数字水库系统在陆浑水库的研究与应用

张鹏旋，李建立，赵留香

（河南省陆浑水库管理局，河南洛阳471003）

0 概述

陆浑水库位于河南省嵩县境内的黄河流域伊河支流上，控制流域面积3492 km2，总库容13.2亿m3，是一座以防洪为主，结合灌溉、发电、养殖、城市供水和旅游等综合利用的大（1）型多年调节水库。水库的设计标准为：重现期1000年洪水设计，重现期10000年洪水校核。

陆浑水库于1959年12月开工，1965年8月建成。枢纽建筑物主要由大坝、输水洞、泄洪洞、灌溉洞、溢洪道及总装机容量10450 kW的水电站组成。为尽早消除工程安全隐患，发挥水库规划设计的除害兴利效益，2001年9月～2006年6月底，国家共投资1.176亿元，对陆浑水库进行了除险加固处理。

加固后的陆浑水库，工程病险隐患得到了根除，库容库貌焕然一新，并逐步走向按设计正常运行的轨道；大坝观测、闸门控制及水情测报等实现了自动化管理，真正做到了防汛决策的及时性和大坝实时监控，工程整体效益得到了更大发挥，管理设施和手段得到了彻底改善，水库管理正从粗放型逐步向科学化、现代化方向迈进。

1 数字水库概述

数字水库（digital reservoir）是原型水库的虚拟对照体，是指综合运用地理信息系统（GIS）、遥感（RS）、全球定位系统（GPS）、宽带多媒体网络及虚拟仿真技术，对水利工程设施功能机制进行动态监测管理及辅助决策的技术体系。

陆浑水库使用先进的计算机技术和信息技术，将水库的防洪调度、大坝安全管理、电站运行、泄洪闸管理、水库水质自动监测、大坝视频监视系统和信息管理建成一体化的数字集成平台，初步实现了对水库管理的各种状态和方案进行模拟、分析、研究和优化，并在可视化的条件下实现遥测、遥控，实现信息采集自动化、信息传输网络化、信息处理标准化、防洪和兴利调度科学化、水库管理规范化，基本实现了水库管理现代化。

2 数字水库系统建设进程

陆浑水库信息化建设始于上世纪80年代初，在水库除险加固建设时，又加大了水库信息化建设的投入，目前，已经建成并投入使用的自动化系统有：水库洪水预报系统、水库与电站联合优化调度系统、水库河床演变分析信息系统、闸门自动化操作系统、大坝自动化监测系统、大坝及水库闸门视频监视系统、防汛会商系统和办公自动化（OA）系统等，这些系统的应用为提高水库管理的效率与质量发挥了积极的作用。随着现代信息技术的发展，水利信息化建设面临着新的标准和要求，陆浑水库还需完善和增建库区水文自动测报系统、水库水质在线监测系统、水库水土保持监测系统和专家决策系统等。下一步，陆浑水库将利用先进的计算机和信息技术，建成一体化的数字集成平台，对上述多个系统进行无缝整合，实现数据资源共享，初步构建出“数字水库系统”的发展雏形，使水库运行信息化管理的业务逻辑关系变得更加清晰，“数字水库系统”的发展方向与思路更加明确。

3 数字水库的组成

3.1 已建成并投入运用的系统

3.1.1 陆浑水库洪水预报系统

陆浑水库洪水调度系统始建于1981年，是黄河三门峡到花园口之间最早建成的遥测系统。该系统由18个雨量站、4个中继站、1个水位站和1个中心站组成。整个系统又可分为水情自动测报系统和洪水预报系统。

（1）水情自动测报系统

陆浑水库坝址以上流域共有18个雨量观测站和栾川、潭头、东湾、下河4个水文站（均为中继站）。陆浑水库站为中心站，坝址处既有水文站又有水位站。陆浑水库上游各雨量站和水文站分布及其单元划分示意如图1所示。

图1 陆浑水库水文测站分布图及其单元划分示意图Fig.1 Distribution of hydrological stations and areas

系统建成后运行近30年，为水库及黄河防汛提供了及时、准确、可靠的水雨情信息。随着信息技术的发展，该系统又历经了2000年和2007年两次更新换代改造。

目前，该系统上游16个报汛站使用互联网和GSM两种报汛手段，通过安装SYBASE数据库系统和GSM水情信息接收系统，利用水情译电软件，建立水情信息数据库。系统改造后，水库防办可接收由黄委河南水文水资源局整合报汛站信息后集中发来的16站水情信息，可实现译电、计算机实时查询16站的时段及每日水情信息，完全放弃纸介质记录方式，并加入SYBASE水情数据库，数据库表结构符合水利部部颁标准。

