中小型水库数字孪生关键技术应用探讨

蒋志彦

（永州市水利水电勘测设计院，湖南 永州 425000）

前 言

水库是蓄水之盆，具有保粮食安全、防洪安全、供水安全、生态安全等重要功能，是实现经济高质量发展、满足人民群众对美好生活需要的重要基础设施。据2019年统计数据，全国约有中小型水库9.74 万座。“十一五”以来，国家投入大量资金在全国范围内开展了病险水库除险加固，大部分水库病险问题得到有效整治，使水库综合效益得到充分发挥。特别是“十三五”以来，在习近平总书记“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”新时代治水思路指引下，国家进一步加大了水库除险加固投入，并对水库信息化工程建设及运行管理做了硬性要求，取得了明显实效。

为推进新时代水利改革发展，积极践行习近平总书记“十六字”治水方针，从2019 年开始，水利部将工作重心转到补齐水利工程短板、加强水利行业监管等工作方面来。特别是要求补齐水利信息化方面的短板；强化了对水资源的监管，严格落实节水优先、以水定需的工作方针，对水资源进行最严格的管理，在水资源的开发、利用、配置、节约、保护、调配等各个环节进行全面全过程监管，加强水文水资源监测；加强以中小型水库为重点的水利工程监管，强化了中小型水库调度运用方案、应急预案和雨水情测报等三个重点环节的管理。

中小型水库在灌溉、防洪、城乡供水等方面发挥了重要作用，特别是在农业灌溉方面，有效地保障了我国粮食生产安全，但目前因管护资金和人力短缺等原因，对中小型水库调度与管理不够科学精准，大部分小型水库的水资源管理处于无序状态，汛期为保防洪安全要求，水库直接泄水，能泄尽泄，造成汛末很多水库蓄水量未达正常库容，用水高峰到达后不久水库便见底，管理相对粗放，没有做到精准按需放水、取水。造成这种局面的主要原因是对水库的来水量和用水量缺乏精准预测，在水库水资源的管理和调度上不够科学、精准，没有充分利用好水库的调蓄功能。这在2022 年特大干旱的湖南显得十分明显：管理科学的水库，可大大减缓旱情发展速度和干旱对灌溉区域所造成的影响，确保农作物的收成；管理不到位或没有科学调度管理的水库，在晴热天气持续不到一个月的时间水库就见底，农作物绝收，关键时候水库的蓄水灌溉作用没有得到充分发挥。

经过多年的水库除险加固工程建设，切实保障了全国中小型水库安全、可靠运行，有效发挥了中小型水库的灌溉、防洪等作用，成效十分明显。近两年以来正在建设中小型水库的雨水情测报系统和大坝安全监测系统，并将雨水情数据接入省级水库信息管理系统，但由于各县区人员与技术力量的限制，对中小型水库雨水情监测数据，特别是视频画面、数据等无法实时通过数据预判、评估，无法科学精准判断水库的来水量和水位上升趋势，无法科学调度水库水位（水量）。

因此，加强对中小型水库的大坝安全管理和水资源调度与管理显得十分重要，研究利用数字孪生关键技术应用于中小型水库智慧管理，可以大幅提高中小型水库大坝安全在线监测和水库水资源科学管理水平，可以进一步挖掘中小型水库的社会效益与经济效益，推动我国水利事业的高质量发展。

1 水库数字孪生关键技术在国内的研究现状和发展趋势

进入“十四五”期间，为践行习近平总书记“十六字”治水思路，水利部印发了关于智慧水利建设方面上层构架文件[2～5]，各省也配套出台相关配套文件[6]，规划建设具有预报、预警、预演、预案的新时代智慧水利体系，推动我国水利事业的高质量发展。

我国正在全面开展数字孪生流域关键技术的研究，湖南省正在开展灌区数字孪生关键技术研究，“中小型水库数字孪生关键技术研究”目前还未立项，未进行系统的研究。根据国家和湖南省推进智慧水利建设实施方案等相关文件要求，数字孪生技术在中小型水库安全管理和水资源调度与管理方面的应用是智慧水利建设不可或缺的技术，是智慧水利发展的必然趋势，是水利行业适应国家高质量发展的必然要求。

利用数字孪生技术对中小型水库进行科学精准管理，可大大提高中小型水库调度运行的科学性和精准性，可以有效推动新时代水利事业的高质量发展。

2 主要研究内容和目标

孪生技术在中小型水库管理中应用是必然趋势，它将助推我国中小型水库水资源和水库大坝安全生产管理水平的提高，使水库的功能效益得以提升，中小型水库的库容有效利用率得以增加。

