山東省小型水庫安全運行系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

[摘 要]針對小型水庫安全運行的短板和問題，山東省水利勘測設(shè)計院有限公司運用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、AI等新一代數(shù)字技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)地理信息技術(shù)，搭建小型水庫安全運行管理系統(tǒng)，構(gòu)建起具有預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案功能的智慧水利體系，在實現(xiàn)雨水工情自動測報、信息綜合展示的同時，提升了全省水庫管理的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化、智能化水平，為全國小型水庫安全運行提供了極具借鑒價值的方案。

[關(guān)鍵詞]小型水庫；安全運行；智慧水利

一、實施背景

水庫是開發(fā)利用水資源和防治水災(zāi)害的重要工程措施之一，對防洪、供水、生態(tài)、發(fā)電、航運等至關(guān)重要。

數(shù)據(jù)顯示，我國現(xiàn)有水庫9.8萬多座，其中小型水庫9.4萬座，且80%以上修建于20世紀50年代至70年代。

近年來，氣候異常、極端天氣事件多發(fā)頻發(fā)，降水時空分布嚴重不均，多地雨量頻創(chuàng)紀錄。由于小型水庫調(diào)洪、蓄洪能力有限，再加上小型水庫多位于經(jīng)濟狀況相對薄弱、交通不便、生活配套不足的偏遠山區(qū)，管理人員不足、監(jiān)管手段落后，安全度汛面臨嚴峻挑戰(zhàn)。

此外，絕大多數(shù)小型水庫缺乏安全監(jiān)測設(shè)施、工程產(chǎn)權(quán)模糊、管理方法與技術(shù)落后，其信息化水平相較中大型水庫而言也普遍偏低。保障點多面廣量大的小型水庫安全運行，亟須引入數(shù)字化技術(shù)，提高小型水庫安全運行能力。

二、主要做法

山東省水利勘測設(shè)計院有限公司結(jié)合全省小型水庫運行實際，運用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、AI等新一代數(shù)字技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)地理信息技術(shù)，搭建安全運行管理系統(tǒng)，構(gòu)建起具有預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案功能的智慧水利體系，以全面提升全省小型水庫安全管理規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化、智能化水平。

（一）一個平臺，貫通上下

系統(tǒng)采用“一級建設(shè)，多級應(yīng)用”的模式，建設(shè)山東省水庫運行標(biāo)準(zhǔn)化管理平臺，滿足省、市、縣多級用戶應(yīng)用需求，實現(xiàn)資源優(yōu)化配置和高效利用。（如圖1所示）

平臺向上對接水利部全國水庫運行管理信息系統(tǒng)，實現(xiàn)基礎(chǔ)信息、運管數(shù)據(jù)的共享、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一和信息的互通，提升水庫運行管理的信息化水平，推進山東省水庫標(biāo)準(zhǔn)化管理工作，為水利部提供了全面、準(zhǔn)確的山東省水庫管理數(shù)據(jù)。

平臺向下建立標(biāo)準(zhǔn)化接口，集成山東省各市、縣以及重點水利工程信息化系統(tǒng)，為及時、準(zhǔn)確地掌握全省各水利工程運管數(shù)據(jù)提供平臺。

（二）兩個全面，管控風(fēng)險

1.實現(xiàn)水庫管理全覆蓋

實現(xiàn)全省38座大型水庫、227座中型水庫、5257座小型水庫全覆蓋管理，全面動態(tài)掌握全部水庫信息。

2.實現(xiàn)業(yè)務(wù)用戶全覆蓋

系統(tǒng)覆蓋省、市、縣三級監(jiān)管用戶和小型水庫巡查“三個責(zé)任人”，加強部門之間協(xié)調(diào)，強化各自職責(zé)，提高水庫運行管理和決策效率。

（三）三個支撐，筑牢根基

系統(tǒng)以雨水工情自動監(jiān)測、小型水庫專題圖層建設(shè)和數(shù)據(jù)治理平臺建設(shè)為基礎(chǔ)，建立系統(tǒng)數(shù)據(jù)底座，為上層業(yè)務(wù)提供支撐。

1. 雨水工情自動監(jiān)測

利用先進的自動監(jiān)測與遠程遙測技術(shù)、通信及計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，建設(shè)水庫的水雨情監(jiān)測和大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)，構(gòu)成“二位一體”的水庫安全遠程監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)庫區(qū)降雨量、水位、大壩滲壓、滲流、浸潤線的水庫自動化監(jiān)測和可視化管理。

