物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水庫管理中的應(yīng)用研究

洪衛(wèi)華，邵卓偉

1.中國鐵塔股份有限公司衢州市分公司；2.中國鐵塔股份有限公司舟山市分公司

近幾年來，水庫管理事業(yè)進入新的發(fā)展階段，浙江省水利數(shù)字化發(fā)展“十四五”規(guī)劃明確提出“構(gòu)建統(tǒng)一的水利感知物聯(lián)網(wǎng)平臺，以實現(xiàn)重要水利感知設(shè)施智能化管理”，2021年下發(fā)《關(guān)于數(shù)字水庫試點建設(shè)要點》，提出要加強感知體系建設(shè)，其中包括數(shù)據(jù)感知設(shè)備、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)傳輸及數(shù)據(jù)存儲等數(shù)據(jù)匯集過程。需加快水庫信息化的建設(shè)，已成為提升水庫管理現(xiàn)代化的重要途徑。目前水庫管理信息化建設(shè)中存在著監(jiān)測自動化程度低、傳輸網(wǎng)覆蓋不足等問題。不能適應(yīng)水庫高質(zhì)量管理的需要，而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)和逐步成熟為水庫管理信息化發(fā)展帶來了新的機遇。

一、水庫管理信息化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀調(diào)查

（一）水庫管理信息網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面迅速擴大

近幾年，水庫管理信息化網(wǎng)絡(luò)建設(shè)有了長足的發(fā)展。國防部、江委、省政府、省政府、省氣象局、省水文氣象局等有關(guān)信息網(wǎng)絡(luò)正在逐步完善，從而發(fā)揮其效益，為實現(xiàn)數(shù)據(jù)圖像網(wǎng)絡(luò)傳輸和“三網(wǎng)合一”奠定了基礎(chǔ)[1]。

（二）信息存儲服務(wù)能力不斷提高

其配備了水庫管理設(shè)施的庫容有了顯著提高。以湖南省為例，水庫管理廳效益綜合數(shù)據(jù)庫一期工程數(shù)據(jù)包括1萬多個大、中、小型水庫，其中有135個海域大型電力排水系統(tǒng)，256個大堤等技術(shù)資料。大中型灌區(qū)及各類水庫管理實時水文氣象資料、統(tǒng)計資料和報表等，其建立了全省水庫管理信息資源統(tǒng)一規(guī)范的數(shù)據(jù)中心平臺[2]。

（三）新的感知信息技術(shù)應(yīng)用逐漸擴大

在災(zāi)害性天氣預(yù)報和水旱災(zāi)害監(jiān)測中，遙感技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。在防汛抗旱工作中，視頻傳輸技術(shù)起著咨詢、訂購、發(fā)送等重要作用。可視化技術(shù)正逐漸為人們所采用，而越來越多的流域和水體的模擬與管理以及越來越多的數(shù)學(xué)模型。

（四）水庫管理業(yè)務(wù)支持應(yīng)用顯著加強

已有多種水庫管理系統(tǒng)投入使用，覆蓋水庫管理運行的各個方面。尤其在防汛抗旱體系建設(shè)方面發(fā)展很快：為防范汛抗旱咨詢系統(tǒng)、防汛抗旱報告系統(tǒng)、防汛地理信息系統(tǒng)，其先后部署了山區(qū)人口災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)和防汛抗旱系統(tǒng)。同時為各級政府及時了解防汛形勢、科學(xué)決策提供了較好的平臺，在抗災(zāi)救災(zāi)中發(fā)揮了重要作用[3]。

二、目前水庫管理信息化存在的困難

我國多數(shù)中小型水庫、山塘建于20世紀50-70年代，其管理監(jiān)測自動化水平較低。但由于地理位置偏僻，傳輸網(wǎng)覆蓋困難，通信能力差，電力供應(yīng)困難，信息化管理建設(shè)成本相對較高。以浙江省衢州市為例，全市共448座小型水庫，水雨情遙測覆蓋率58.7%，大壩安全監(jiān)測覆蓋率僅14%，視頻監(jiān)控覆蓋率僅29%，巡查責任人基本為當?shù)卮迕瘛Ｈ粘ｐB(yǎng)護僅限于雜草清理和設(shè)施維護，每座小型水庫年預(yù)算保障額度不到2萬元，安全運營管理問題突出。尤其在臺風(fēng)暴雨等惡劣天氣期間無法實時獲取安全信息，難以對庫容調(diào)度管理作出精準決策。

