引黃供水工程中智慧水利體系構建與關鍵技術研究

李娜

（濟南市邢家渡引黃供水服務處）

1 引言

黃河是我國的母親河，以5464km的長度橫跨九個省（自治區(qū)），長度位居我國第二、世界前列，是我國華夏文明的主要發(fā)祥地，同時也灌溉了北方大部分地區(qū)，為沿河的居民創(chuàng)造了宜居的生存環(huán)境。進入新世紀以來，沿黃各省份紛紛開展引黃供水工程建設活動，以解決當地生產和生活用水問題，母親河再度扮演了重要角色。

如何提高引黃供水工程的綜合效益，很多學者開展了卓有成效的研究工作。基于模糊數學知識構建了引黃供水工程最優(yōu)方案[1]，從政府投資的角度分析了引黃供水工程所帶來的經濟效益[2]。隨著形勢的發(fā)展，在水利工程建設領域提出了“智慧水利體系”的概念，用于提升水利工程項目建設的智能化水平。結合四川省水力發(fā)電的實際需求，提出了構建智慧水利體系、提升水力發(fā)電效益的措施和方法[3]。結合山東省水利工程建設暴露出的問題，提出了利用智慧水利體系建設彌補傳統(tǒng)建設方法的缺陷的具體辦法[4]。目前，關于在引黃供水工程項目建設過程中如何實行智慧水利體系的研究成果不多。

作者結合智慧水利的內涵和特征，結合引黃供水工程項目建設，研究了智慧水利體系建設的基本方法。

2 智慧水利的內涵和特征

智慧水利是一個不斷發(fā)展變化的概念，當前所謂的“智慧水利”，主要是利用各種智能化的軟件處理方法和智能化的硬件相配合，共同實現水利信息的獲取、分析、水力資源的調配、水澇災害的預防和防治、水生態(tài)環(huán)境的監(jiān)督與管理等。具體來說，智慧水利主要有以下幾種基本特征。

2.1 全方位感知水利全要素信息

傳統(tǒng)上，主要是通過設置各種水文站點的方式來感知水利信息的要素，這種方法具有投資大、信息掌握不全面、占用人力資源過多等局限性。隨著智能化信息獲取技術手段的出現，智慧水利體系可以調動資源觀測衛(wèi)星、無人機、無人船等多種裝備，利用視頻、聲波等信息獲取手段，從不同方位對自然水和社會水循環(huán)的指標要素進行全天候不間斷的監(jiān)測，從而獲得大量的、綜合性的信息，再輔助以大數據、圖像識別等現代化的智能處理手段進行信息分析和挖掘，從而獲得對水利全要素信息的全面掌握。

2.2 建立智能平臺實現信息的全域傳播

網絡技術是信息化技術的核心，也是智慧水利體系的信息傳遞樞紐。各種傳感器和智能化、無人化裝備采集到的數據，具有比特量大、實時性強、快速傳輸要求高的特點，因此需要建設大帶寬網絡來傳遞信息，實現多種智能平臺的互聯互通，真正實現水利管理的智能化建設要求。

2.3 發(fā)揮情景式態(tài)勢智能感知和推演功能

智慧水利體系的構建，最主要的目的適用于洪澇災害的防治和水力資源的動態(tài)調動，實現造福人民生活的宏偉目標。因此，智慧水利體系中必須要包括情景式態(tài)勢感知和推演模塊，利用動畫模擬、情景交互等技術實現江河湖海和各級水庫的水位變化情況動態(tài)演示，必要時可以實現水力資源調配之后的洪澇災害態(tài)勢變化的動態(tài)演示和在線推演，為洪澇災害治理提供智能化的信息參考。

3 構建智慧水利體系的基本方法

智慧水利體系的構建，既離不開現代化信息技術發(fā)展做支撐，同時也需要靈活合理的管理制度來確保體系效果的充分實現，更需要提高管理人員綜合素質，確保水利體系管理得法、應用合理，能夠發(fā)揮出最大的效益。構建智慧水利體系，主要有幾下幾種基本方法。

