水库管理发展与数字化初探

杨才杰

（1.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋规划设计研究院），浙江 杭州 310017；2.浙江省水利防灾减灾重点实验室，浙江 杭州 310017）

1 问题的提出

水库是开发利用水资源，拦洪蓄水调水兴利的人工湖泊，其保障水库下游人民生命财产安全，发挥显著的拦洪、调洪、蓄水、供水、发电、灌溉、航运及生态等经济与社会效益。但由于水库建设条件的复杂性及安全隐患的多样性，病险隐患潜在易发，水库垮坝滑坡事件时有发生，一旦失事，带来巨大的经济损失和人员伤亡，将造成非常严重的影响。1971 年，浙江省宁海县洞口庙水库坝体因滑坡而垮坝，死亡186 人，冲毁农田55.87 hm2（838亩）[1]；1975 年，河南省“75·8”特大洪水造成62座水库垮坝失事，下泄洪水肆虐数十个县，夺走数以万计的生命，冲毁京广铁路102 km[2]。2021 年，河南郭家咀水库漫坝，最大漫溢水深0.5 m，威胁下游数万人生命安全和南水北调工程安全，造成重大经济损失和社会影响[3]。水库安全无小事，事关千家万户、国计民生，水库管理对于水库正常运行，消除安全隐患，减少安全事故，确保水库长期安全运行关系重大。文章根据时代变迁阐述水库管理的发展变化，并结合智慧水利建设要求探讨浙江省在水库数字化建设与管理方面的阶段成果，为水库的安全管理探索数字化方案。

2 水库管理发展

2.1 重建轻管

20 世纪50—70 年代，受经济条件和技术力量限制，不少水库“边勘测、边设计、边施工”，工程建设标准低、质量差、资料缺失，“重建设，轻管理”现象严重，病险水库问题突出。1954—1982年间发生溃坝水库3 115 座，其中1975 年河南遭遇特大洪水，62 座大、中、小型水库垮坝。“75·8”特大洪水后，各级政府开始高度关注水库安全，积极开展病险水库保坝和除险加固工作，水库的工作重点从建设转移到加强管理上。进入20世纪80 年代，《中华人民共和国水法》、《水库大坝安全管理条例》、SL551—2012《土石坝安全监测技术规范》、SL106—2017《水库工程管理设计规范》、《水库大坝安全鉴定办法》、《水库大坝安全评价导则》等相关水事法律及规范性文件陆续颁布，标志着我国水库管理进入制度化、规范化的管理阶段[1-4]。

2.2 建管并重

进入21 世纪，随着社会进步和经济发展，水资源供需矛盾日益突出，水库的防洪兴利作用越发重要，水库管理进入新阶段，水库定期进行安全鉴定，开展大规模的除险加固，预先编制防洪预案、应急措施，自动化、信息化等新技术、新方法广泛应用，人工巡查及专项检查常态化，现场实时动态监控，安全责任制得到更好落实，水库安全程度不断提高，我国水库工程从“重建轻管”逐步向“建管并重”转变。2019 年，水利部提出水利工作的重心将转到“水利工程补短板、水利行业强监管”上来。2021 年，全国实施大、中型病险水库除险加固129 座、小型病险水库除险加固4 295 座。2022 年水利部明确提出强化水库安全管理，健全水库大坝安全责任制，建立覆盖所有水库的信息档案，全面、精准、动态掌握水库基本情况，严格水库运行监管，统筹病险水库除险加固与安全度汛，加快小型水库雨水情测报和大坝安全监测设施建设，逐库修订完善调度方案、应急预案，主汛期病险水库原则上一律空库运行，每座水库都必须落实安全运行管理责任，保证责任到机构、责任到岗、责任到人。

2.3 数字化要求

2017 年，党的十九大提出“网络强国、数字中国、智慧社会”的决策部署；2019 年，全国水利工作会议提出加快“智慧水利”建设的总体要求；2021 年，浙江省委召开全省数字化改革大会部署全面推进数字化改革工作，浙江省水利厅积极响应，开展第一批全省水利数字化改革试点项目。顺应新形势新要求，水库从传统管理模式逐渐向数字化管理模式转变，以“机器换人、数字赋能、制度重塑”为目标，构建以水、安全与管理为主线的水库核心业务应用场景，提升水库决策与管理的科学化、精准化、高效化。

3 水库数字化建设

水库数字化建设是长期的螺旋式上升过程，应统筹现有技术水平、资金力量，根据缓急轻重分层次、分阶段推进，立足水库管理规程，以数据和应用为切入点，通过数字赋能和流程重塑，深挖业务管理，充分发挥水库综合效能。

浙江省已开展多年水库标准化建设与管理，数字化建设要做好顶层设计，优化完善水库管理流程，不能完全抛开标准化成果做数字化，也不能局限于标准化成果做数字化，水库数字化建设应在水库标准化成果基础上进行应用场景迭代升级、综合集成，强化获取数据的能力和应用、实用、管用、好用及扩展升级的能力，实现从量变到质变。

水库管理离不开数据，除基础数据、业务数据及外部共享数据外，应实现感知能力显著提升，强化感知体系的全覆盖、全要素及感知数据的动态采集、实时传输、集约存储、互联共享，以及大坝裂缝、坝坡渗水、违法入侵、非法堆占、闸门启闭等情况的智能识别，并强调数据及时、动态、精确、可靠、唯一与共享。

