周正媛，龍正翔，陳 靜

（貴州省水利水電工程咨詢有限責任公司，貴州 貴陽 550001）

0 引言

水庫保障經濟社會發(fā)展和國家水安全中具有不可替代的基礎性作用[1]，貴州省有各型水庫約2 600 余座，占全國水庫總數(shù) 2.5%，其中約 99% 為中小型水庫。貴州中小型水庫受限于建設年代、經濟、技術等因素，存在管理硬件明顯不足及運行管理水平落后問題，主要表現(xiàn)為管理技術力量不足、監(jiān)測設施不完備、分析手段不科學、無法實時預警等[2-4]，制約其社會效益和經濟效益的發(fā)揮。隨著水利部提出下一步水利工作的重心從水利工程建設轉到“有針對性地固底板、補短板、鍛長板”上來，以及智慧水利運用物聯(lián)網、大數(shù)據、遙感、人工智能識別、5G 等先進信息技術的廣泛應用，建設中小型水庫信息化管理系統(tǒng)，實現(xiàn)運行信息采集自動化、業(yè)務管理數(shù)字化、決策分析智能化，為解決中小型水庫運行管理難題提供了解決方案，中小型水庫信息化平臺建設工作逐步在江蘇、山東、四川等地進行，并取得一定成就[5-7]，但在貴州處于起步階段。近年來，遵義市已開發(fā)出一套適合小型水利工程運行管理的云平臺——“水庫管家”，可實現(xiàn)水庫多種監(jiān)測信息集成與人員考勤等功能[8]。本研究立足于解決中小型水庫運行管理痛點，總結已有水庫信息化平臺建設經驗，以貴州省丹寨縣吊洞水庫為試點，以分布式新安江模型為預報核心，著重打造三維立體監(jiān)測體系，構建貴州省中小型水庫運行管理平臺（以下簡稱平臺）。

1 平臺設計

1.1 思路與架構

平臺基于水庫已有設計和建設成果，利用物聯(lián)網、預報模型、移動互聯(lián)網及 GIS 技術，緊密圍繞安全監(jiān)測、防洪度汛、興利調度、應急管理、綜合管理等運行管理業(yè)務重點，打造中小型水庫信息化運行管理體系。平臺通過運行管理、安全和運行保障體系提供保障環(huán)境，其總體框架自下而上可以分為基礎數(shù)據采集層、運行環(huán)境及支撐平臺層、業(yè)務應用 3 層，具體如圖 1 所示。

基礎數(shù)據采集層，主要包含水文監(jiān)測系統(tǒng)（水雨情、水質、流量）、工程監(jiān)測系統(tǒng)（大壩、泵站）、儀器設備輔助監(jiān)測系統(tǒng)（視頻監(jiān)控、無人機），以及電力保障系統(tǒng)（輸配電、備用電源、保壩電源）等，為平臺提供數(shù)據源，是整個平臺最基礎的信息數(shù)據來源。

圖 1 貴州省中小型水庫運行管理平臺總體框架

運行環(huán)境包含工程運行管理調度指揮及信息化管理平臺搭建所需配套的相關軟硬件環(huán)境的建設，在保障完善設備安放基礎設施的同時，通過對控制網及管理網業(yè)務應用的需求分析，建設通信平臺及計算機網絡平臺，允許計算機網絡與通信網之間依據不同層次和帶寬需求采用不同的接口連接；支撐平臺包括平臺綜合數(shù)據庫及軟件應用支撐平臺，為業(yè)務應用服務提供統(tǒng)一的支撐環(huán)境，是連接數(shù)據庫和業(yè)務應用的橋梁，可實現(xiàn)有效共享和應用平臺的互連互通，為應用平臺的功能實現(xiàn)提供技術支持、多種服務及運行環(huán)境，是實現(xiàn)應用平臺之間、應用平臺與其他平臺之間進行信息交換、傳輸、共享的核心。

業(yè)務應用層是平臺實現(xiàn)的最終功能，根據吊洞水庫試點運行管理工作需要，實現(xiàn)業(yè)務決策（防洪、興利及指揮調度）及監(jiān)測管理（平臺監(jiān)測監(jiān)控、維修養(yǎng)護、綜合管理及移動應用端）等功能。

