新時期智慧水利建設效果及其應用研究

王燕

摘要：智慧水利是一種運用3S技術(shù)、云計算、通信網(wǎng)絡等一系列先進技術(shù)，對水利各個領(lǐng)域進行科學管理，提高水利工程建設、防汛抗旱、水資源管理效能，有效保障水利科學發(fā)展的智能化技術(shù)?；诖?，以智慧水利建設為背景，介紹智慧水利的基本概念和建設應用，詳細闡述智慧水利建設在水利各個領(lǐng)域中的具體應用，實現(xiàn)對水利行業(yè)各領(lǐng)域的精確監(jiān)測和預測分析，提高水利科學監(jiān)測、預警、分析、預測和決策能力，推動水利事業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：智慧水利??科學監(jiān)測??可持續(xù)發(fā)展??水利工程建設

中圖分類號：TV5

Research?on?the?Effect?of?Smart?Water?Conservancy?Construction?and?Its?Application?in?the?New?Era

WANG?Yan

Weicheng?District?Water?Resources?Bureau?in?Weifang，?Weifang，?Shandong?Province，261057??China

Abstract：?Smart?water?conservancy?is?an?intelligent?technology?that?applies?a?series?of?advanced?technologies?such?as?3S?technology，?cloud?computing?and?communication?networks?to?scientifically?manage?various?water?conservancy?fields?to?improve?the?efficiency?of?water?conservancy?engineering?construction，?flood?control?and?drought?relief?and?water?resource?management?and?effectively?ensure?the?scientific?development?of?water?conservancy.?Based?on?this，?with?the?background?of?smart?water?conservancy?construction，?this?paper?introduces?the?basic?concept?and?construction?application?of?smart?water?conservancy，?and?expounds?the?specific?application?of?smart?water?conservancy?construction?in?various?water?conservancy?fields?in?detail，?in?order?to?realize?the?accurate?monitoring?and?predictive?analysis?of?the?various?fields?of?the?water?conservancy?industry，?improve?the?capacity?of?the?scientific?monitoring，?early?warning，?analysis，?prediction?and?decision-making?of?water?resources，?and?promote?the?sustainable?development?of?the?water?conservancy?industry.

Key?Words：?Smart?water?conservancy;?Scientific?monitoring;?Sustainable?development;?Water?conservancy?engineering?construction

智慧水利在水利工程建設、防汛抗旱、水資源管理等方面發(fā)揮巨大作用。通過智慧水利建設，推動水利建設領(lǐng)域向數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化加速躍升，可以使水利管理的點狀管理轉(zhuǎn)變?yōu)閰f(xié)同管理、智能響應和提前研判，為提高水利治理能力提供技術(shù)驅(qū)動，為水利規(guī)劃、管理、水旱災害救援等提供科學決策依據(jù)。水利工程建設是一個復雜的過程，往往會涉及多個因素，傳統(tǒng)水利工程行業(yè)往往采用粗放的建造方式，容易出現(xiàn)資源消耗大、效率低下、成本高昂、行業(yè)信息化水平不高、安全隱患等問題。而通過水利數(shù)字化管控和智能化建造技術(shù)，將水利實際和數(shù)字模型相結(jié)合，能實時獲取過程數(shù)據(jù)信息，從而實現(xiàn)對水利行業(yè)的全面監(jiān)控，這種技術(shù)的應用可幫助管理者有效提高水利管理效能。

1?智慧水利概述

智慧水利是一種基于遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的綜合應用。通過對水利的數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡化建設，建成云為載體、互聯(lián)感知的智慧水利系統(tǒng)，實現(xiàn)人水和諧、興利除害，能夠達到水利治理自動化、智能化和管理決策一體化、科學化。數(shù)字化場景、智慧化模擬、精準化決策的智慧水利建設可以推進新階段水利高質(zhì)量發(fā)展。智慧水利主要從數(shù)字孿生流域、數(shù)字孿生水利工程、水利業(yè)務應用、網(wǎng)絡安全體系等方面進行構(gòu)建，全面覆蓋各項水利業(yè)務應用，具有預報、預警、預演、預案，推進水利高質(zhì)量發(fā)展。

