基于信息技术的水利工程建设管理分析

姚党照

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222）

1 引言

水是宝贵的清洁能源，从绿色可持续发展角度来看，不断提高水资源的利用率是从业者必须长期坚持的工作理念。 若要真正实现上述目标，可在建设、运用、维护水利工程时广泛应用信息技术， 最终达到水利信息充分共享、 水资源高效利用、从根本上提高防汛能力的目的。

2 信息技术应用于水利工程建设管理的目标

2.1 3 个阶段目标

信息技术应用于水利工程建设管理的目标可分为3 个阶段。

1）近期目标。 不断提高水利信息资源的开发利用程度，完成水利信息网络、水利数据中心及安全保障体系的建设[1]。

2）中期目标。 初步形成水利信息化综合管理机制，最终达到 “有效解决信息资源不足及水利资源共享困难问题” 的目的。

3）远期目标。 提供满足水利工程建设管理、水力资源信息共享应用等基本业务需求的信息服务， 提高与水有关的行政管理效率，完成水利信息化的建设。 水利信息化涉及水利信息的采集、传输、存储、处理、服务，核心目的是全方位提高水利事业的活动效率效能。

2.2 由水引发的问题及水利信息化发展的必要性

规划建设及应用水利工程设施的目的是解决自古以来由水引发的问题。 具体来说：其一，江河湖泊等水流域经常出现的洪涝灾害给沿岸居民的生产、生活带来不可估量的损失，也导致宝贵的水资源被大规模浪费；其二，因洪涝灾害导致水土流失更加严重，不符合可持续发展理念；其三，水污染进一步加剧使水资源严重短缺。

如此复杂、 严峻的形势对现代水利工程的建设管理提出新要求：必须全面提高水利资源的利用率和利用效能，与国民经济和社会发展相适应，最终基于 “水利信息化” 带动 “水利现代化” 的发展，整体提高水资源的利用率，做好水管理工作。

2.3 基于信息技术的水利工程建设管理主要任务

2.3.1 完成国家-地方水利基础信息系统工程建设

信息技术应用于水利工程建设管理的核心任务是在规划建设水利工程的过程中，完成整体性信息化布局。 受此影响，水利工程的地方性特征被逐渐消除——全国各地的水利数据可共享至国家水利基础信息系统中。 在此基础上，防汛工作、水质监测评价工作、水土资源监督管理工作、国家水资源管理决策支持等工作均可得到精准数据支撑。

2.3.2 完成水利基础数据库建设

水利基础数据库包括国家防汛指挥系统综合数据库，如实时水雨情库、国家水文数据库、全国水资源数据库、水质数据库、水土保持数据库、水利工程数据库等[2]。 这些数据信息得到综合运用后，我国社会中的水资源规划调度、水利工程设施相互配合等工作均会上升至新的台阶，进而助力社会总体发展。

3 水利信息化工程建设管理综合分析

3.1 存在问题

3.1.1 信息资源相对短缺

现阶段，我国水利信息化工程建设中信息资源相对短缺问题集中在以下方面：其一，对水利相关动态信息的采集较为薄弱；其二，水利相关信息的积累规范化程度不足，覆盖面狭窄。

3.1.2 信息共享难度较大

水利信息共享方面存在的问题主要集中在4 个方面：其一，局部水利信息化设施的服务目标相对单一，导致水利信息收集呈现条块分割、无法形成整体的特点；其二，信息收集与上传的标准规范不健全，易形成数字鸿沟；其三，信息共享机制建设水平较低，极易产生信息壁垒；其四，技术设施数量不充足，易阻碍信息交流。

3.1.3 信息基础较为薄弱

水利信息化建设的 “信息基础” 薄弱之处体现在：其一，水利工程建设管理模型、相关应用软件不健全；其二，对部分信息资源的开发利用水平较低，成本较高且维护难度较大，不利于长期使用。

3.2 解决方式——基于实景三维GI S 技术的智慧水利平台系统建设

GIS 技术应用于水利信息化工程建设时， 在防汛决策支持系统、信息管理平台系统、水灾情况评估系统、洪涝灾害风险分析与区划管理、城市防洪系统中均有广泛应用。 其中，基于实景三维GIS 技术建设的智慧水利平台系统能同时解决信息资源短缺、信息共享难度大、信息基础薄弱3 个问题。