水雨情監(jiān)測系統(tǒng)，包括雨量和水位的數(shù)據(jù)自動采集、固態(tài)存儲、數(shù)字化自動傳輸至站房，對流量信息或其他少量沒有自動采集的信息，利用標(biāo)準(zhǔn)水情編碼，通過人工置數(shù)進行數(shù)字化自動傳輸。遠程分中心系統(tǒng)，實時收集水雨情遙測站的全部數(shù)據(jù)。

小型水庫雨情信息，按年、月、日、小時為計量單位采集雨量數(shù)據(jù)，并對小型水庫日降雨量、旬月雨量、雨量極值、年月雨量等雨量信息進行分析。

小型水庫水情信息，系統(tǒng)記錄水庫水位，水庫量過程線、雨洪圖、水庫特征值等。通過安裝智能感知設(shè)備，結(jié)合水庫雨情、水庫水情情況，逐步建成小型水庫智能分析庫，對小型水庫納雨能力、抗暴雨能力、水庫入庫流量等做出預(yù)測和判斷。

水庫大壩監(jiān)測與分析系統(tǒng)，可完成對水庫大壩浸潤線數(shù)據(jù)的實時準(zhǔn)確采集，為大壩防險和調(diào)度提供可靠的依據(jù)，大大提高預(yù)見期和準(zhǔn)確性。系統(tǒng)可定時采集發(fā)送監(jiān)測點安全監(jiān)測實時數(shù)據(jù)和設(shè)備工況信息，包括滲壓、滲流、位移等數(shù)據(jù)和設(shè)備工作電壓、環(huán)境溫度數(shù)據(jù)。采集終端機MCU采用定時發(fā)送和超閾值加密測量機制，定時周期及增量閾值可根據(jù)需要進行配置，以在滿足數(shù)據(jù)密度和精度要求情況下，最大限度節(jié)約電源消耗。本地安全監(jiān)測中心還支持GPRS/SMS通訊方式，可將實時數(shù)據(jù)發(fā)送至多個遠程中心，并隨時接受遠程中心的數(shù)據(jù)召測。

2. 專題圖層建設(shè)

針對山丘區(qū)水庫，為有效管理水庫數(shù)據(jù)的時間屬性和空間屬性，對地圖進行了專題化制作。每個小型水庫制作水庫上下游水系圖、水庫控制流域邊界圖、水庫保護范圍和管理范圍邊界圖、水庫潰壩淹沒范圍圖和避險安置轉(zhuǎn)移圖。

針對平原區(qū)水庫，每個小型水庫制作水庫保護范圍和管理范圍邊界圖。

通過全省小型水庫的專題圖層的建設(shè)，實現(xiàn)以下目標(biāo)：

（1）形成統(tǒng)一的小型水庫數(shù)據(jù)資源

對小型水庫涉及的屬性及其關(guān)系進行劃分和表達。以水利管理業(yè)務(wù)為導(dǎo)向，基于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、小型水庫專題數(shù)據(jù)和地理信息數(shù)據(jù)，構(gòu)建面向全省小型水庫的時空數(shù)據(jù)模型，實現(xiàn)小型水庫數(shù)據(jù)資源在時間、空間、語義、業(yè)務(wù)等方面的一體化表達與應(yīng)用。解決多源數(shù)據(jù)針對單一業(yè)務(wù)建設(shè)而獨立分散的問題，減少數(shù)據(jù)資源重復(fù)建設(shè)，為水利數(shù)據(jù)組織方法提供解決思路。

（2）完善智慧水利“一張圖”數(shù)據(jù)框架

緊密結(jié)合智慧水利業(yè)務(wù)管理需求，以統(tǒng)一小型水庫的數(shù)據(jù)資源為基礎(chǔ)，運用面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)組織建模方法，搭建面向全省小型水庫的時空數(shù)據(jù)模型，構(gòu)建集數(shù)據(jù)內(nèi)容、時空關(guān)系、業(yè)務(wù)內(nèi)容和應(yīng)用為一體的數(shù)據(jù)框架，形成一套小型水庫的數(shù)據(jù)底版，將防御洪水、水資源管理能力從大中型水庫向小型水庫延伸，提高智慧水利精細化、智能化管理能力。

（3）形成全省小型水庫的專題圖層數(shù)據(jù)集

為了給現(xiàn)代水網(wǎng)的建設(shè)提供數(shù)據(jù)儲備，公司通過小型水庫專題圖層建設(shè)，根據(jù)業(yè)務(wù)需求構(gòu)建不同業(yè)務(wù)主題，細分時間、空間、業(yè)務(wù)管理等維度，構(gòu)建多維數(shù)據(jù)立方體并實現(xiàn)可視化。為水庫管理人員提供科學(xué)合理的決策建議，提高管理工作效率、實現(xiàn)業(yè)務(wù)協(xié)同發(fā)展。