2.1 研究中小型水库水资源智慧调度与管理系统

根据区域内历年水文、气象及其预报资料和水库历年的运行管理资料开发中小型水库水文预报模型；利用当地历年水文、气象及其预报、灌区农作物的类别及分布、墒情、供水区的用水时空分布、其他骨干水源来水等数据资料开发中小型水库的用水预报模型；根据中小型水库的规模任务和特点，利用水库水文预报和用水预报数据开发水库水资源调度管理模型。利用近、中、远期的气象预报等数据，通过水文预报和用水预报模型分析计算水库未来一段时间内水库来水量和用（需）水量；利用水库水资源管理模型对水库放水实施精准调度，按需调整供水量，并精准预测水库水位和蓄水量的变化趋势。在确保水库安全运行的前提下，这样既能保证水库水资源的科学合理利用、发挥水库的最大效益，又可为中小型水库安全运行提供科学管理依据，确保水库灌溉、防洪保安、供水效益最大化，确保灌区粮食生产安全，保障水库安全运行。

2.2 研究中小型水库大坝安全自动监测预警系统，建立安全监测模型

在中小型水库已有雨水情测报和大坝安全监测系统基础上，建设水库大坝安全监测模型，根据水库集水区的降水量、库水位、大坝渗流、渗压、位移、变形等数据实时存储、分析计算和预测其数据变化的趋势、评估大坝的安全状态，为水库运行维护管理提供准确、可靠的数据支撑。实时通过水库管理平台、手机移动APP 平台语音、短信预警水库的安全隐患，自动响应相应的应急预案，为水库的应急管理提供科学有效的决策依据，为后续安全隐患分析、大坝除险加固、维护方案提供真实可靠的基础数据。

2.3 研究中小型水库可靠的自动控水系统

目前中小型水库大部分采用卧管放水，放水口基本采用木头、拍门、阀门、闸门等控水装置，且绝大部分是采用人工手动操作方式，管水控水设施非常原始，部分采用人工现场手电动操作方式。若要实时精准调度好每个水库的水资源，需要人工频繁地操作，运行管理工作量大，需要值守人员多，运行维护费高，运行管理不安全。中小型水库现行传统的管理模式很难做到精确管水控水，是造成中小型水库水资源浪费的主要原因。

研究并应用安全可靠的自动控水系统，以彻底解决目前纯靠人工控水的方式，是解决上述问题的有效途径。根据水文预报模型、用水预报模型预测水库来水、需水、库水位等，利用水库水资源管理模型实时对水库放水进行实时调节与控制，达到精准按需放水，充分、高效利用水资源，发挥水库最大的效益。

2.4 研究中小型水库数字化可持续发展方式

全国中小型水库近10 万座，点多面广，每年对中小型水库的基本管护资金数额巨大，全国各地由于基本管护资金不到位，部分小型水库管护处于失控状态。随着雨水情测报和大坝安全监测设施等信息化设施的投运，这些设施大部分是电子设备，且长期处于室外的工作环境，随着投运时间的增加，信息化设备需要专业技术力量的维护，需要有专门的维护资金作为保障，否则水利信息化将无法可持续发展。研究利用新能源技术解决中小型水库信息化设施管护资金不足、管护不到位的问题，实现中小型数字水库可持续发展，势在必行。

3 主要技术路线研究与创新

水库数字孪生关键技术主要利用新一代信息技术与水利技术的深度融合，强化数字孪生、大数据、人工智能、区块链等技术在水利工程技术中的应用，建立中小型水库水文预报模型、用水预报模型、水库水资源调度管理模型及水库安全监测模型；利用现代化控制技术实现水库的自动控水，利用新能源技术解决水库信息化供电容量及管护资金不足、管护不到位的问题。科学、精准预测水库近、中、远期来水，合理调度水库，并根据水库可供水量进行分析计算，实时调整水库供水量，科学高效管理水库水资源，确保水库安全，主要从以下几方面进行创新：

1）科学、精准预测中小型水库近、中、远期来水量，自动对水库进行调洪计算并进行调度，实时评估水库的安全状态。

2）科学、精准预测中小型水库供水区域近、中、长期需水量，通过实时分析计算、自动动态调整水库供水量，确保水库水源的高效利用，解决水库水资源管理无序状态。

3）建设中小型水库安全监测平台，实时监测、评估大坝的安全性态，自动提供应急预案，并为安全隐患分析、大坝除险加固、维护方案提供数据依据。

4）利用新能源等技术解决数字水库可持续发展中存在的运行维护资金不足问题。

4 结 语

中小型水库数字孪生关键技术可为智慧水利建设提供技术成果支撑。中小型水库数字孪生关键技术应用可实现中小型水库的全过程智能化管理，实现中小型水库科学、精准蓄水、用水，确保水库水资源的高效利用，提高我国中小型水库的灌溉、防洪和供水效益，保障粮食生产安全，在应对全球气候变暖导致极端气候频发对农业生产的影响方面发挥重要作用，进一步提高中小型水库在国民经济高质量发展中的作用。中小型水库数字孪生关键技术应用可破解目前我国中小型水库管护人员不足、管护经费缺乏、日常管护不精准、不到位等难题，可有效促进水利基础设施的建设，实现数字孪生水利建设投入的良性循环。中小型水库数字孪生关键技术的应用可提高水库水资源调度与管理及大坝安全运行管理水平，增加中小型水库的库容有效利用率，具有明显的社会、经济、生态效益。