林 芳 黃子航 陳鴻圖

（福州市水利局，福州 350007）

福州市地處東南沿海，地域特征明顯，境內(nèi)多山，河流眾多，水資源豐富但分配不均，水旱災(zāi)害頻發(fā)。2021年來，福州市遵循“開放應(yīng)用、整合通用、強化共用”原則，圍繞“市級部署、市縣共用”的目標，運用大數(shù)據(jù)、人工智能、數(shù)字孿生等新型技術(shù)手段，挖掘與分析水利行業(yè)信息，按照“兩中心、一張圖、兩平臺、N應(yīng)用”框架總體規(guī)劃，先急后緩，分期實施智慧水利平臺。2022年上線運行后，福州智慧水利平臺（一期）情況良好，基本實現(xiàn)數(shù)據(jù)集約化、管理數(shù)字化、決策智能化的建設(shè)目標。

1 建設(shè)背景

1.1 信息化建設(shè)現(xiàn)狀

福州市水雨情監(jiān)測站點超420處，共享視頻站點270處；依托福州市政務(wù)大數(shù)據(jù)等平臺，共享氣象、水文、生態(tài)等相關(guān)部門監(jiān)測站點334處；建成的政務(wù)網(wǎng)、政務(wù)外網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、聯(lián)通專線等網(wǎng)絡(luò)已覆蓋全市水利部門；建成的福州市山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)用于水利部門省市縣3級信息集中采集與交換；建成或部署業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)18個，其中市級6個、縣（區(qū)）級12個，主要集中在山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警、智慧河長、水土保持監(jiān)管、水雨情自動測報、水利智能可視化等方面。水利信息基礎(chǔ)設(shè)施、水利數(shù)據(jù)采集基本滿足了日常業(yè)務(wù)管理需要，水利感知體系、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)初具規(guī)模，為進一步提高全市水利信息化水平提供有利條件。

1.2 信息化建設(shè)短板與不足

目前，已建的各類水利信息化系統(tǒng)功能需求單一，應(yīng)用主要集中在采集、監(jiān)視、展示，系統(tǒng)集成與擴展性弱；系統(tǒng)間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)相對封閉，數(shù)據(jù)建設(shè)存在“建多用少”“一數(shù)多源”“數(shù)據(jù)沖突”等問題，數(shù)據(jù)共享難度大；站點布局不足，信息采集類別不全，全新感知技術(shù)應(yīng)用不足，全流域感知體系尚未建成；智能移動辦公服務(wù)欠缺，數(shù)字孿生等新技術(shù)應(yīng)用不足，水旱災(zāi)害防御、水資源管理與調(diào)配、水工程建設(shè)和運行管理、城鄉(xiāng)供水、水利監(jiān)督等智慧化水平較低。

1.3 智慧化建設(shè)需求

智慧化已成為水利行業(yè)發(fā)展水平的重要指標。福州市將“福州智慧水利”納入新型智慧城市標桿市建設(shè)清單，將“實施數(shù)字治水活動，構(gòu)建科學(xué)精準、智慧治理的水管理體系”納為“推進全域治水建設(shè)更加美好海濱山水城市的實施意見”主要任務(wù)。

2 建設(shè)思路

福州市響應(yīng)水利部智慧水利及數(shù)字孿生流域建設(shè)的具體舉措，按照“需求牽引、應(yīng)用至上、數(shù)字賦能、提升能力”總體要求，依托福州市時空信息公共服務(wù)平臺、福州市政務(wù)大數(shù)據(jù)平臺等“數(shù)字福州”建設(shè)成果，通過智能感知、基礎(chǔ)支撐、水利數(shù)據(jù)資源中心、數(shù)字孿生流域、智慧水利應(yīng)用、保障體系等主體建設(shè)成果，完善提升水利感知網(wǎng)和水利信息網(wǎng)，打造“兩中心、一張圖、兩平臺、N 應(yīng)用”支撐體系，實現(xiàn)水安全、水生態(tài)、水環(huán)境、水監(jiān)管等業(yè)務(wù)應(yīng)用，預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案“四預(yù)”功能，為新階段福州水利高質(zhì)量發(fā)展提供有力支撐和強力驅(qū)動（表1）。