①水庫上下游水系圖

水庫上下游水系圖，能表示出與水庫有水力聯(lián)系的自然河流或者控制工程等，以及對河道水文情勢產(chǎn)生重大影響的要素及其關(guān)系。（如圖2所示）

應(yīng)用場景：通過水庫上下游水系圖可以分析出水庫與各級河道、各級控制工程的流向關(guān)系，可以分析出該水庫洪水或水資源的來源與流出方向，可以在防御洪水時作為上下游防洪控制工程聯(lián)合調(diào)度的關(guān)系依據(jù)，還可以在干旱時期作為上下游水資源調(diào)配的關(guān)系依據(jù)。

②水庫控制流域邊界圖

水庫控制流域邊界圖，能表示出周圍分水線與壩址（或閘址）斷面之間所包圍流域的范圍，即地表水的集水范圍。（如圖3所示）

應(yīng)用場景：控制流域邊界范圍圖可以提取該水庫準(zhǔn)確的匯水面積。將該圖層與降雨信息疊加可以推算出該流域內(nèi)的總降水量，同時再與流域內(nèi)的土地墑情、土質(zhì)類型、植被郁閉度、植被類型等信息疊加推算出流域內(nèi)的產(chǎn)匯流數(shù)據(jù)，可以在洪水形成前進行簡單粗判，為部署防御措施提供參考。

③水庫保護范圍和管理范圍邊界圖

水庫保護范圍和管理范圍邊界圖，能表示出水庫保護范圍和管理范圍，是水庫日常安全運行維護的范圍界限。（如圖4所示）

應(yīng)用場景：如水庫周邊出現(xiàn)新增建筑物，將建筑物與該圖層疊加，可以對新增建筑物是否侵占水庫的保護和管理范圍進行判讀，從而進一步評估新增建筑物是否會對水庫的安全運行產(chǎn)生影響。

④水庫潰壩淹沒范圍圖

水庫潰壩淹沒范圍圖，能表示潰壩洪水可能淹沒范圍，或表現(xiàn)不同量級洪水可能淹沒范圍及其差別。（如圖5所示）

應(yīng)用場景：將該圖層與下游地形圖疊加，同時結(jié)合淹沒范圍居民信息、社會經(jīng)濟信息，可以對不同量級洪水可能造成的生命財產(chǎn)損失進行預(yù)估，同時水庫潰壩淹沒范圍圖可為防洪避險安置轉(zhuǎn)移方案的科學(xué)制訂提供參考。

⑤避險安置轉(zhuǎn)移圖

避險安置轉(zhuǎn)移圖，能表示出洪水危險區(qū)、避洪單元、安置區(qū)、轉(zhuǎn)移方向或轉(zhuǎn)移路線等信息。（如圖6所示）

應(yīng)用場景：避險安置轉(zhuǎn)移圖直觀易懂，可以用于指導(dǎo)居民避洪轉(zhuǎn)移。

3. 數(shù)據(jù)治理平臺

數(shù)據(jù)治理平臺結(jié)合小型水庫業(yè)務(wù)，進行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)、共享數(shù)據(jù)的綜合治理，實現(xiàn)入湖、建模、質(zhì)檢、開發(fā)、服務(wù)等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一匯集和全生命周期安全治理。通過全流程對數(shù)據(jù)進行治理，保證數(shù)據(jù)從源頭、存儲到服務(wù)的質(zhì)量和安全，為上層數(shù)據(jù)的充分利用和數(shù)據(jù)共享服務(wù)打好基礎(chǔ)。

在數(shù)據(jù)治理與開發(fā)能力提升方面，提供了獲取中心點、字段賦值、面積計算等超過80種數(shù)據(jù)處理與分析算子，所提供時空數(shù)據(jù)質(zhì)檢算子可進行數(shù)據(jù)有效性、完整性、唯一性等超過50種質(zhì)檢算子校驗；通過分布式計算批處理、流式實時計算處理框架，利用數(shù)據(jù)緩存技術(shù)、大數(shù)據(jù)存儲與管理技術(shù)，可處理超過TB級的離線和在線計數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)的高并發(fā)、低延時的處理能力。通過數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)與融合，能夠更好地支撐各類監(jiān)測設(shè)備的預(yù)警預(yù)報。

