贵州省中小型水库运行管理信息化平台研究

周正媛，龙正翔，陈 静

（贵州省水利水电工程咨询有限责任公司，贵州 贵阳 550001）

0 引言

水库保障经济社会发展和国家水安全中具有不可替代的基础性作用[1]，贵州省有各型水库约2 600 余座，占全国水库总数 2.5%，其中约 99% 为中小型水库。贵州中小型水库受限于建设年代、经济、技术等因素，存在管理硬件明显不足及运行管理水平落后问题，主要表现为管理技术力量不足、监测设施不完备、分析手段不科学、无法实时预警等[2-4]，制约其社会效益和经济效益的发挥。随着水利部提出下一步水利工作的重心从水利工程建设转到“有针对性地固底板、补短板、锻长板”上来，以及智慧水利运用物联网、大数据、遥感、人工智能识别、5G 等先进信息技术的广泛应用，建设中小型水库信息化管理系统，实现运行信息采集自动化、业务管理数字化、决策分析智能化，为解决中小型水库运行管理难题提供了解决方案，中小型水库信息化平台建设工作逐步在江苏、山东、四川等地进行，并取得一定成就[5-7]，但在贵州处于起步阶段。近年来，遵义市已开发出一套适合小型水利工程运行管理的云平台——“水库管家”，可实现水库多种监测信息集成与人员考勤等功能[8]。本研究立足于解决中小型水库运行管理痛点，总结已有水库信息化平台建设经验，以贵州省丹寨县吊洞水库为试点，以分布式新安江模型为预报核心，着重打造三维立体监测体系，构建贵州省中小型水库运行管理平台（以下简称平台）。

1 平台设计

1.1 思路与架构

平台基于水库已有设计和建设成果，利用物联网、预报模型、移动互联网及 GIS 技术，紧密围绕安全监测、防洪度汛、兴利调度、应急管理、综合管理等运行管理业务重点，打造中小型水库信息化运行管理体系。平台通过运行管理、安全和运行保障体系提供保障环境，其总体框架自下而上可以分为基础数据采集层、运行环境及支撑平台层、业务应用 3 层，具体如图 1 所示。

基础数据采集层，主要包含水文监测系统（水雨情、水质、流量）、工程监测系统（大坝、泵站）、仪器设备辅助监测系统（视频监控、无人机），以及电力保障系统（输配电、备用电源、保坝电源）等，为平台提供数据源，是整个平台最基础的信息数据来源。

图 1 贵州省中小型水库运行管理平台总体框架

运行环境包含工程运行管理调度指挥及信息化管理平台搭建所需配套的相关软硬件环境的建设，在保障完善设备安放基础设施的同时，通过对控制网及管理网业务应用的需求分析，建设通信平台及计算机网络平台，允许计算机网络与通信网之间依据不同层次和带宽需求采用不同的接口连接；支撑平台包括平台综合数据库及软件应用支撑平台，为业务应用服务提供统一的支撑环境，是连接数据库和业务应用的桥梁，可实现有效共享和应用平台的互连互通，为应用平台的功能实现提供技术支持、多种服务及运行环境，是实现应用平台之间、应用平台与其他平台之间进行信息交换、传输、共享的核心。

业务应用层是平台实现的最终功能，根据吊洞水库试点运行管理工作需要，实现业务决策（防洪、兴利及指挥调度）及监测管理（平台监测监控、维修养护、综合管理及移动应用端）等功能。

1.2 预报模型

平台使用分布式新安江模型（Grid-Xinanjiang）作为预报平台核心模型，该模型将各下垫面栅格分别作为一个计算单元，蒸散发计算、产流计算及分水源计算分别采用新安江计算原理的三层蒸散发模型、蓄满产流模型及采用自由水蓄水库结构进行水源划分，再计算出每个栅格上的张力水与自由水的蓄水容量[9]，得到每一个栅格单元的产流量和地表、壤中、地下 3 种水源，然后根据栅格演算次序矩阵，将每一个栅格上的地表径流、壤中流按照Muskingum 法[10]逐栅格演算至流域的出口，地下径流则采用新安江模型中线性水库的方法演算至流域出口。在进行栅格演算时，如果当前栅格的土壤含水量未达到饱和，则上游栅格的出流量首先补充当前栅格的土壤含水量如果当前栅格有河道存在，属于河道栅格，则地表径流、壤中流将按比例把部分流量汇入河道中。计算流程图[11]如图 2 所示。