（2）水库洪水预报系统

洪水预报系统软件由陆浑水库管理局委托前武汉水利电力学院开发研制，该应用软件的研制遵循了“实用、可靠、先进、统一、可扩展”的原则，做到了程序模块化、接口标准化、界面清晰友好、联接方便畅通，应用的各项技术指标和数据库表的结构及编码都符合统一的技术指标和规范，便于数据的传输和维护，符合国家防总办制定的《水库洪水调度系统设计开发规则》有关规定。

3.1.2 陆浑水库河床演变分析信息系统[1]

（1）系统的开发目标

系统按照企业级功能系统开发，运用现代信息技术和专业分析理论，构建了一套先进的信息管理与分析平台，在对水库河道水下/水上原始地理信息、过程测量数据、断面测量数据进行数字化管理的基础上，实现了面向水库河道冲淤变化、库容变化过程的可视化信息处理系统，为水库安全运行和提高管理效益提供了信息服务和决策依据。

（2）系统结构

系统的软件构架采用三层层叠式复合结构，其中：

第一层为数据管理层，包括工程基础地理信息、工程规划信息、河道测量信息、断面测量信息等空间数据集合，通过大型综合关系型数据库实行统一管理。

第二层是基于二维GIS/三维GIS系统的专业应用组件技术开发的一系列管理组件，包括地理信息管理组件、河床分析管理组件、断面分析管理组件、泥沙分析管理组件、图形显示管理组件和其它管理组件等，它也是整个系统的业务逻辑计算器，所有计算分析功能均布置在这一层，任何功能的拓展只需完善其中一个组件即可，出现故障只需对第二层进行维护。

第三层是客户层，终端用户通过启动系统中间层（第二层）的服务，完成各种专业数据的管理与计算分析工作。

为避免管理人员陷入枯燥繁琐的业务处理过程，系统设计采用了数据“叠瓦分割”和“视点交换”两项数据优化技术。整个软件系统包括12个专业功能模块，如图2所示。

图2 水库运行管理软件系统功能设计框图Fig.2 Structure of the software system for reservoir operation management

该软件系统可视化功能设计充分结合了当前尖端的3S前沿技术（遥感RS、地理信息系统GIS、全球定位系统GPS），首先通过对地形数据、遥感数据和站网信息的数字化与配备处理，基于GIS平台实现了空间信息的图形图像显示，实现了全部业务功能管理的可视化应用，降低了专业管理难度，使更多非专业人员能够从事相对复杂的管理工作。

3.1.3 水库闸门自动化监控系统

闸门自动化监控系统是指利用先进的通信、计算机网络、多媒体及自动控制技术，对水库泄洪洞和溢洪道的泄洪闸及输水洞引水闸和灌溉洞节制闸等进行自动监控，通过多媒体数据如视音频、图形图像、文本等显示泄（供）水系统各个环节的工况，如闸门的开关状态、电机的开停状态、实时流量、供水量、电源电压、电流等。系统具备如下特点：全面监测运行过程，及时发现隐患，预防事故发生；控制快捷可靠，便于实时调度；自动化控制精度高；便于优化调度，节约资源和运行成本等。

3.1.4 水库兴利和电站联合优化调度系统[2]

（1）系统概述

陆浑水库兴利和电站联合优化调度研究是在确保水库本身及下游防洪安全的基础上，分析水库水资源供给和水能出力情况，分析水库的来水、弃水及水资源的利用情况等，对水库进行科学合理的调度，从而最大限度地发挥水库的综合效益。

陆浑水库兴利与电站联合优化调度系统由系统管理、数据管理、径流预报、优化调度和系统帮助模块组成。系统在Windows平台上用Visual Ba⁃sic6.0语言，采用模块化的思路，充分考虑了水库实际运行的需要，在有入库径流和无入库径流条件下均可生成实时优化运行决策、自然年优化调度方案、水文年优化调度方案，并可对基础数据和生成数据进行管理和分析，为陆浑水库实施实时兴利优化调度提供了强有力的技术平台支撑。

