蔡宏煒，周 杰，張飛龍，馮翊鋮

(廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510635)

1 概述

1.1 廣東省小型水庫分布

廣東省水庫工程區(qū)域分布特點(diǎn)明顯。水庫工程主要分布在粵北、粵東和粵西地區(qū)，珠三角地區(qū)受地形條件限制水庫數(shù)量分布較少?；洷钡貐^(qū)水資源豐富，水庫數(shù)量約占全省水庫總數(shù)量的34%，總庫容接近全省水庫總庫容的60%[1]。全省小(2)型以上水庫共8 408座，總庫容為453.07億m3，其中，小型水庫共8 026座，占全省水庫總數(shù)的95.46%，總庫容為64.60億m3，占全省水庫總庫容的14.26%,具有“數(shù)量多、分布廣，作用大”的特點(diǎn)[2-4]。

1.2 小型水庫管理現(xiàn)狀

廣東省欠發(fā)達(dá)區(qū)縣的小型水庫管理還存在責(zé)任人履職能力不強(qiáng)、預(yù)案方案針對(duì)性和可操作性不強(qiáng)、監(jiān)測(cè)預(yù)警設(shè)施和能力不足、運(yùn)行維護(hù)管理和人員經(jīng)費(fèi)不足等問題。

2020年4月，粵西某縣水務(wù)局對(duì)全縣小型水庫現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)查，根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果，該縣現(xiàn)有90座小型水庫普遍存在運(yùn)行管理制度不健全、管理設(shè)施不完善、防汛物資短缺、管護(hù)能力不足、信息化管理技術(shù)落后等問題，部分水庫甚至存在安全隱患，90座小型水庫均未達(dá)到《廣東省小型水庫安全運(yùn)行管理標(biāo)準(zhǔn)化工作指引(試行)》的水庫安全運(yùn)行管理標(biāo)準(zhǔn)化要求。

2 信息化管理需求分析

該縣小型水庫運(yùn)行管理的信息化管理是基于省級(jí)建設(shè)平臺(tái)開展，即：廣東省水利工程運(yùn)行監(jiān)管平臺(tái)。根據(jù)該縣管理需求，制定信息化管理主要內(nèi)容為：小(1)型水庫和壩高15 m(含15 m)以上的小(2)型水庫實(shí)現(xiàn)“四要素”,即：庫水位、降雨量、壩體外觀和滲流量的監(jiān)測(cè)；壩高15 m以下的小(2)型水庫實(shí)現(xiàn)“三要素”，即：庫水位、降雨量、壩體外觀的監(jiān)測(cè)；培訓(xùn)水庫管理人員使用省級(jí)開發(fā)的巡查軟件，開展巡視檢查、巡查記錄上傳、異常情況上報(bào)、指令傳達(dá)等日常管理活動(dòng)。確保相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與省級(jí)平臺(tái)無縫對(duì)接，實(shí)現(xiàn)全省水庫協(xié)同管理、動(dòng)態(tài)監(jiān)管。

按照《廣東省小型水庫安全運(yùn)行管理標(biāo)準(zhǔn)化工作指引(試行)》工作部署，粵西某縣水務(wù)局?jǐn)M分階段開展標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)工作。

第1階段完成20座小型水庫安全運(yùn)行管理標(biāo)準(zhǔn)化達(dá)標(biāo)工作，應(yīng)達(dá)到2級(jí)或以上標(biāo)準(zhǔn)；其中小(1)型水庫9座，壩高15 m以上(含15 m)的小(2)型水庫5座，壩高15 m以下小(2)型水庫6座。第2階段擬完成該縣小(1)型和壩高15 m以上(含15 m)小(2)型水庫70%以上達(dá)到2級(jí)或以上標(biāo)準(zhǔn)、壩高15 m以下小(2)型水庫70%以上達(dá)到3級(jí)或以上標(biāo)準(zhǔn)；到2022年底，全縣所有小(1)型水庫和壩高15 m以上(含15 m)小(2)型水庫達(dá)到2級(jí)或以上標(biāo)準(zhǔn)，所有壩高15 m以下小(2)型水庫達(dá)到3級(jí)或以上標(biāo)準(zhǔn)。

3 信息化管理工作

3.1 信息化管理工作框架

小型水庫信息化管理工作主要包括信息化平臺(tái)管理、實(shí)地巡查和安全監(jiān)測(cè)等方面。其中，信息化平臺(tái)管理主要是水庫基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理，并提供水庫工程相關(guān)數(shù)據(jù)供用戶訪問；智能感知系統(tǒng)建設(shè)主要通過智能感知設(shè)備采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過中間庫處理后錄入信息化平臺(tái)；水庫巡查是市縣工作人員通過巡查軟件實(shí)地巡查水庫之后，數(shù)據(jù)上傳對(duì)接信息化平臺(tái)；信息化管理工作框架如圖1所示。

圖1 信息化管理工作框架示意

3.2 信息化平臺(tái)管理

3.2.1信息化平臺(tái)功能結(jié)構(gòu)