分布式新安江模型能够较好地模拟径流结果，尤其在径流深误差的控制与过程拟合效果方面表现得较为优秀。通过引入分布式新安江模型，平台来水预报平台可以实现 7 d 以内的中短期来水预报，以此为基础配合远程会商机制，可以为水库防洪及兴利调度提供依据。

1.3 平台亮点

1）先进的技术体系。平台构建云容器技术（Kubernetes 框架）+ 微服务边缘计算结合的技术体系，对洪水预报计算、兴利调度模型、三维模型等多重业务利用云平台进行统一调度管理，对监测数据采集、预警信息发布、视图图像处理、泵站现地控制等轻业务采用微服务边缘计算模式即可现地完成。技术体系的搭建确保在资源管理上既实现了对云计算的云存储资源的自由配置、动态迁移和快速部署，也实现了对简单业务的快速反应、及时处理。同时也为将来的多水库联合计算调度提供了基本的可能性。

图 2 分布式新安江模型计算流程

信息平台可根据运行状况，对组件虚拟机的资源或数量进行自动弹性伸缩，纵向和横向弹性扩展。云平台与微服务边缘计算技术的结合保证了平台的高可用性、稳定性、快速性。通过将中小型水库基础信息整理录入后，就可利用本技术快速提供的云平台服务，实现对工程动态接入管理，对外提供持续、可靠的多用户工程群管理业务平台服务。

2）全面的功能覆盖。平台采用监测预报预警调度控制一体化集成技术，按照水利工程防洪、供水、灌溉、发电等多目标的管理需求、“看-知-管-用”四步的管理思路，建立运行管理安全管控平台，解决传统模式下人工运行管理的问题，实现中小型工程 365×24 h 的智能化安全运行管理。

应用卫星遥感、大数据、无人机、地面监测仪器“天-空-地”三位一体的监测感知网，采集卫星、航拍影像、视频流、气象雷达、雨量站降水、入库流量、常规水质因子、大坝安全监测、机组运行状态等数据，构建工程保护范围、枢纽建筑、关键设备的全方位透彻感知体系。以实时监测数据为基础，平台进一步实现防洪调度、兴利调度、指挥调度、维修养护及手机端应用功能，以自动化为主辅以人工会商，覆盖水库运行管理的各个方面。

3）自动化的预警体系。平台通过人工巡查与仪器监测的共同作用，全面捕捉各建筑物在水库运行期大坝工情、视频影像、水质信息、水雨情、泵机状态等监测信息动态，自动进行物理量换算并加以显示。平台将监测值与专家设置的阈值进行对比，自动预警，省去人工比对分析，保障了预警的及时性。平台通过对数据进行趋势分析和加工清洗，结合历史和区域资料，对数据进行深度挖掘，对可能发生的涉及洪水、枢纽建筑物及关键设备的安全险情启动预警发布，通过无线、短信、广播等多种形式通知相关责任人及受影响群体，形成高效的联动预警发布机制。

4）科学的预报调度体系。平台以分布式新安江模型为核心建立洪水预报平台，可以生成实时洪水预警和洪水预报。与传统的集总式新安江模型相比较，分布式新安江模型充分考虑了降雨、张力水蓄水容量，以及自由水蓄水容量在空间分布上的不均匀性，更为客观准确，提高了产流计算的精度；将计算得到的各栅格产流量划分为地表径流、壤中流及地下径流 3 种水源，再根据栅格间的汇流演算次序，利用扩散波汇流方法依次将各种水源演算至流域出口。在模型进行产汇流计算时，分布式新安江模型能够同时考虑了栅格间的水量交换问题及河道排水网络的影响，因而汇流计算精度更高。从吊洞水库流域应用结果来看，分布式新安江模型对于洪峰误差、径流深误差、峰现时差和过程拟合程度等方面都控制得非常好，尤其是径流深误差控制比集总式新安江模型要好。比较而言，分布式新安江模型能够得到更高的模拟精度。