（2）系统结构

程序主体分三大部分，第一部分：径流预报，提供水库实时调度的径流预报成果；第二部分：水库实时兴利优化调度，做出水库的放水决策；第三部分：水电站厂内优化调度部分，在水库提供的放水决策基础上，进行出库水量的厂内优化。系统概化图见图3。

图3 陆浑水库兴利优化调度系统概化图Fig.3 Optimized flood regulation system for Luhun Reservoir

3.1.5 水库大坝自动化监测系统

水库大坝的安全关系到人民群众生命财产安全和社会稳定。陆浑大坝现有各种观测管共80支，其中，坝身浸润线观测管15支、地下水位观测管52支、断层水位观测管8支、西坝头背水坡原冲沟处补充5支观测管。水库除险加固对80支测压管全部采用磁浮子水位仪和相应微机监测系统，并将量水堰更新为自动化观测设备，实现了大坝观测自动化。

建立大坝安全自动化监测系统，通过现场测量控制单元（MCU）预先设置的定时时间，利用传感器对水库坝体的扬压力、位移、渗压等执行定时数据采集，将采集的数据传送至控制中心，控制中心负责完成所有数据的处理，利用图形、报表或分析软件等工具对大坝安全性态做出进一步的分析处理，从而显示坝体的安全信息，并对危险信号进行声光报警。该系统能及时发现大坝安全隐患，为水库的安全运行提供有力的技术保障，不但提高大坝观测的工作效率，减轻劳动强度，而且由于实时监控，通过各观测参数的分析显示，能够充分发挥水库调蓄能力，使其在防洪和供水两方面发挥最大的效益。

3.1.6 办公自动化（OA）和防汛会商系统

办公自动化（OA）系统提供严格的工作流程跟踪、监控和统计功能，能灵活适应并快速集成不断变化的业务需求，该系统和水库洪水预报系统相结合，还可实现水库防汛会商。系统包括个人办公、公文处理、档案管理、人事管理、信息简报采编管理、会务管理、车辆管理、固定资产管理、图书资料管理、电子刊物管理、大事记管理、信息发布等模块。

3.2 需完善和增建的系统

3.2.1 库区水文自动测报系统

库区水文自动测报系统是利用遥测、遥感、现代通信技术和计算机网络技术对库区降雨量、库水位、库容、渗漏量、蒸发量等水文要素进行实时采集，实现从测站到中继、到中心站的水文要素数据自动、可靠传输，并且对接收到的数据进行智能分析处理，形成符合水文规范的结果数据、图表、报表等，特别是在汛期，系统以简洁、鲜明、直观的图像、画面和数据，充分反映正在监测的雨情、水情，实时提供和显示各类相关信息，从而为管理者提供科学、及时的决策支持。

3.2.2 水库水质在线监测系统

水质在线监测系统主要由采水系统、配水系统、分析系统、控制系统、通讯系统等组成，能够实时采集一点或多点水质的物理、化学、生物的变量参数，并通过水质智能适配器利用SMS短信服务及时将数据发送到水质监测系统上，水质监测系统将数据处理、分析后显示给用户，并存储在数据库中。水质在线监测系统将大大提高水域的水质监测、水利资源调配及生态防护工作水平，为环境管理提供可靠的数字信息，使资源保护工作能够有的放矢，提高环境保护工作的现代化程度和透明度。

3.2.3 水库水土保持监测系统

水土保持监测系统运用3S技术完成库区有关地质、地貌、植被等地理信息的采集，提供水土保持现状的准确资料和数字信息，并根据水土保持任务的需要，用GPS来细化、更新部分信息，经过分析、处理，得出相应的成果并动态预测水土流失的发展趋势，为科学制定库区水土流失防治规划、进一步搞好生态环境保护和建设提供决策依据。

4 系统的作用及社会经济效益

陆浑水库数字系统的建设使水库的防洪和兴利优化调度、大坝安全自动监测、闸门运行管理、水库水质监测、大坝和电站实时视频监控及信息管理均实现了计算机操作自动化，水库管理基本实现了现代化，大大提高了水库管理的科技含量和工作效率。