1）基于信息化技術，分層構建智慧水利體系實現的物理基礎

智慧水利體系的作用主要用來監(jiān)測河流水庫的水位和流量，以及在線實時評估云、雨和洪水的數據。在引黃供水工程中，當水流水量超過水位預警時，智慧水利體系就會給出報警信號，同時及時預測云雨量變化情況，及時給出防洪或者防澇指導意見。因此，在智慧水利體系建設過程中，需要利用各種水位和流量傳感器在線監(jiān)測水位流量變化情況，同時調動資源觀測衛(wèi)星、無人機、無人船等多種裝備對水位和流量變化情況進行實時、在線、全方位、多維度的觀測，將這些數據通過互聯網進行收集，匯總起來之后利用大數據、機器學習、深度學習等智能化的算法進行信息挖掘和規(guī)律分析，為水情、雨情的變化做出判斷和預測。同時，還需要結合流體力學的相關知識建立數學模型，為河道演進情況和水位變化趨勢進行在線推演，為管理人員做出科學決策提供參考。智慧水利體系的物理基礎如圖1所示。

2）基于冗余備份思維，建立數據異地備災和調用系統(tǒng)

智慧水利體系在實際運行過程中，會產生很多數據，這些數據的安全存儲是一個很重要的問題。引黃供水工程，由于黃河跨越的省份較多，開展引黃供水工程的城市也較多，因此有必要在這些數據安全存儲的基礎上實現信息共享。智慧水利體系能夠實現多節(jié)點之間的并聯運算，因此在實際運行過程中，有條件的城市可以在較為安全的地區(qū)設置備份服務器，與主服務器并行工作。當主服務器出現運行不穩(wěn)定或者出現故障時，備份服務器自動啟動數據備份和存儲功能，實現對數據的冗余備份存儲，方便后續(xù)查詢、分析和調用，尤其是當自然災害發(fā)生時，多個服務器增加了數據的安全性。另外，通過專用網絡建設，可以實現引黃供水工程相關城市之間的信息共享，尤其是黃河上中下游城市之間水位、流量信息的互聯互通，不僅有助于提升引黃供水工程對城市供水的穩(wěn)定覆蓋能力，還具有一定的科研價值。

3）基于氣象水文信息融合，破解智慧水利體系建設關鍵技術

進行智慧水利體系的建設，離不開氣象水文信息的支撐。智慧水利體系建設的關鍵技術，主要包括融合時空信息的氣象水文監(jiān)測、情景式洪水態(tài)勢預測與推演等。融合時空信息的氣象水文監(jiān)測，需要利用數據融合技術（包括粒計算、關聯計算等）實現多維數據的融合。數據融合后利用隨機森林模型分析數據之間的關系，利用網格計算技術實現數據變化規(guī)律的快速統(tǒng)計，利用網絡實現信息的傳遞、共享，利用云存儲實現數據在服務器上的快速讀入與讀出。情景式洪水態(tài)勢預測與推薦，需要利用時間序列預測技術實現對氣象水文變化態(tài)勢的準確預報，結合流體力學、水文歷史記錄數據等分析態(tài)勢演變過程，利用3D建模技術對這一演化過程進行動態(tài)化演示，有條件的單位可以利用VR技術實現防洪力量與洪澇災害發(fā)展趨勢的動態(tài)互動，從而為決策提供信息支撐。

4）基于素質能力提升，建立與智慧水利相配套的制度與人才體系

圖1 引黃供水工程智慧水利體系物理結構

科學合理的制度是確保智慧水利體系發(fā)揮最大綜合效益的有力保障，人才更是智慧水利體系的基礎支撐力量。因此，在進行智慧水利體系建設過程中，必須要重視制度建設和人才儲備建設。制度上，應該建立更加靈活可靠的資源調動機制，當發(fā)生事故時，相應的現場工作人員有緊急情況報送途徑，同時可以根據實際情況及時對資源進行調動并事后備案，減少審批流程。日常工作過程中，需要加強對智慧水利體系運行情況的巡檢巡查，發(fā)現問題之后要第一時間進行上報，并做好日常維護保養(yǎng)工作，確保智慧水利體系始終運行在良好的工作狀態(tài)。智慧水利體系的管理和操作人員，必須要具備一定的互聯網和大數據相關知識，對于基本的操作技能必須掌握，同時還需要具有數據分析和判讀能力，能夠給出基本的水流量分析報告。智能水利體系需要進行定期的升級，同時每次升級之后需要對相關人員進行教育和培訓，確保一線工作人員能夠掌握最新的系統(tǒng)使用方法。

4 結語

引黃供水工程是造福當代、福澤千秋的偉大工程，在實際運行維護過程中需要運用智能化的手段和方法來減少人員投入，一方面提升工作效率和自動化水平，另一方面有助于降低工程運行成本。作者結合智慧水利的內涵和特征，提出了構建智慧水利體系的基本方法，既包括通過技術途徑搭建物理基礎，也包括利用冗余備份思維提升數據安全，更包括制度機制和人才儲備，相關成果具有一定的可實施性，并且經過工程實踐證明了其有效性。