與此同時，由于分散式的行政管理，水庫管理的信息資源分布在不同的責任部門，其形成了一大批信息孤島。信息基礎(chǔ)設(shè)施和共享機制不協(xié)調(diào)，信息開發(fā)和充分利用能力低，使有限的信息資源無法成為可共享的、可利用的、高效率的公共資源。

三、水庫管理中的信息化技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比，物聯(lián)網(wǎng)具有突出的技術(shù)優(yōu)勢和適用場景。第一，各種傳感器技術(shù)的廣泛應(yīng)用，而每一個傳感器都是信息的來源。各類傳感器采集的信息內(nèi)容和格式各不相同，它們定期根據(jù)特定頻率實時收集環(huán)境信息，并不斷更新數(shù)據(jù)。第二，基于公用移動通信網(wǎng)絡(luò)或光纖網(wǎng)，與因特網(wǎng)相結(jié)合，能夠?qū)崟r、準確地傳輸物體的信息。為確保數(shù)據(jù)準確、及時，必須適應(yīng)各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議，物聯(lián)網(wǎng)不僅實現(xiàn)了傳感器的互聯(lián)，而且還提供了智能處理能力，物聯(lián)網(wǎng)將傳感器與智能處理相結(jié)合，其利用云計算、模式識別等智能技術(shù)，擴大其應(yīng)用范圍，以滿足不同用戶的需求，探索新的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用模式。

（一）物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的演變過程

“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，是利用射頻測量(RFID)、紅外線傳感器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描儀等信息傳感器，按照約定的協(xié)議，并將每個物體連接到因特網(wǎng)上，進行信息交換和通信的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)誕生于1999年，2005-2009年流行，“物聯(lián)網(wǎng)”一詞已被國內(nèi)外廣泛接受。在國際電信聯(lián)盟(ITU)2005年發(fā)表的報告中，物聯(lián)網(wǎng)的定義和范圍已經(jīng)改變，其覆蓋面也大幅度擴大。自從2009年8月提出“感知中國”以來，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)正式被列入中國五大新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)。并被寫入政府報告，引起了中國社會的廣泛關(guān)注。

（二）物聯(lián)網(wǎng)與水庫管理系統(tǒng)的結(jié)合

現(xiàn)代水庫管理系統(tǒng)，早已廣泛應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，其運用雨量計、水位計、蒸發(fā)計、土壤濕度監(jiān)測、泥石流、干旱預(yù)警等物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測設(shè)備，以實現(xiàn)各種類型水庫管理信息的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化，使傳統(tǒng)的水庫管理向現(xiàn)代化、可持續(xù)發(fā)展的管理轉(zhuǎn)變。其中主要結(jié)合點包括：

水資源調(diào)節(jié)：可通過閘門、水泵、閥門等設(shè)施控制水庫、河流流量和供水管網(wǎng)，在汛期和缺水期進行水資源調(diào)節(jié)；

儲水設(shè)施監(jiān)測：通過位移、滲漏、裂縫、應(yīng)力等傳感器。應(yīng)用于水旱預(yù)警、水環(huán)境監(jiān)測、水庫運行監(jiān)測和水資源調(diào)度等資源管理熱點問題[4]。

感應(yīng)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)：采用QR碼、RFID和傳感器來實現(xiàn)對“物體”的檢測。主要有雨情監(jiān)測、水庫管理工程監(jiān)測、水質(zhì)監(jiān)測、水土保持監(jiān)測等。

四、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水庫調(diào)度管理中的應(yīng)用

（一）物聯(lián)網(wǎng)在智能儲水管理的應(yīng)用

現(xiàn)階段，物聯(lián)網(wǎng)在水庫儲水管理中的應(yīng)用已經(jīng)初具規(guī)模。水利部門以傳感器網(wǎng)絡(luò)為支撐，且開發(fā)了智能水資源管理平臺。為儲水管理的決策輔助、自動化作業(yè)等提供了有力的支撐。