1.2 預報模型

平臺使用分布式新安江模型（Grid-Xinanjiang）作為預報平臺核心模型，該模型將各下墊面柵格分別作為一個計算單元，蒸散發(fā)計算、產流計算及分水源計算分別采用新安江計算原理的三層蒸散發(fā)模型、蓄滿產流模型及采用自由水蓄水庫結構進行水源劃分，再計算出每個柵格上的張力水與自由水的蓄水容量[9]，得到每一個柵格單元的產流量和地表、壤中、地下 3 種水源，然后根據柵格演算次序矩陣，將每一個柵格上的地表徑流、壤中流按照Muskingum 法[10]逐柵格演算至流域的出口，地下徑流則采用新安江模型中線性水庫的方法演算至流域出口。在進行柵格演算時，如果當前柵格的土壤含水量未達到飽和，則上游柵格的出流量首先補充當前柵格的土壤含水量如果當前柵格有河道存在，屬于河道柵格，則地表徑流、壤中流將按比例把部分流量匯入河道中。計算流程圖[11]如圖 2 所示。

分布式新安江模型能夠較好地模擬徑流結果，尤其在徑流深誤差的控制與過程擬合效果方面表現(xiàn)得較為優(yōu)秀。通過引入分布式新安江模型，平臺來水預報平臺可以實現(xiàn) 7 d 以內的中短期來水預報，以此為基礎配合遠程會商機制，可以為水庫防洪及興利調度提供依據。

1.3 平臺亮點

1）先進的技術體系。平臺構建云容器技術（Kubernetes 框架）+ 微服務邊緣計算結合的技術體系，對洪水預報計算、興利調度模型、三維模型等多重業(yè)務利用云平臺進行統(tǒng)一調度管理，對監(jiān)測數(shù)據采集、預警信息發(fā)布、視圖圖像處理、泵站現(xiàn)地控制等輕業(yè)務采用微服務邊緣計算模式即可現(xiàn)地完成。技術體系的搭建確保在資源管理上既實現(xiàn)了對云計算的云存儲資源的自由配置、動態(tài)遷移和快速部署，也實現(xiàn)了對簡單業(yè)務的快速反應、及時處理。同時也為將來的多水庫聯(lián)合計算調度提供了基本的可能性。

圖 2 分布式新安江模型計算流程

信息平臺可根據運行狀況，對組件虛擬機的資源或數(shù)量進行自動彈性伸縮，縱向和橫向彈性擴展。云平臺與微服務邊緣計算技術的結合保證了平臺的高可用性、穩(wěn)定性、快速性。通過將中小型水庫基礎信息整理錄入后，就可利用本技術快速提供的云平臺服務，實現(xiàn)對工程動態(tài)接入管理，對外提供持續(xù)、可靠的多用戶工程群管理業(yè)務平臺服務。

2）全面的功能覆蓋。平臺采用監(jiān)測預報預警調度控制一體化集成技術，按照水利工程防洪、供水、灌溉、發(fā)電等多目標的管理需求、“看-知-管-用”四步的管理思路，建立運行管理安全管控平臺，解決傳統(tǒng)模式下人工運行管理的問題，實現(xiàn)中小型工程 365×24 h 的智能化安全運行管理。

應用衛(wèi)星遙感、大數(shù)據、無人機、地面監(jiān)測儀器“天-空-地”三位一體的監(jiān)測感知網，采集衛(wèi)星、航拍影像、視頻流、氣象雷達、雨量站降水、入庫流量、常規(guī)水質因子、大壩安全監(jiān)測、機組運行狀態(tài)等數(shù)據，構建工程保護范圍、樞紐建筑、關鍵設備的全方位透徹感知體系。以實時監(jiān)測數(shù)據為基礎，平臺進一步實現(xiàn)防洪調度、興利調度、指揮調度、維修養(yǎng)護及手機端應用功能，以自動化為主輔以人工會商，覆蓋水庫運行管理的各個方面。

3）自動化的預警體系。平臺通過人工巡查與儀器監(jiān)測的共同作用，全面捕捉各建筑物在水庫運行期大壩工情、視頻影像、水質信息、水雨情、泵機狀態(tài)等監(jiān)測信息動態(tài)，自動進行物理量換算并加以顯示。平臺將監(jiān)測值與專家設置的閾值進行對比，自動預警，省去人工比對分析，保障了預警的及時性。平臺通過對數(shù)據進行趨勢分析和加工清洗，結合歷史和區(qū)域資料，對數(shù)據進行深度挖掘，對可能發(fā)生的涉及洪水、樞紐建筑物及關鍵設備的安全險情啟動預警發(fā)布，通過無線、短信、廣播等多種形式通知相關責任人及受影響群體，形成高效的聯(lián)動預警發(fā)布機制。