表1 福州智慧水利主要場景建設(shè)（規(guī)劃）表

3 一期建設(shè)成果

福州智慧水利按照“市級統(tǒng)建、縣級創(chuàng)新，先急后緩、分步實施”的原則建設(shè)。目前，一期已上線運行，通過數(shù)據(jù)中心構(gòu)建、新技術(shù)應(yīng)用、模型構(gòu)筑，實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理集約化、災(zāi)害防御智能化，河湖治理數(shù)字化，為福州市全域治水提供有力支撐（圖1）。

圖1 福州智慧水利（一期）建設(shè)內(nèi)容

3.1 打造水利數(shù)據(jù)資源中心，實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理集約化

（1）海量數(shù)據(jù)融合共享。匯交省市縣3 級水利數(shù)據(jù)，氣象、水文、建設(shè)、生態(tài)、林業(yè)、國土等相關(guān)行業(yè)和社會數(shù)據(jù)。監(jiān)測站點接入總量835 個，數(shù)據(jù)共享接口總數(shù)52 個。建成監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫、元數(shù)據(jù)庫、業(yè)務(wù)主題數(shù)據(jù)庫等水利標準數(shù)據(jù)庫5個，錄入省市縣水利數(shù)據(jù)64 項、相關(guān)部門涉水數(shù)據(jù)13 項。通過數(shù)據(jù)的匯集、共享、交換，以及水利數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)資源目錄與大數(shù)據(jù)服務(wù)等，并運用量子云控技術(shù)，通過隨機密鑰，一次一密的方式，解決多源異構(gòu)數(shù)據(jù)接入管理、不同系統(tǒng)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通和泛在服務(wù)等問題，為跨層級、跨部門、跨業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)服務(wù)提供全生命周期管理和防護。

（2）多時空數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用。基于福州市時空信息公共服務(wù)平臺提供的基礎(chǔ)地理信息，萃取水利空間數(shù)據(jù)，利用大數(shù)據(jù)、遙感、云計算等技術(shù)手段，搭建水利“一張圖”（圖2）；接入福州市時空信息公共服務(wù)平臺三維建模數(shù)據(jù)、傾斜攝影數(shù)據(jù)，實現(xiàn)傾斜攝影成果、三維地表模型MPT 等三維數(shù)據(jù)與工程布置、管理范圍區(qū)等二維平面數(shù)據(jù)的在線疊加查看。水利“一張圖”具有多時空、多對象、多視角動態(tài)管理和綜合分析能力，解決海量數(shù)據(jù)分散、無序、不直觀等問題，展示全市超2 000個水利工程基礎(chǔ)信息、近百萬條水質(zhì)監(jiān)測、近千萬條水雨情等專題信息，以數(shù)據(jù)大屏形式為業(yè)務(wù)應(yīng)用提供快速、直觀、有效的信息服務(wù)。

圖2 水利“一張圖”功能架構(gòu)圖

3.2 運用專業(yè)模型和新技術(shù)，實現(xiàn)災(zāi)害防御智能化

（1）多階段預(yù)報預(yù)警?；跉庀蟛块T未來24 h 降水量格點預(yù)報數(shù)據(jù)、地形、地貌、人口分布、社會經(jīng)濟、歷史山洪災(zāi)害調(diào)查資料等，結(jié)合前期降水量、土壤含水量的影響，構(gòu)建24 h 動態(tài)氣象風(fēng)險預(yù)警模型（圖3）；并采用分布式水文模型，對永泰縣大樟溪、清涼溪、粗溪、富泉溪，福清市龍江，連江縣牛溪6條中小流域建模（圖4），根據(jù)24 h、6 h、3 h的氣象預(yù)警，進行多階段遞進預(yù)報預(yù)警。2305號臺風(fēng)“杜蘇芮”影響期間，生成山洪風(fēng)險預(yù)警報告41期，山洪災(zāi)害風(fēng)險專題服務(wù)497份，發(fā)送預(yù)警短信12 044條。

