作處理；通過基本信息、履職評分、安全鑒定、工程巡查、健康檔案、管保范圍等功能，可從不同維度查看水庫信息。

3 應用實現(xiàn)

3.1 應用成效分析

1） 打造特色場景。小型水庫數(shù)字化監(jiān)管應用圍繞小型水庫的核心業(yè)務，捋清牽頭和協(xié)同等部門職責，協(xié)同衢州市氣象局、中共衢州市委政法委員會（以下簡稱政法委）、衢州市應急管理局和治水領導小組辦公室等 10 個部門，打造 4 個小切口場景，整合省、市、縣、鄉(xiāng)四級現(xiàn)有資源，打破內(nèi)外數(shù)據(jù)壁壘，構建多跨協(xié)同的水庫數(shù)字化服務和監(jiān)管體系。

2） 實現(xiàn)改革突破。主要體現(xiàn)在以下 2 個方面：

a.風險研判精準定位。聚焦水庫安全底線，實現(xiàn)覆蓋全域每座水庫的可納雨量和水庫水位超汛限、超設計的預警功能，并精準推送至水庫防汛安全“三個責任人”，為水庫提前泄洪和群眾提前轉(zhuǎn)移等決策調(diào)度提供重要支撐。

b.問題銷號閉環(huán)處置。聚焦水庫問題整改，與政法委聯(lián)合制定“一地創(chuàng)新、全省共享”項目和基層治理四平臺的事件處理規(guī)程，打通小型水庫數(shù)字化監(jiān)管應用和基層治理四平臺應用（本應用主要與綜合執(zhí)法平臺打通），實現(xiàn)省、市、縣、鄉(xiāng)四級水庫防汛檢查問題交辦直達一線，直達網(wǎng)格，直達主體，實現(xiàn)水庫各類隱患的預警觸發(fā)機制和處置流程，可實時掌握每個步驟的處理情況，包含辦理人、辦理部門、辦理意見及附件等信息，并與基層治理四平臺同步銷號，避免問題重復交辦和處理信息重復反饋，實現(xiàn)水庫問題的高效處置和閉環(huán)管理。

3） 重塑體制機制。通過 4 個小切口場景的建設，構建簡明可靠的水庫安全風險研判機制，為水庫提前泄洪和群眾提前轉(zhuǎn)移提供決策依據(jù)；構建運行管理評分體系，主要是“三通八有”、監(jiān)督檢查、實體安全、運行安全等內(nèi)容，形成一套完善的水庫運行評分體系；構建可量化的水庫安全運行評價和精準督查機制，大幅減輕基層巡查壓力和督查負擔；構建小型水庫險情處置的遠程線上會商、指揮和決策機制，保障水庫安全；構建水庫生態(tài)資源的量化評價機制，服務“兩山轉(zhuǎn)化”。

4） 全面服務用戶。小型水庫數(shù)字化監(jiān)管應用面向政府側(cè)、社會側(cè)、企業(yè)側(cè)、個人側(cè)，全面考慮用戶需求，面向不同類型用戶呈現(xiàn)不同核心業(yè)務功能重點，形成用戶全面、功能完善的水庫綜合應用。

對于政府側(cè)，可實時掌握水庫大壩安全運行狀態(tài)，以及督查問題整改反饋的處理情況；對于社會側(cè)，綜合分析水庫蓄水現(xiàn)狀、水質(zhì)、物流條件、病險狀態(tài)及監(jiān)測管理情況等關鍵數(shù)據(jù)，構建水庫綠水指數(shù)評價模型，為水庫提供重要生態(tài)資源資產(chǎn)化評價參考，服務“兩山銀行”，推動水庫生態(tài)資源的利用和轉(zhuǎn)化；對于企業(yè)側(cè)，提供水庫水位、水量等水情信息，提供水庫管理和保護等范圍線的查詢，助力招商引資；對于個人側(cè)，可查詢水庫的基礎信息，周邊游玩項目，開放公眾投訴端口。面向政府、企業(yè)、公眾，形成了全面感知、監(jiān)督管理、公眾服務一體化管理系統(tǒng)，大幅提升了水庫數(shù)字化管理水平，社會效益顯著。

3.2 效益分析

1） 經(jīng)濟效益分析。小型水庫數(shù)字化監(jiān)管應用建設從整體上提升了水利信息采集的數(shù)字化水平，實現(xiàn)了水利行業(yè)內(nèi)部及社會相關部門間的信息交換和無縫連接，有效消除了信息孤島；深度開發(fā)信息資源，實現(xiàn)了管理信息化、決策科學化，從而優(yōu)化水利系統(tǒng)整體工作，降低單項應用成本。通過應用服務建設，防汛防臺抗旱綜合能力得到了重大提升，有效提高了廣大群眾防汛減災意識和自防自救能力，以及防洪調(diào)度的針對性和有效性，在減少災害損失、確保群眾的生命安全上發(fā)揮了重要作用。

衢州市小型水庫數(shù)字化監(jiān)管應用接入全市 449 座小型水庫，囊括水位站、雨量站、安全監(jiān)測、視頻監(jiān)控、工情監(jiān)測等各類水庫監(jiān)測信息，監(jiān)測設備運行正常率達 95% 以上。在“燦都”臺風期間，監(jiān)管應用累計對 22 座次超汛限水庫、4 498 人次發(fā)送了水庫預警信息，成功使 4 000 余人和 667 hm2農(nóng)田避免受災，有效減少損失約 2 000 萬元。