信息化平臺(tái)功能主要提供了水庫基本資料管理、水庫巡查、安全監(jiān)測(cè)管理和匯總統(tǒng)計(jì)四大功能。水庫基本資料主要是水庫基本資料錄入和管理，包括結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)；智能感知系統(tǒng)數(shù)據(jù)對(duì)接安全監(jiān)測(cè)模塊；水庫巡查主要是通過省級(jí)提供的巡查軟件巡查水庫，巡查數(shù)據(jù)對(duì)接水庫巡查模塊；匯總統(tǒng)計(jì)主要是對(duì)巡查任務(wù)和巡查結(jié)果的統(tǒng)計(jì)和分析，通過統(tǒng)計(jì)圖表展示市縣小型水庫巡查情況。信息化平臺(tái)功能結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 信息化平臺(tái)功能結(jié)構(gòu)示意

3.2.2水庫基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理

水庫基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理是充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，逐步建立數(shù)字水庫，為日常運(yùn)行管理提供數(shù)據(jù)支撐。小型水庫日常管理中，水庫基礎(chǔ)資料的上報(bào)，主要是：

1)基本信息：水庫注冊(cè)登記號(hào)、水庫名稱、水庫位置、水庫概況等。

2)主要特征數(shù)據(jù)：壩型、壩高、壩長(zhǎng)、溢洪道堰頂高程、校核水位、設(shè)計(jì)水位、正常水位、汛限水位、死水位、水位—庫容曲線、泄流能力曲線和發(fā)電裝機(jī)容量等。

3)資料文檔：水庫大壩定期安全鑒定報(bào)告、工程地質(zhì)勘察資料、關(guān)鍵圖紙、地形測(cè)量等。

小型水庫日常管理數(shù)據(jù)電子化并錄入廣東省水利工程運(yùn)行監(jiān)管平臺(tái)，數(shù)值類的資料直接登錄省級(jí)平臺(tái)錄入，系統(tǒng)會(huì)通過正則表達(dá)式對(duì)錄入的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)校驗(yàn)。平臺(tái)操作界面見圖3～4。

圖3 水庫特征數(shù)據(jù)錄入界面示意

圖4 水庫附件資料錄入界面示意

在數(shù)據(jù)錄入過程中，考慮到工程圖紙、工程地質(zhì)勘察資料、安全鑒定資料、安全管理應(yīng)急預(yù)案、管理制度、工程圖片等9類資料的初始狀態(tài)均是高清掃描圖片，在系統(tǒng)上傳之前需要按照省級(jí)系統(tǒng)上傳文件要求，對(duì)圖片進(jìn)行壓縮和格式處理。

平臺(tái)設(shè)計(jì)了一套Python批處理程序：調(diào)用Python圖像處理庫PIL，對(duì)指定路徑下的圖片進(jìn)行尺寸、像素、大小等進(jìn)行修改，同時(shí)程序要做好不同水庫的圖片區(qū)分，處理完成之后輸出到指定徑。圖5～6是圖片處理關(guān)鍵函數(shù)展示。

按照省級(jí)系統(tǒng)上圖片的上傳標(biāo)準(zhǔn)修改和壓縮圖片，水庫管理人員只需將圖片存儲(chǔ)到指定路徑下，執(zhí)行程序，即可得到可以在省級(jí)系統(tǒng)上成功上傳，大大提高了文件數(shù)據(jù)錄入的效率和準(zhǔn)確率。

圖5 修改圖片尺寸函數(shù)示意

圖6 壓縮圖片函數(shù)示意

3.3 智能感知系統(tǒng)建設(shè)

智能感知系統(tǒng)建設(shè)要求：

1)小(1)型水庫和壩高15 m及以上的小(2)型水庫智能感知必設(shè)項(xiàng)目主要為庫水位、降雨量、壩體外觀(視頻或圖像)、滲流量，簡(jiǎn)稱“四要素”。

壩高小于15 m的小(2)型水庫智能感知必設(shè)項(xiàng)目主要為庫水位、降雨量、壩體外觀(視頻或圖像)，簡(jiǎn)稱“三要素”。

2)庫水位、降雨量和壩體外觀(視頻或圖像)可集中于“一桿式裝置”，一般安裝在壩頂靠上游側(cè)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)感知、自動(dòng)傳輸。“一桿式裝置”示意見圖7～9。

圖7 “一桿式裝置”平面布置示意

圖8 “一桿式裝置”大樣示意

圖9 “一桿式裝置”斷面布置示意

水庫智能感知系統(tǒng)(“一桿式裝置”)：實(shí)現(xiàn)對(duì)水庫流域雨量水位實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)準(zhǔn)確地獲取水情、雨情信息，提高洪水預(yù)測(cè)報(bào)水平，增強(qiáng)防災(zāi)抗災(zāi)和配水調(diào)度能力。數(shù)據(jù)采集方式：由前端的感知層收集傳感數(shù)據(jù)并由傳輸層的水利遙測(cè)終端設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集傳輸至平臺(tái)層進(jìn)行分析處理。最終由應(yīng)用層的用戶對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行比對(duì)決策。

3)滲流量感知原則上應(yīng)采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，可通過線纜集成于“一桿式裝置”。