系统的运用创造了巨大的社会经济效益。陆浑水库数字化管理系统建成运用后，利用科学、准确的洪水预报数据，实现了水库汛期洪水分期控制，汛限水位由原来的315.5 m提高到317.5 m，在不改变原来防洪、兴利效益的基础上，汛期水库增加蓄水7752万m3。根据陆浑水库目前的经济指标，若单独计算各种经济效益，每年增加年发电效益118万元，增加年农业灌溉效益310万元，增加年工业供水效益2325万元，增加年城市供水效益1240万元。

2005年和2010年汛期，陆浑水库在黄河防总和省防指的领导下，正确运用新建立的水库优化调度系统，合理蓄泄，实时调整发电负荷，不仅发电量和水库汛后蓄水都达到历史最高水平，而且及时有效拦截了伊河洪水，确保了黄河下游安澜。据统计，2005年和2010年的防洪减灾效益分别达5.13亿元和13.9亿元，水库防洪减灾效益十分显著。

5 系统的应用效果

（1）数字水库系统的应用提供了实时、准确、可靠的工程数据，实现了对水库工程安全状态的实时监控和正确评估，为领导决策和充分发挥水库兴利除害效益提供了科学依据。

（2）节省大量人力、物力，提高了工作效率。数字水库系统投入应用之后，特别是大坝自动化监测系统和闸门自动化监控系统，原来需要多人同时操作，一天或半天才能完成的作业量，现在只需一个人几分钟就可完成，而且可实时自动生成数据和表格，准确度高，记录完整；水库洪水预报系统，原需几个人联合作业，最快也需45 min才能完成的洪水预报，预报精度只能达到60%，现在一个人在几分钟内就能单独完成净雨计算和调洪演算等工作，且预报精度可达80%以上。

（3）改善了水库工程管理的工作环境和工作人员的精神面貌。原来大坝监测、闸门操作等日常工作，方法原始、全靠野外手工作业，受个人影响较大，且仪器设备多，全分散在野外，工作人员往往要冒严寒、顶酷暑，有时还晚上作业，工作环境恶劣，劳动量和劳动强度大，技术含量低。数字水库系统投入应用后，一切工作皆可在室内完成，环境舒适，技术含量高，工作人员的精神面貌有了很大改观。

6 数字水库系统应用的局限性和应对措施

数字水库系统基本上都是利用遥测、遥感、现代通信技术和计算机网络技术对库区工程数据或流域内水文要素进行实时自动采集、传输，并且对接收到的数据进行智能分析处理等，系统主体大部分是电子产品，但电子产品的不稳定性及寿命短、更新快和极易受到自然和人为因素破坏等特点，使得系统正常运用具有很大的局限性：（1）系统工作环境恶劣，极易受到自然和人为破坏。如：洪水预报系统的水情自动测报系统，大部分遥测站点都处在崇山峻岭之巅，极易遭受雷击破坏；大坝自动化观测系统，由于处在野外，不便看护，极易受到人为破坏，往往五年之后稳定性就较差。（2）更新换代快，维修费用高，交通条件差，维修困难。电子产品更新换代较快，备品备件用完后，在市场上难以重新购买到，常出现竣工验收之时就是电子产品更新换代之日的尴尬局面；（3）缺乏既懂水利专业又懂电子技术的操作维修人员。

应对局限性的措施是：（1）建立长效培训机制，使更多的人尽快掌握系统操作维修技能。加强系统移交前维修操作人员的培训学习；采用多梯队形式多培养自己的操作和维修人员，让其在操作中，熟悉系统功能，并逐渐学会常见故障的排除和维修。（2）建立经常的检查维修机制。要投入一定经费、人员和车辆，对分布在野外的站点进行定期检查和随时故障维修，使系统保持良好的运行状态，避免重建轻管，建而不管，小故障不及时修而造成大面积瘫痪。（3）要加强设备看护。特别是处在崇山峻岭之巅及野外的信号采集、发射设备，应拨专门看护费，找附近责任心强的人从事专门的设备看护保养和故障检查报修工作。■

[1]张鹏旋,赵留香,田京飞，等.空间信息技术在陆浑水库防洪治河中的应用[J].人民黄河:防洪·治河版,2010，32（7）：18～20.

[2]赵留香,张鹏旋,张宏图.陆浑水库优化调度系统开发研究[J].人民黄河:水资源版,2010，32（8）:67～69.