圖3 多階段漸進式預(yù)報預(yù)警體系

圖4 小流域面雨量界面

（2）實時高效監(jiān)測調(diào)度。集成福建省數(shù)字水安視頻一張網(wǎng)、閩江中心視頻平臺、鐵塔視頻監(jiān)控系統(tǒng)和永泰縣、福清市視頻平臺；運用北斗衛(wèi)星+4G 雙信道通信技術(shù)，對全市16座大中型水庫水雨情監(jiān)測站點進行提升改造，解決了監(jiān)測方式單一、監(jiān)測數(shù)據(jù)中斷等問題。臺風(fēng)“杜蘇芮”影響期間，依托福州智慧水利平臺，提前對溪源、白眉、界竹口3 座中型水庫預(yù)泄騰庫，分別騰出庫容553萬m3、252萬m3、2 211萬m3；跨區(qū)域協(xié)調(diào)大樟溪流域永泰縣界竹口水庫、莒口水閘與上游泉州涌口水庫聯(lián)合調(diào)度，預(yù)留1.2 億m3防洪庫容；調(diào)度東張、山仔、溪源等16 座大中型水庫，攔蓄雨洪7.19 億m3。山仔水庫、溪源水庫、白眉水庫削峰率分別達14.2%、80.1%、24.8%。

3.3 建設(shè)智能應(yīng)用系統(tǒng)，實現(xiàn)河湖管理數(shù)字化

（1）河湖管理常態(tài)高效。河湖長制系統(tǒng)（圖5）接入已建視頻站點，利用圖像處理技術(shù)、檢測技術(shù)和識別技術(shù)，通過視頻圖像特征分類學(xué)習(xí)、可擴展算法和圖像數(shù)據(jù)集，圍繞識別拋投垃圾、垃圾漂浮、倒排污水、區(qū)域入侵、“四亂”問題、水尺水位等河湖場景，集中處理、分析識別、報警預(yù)警、取證記錄；對接省級、縣級河湖長制平臺，e福州微信公眾號，福州市政務(wù)大數(shù)據(jù)，12314等平臺，實時共享相關(guān)數(shù)據(jù)和接受群眾監(jiān)督舉報。2022年12月以來，各級河長、河道專管員上線使用219 257人次，線上巡河累計45萬次，巡河發(fā)現(xiàn)問題2 352條，已辦結(jié)2 347條，辦結(jié)率為99.78%；接收公眾投訴建議問題212條，辦結(jié)率為100%，公眾滿意度100%。

圖5 河湖長制專題界面

（2）水政執(zhí)法精準規(guī)范。在閩江流域福州段的下游，新建前端視頻監(jiān)控站點，采用遠距離云臺監(jiān)控攝像機對監(jiān)控區(qū)域進行全覆蓋，24 h 監(jiān)控采集識別分析船舶特征、違法行為特征等，定位跟蹤和監(jiān)控記錄非法采砂船舶，解決判定人工化、遠程取證難等問題，實現(xiàn)7×24 h 智能視頻監(jiān)控自動取證（圖6）。2022 年12 月后，輔助開展涉水執(zhí)法行動1 100 余次，取締違法堆砂場6 處，查扣違法采砂船3 艘；運用水政執(zhí)法App 開展巡查297 人次，發(fā)現(xiàn)水政問題136 條，通過系統(tǒng)立案處理5起。

圖6 水政執(zhí)法專題界面

4 智慧水利建設(shè)尚需提升

福州智慧水利（一期）建設(shè)上線以來，依托常態(tài)化水工程調(diào)度指揮中心，取得了一定成效，但總體仍處于起步階段，在透徹感知、應(yīng)用場景、智能分析、整體協(xié)同等方面，還存在問題與不足。

（1）透徹感知不足。50 km2以上河流水文自動監(jiān)測設(shè)施僅為43%，沿河鄉(xiāng)鎮(zhèn)等重要區(qū)域未設(shè)立監(jiān)測站點，需新增山洪災(zāi)害監(jiān)測站點22個?！笆奈濉逼陂g，同時納入雨水情、大壩安全自動監(jiān)測建設(shè)的小型水庫有88座，單獨納入雨水情自動監(jiān)測建設(shè)的小型水庫62座，單獨納入安全大壩自動監(jiān)測建設(shè)的小型水庫38座。以流域為單元整體感知能力不足，多要素感知不足，北斗衛(wèi)星、測雨雷達、5G、無人機等新技術(shù)應(yīng)用尚在初步探索，水安全、水環(huán)境等涉水工程、河道工情自動智能監(jiān)測薄弱。

（2）應(yīng)用場景建設(shè)不足。水資源管理與調(diào)配、水利工程建設(shè)管理等應(yīng)用場景未建立，已建系統(tǒng)應(yīng)用模塊的鏈接大多僅實現(xiàn)了數(shù)據(jù)記錄管理和簡單的數(shù)據(jù)報表統(tǒng)計，缺乏有效業(yè)務(wù)流程管理和數(shù)據(jù)挖掘分析。流域防洪智慧化方面，山洪災(zāi)害風(fēng)險多階段分析、多渠道預(yù)警發(fā)布、公眾靶向預(yù)警功能還需提升；以流域為單元，水情測報和智能調(diào)度能力尚在初級階段。