4)智能感知數(shù)據(jù)采集之后均應(yīng)接入信息化平臺(tái)的安全監(jiān)測(cè)模塊。

針對(duì)上述建設(shè)要求，選用不同的監(jiān)測(cè)設(shè)備廠商，不同的設(shè)備廠商對(duì)應(yīng)不同的感知數(shù)據(jù)采集平臺(tái)?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備采集的數(shù)據(jù)不能直接錄入到省級(jí)平臺(tái)中，需要設(shè)備廠商和平臺(tái)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)接。課題組采取的數(shù)據(jù)對(duì)接方式是中間庫，即根據(jù)省級(jí)平臺(tái)提供的數(shù)據(jù)庫表，將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換等操作錄入到指定庫表中。中間庫表包括雨量表和水庫水情表。雨量表一般需要錄入的數(shù)據(jù)為測(cè)站編碼、時(shí)間、時(shí)段降水量等。水庫水情表一般需要錄入的數(shù)據(jù)為測(cè)站編碼、時(shí)間和水庫水位[4]。

小型水庫雨情信息按時(shí)間年、月、日、小時(shí)為計(jì)量單位，采集雨量數(shù)據(jù)，并對(duì)小型水庫逐日日降雨量、旬月雨量、雨量極值、年月雨量等雨量信息進(jìn)行分析；小型水庫水情信息，系統(tǒng)記錄水庫水位，水庫量過程線、雨洪圖、水庫特征值等。通過智能感知設(shè)備的建設(shè)，根據(jù)水庫雨情、水庫水情的情況，逐步建成小型水庫智能分析庫，對(duì)小型水庫納雨能力、抗暴雨能力、水庫入庫流量等作出預(yù)測(cè)和判斷。

3.4 水庫巡查管理

水庫巡查是確保水庫安全運(yùn)行的重要手段，水庫巡查人員到達(dá)水庫現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，開啟巡查軟件開始巡查工作，巡查過程中發(fā)現(xiàn)的安全隱患，巡查人員可通過圖片、視頻、文字描述等形式記錄，保存后立即生成1條隱患上報(bào)信息。巡查結(jié)束，軟件會(huì)自動(dòng)記錄巡查路線，顯示此次巡查的所有隱患信息，查看隱患安全級(jí)別：重大隱患、一般隱患，巡查人員可對(duì)此進(jìn)行復(fù)核，填寫處理意見后確定需要上報(bào)處理。

責(zé)任人類型即“3個(gè)責(zé)任人”包括：巡查責(zé)任人、技術(shù)責(zé)任人、行政責(zé)任人。問題上報(bào)處理流程見圖10。明確“3個(gè)責(zé)任人”主要是為了建立安全生產(chǎn)責(zé)任制度，明確安全生產(chǎn)專職人員。

圖10 巡查問題上報(bào)處理流程示意

信息化平臺(tái)根據(jù)巡查結(jié)果，通過統(tǒng)計(jì)圖表展示水庫巡查情況。按照地區(qū)、時(shí)間范圍不同(近1 d、近 7 d、近1月、近1 a)統(tǒng)計(jì)顯示轄區(qū)內(nèi)水庫數(shù)量、計(jì)劃巡查數(shù)量、有效巡查數(shù)量、存在問題數(shù)量和巡查完成率，通過柱狀圖該行政區(qū)劃內(nèi)水庫巡查完成情況(圖11為粵西某縣近期水庫巡查統(tǒng)計(jì)示意)。隱患所在位置信息，包括壩體、壩腳區(qū)、泄水設(shè)施、輸水設(shè)施及其他(如圖11所示，水庫巡查存在問題主要是隱患位置存在問題)。根據(jù)巡查問題上報(bào)處理流程，相關(guān)責(zé)任人會(huì)對(duì)隱患進(jìn)行處理、確認(rèn)，最終關(guān)閉問題。

圖11 巡查統(tǒng)計(jì)示意

綜上所述，水行政主管部門、水庫管理單位可通過信息化平臺(tái)及巡查軟件，查看工程實(shí)時(shí)信息和巡查人員的履職情況，充分發(fā)揮信息化平臺(tái)可追溯功能。

4 結(jié)語

廣東省粵西某縣20座小型水庫安全運(yùn)行信息化管理過程中，逐步建成小型水庫工程日常管理、數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、風(fēng)險(xiǎn)研判、智能預(yù)警和問題處理的閉環(huán)，提升了小型水庫日常運(yùn)行管理能力，同時(shí)提高了水庫管理人員的業(yè)務(wù)水平和工作效率，改變了該縣小型水庫信息化管理技術(shù)落后的狀況。水庫信息化平臺(tái)的良好、持續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)行，還需要上級(jí)水行政管理部門從水庫管養(yǎng)、經(jīng)費(fèi)等各方面提供大力支持。

在互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展的新時(shí)代，傳統(tǒng)水利已經(jīng)不能滿足于水利建設(shè)和管理的時(shí)代要求，小型水庫安全運(yùn)行信息化的建設(shè)伴隨著數(shù)據(jù)的不斷積累，接下來考慮借助人工智能、大數(shù)據(jù)、深度學(xué)習(xí)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)建設(shè)智慧型水利。