1.1數(shù)字孿生流域

數(shù)字孿生流域，是以物理流域為單元，通過傾斜攝影、實景建模、BIM等多種先進的計算機技術(shù)和模擬建模技術(shù)的綜合利用，將流域?qū)嶓w與虛擬模型相結(jié)合，將虛擬映像的數(shù)字水利疊加在真實的流域水利基礎(chǔ)設施上。通過將物理流域全要素和水利有關(guān)活動進行虛實結(jié)合、孿生互動，實現(xiàn)數(shù)字化和智能化映射和模擬，虛實交互，仿真管理和運行。

1.2數(shù)字孿生水利工程

數(shù)字孿生水利工程，是通過創(chuàng)建一個虛擬模型與物理水利工程完全對應，來管理和優(yōu)化實體水利工程。主要采用云服務、物聯(lián)網(wǎng)、3S、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的整合、展示功能，通過該技術(shù)實現(xiàn)河流、水庫、閘壩、渠道等水利工程基礎(chǔ)信息的展示及數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，提供有關(guān)供水數(shù)據(jù)、防洪水利數(shù)據(jù)等信息，決策者可以更加直觀明確地進行水資源調(diào)度、防汛調(diào)度等。建立水利系統(tǒng)的數(shù)字化模型是數(shù)字孿生水利技術(shù)應用的基礎(chǔ)，數(shù)字化模型可將水利系統(tǒng)的物理過程、結(jié)構(gòu)、功能等因素進行抽象描述，通過建模軟件將其轉(zhuǎn)化為計算機可識別的形式，在計算機上對水利系統(tǒng)進行仿真實驗，在不同條件下進行模擬分析，以評估系統(tǒng)的運行狀況。傳統(tǒng)水利工程設計需要大量的試實地勘察，費時費力且成本較高。而通過數(shù)字孿生技術(shù)，可在計算機上進行虛擬設計，減少實地試驗的次數(shù)和范圍，且數(shù)字孿生技術(shù)能模擬不同場景下的水利工程運行情況對設計方案進行評估，提高設計的可行性。此外，通過數(shù)字孿生技術(shù)，可以對水利系統(tǒng)進行實時監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)潛在問題，并采取相應措施，甚至能模擬不同的操作策略，通過優(yōu)化算法提高水利系統(tǒng)的運行效率[1]。

1.3智慧水利業(yè)務系統(tǒng)及網(wǎng)絡安全體系

智慧水利業(yè)務系統(tǒng)建設總體架構(gòu)從水利業(yè)務數(shù)字化需求出發(fā)，以數(shù)據(jù)資源為核心，將水利信息化建設總體架構(gòu)分為感知層、數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡層及業(yè)務應用層，通過網(wǎng)絡這個傳輸通道，加強協(xié)同智能應用標準化運行管理，保障網(wǎng)絡安全。

2?智慧水利建設的應用設想

現(xiàn)以濰城區(qū)水利現(xiàn)狀作為實際，設想智慧水利建設應用。

2.1開展水利工程建設數(shù)字孿生應用

在濰城區(qū)現(xiàn)代水網(wǎng)建設中，依托數(shù)字孿生平臺開展數(shù)字孿生水利工程建設，例如：在河道治理或者水庫除險加固中，應用數(shù)字孿生技術(shù)。在傳統(tǒng)水利工程施工過程中，往往需要大量實地調(diào)查，再根據(jù)試驗結(jié)果多次進行優(yōu)化。而數(shù)字孿生技術(shù)可通過建立真實的數(shù)字模型，真實模擬不同條件下的水力特性和結(jié)構(gòu)行為，準確預測工程效果，減少實地試驗次數(shù)和試驗成本，提高工程施工效率。同時，由于水利工程建設涉及各種復雜的因素，如水文、水力、土力等因素，如果僅憑經(jīng)驗進行施工，可能存在安全隱患。而數(shù)字孿生技術(shù)能全面仿真分析，發(fā)現(xiàn)潛在的問題并進行優(yōu)化，從而提高工程的穩(wěn)定性。此外，在水利工程建設完成后，需要進行日常的運維管理，主要包括監(jiān)測水位、流量、水質(zhì)等指標，及時發(fā)現(xiàn)和解決問題。數(shù)字孿生技術(shù)可實時獲取水利系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)，預測潛在的異常故障，提供決策支持，優(yōu)化運維管理策略，提高水利系統(tǒng)的可持續(xù)性[2]。通過數(shù)字孿生技術(shù)，能有效縮短工程建設周期，減少設計錯誤，提高工程建設效率。在工程施工過程中可以對施工人員進行實名制信息化系統(tǒng)管理，并結(jié)合定位規(guī)范現(xiàn)場施工人員的作業(yè)行為，杜絕安全施工發(fā)生。對施工現(xiàn)場的河道和水庫的水位進行智能識別，對各類告警數(shù)據(jù)掌控精準，輔助發(fā)現(xiàn)解決問題及時準確，保障水利工程施工安全。在施工中，通過對施工過程的實際進度和計劃進度進行模擬比對，分析出施工偏差的原因，便于改進。在質(zhì)量管理中，通過智能分析和綜合研判，可以對可能存在的質(zhì)量問題進行預警提示，確保工程質(zhì)量。總之，數(shù)字孿生技術(shù)在水利工程建設中具有廣泛的應用前景，通過將實際工程與數(shù)字模型相結(jié)合，數(shù)字孿生技術(shù)能提供全面的監(jiān)控，從而提高工程建設效率。未來，我們要進一步深入研究數(shù)字孿生技術(shù)，在水利工程建設中實現(xiàn)更多的創(chuàng)新和應用[3]。