（四）“四預(yù)”提升，數(shù)字賦能

1. 加強雨水情和工情監(jiān)測預(yù)報

建設(shè)統(tǒng)一雨水情測報和大壩安全監(jiān)測平臺，提供大壩滲壓、監(jiān)測設(shè)備工況、圖像數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)測狀態(tài)實時展示，匯總分析大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)。同時，通過大數(shù)據(jù)安全分析模型，結(jié)合自動生成監(jiān)測報告、分析成果圖和安全監(jiān)測分析報告，分析研判水庫大壩安全性態(tài)，實現(xiàn)監(jiān)測信息全面互聯(lián)互通。

2. 加強汛情險情預(yù)警

結(jié)合水庫的汛線水位等水位特征和暴雨等級劃分等依據(jù)，建立雨情、水情和工情預(yù)警指標(biāo)體系。通過雨水情、工情數(shù)據(jù)匯集及分析應(yīng)用，實現(xiàn)7×24小時監(jiān)測預(yù)警；建立預(yù)警信息直達一線人員的預(yù)警信息發(fā)布機制，通過系統(tǒng)配套的移動App，實現(xiàn)預(yù)警信息對小型水庫“三個責(zé)任人”精準(zhǔn)推送。

3. 開展水庫潰壩仿真預(yù)演

開展全省5160座小型水庫潰壩洪水分析，獲取潰壩洪水淹沒信息，繪制洪水淹沒圖。利用GIS地理空間分析應(yīng)用，將區(qū)域邊界、水庫大壩、放水洞、泄洪閘（壩）下游防洪保護對象、防汛物資、轉(zhuǎn)移安置點、轉(zhuǎn)移路線、潰壩范圍等進行動態(tài)關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)從水庫出險到人員安全轉(zhuǎn)移的仿真預(yù)演，為災(zāi)害防治、監(jiān)測預(yù)警、應(yīng)急響應(yīng)等防災(zāi)減災(zāi)工作提供信息支撐。

4. 結(jié)構(gòu)化提取調(diào)度規(guī)程和應(yīng)急預(yù)案

通過全省小型水庫調(diào)度運用方案和大壩安全管理（防汛）應(yīng)急預(yù)案結(jié)構(gòu)化提取，結(jié)合預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演等場景，提供具有針對性、可操作性的預(yù)案，提升突發(fā)事件應(yīng)對能力。

三、主要創(chuàng)新點

（一）業(yè)務(wù)場景創(chuàng)新

以水庫業(yè)務(wù)為導(dǎo)向，構(gòu)建全省小型水庫安全運行管理系統(tǒng)，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等內(nèi)容融合應(yīng)用；借助大數(shù)據(jù)知識圖譜技術(shù)，建設(shè)支撐整個小型水庫業(yè)務(wù)體系的調(diào)度規(guī)則庫和專家經(jīng)驗庫等；通過BIM與GIS模型融合，結(jié)合水動力等水文模型，構(gòu)建流域GIS系統(tǒng)和水庫樞紐BIM模型，實現(xiàn)基于BIM+GIS的孿生水庫管理。

（二）管理流程創(chuàng)新

通過數(shù)字賦能，實現(xiàn)水庫管理流程再造。為每個水庫建立一個數(shù)字檔案，對水庫注冊登記、除險加固、維修養(yǎng)護等全生命周期資料進行管理，替代傳統(tǒng)紙質(zhì)資料，實現(xiàn)水庫檔案數(shù)字化；將水庫巡查、維修養(yǎng)護等工作，通過移動App實現(xiàn)任務(wù)接收-巡查-隱患上報-隱患處理等工作環(huán)節(jié)的閉環(huán)處理，做到日常工作可查、隱患問題可追溯，為水庫安全運行提供保障。

通過小型水庫標(biāo)準(zhǔn)化管理流程和山東省水庫工程標(biāo)準(zhǔn)化管理評價標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化映射及應(yīng)用，有效指導(dǎo)水庫一線管理人員開展相關(guān)工作，降低人為因素帶來的潛在風(fēng)險。

（三）工作流程創(chuàng)新

針對山東省小型水庫潰壩洪水淹沒分析工作極為繁重等問題，公司在arcmap模型基礎(chǔ)上進行改進，基于arcpy編寫處理資料腳本，實現(xiàn)了部分工作流程自動化。

山東省擁有小型水庫5241座，日常需要梳理大量的來自各市縣上報數(shù)據(jù)，且參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)不同，工作量極大。對此，公司采用了python建立文件批量處理算法，將不同坐標(biāo)系的數(shù)據(jù)進行分類存放，通過優(yōu)化工作流程，降低地理信息專業(yè)數(shù)據(jù)處理技術(shù)門檻，節(jié)省了大量分揀、整理地理信息專業(yè)數(shù)據(jù)所需人工成本與時間，提高效率大約5倍。