以此为基础，结合分析泄水建筑物的泄洪能力，平台可以自动生成实时闸门调度方案，也能进行特定起调水位和闸门开度下的模拟调洪计算，提供未来 24 h 的闸门调度建议。相比原初步设计的洪水调度原则，本平台生成的调度方案充分考虑闸门运行实际情况，同时避开闸门振动区间，在洪水调度中尽量在一段时间内维持 1 个开度，避免频繁操作闸门，最大化贴近闸门操作的实际需求。方案通过云平台进行远程专家组会商形成最终调度方案，最大限度保障防洪安全。

同时，平台通过中长期来水预报，自动生成月供水计划，并综合分析库前水文站采集的入库及闸门、泵站、生态流量计采集的出库流量数据，实时调整供水计划，满足用水户随机性用水的需求。平台结合实时库水位、动态供水计划提供自动和人工计算 2 种供水方式。平台通过日供水调度模块可自动生成每天的各级泵站开机方案，提供开机台数、运行时长等数据，显示泵站提水情况，便于泵站供水的科学化调度，最大限度避免弃水。最终的供水计划可以通过云平台进行远程专家组会商形成最终调度方案，平台以控制泵站运行的方式实现调度方案。

2 试点建设情况

平台以吊洞水库作为试点建设，目前已全面建成并基本实现既定功能。

2.1 试点基本情况

吊洞水库位于丹寨县兴仁镇点烈村所在的河流摆泥河，属长江流域沅江水系清水江一级支流。水库工程主要任务以供水为主，兼顾灌溉等综合利用，是丹寨县城、金钟工业供水和灌溉规划的重要水源之一。水库坝址以上集水面积为 119 km²，正常蓄水位为 742.0 m，相应库容为 2 060 万 m3，总库容为 2 210 万 m3，为 Ⅲ 等中型水库，水库年总可供水量为 3 865 万 m3。水库目前主要分为水源枢纽和供水工程（含输水管线和泵站）。枢纽主要建筑物由碾压砼拱坝、坝顶开敞式溢洪道、左岸坝身放空底孔、右岸取水口等建筑物组成。

2.2 试点建设成就

平台在吊洞水库试点运行后，通过信息化手段，可为吊洞水库管理单位及主管部门节约大量人力、管理等成本，可减少约 70% 的水库管理人员，并且对供水调度提供技术支撑，经科学调度后可增加供水等直接效益。通过对水库运行管理各方面采集信息及预报信息的自动分析，提前预判设备运行状况并对可能发生的故障提前预警，延长设备使用寿命，减少设备维修费用；通过精细化的水量预报调度，减少弃水，增加工程综合供水效益。将中小型水库的管理流程智慧化，实现中小型水库运行全面管理，提升水库管理水平。

3 结语

在总结前人研究的基础上，抓住中小型水库管理硬件明显不足、运行管理能力薄弱问题，通过完善水库的全面监测感知，研发精确洪水预报、动态兴利调度模型，建立应急预警，规范管理制度，以吊洞水库为试点，搭建贵州省中小型水库运行管理信息化平台。该平台内置调洪核心程序，实现自动调洪演算，提供闸门未来 24 h 调度建议；多种计算模型，提供闸门灵活调度建议；内置兴利调度核心程序，实现实时演算；结合中长期来水预报与水库实时情况，提供智能决策建议。通过建设平台实现了水库运行管理的安全可靠监管、科学防洪调度、增强水库效益、快速指挥调度，提升了运行管理水平，从而补齐水库安全运行管理短板，最终实现中小型水库运行管理智能化和水量调度精细化，充分发挥社会、经济、环境效益，在贵州省内具有推广价值。