2.2?構(gòu)建濰城區(qū)一體化水利感知網(wǎng)

依托濰城區(qū)水系連通、河道治理、水庫除險加固等工程，完善河道、泵站、水庫等水利工程智慧化水平。一是擴大河庫智慧感知范圍，對大于河和小于河補充實現(xiàn)流量及水位等多要素在線監(jiān)測。柴家河水庫、劉家莊子水庫、平壽水庫和潘里水庫4座?。?）型水庫實現(xiàn)水位、視頻、安全運行狀態(tài)等多要素監(jiān)測。?二是擴大水利工程設施監(jiān)測范圍，對水庫的安全運行加強監(jiān)測，建設濰城區(qū)境內(nèi)水庫監(jiān)測預警設施，補充監(jiān)控站點，用以智慧監(jiān)測水庫位移、形變、滲漏等險情；針對柴家河水庫、劉家莊子水庫、平壽水庫和潘里水庫，實現(xiàn)衛(wèi)星遙感周期性智能監(jiān)測水情和大壩形變。針對大于河和小于河，實現(xiàn)定期無人機巡視和智能巡河。?三是提升水利管理活動的智能感知能力，依托水利部和省水利廳、市水利局的衛(wèi)星遙感信息服務平臺，加強運用衛(wèi)星遙感、AI智能攝像機、無人機等新設備新技術(shù)，豐富區(qū)域監(jiān)測手段，實現(xiàn)對水利工程險情、防汛抗旱動態(tài)、水域岸線侵占情況、水利工程施工進度、水雨情動態(tài)、水土流失動態(tài)等的全面動態(tài)感知，全面提升水利工程建設、水利工程運行、水資源管理、水環(huán)境水生態(tài)監(jiān)控、水災害預防等水利核心業(yè)務管理活動中的智能感知能力。

2.3濰城區(qū)智慧協(xié)同體系建設

在濰城區(qū)現(xiàn)有水利工程、水利設施、水利資源管理體系的基礎(chǔ)上，根據(jù)需要建立一套完整的集水利工程信息、水利管理信息、水利資源信息等功能于一體的智能系統(tǒng)。一是建設濰城區(qū)水利信息一體化平臺，充分運用新一代物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)，整合濰城區(qū)目前的防汛監(jiān)測預警系統(tǒng)等各個業(yè)務應用系統(tǒng)，建立起濰城區(qū)水利信息一體化平臺，其中包括水資源管理系統(tǒng)、供水保障系統(tǒng)、辦公信息化系統(tǒng)，并對接省、市水行政主管部門，實現(xiàn)業(yè)務數(shù)據(jù)共享，打造現(xiàn)代智慧決策系統(tǒng)，該系統(tǒng)集防洪、供水、水資源管理等多功能于一體。二是建設水土保持信息化系統(tǒng)，推進互通互聯(lián)的水土保持信息化建設，建成水土保持資源共享信息平臺，全面提升全區(qū)水土保持信息化、智慧化水平，真正實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)控的“天地一體化”預防監(jiān)督、精細化管理的“圖斑”綜合治理。三是建設用水管理系統(tǒng)，根據(jù)節(jié)水型城市的建設要求，對濰城區(qū)水平衡監(jiān)控系統(tǒng)建設完善，根據(jù)水平衡測試分析更加快捷方便地找出用水超標片區(qū)或用水戶。建立完善遠程在線監(jiān)控系統(tǒng)，實時監(jiān)控、系統(tǒng)分析供水管道內(nèi)的壓力和流量，降低管網(wǎng)漏損率，減少水資源的浪費。四是大于河、小于河數(shù)字孿生流域建設，采用“點線面”結(jié)合的方式構(gòu)建大于河、小于河數(shù)字化場景，主要建設內(nèi)容包含濰城區(qū)全流域的數(shù)字場景、大于河、小于河精細化場景和利用數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建的流域?qū)嵕叭S模型。運用虛擬化手段、建立模型，對全區(qū)流域水信息進行靜動結(jié)合的多維數(shù)據(jù)展示，輔助防汛等聯(lián)合調(diào)度指揮決策者做出決策[4]。