（四）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范創(chuàng)新

當(dāng)前，小型水庫監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸尚無國家通信規(guī)約及行業(yè)通信規(guī)約，且存在監(jiān)測設(shè)備種類多、廠商雜、私有協(xié)議各異、統(tǒng)一接收處理困難等問題。

系統(tǒng)在《水文監(jiān)測數(shù)據(jù)通信規(guī)約》（SL651- 2014）的基礎(chǔ)上，編制了適合山東省小型水庫監(jiān)測數(shù)據(jù)通信的傳輸規(guī)約，可直接與水文及水庫大壩安全監(jiān)測等多種類型的雨水工情測報設(shè)備通信，適應(yīng)多種類型監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)一接收、統(tǒng)一存儲、統(tǒng)一入庫。

同時，結(jié)合小型水庫數(shù)據(jù)特點，制訂《數(shù)據(jù)源認證規(guī)范》《數(shù)據(jù)匯聚規(guī)范》《數(shù)據(jù)目錄結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)》等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，有效推進小型水庫數(shù)據(jù)管理規(guī)范。

四、實施效果

（一）直接效益

通過系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠及時發(fā)現(xiàn)水庫異常情況及存在的風(fēng)險，有力保障全省小型水庫全年安全運行。

針對3370座小型水庫潰壩洪水淹沒分析工作極為繁重這一難題，公司團隊通過改進arcmap模型，編寫自動化腳本優(yōu)化部分工作流程，將原先單個水庫資料處理時間從4小時壓縮到半小時以內(nèi)，該項工作總計節(jié)約時間11795小時。

（二）間接效益

小型水庫安全運行系統(tǒng)，為水庫的工程管理、調(diào)度運行、安全監(jiān)測、監(jiān)管履職等提供了全方位、多層次、多渠道的綜合服務(wù)和技術(shù)支撐，實現(xiàn)了調(diào)度決策的科學(xué)化、智能化。業(yè)務(wù)管理的信息化、現(xiàn)代化，全面提升了水庫數(shù)字化管理水平，有效提高了水源地綜合管理效能。

另外，構(gòu)建小型水庫安全運行系統(tǒng)，是公司在數(shù)字化轉(zhuǎn)型關(guān)鍵時期邁出的重要一步。系統(tǒng)的成功落地，在拓展公司經(jīng)營業(yè)務(wù)的同時，也持續(xù)推動技術(shù)創(chuàng)新不斷取得新突破。

特別是在系統(tǒng)建設(shè)過程中進行的技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用創(chuàng)新，比如結(jié)合WEBGIS、知識圖譜等技術(shù)，研發(fā)納雨能力分析模型、快速預(yù)警模型等，不僅為公司水庫數(shù)字化業(yè)務(wù)板塊提供了技術(shù)支撐，還極大地提高了員工技術(shù)水平。

（三）潛在效益

系統(tǒng)上線運行后，通過對水庫運行數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的歸集和分析，能夠提前預(yù)判水庫存在風(fēng)險源，真正實現(xiàn)早發(fā)現(xiàn)、早處理，有效避免水庫垮壩等事故的發(fā)生。同時也有助于發(fā)揮水庫防洪、灌溉、供水、發(fā)電、養(yǎng)殖和改善環(huán)境等潛在效益。

五、探討

山東省小型水庫安全運行系統(tǒng)堅持“一級部署，三級應(yīng)用”的原則，全面整合現(xiàn)有資源，采用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)以及GIS等先進技術(shù)，實現(xiàn)水利工程信息的整合和共享，有效提升系統(tǒng)的高可用性和易維護性。

該系統(tǒng)是一個集安全監(jiān)測、預(yù)警預(yù)報、巡視檢查、流程管理和應(yīng)急響應(yīng)于一體的綜合管理系統(tǒng)，形成了小型水庫工程日常管理、數(shù)據(jù)自動采集、風(fēng)險研判、智能預(yù)警和問題處理的閉環(huán)，可有效提升小型水庫日常運行管理能力，提高水庫管理人員的業(yè)務(wù)水平和工作效率，徹底改變了小型水庫信息化管理技術(shù)落后的局面，為水庫安全運行及防洪調(diào)度起到了重要的支撐作用。

下一步，將結(jié)合實時監(jiān)測信息、巡查結(jié)果、水庫歷史資料等信息，建立典型水庫安全預(yù)警模型，對系統(tǒng)進行進一步完善優(yōu)化，為全國小型水庫安全運行提供極具借鑒價值的方案。

編輯/溫碧琳 統(tǒng)籌/簡單