3.2.1 基于实景三维GIS 的智慧水利平台特点

现代水利工程设施不仅需要具有疏导水流的作用， 还应具有全面、实时收集及上传水利相关信息的作用。 若要实现上述功能，需在建设水利工程的过程中应用三维实景GIS 技术。这种三维层级的GIS 技术相较于二维GIS 技术， 优点主要体现在：二维GIS 技术对数据的分析较笼统、粗略，且大多集中于宏观数据分析方面， 在水利工程场景的表达上往往具有单一性和抽象性的特点， 很难实现水利精细化管理。 三维实景GIS 技术能够对水利工程设施及附近环境进行高逼真、 高精度还原，进而为智慧水利施工、智慧水利治理营造可视化、直观化、立体化的环境。 总体而言，基于实景三维GIS 的智慧水利平台特点如图1 所示。

图1 基于三维实景GI S 技术的智慧水利平台系统特点图

基于大数据技术、可视化引擎及高精细化信息服务技术，可实现以下功能。

1）全流域场景真实还原。 相较于市区智慧服务场景建模，智慧水利平台系统可结合无人机摄影技术及卫星通信技术，实现大范围数据监测与收集。 基于此，平台系统可高效率、低成本、高真实还原不同复杂流域的现实全景，为后续智慧水利平台建设提供高真实三维数据底板[3]。

2）数字模拟的主要目标是对水利工程设施建设及应用期间可能遭受的泥石流、 积水、 洪涝等灾害的严重程度进行判断。 在此基础上，将地区历年来的水利数据信息录入系统平台中，由系统自行总结规律，后进行推演、预测，最终为后续应对与完善相关措施做好充足准备。

3）应用三维实景GIS 技术可获得底图数据。 这种数据的形成过程为： 由摄像机等设备对水利设施周围的环境进行监测，进而完成数据集成及上传（基于智能传感器收集并整理特定类型的数据）。 结合三维模型中提前存储的地形、层高等信息，经由辅助AI 算法处理后，可有效识别水利设施覆盖范围内易发生水灾的区域，有利于提前做好应对措施。

3.2.2 智慧水利“一张图”软件的应用

现代水利工程设施建成后，除对水资源进行精确规划外，还应具备有效应对洪涝灾害的作用。 基于此， 基于三维实景GIS 技术设计智慧水利 “一张图” 软件，用于对水利工程设施进行全方位、系统化管理。 该软件系统的架构如下：以实景三维数据为基底，内置智能感知、数据融合、智能应用三大体系，分别对应梳理数据监测、数据支撑、综合监督三大功能，最终形成对水利工程设施以及水流数据的全过程、一体化管理。 在日常管理中， 系统对水利设施覆盖范围内的所有动态进行常态化监测，相关数据被实时记录并总结出变化趋势图；这些数据与数据库中记录的数据进行实时比对， 超过平均值并逐渐接近危险临界值时，系统不断发出预警信息，进而对水利灾害进行有效管理及防治。

上述 “一张图” 软件的主要功能如下。

1）如图2 所示，对水利工程覆盖区域进行实时监测，同时将气象、风象、水情、风力预测工作容纳为整体。 经由该软件，一个地区的水库区、河流区、监测站、洪涝灾害易发区等重点信息均可实时呈现在一张图上。 在水利设施建设全过程及建成后全寿命周期内，管理人员可基于 “一张图” 软件完成水利工程设施周边重点管理区域的选择工作， 后在任意时间均可在软件中 “点击” 重点区域，实时观察这些区域的各类实时情况，进而视相关结果调整当前工作重点。

图2 “一张图”软件容纳并实时呈现的信息

2）如图3 所示，在 “一张图” 软件中点击某个区域后，该区域当前的三维景象、 内部各区域对应的基础信息会立刻呈现在显示屏幕中。 如某水利工程设施建成后，一旦地区突发洪涝灾害，需要开闸放水时，水流向所在地的2 个村庄受到波及。基于 “一张图” 软件，管理人员可实时了解这2 个村庄的信息，包括人口数量、耕地面积等，进而为后续决策提供准确依据。

图3 “一张图”软件下的区域情况三维可视化效果图

4 结语

综上所述， 信息技术应用于水利工程建设管理的终极目标是打造智慧水利管理体系。 在该体系下，全国各地的水资源信息、水利工程资源信息实现共享。 基于卫星、无人机及各类监测设备（包括单兵监测设备、布置在各处的摄像头等），获得的信息实时上传至智慧水利系统。 在此基础上， 结合大数据AI、可视化引擎、服务引擎等技术，水利工程建设及应用管理人员可根据自身实际需要，充分实现空间定位、空间分析、实时导航、虚实叠加等功能，进而将精准度极高的三维水利场景信息实时显示在显示系统中， 可极大地提升水利工程建设管理水平。