2） 社會效益分析。小型水庫數(shù)字化監(jiān)管應用提供了泄洪信息的公眾傳播渠道，提升了信息覆蓋面積和傳播效率。通過現(xiàn)有多媒體數(shù)據(jù)，展示了水庫工程實景，增強了公眾對水源地的體驗感和認同感。小型水庫數(shù)字化監(jiān)管應用的建設為水庫的工程管理、調(diào)度運行、安全監(jiān)測、監(jiān)管履職等提供全方位，多層次，多渠道的綜合服務和技術支撐，并形成了全面感知、監(jiān)督管理、公眾服務一體化管理系統(tǒng)，實現(xiàn)調(diào)度決策的科學化、智能化，業(yè)務管理的信息化、現(xiàn)代化，顯著提升了水庫數(shù)字化管理水平，有效提高了水源地綜合管理效率，大大降低了水庫日常管理成本，實現(xiàn)了精準預警預報。通過細化履職清單，明確賦分標準，建立可量化的運行管理考核評價機制，實現(xiàn)水庫管理工作的精細化、規(guī)范化、數(shù)字化，能有效提升水庫安全的保護能力，保障居民飲水安全，充分發(fā)揮水庫水源地的供水、灌溉等社會效益。

3） 水利業(yè)務效益分析。截至 2022 年 6 月底，小型水庫數(shù)字化監(jiān)管應用共有用戶 356 名，共登錄 12 653 次；共建立衢州全市 449 座小型水庫健康檔案，采集了 1 224 萬余條水庫數(shù)據(jù)，接入了 328 座水位站，完成了 13 500 余次 AI 智能識別，評估了 17 座水庫的綠水指數(shù)，發(fā)送出 6 000 余條預警信息，為衢州市的水庫監(jiān)管業(yè)務提供了極大幫助。

3.3 應用推廣

小型水庫數(shù)字化監(jiān)管應用目前已在浙江省衢州市、溫嶺市、義烏市，以及湖州市吳興區(qū)進行了部署建設，尤其在“衢州市數(shù)字化改革——水庫數(shù)字化監(jiān)管應用項目”中，面向衢州全市小型水庫，實現(xiàn)全市水庫的線上數(shù)字化管理，得到業(yè)主單位的好評，提供了成功的地方應用案例。

衢州市小型水庫數(shù)字化監(jiān)管應用的首頁以駕駛艙形式，可視化呈現(xiàn)綜合看板及可納雨量實時查、問題水庫精準查、險情會診線上查、“兩山指數(shù)”一鍵查4 個小切口場景。點擊右上方“業(yè)務系統(tǒng)”可跳轉(zhuǎn)至業(yè)務后臺進行各類管理操作，可查詢水庫位置分布、工程信息、感知監(jiān)測數(shù)據(jù)，進行水位、雨情、溢洪、安全監(jiān)測等分析，完成水庫日常管理業(yè)務，業(yè)務后臺界面如圖3 所示。

圖3 衢州小型水庫數(shù)字化監(jiān)管應用業(yè)務后臺界面

小型水庫數(shù)字化監(jiān)管應用在衢州市的落地可作為參考，為全國小型水庫的數(shù)字化管理提供一定經(jīng)驗，并實現(xiàn)各個地市的復用與推廣，對我國小型水庫監(jiān)管水平的提升具有一定的推動作用。

4 結語

構建的小型水庫數(shù)字化監(jiān)管應用建立在水庫感知監(jiān)測體系之上，對水庫監(jiān)測項目、布置、頻率等均有一定要求，監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性是發(fā)揮應用功能的重要前提。我國部分小型水庫現(xiàn)有感知水平不足，無法全面獲取水庫監(jiān)測數(shù)據(jù)；部分地區(qū)水庫主管單位的協(xié)同能力不足，難以打通與基層治理四平臺的橫向協(xié)同通道，是應用建設的難點和痛點所在。

本研究提出的針對地市區(qū)域所有小型水庫建設的統(tǒng)一監(jiān)管應用，全面覆蓋水庫基礎管理、防汛管理、督查檢查、安全研判、運行管理、生態(tài)轉(zhuǎn)化等業(yè)務和關注重點，而非僅停留在基礎管理和數(shù)據(jù)采集方面，實用性更高。

通過“監(jiān)管端+服務端”的架構，面向政府側(cè)、社會側(cè)、企業(yè)側(cè)、個人側(cè)，引入信息化技術手段，旨在從防汛研判、安全監(jiān)測、運行管理、預警搶險、智慧督查、公眾服務六大核心業(yè)務方面，對傳統(tǒng)的小型水庫管理模式進行數(shù)字化改造提升，實現(xiàn)水庫防汛防臺、安全研判、運行管理、公眾服務能力的全面提升，經(jīng)濟和社會效益較高。

本研究提出的小型水庫數(shù)字化監(jiān)管應用更多地從地市整體層面對水庫進行管理，后續(xù)的深入研究可結合數(shù)字孿生技術，聚焦單座水庫的智慧化升級。