业务应用是水库管理的重要载体，在基础管理、洪水预报、安全管理、控制运用、应急管理和维修养护等已建应用基础上，搭建BIM+GIS 数字模型可视化底座，研发安全研判、实时预警、智能识别、在线体检、水资源调度等模型，构建以水、安全与管理为主线的水库核心业务应用场景，推进水库一体化、动态化、智能化、可视化管理，实现数字赋能、制度重塑、科学决策和高质量管理。图1 为水库数字化涉及的数据与应用基本要素图。

图1 水库数字化涉及的数据与应用基本要素图

4 水库数字化管理

2021 年，通过水利数字化改革试点，高坪桥、周公宅、合溪、康门等水库已经初具数字化管理雏形，形成以下特色。

4.1 一体化管理

水库现有信息化系统种类繁多、多系统共存，如水雨情遥测系统、洪水预报调度系统、大坝安全监测系统、泄洪闸控制系统、三维安防系统、综合管理信息系统和综合信息数字化大屏等，由于开发单位及技术力量各异，使得系统相互独立，系统间数据难以联通共享，系统使用率低，给水库管理带来困扰。本次水库数字化建设，结合水库业务、需求、功能及信息化系统现状，进行梳理、再开发及融合，使水库信息化系统归一化，统一为一个水库数字化管理系统，实现数据联通、业务融合、综合决策，提升水库管理效率，推动水库治理体系和治理能力现代化，同时预留接口，支持系统扩展升级。图2 为合溪水库“智慧合溪1.0 版”图。

图2 “智慧合溪1.0 版”图

4.2 动态化管理

水库运行管理中的数据主要包括基础数据、业务数据、感知数据及外部共享数据等，其中外部共享数据根据水库需要由外部共享接入。基础数据在工程竣工投入运行后基本形成，业务数据在日常管理活动中产生，这2 类数据主要基于“人”在管理活动中产生。水库感知数据在工程现场生成，由感知体系采集，是水库的触觉、嗅觉和听觉，可以及时反馈水库安全运行状态及隐患动态。浙江省水库的雨情、水情、工情及安全等监测设施一般由水库管理单位负责建设管理，应在水库已建标准基础上升级改造，引进无人机、无人船、北斗、机器视频智能测量系统、时移电法、白蚁自动监测技术及视频AI 智能识别技术等先进信息技术，实现水库自动巡查、表面变形自动监测、大坝渗流场实时监测、白蚁自动监测及隐患智能识别，相关技术在九峰、汤浦、康门等水库均有不同程度的应用。水库基础数据、业务数据和感知数据归集进入水利数据仓，纳入数据治理统一体系，实行动态管理、互联共享。图3 为浙江卫视中国蓝新闻报道康门水库应用时移电法渗流监测系统现场视频截图。

图3 康门水库应用时移电法渗流监测系统图

4.3 智能化管理

利用采集数据，研究水库业务管理智能算法，运用信息处理技术实现大坝安全在线研判预警、白蚁在线诊断、渗流隐患区自动提醒、水位AI 智能识别、大坝实时体检、水资源综合调度等业务应用场景，对发现的隐患、预警实现闭环管控，根据其类型、特征、严重程度及危害性，分级推送到水库管理人员、水行政管理人员、水利专家，多方线上线下协同诊断、处理，快速消号。图4 为九峰水库大坝安全在线研判预警及处置情况展示场景图。

图4 九峰水库大坝安全在线研判预警及处置情况展示场景图

4.4 可视化管理

水库大坝工程枢纽建筑物包括拦河坝、溢洪道、放空洞、输水洞、电站等，根据设计图纸，建立高精度BIM 模型；利用无人机对库区范围建筑物及地形地貌进行拍摄，运用专业软件处理航拍数据，建立三维倾斜摄影GIS 实景模型。采用轻量化及融合技术实现BIM 模型与GIS 实景结合运用，真实还原库区、建筑物的内外部场景，搭建水库BIM+GIS 全三维数字仿真模型。

基于水库BIM+GIS 全三维数字仿真模型，接入感知要素、模型计算及运维管理等信息，将交互信息与BIM+GIS 数字模型结合展示，建立基于水库工程BIM+GIS 数字模型的工程漫游、设备运行监控、日常巡查、监测信息、水文预报、预警信息、调度工况等三维展示系统。图5 为BIM+GIS数字模型与监测信息融合展示示意图。

图5 BIM+GIS 数字模型与监测信息融合展示图

5 结论

本文阐述了我国水库管理的发展，并探讨水库管理数字化方面的一些成果，主要结论如下：

（1）水库是防洪兴利的重要水利工程，垮坝失事的后果十分严重，应重视水库的安全管理。

（2）建国初期水库重建轻管的现象十分普遍，水库垮坝事故频发，随着相关水事法律及规范性文件陆续颁布，水库管理进入制度化、规范化管理阶段。进入21 世纪，水库的战略性地位更加突显，水库管理进入新阶段，从“重建轻管”逐步向“建管并重”转变。

（3）2017 年后数字化上升为国家战略，顺应新形势新要求，水库从传统管理逐渐向数字化管理需求转变，2021 年浙江省水库数字化经过试点建设，高坪桥、周公宅、合溪、康门等水库建立了水库数字化雏形，立足水库管理规程，以数据和应用为切入点，应用先进感知技术，搭建BIM+GIS 可视化底座，研发数字赋能应用场景，构建以水、安全与管理为主线的核心业务场景，推进水库一体化、动态化、智能化、可视化管理，实现水库高质量发展。

（4）水库数字化建设是一个长期的螺旋式上升的过程，难以一蹴而就，应统筹现有技术水平、资金力量及重要性、迫切性，分层次、分阶段推进，逐步实现全库区的数字化、智慧化。