（3）整體協(xié)同能力不足。全市建有信息化系統(tǒng)18個，主要滿足市、縣（區(qū)）本級業(yè)務(wù)和各業(yè)務(wù)處室的單一業(yè)務(wù)功能需求，數(shù)量多，但構(gòu)建分散，缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準格式與應(yīng)用架構(gòu)，數(shù)據(jù)有效共享共用率低。圖片、視頻、圖像等數(shù)據(jù)資源存儲能力不足，需求不同，匯聚共享利用率低。

5 對策與建議

（1）加強感知體系建設(shè)。以流域為單元，統(tǒng)籌規(guī)劃，補充水工程水情監(jiān)測，開展水位、流量、大壩安全等要素自動監(jiān)測，敏感河段、重點水域在線監(jiān)測，開展堤防安全監(jiān)測、水下地形測量。完善在建水工程建設(shè)全過程數(shù)據(jù)信息智能采集處理，補齊提升已建水利工程雨水情和安全監(jiān)測設(shè)施。加強雷達X 波段測面雨量、北斗堤防安全監(jiān)測、水下地形測量、無人機自動巡航等多種監(jiān)測手段和新一代通信技術(shù)的應(yīng)用。

（2）推進重要業(yè)務(wù)應(yīng)用場景建設(shè)。整合原各業(yè)務(wù)信息化管理系統(tǒng)，拓展延伸功能模塊，統(tǒng)一登錄入口。搭建水庫智慧化運行平臺，錄入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、跟蹤作業(yè)情況、上傳巡查記錄，通過物聯(lián)感知、數(shù)據(jù)分析、技術(shù)診斷、監(jiān)測預(yù)警，可視化展示水庫運行管理全過程數(shù)據(jù)。在河長制綜合管理系統(tǒng)基礎(chǔ)上，開發(fā)河湖治理線上考核模塊，融合河湖長制、水旱災(zāi)害防御工作考核內(nèi)容，建立全過程考核體系。加快推進水資源管理與調(diào)配、農(nóng)水農(nóng)電、水利工程建設(shè)和運行管理、干旱災(zāi)害防御等應(yīng)用場景建設(shè)，提升業(yè)務(wù)應(yīng)用水平。

（3）強化“四預(yù)”能力建設(shè)。提升山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警平臺“四預(yù)”功能，推動嶺里等水庫來水預(yù)報和調(diào)度模型建設(shè)，智能化提升改造庫、湖、閘、站等水系要素，對閩江、龍江、敖江流域進行全要素數(shù)字映射，完成閩江流域“一線多點”、龍江流域“一江四溪”、敖江流域“一線四庫”的數(shù)字孿生總體布局。

（4）提升協(xié)同共享能力建設(shè)。繼續(xù)推進縣區(qū)水利數(shù)據(jù)分中心建設(shè)，補充數(shù)據(jù)庫的歷史資料收集、整編和入庫應(yīng)用，完善數(shù)據(jù)更新機制。增加數(shù)據(jù)存儲和交換容量規(guī)模，完善備份及恢復(fù)系統(tǒng)。構(gòu)建視頻集控體系，加快相關(guān)圖片、視頻、圖像等數(shù)據(jù)資源存儲能力建設(shè)。深化量子密碼加密，對市縣節(jié)點中的傳輸層和相關(guān)應(yīng)用場景如水庫水閘控制、水庫大壩安全監(jiān)測等場景運用量子安全加密，確保數(shù)據(jù)傳輸存儲和工程運行安全。

6 結(jié) 語

智慧水利建設(shè)實施方案，以及數(shù)字孿生流域建設(shè)等系列文件，為智慧水利建設(shè)指明方向。福州市提出“推進全域治水建設(shè)更加美好海濱山水城市的實施意見”和“十四五”數(shù)字福州專項規(guī)劃，為福州智慧水利建設(shè)提出新的要求。下一步，福州智慧水利聚焦治理和監(jiān)管能力不足等短板，強化業(yè)務(wù)與信息技術(shù)深度融合，構(gòu)建科學(xué)精準、智慧治理的水管理體系，不斷推動水利事業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。