4）科學的預報調度體系。平臺以分布式新安江模型為核心建立洪水預報平臺，可以生成實時洪水預警和洪水預報。與傳統(tǒng)的集總式新安江模型相比較，分布式新安江模型充分考慮了降雨、張力水蓄水容量，以及自由水蓄水容量在空間分布上的不均勻性，更為客觀準確，提高了產流計算的精度；將計算得到的各柵格產流量劃分為地表徑流、壤中流及地下徑流 3 種水源，再根據柵格間的匯流演算次序，利用擴散波匯流方法依次將各種水源演算至流域出口。在模型進行產匯流計算時，分布式新安江模型能夠同時考慮了柵格間的水量交換問題及河道排水網絡的影響，因而匯流計算精度更高。從吊洞水庫流域應用結果來看，分布式新安江模型對于洪峰誤差、徑流深誤差、峰現(xiàn)時差和過程擬合程度等方面都控制得非常好，尤其是徑流深誤差控制比集總式新安江模型要好。比較而言，分布式新安江模型能夠得到更高的模擬精度。

以此為基礎，結合分析泄水建筑物的泄洪能力，平臺可以自動生成實時閘門調度方案，也能進行特定起調水位和閘門開度下的模擬調洪計算，提供未來 24 h 的閘門調度建議。相比原初步設計的洪水調度原則，本平臺生成的調度方案充分考慮閘門運行實際情況，同時避開閘門振動區(qū)間，在洪水調度中盡量在一段時間內維持 1 個開度，避免頻繁操作閘門，最大化貼近閘門操作的實際需求。方案通過云平臺進行遠程專家組會商形成最終調度方案，最大限度保障防洪安全。

同時，平臺通過中長期來水預報，自動生成月供水計劃，并綜合分析庫前水文站采集的入庫及閘門、泵站、生態(tài)流量計采集的出庫流量數(shù)據，實時調整供水計劃，滿足用水戶隨機性用水的需求。平臺結合實時庫水位、動態(tài)供水計劃提供自動和人工計算 2 種供水方式。平臺通過日供水調度模塊可自動生成每天的各級泵站開機方案，提供開機臺數(shù)、運行時長等數(shù)據，顯示泵站提水情況，便于泵站供水的科學化調度，最大限度避免棄水。最終的供水計劃可以通過云平臺進行遠程專家組會商形成最終調度方案，平臺以控制泵站運行的方式實現(xiàn)調度方案。

2 試點建設情況

平臺以吊洞水庫作為試點建設，目前已全面建成并基本實現(xiàn)既定功能。

2.1 試點基本情況

吊洞水庫位于丹寨縣興仁鎮(zhèn)點烈村所在的河流擺泥河，屬長江流域沅江水系清水江一級支流。水庫工程主要任務以供水為主，兼顧灌溉等綜合利用，是丹寨縣城、金鐘工業(yè)供水和灌溉規(guī)劃的重要水源之一。水庫壩址以上集水面積為 119 km2，正常蓄水位為 742.0 m，相應庫容為 2 060 萬 m3，總庫容為 2 210 萬 m3，為 Ⅲ 等中型水庫，水庫年總可供水量為 3 865 萬 m3。水庫目前主要分為水源樞紐和供水工程（含輸水管線和泵站）。樞紐主要建筑物由碾壓砼拱壩、壩頂開敞式溢洪道、左岸壩身放空底孔、右岸取水口等建筑物組成。

2.2 試點建設成就

平臺在吊洞水庫試點運行后，通過信息化手段，可為吊洞水庫管理單位及主管部門節(jié)約大量人力、管理等成本，可減少約 70% 的水庫管理人員，并且對供水調度提供技術支撐，經科學調度后可增加供水等直接效益。通過對水庫運行管理各方面采集信息及預報信息的自動分析，提前預判設備運行狀況并對可能發(fā)生的故障提前預警，延長設備使用壽命，減少設備維修費用；通過精細化的水量預報調度，減少棄水，增加工程綜合供水效益。將中小型水庫的管理流程智慧化，實現(xiàn)中小型水庫運行全面管理，提升水庫管理水平。

3 結語

在總結前人研究的基礎上，抓住中小型水庫管理硬件明顯不足、運行管理能力薄弱問題，通過完善水庫的全面監(jiān)測感知，研發(fā)精確洪水預報、動態(tài)興利調度模型，建立應急預警，規(guī)范管理制度，以吊洞水庫為試點，搭建貴州省中小型水庫運行管理信息化平臺。該平臺內置調洪核心程序，實現(xiàn)自動調洪演算，提供閘門未來 24 h 調度建議；多種計算模型，提供閘門靈活調度建議；內置興利調度核心程序，實現(xiàn)實時演算；結合中長期來水預報與水庫實時情況，提供智能決策建議。通過建設平臺實現(xiàn)了水庫運行管理的安全可靠監(jiān)管、科學防洪調度、增強水庫效益、快速指揮調度，提升了運行管理水平，從而補齊水庫安全運行管理短板，最終實現(xiàn)中小型水庫運行管理智能化和水量調度精細化，充分發(fā)揮社會、經濟、環(huán)境效益，在貴州省內具有推廣價值。