3?對智慧水利發(fā)展的思考及建議

3.1?智慧水利現(xiàn)狀與存在問題

一是智慧應用水平不高，全面感知能力不足。二是共享不足。在水利行業(yè)內(nèi)部及與環(huán)保、交通、國土等部門的相關(guān)數(shù)據(jù)還不能做到數(shù)據(jù)實時共享。三是智慧水利建設需要投入資金較大，很多地區(qū)由于資金投入不足，設備功能不夠完善，硬件系統(tǒng)得不到提升，影響智慧水利發(fā)展。四是對數(shù)據(jù)安全具有挑戰(zhàn)，隨著當前對保密要求的提高，對數(shù)據(jù)隔離與脫敏有了更高的要求。3.2智慧水利未來發(fā)展的思考

智慧水利在水利行業(yè)中專業(yè)、全過程的應用十分必要，其應用價值也十分突出，是推動新階段水利行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的路徑之一。要加快構(gòu)建具有預報、預警、預演、預案功能的智慧水利體系，實現(xiàn)場景數(shù)字化、模擬智慧化和決策精準化，實現(xiàn)水利行業(yè)內(nèi)外之間的互聯(lián)互通，更安全高效地處理水利信息，進行資源整合，提高水利設施遠程控制和智能化執(zhí)行能力[5]。

4?結(jié)語

綜上所述，隨著科技不斷發(fā)展和全球信息化的深度發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和水利應用為一體的智慧水利建設已經(jīng)在水利領(lǐng)域中得到廣泛應用。智慧水利的核心是水利信息化服務，通過將現(xiàn)代化的信息技術(shù)與傳統(tǒng)的水利相融合，為水利數(shù)據(jù)提供全方位的監(jiān)測、存儲、傳輸、智能分析應用的服務。水利工程數(shù)字孿生技術(shù)可以提升水利工程建設從規(guī)劃、設計、施工到運行管理維護全過程的管理水平，加快項目進度、節(jié)約成本，提升水利工程的自動化、智慧化水平。數(shù)字水利業(yè)務平臺的建設，可以為水資源管理、防汛抗旱、供水保障、業(yè)務辦理等提供更便捷的服務方式。智慧水利在實際中的應用價值點仍需繼續(xù)挖掘，智慧水利的推廣應用也將助力水利行業(yè)的快速發(fā)展。

參考文獻

[1]?余卓衡，舒德偉，白畯文，等.基于GIS+BIM的滇中引水工程數(shù)字場景構(gòu)建研究[J].水利信息化，2023（2）：34-38.

[2]?朱喬利，何成威，劉亦超.面向Cesium的數(shù)字孿生場景多源數(shù)據(jù)融合可視化研究[J].科學技術(shù)創(chuàng)新，2023（23）：43-46.

[3]?牛廣利，李天旸，楊恒玲，等.數(shù)字孿生水利工程安全智能分析預警技術(shù)研究及應用[J].長江科學院院報，2023，40（3）：181-185.

[4]?鄭安琪，SHAH?S，梁健.基于數(shù)字孿生的泵閘群自動化調(diào)度系統(tǒng)研究[J].科技創(chuàng)新與應用，2023，13（30）：128-131.

[5]?夏潤亮，李濤，余偉，等.流域數(shù)字孿生理論及其在黃河防汛中的實踐[J].中國水利，2021（20）：11-13.