系統(tǒng)其中包含通用操作系統(tǒng)、咨詢與決策支持系統(tǒng)等功能模塊，擁有水文自動預(yù)報、供水監(jiān)測、山洪災(zāi)害預(yù)警、水管理工程基礎(chǔ)信息管理、水環(huán)境監(jiān)測等子系統(tǒng)。以此實現(xiàn)智能化感知、部署和管理，可顯著提升水資源管理和水生態(tài)環(huán)境管理的信息化和智能化水平。

（二）物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水庫大壩安全防控的應(yīng)用

常規(guī)大壩安全監(jiān)測手段，是采用人工觀測浸潤線的各點滲流水位，并進行壩體浸潤線的安全分析。以無線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為平臺的水庫大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)，運用智能化檢測儀器。以及數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)的"無線網(wǎng)絡(luò)"等技術(shù)，從環(huán)境感知、工程感知、控運感知三個方面進行安全監(jiān)測，需結(jié)合大數(shù)據(jù)分析，對壩體的安全狀況進行實時監(jiān)管，有效提高水庫大壩的管理效率，減少人工巡檢，節(jié)省人力物力。

此外，安全監(jiān)測系統(tǒng)基于數(shù)據(jù)庫的WEB技術(shù)和野外太陽能后備電源為基礎(chǔ)，使所建設(shè)的水庫大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)達到無線、網(wǎng)絡(luò)化，并通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享，可以實現(xiàn)全天候24小時實時監(jiān)測，及時掌握水庫大壩情況，可保障人們生命財產(chǎn)安全。

（三）物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在地方政府防汛管理中的應(yīng)用-浙江舟山山塘水位監(jiān)測系統(tǒng)

舟山地處沿海，臺風(fēng)強、梅雨多、雨量大，水文業(yè)態(tài)多樣，水利和防汛、防臺等工作一直面臨嚴峻挑戰(zhàn)。山塘通常為地處比較偏遠的小型水庫。通常情況下不通電、不通網(wǎng)，采用數(shù)字化、智能化管理在建設(shè)成本上壓力比較大，其存在一定困難，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)則可以在山塘管理上發(fā)揮立竿見影的效果。舟山水利部門將山塘水位“溢洪”作為重點管理監(jiān)測的核心數(shù)據(jù)，可通過低成本采用太陽能+4G物聯(lián)網(wǎng)+超聲波的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)水位的數(shù)據(jù)實時采樣回傳，并依托后端的智能分析平臺，以實現(xiàn)水位即將溢洪情況下提前預(yù)警和派單，低功耗、低網(wǎng)絡(luò)流量的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)揮了關(guān)鍵性的作用，后續(xù)也在探索通過現(xiàn)場雨量計、溢洪口流速等這些物聯(lián)網(wǎng)感知設(shè)備，需結(jié)合當?shù)貧庀髷?shù)據(jù)，提前預(yù)判水位超警戒情況，給當?shù)毓芾聿块T提供險情處理決策依據(jù)。

建設(shè)山塘水位監(jiān)測系統(tǒng)，低成本、高成效地完成所有山塘全面覆蓋，是舟山水利在全省數(shù)字化改革中，并按照“大場景、小切口”的思路，急用先行拿出的看得見、摸得著的成果，解決了實際問題，提高老百姓的獲得感，也是“我為群眾辦實事”的一次成功實踐。

五、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水庫管理領(lǐng)域的應(yīng)用前景

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可有效解決水庫人工養(yǎng)護水平低下、自動化監(jiān)測程度低、成本預(yù)算保障不足等管理難題。預(yù)計物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將在防洪管理、水資源管理、水生態(tài)監(jiān)測等領(lǐng)域發(fā)揮更大作用。基于水資源調(diào)控、水生態(tài)監(jiān)測和水庫管理設(shè)施監(jiān)測的應(yīng)用將日益廣泛，將全面提高水資源管理和防汛抗旱決策的信息化、智能化水平。

六、結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，為我們開啟了解決水庫管理難題的新路徑，并與各項其他信息技術(shù)的綜合運用，使水庫管理工作更加智能、高效。與此同時，新技術(shù)的可靠性、穩(wěn)定性和安全性也應(yīng)在選用中加以充分考慮，因此，必須加強知識庫建設(shè)，做好信息共享，統(tǒng)籌運用好管理機制與先進技術(shù)。在實踐中提升對新技術(shù)可靠性的認知，可提升效益規(guī)避風(fēng)險，推動水庫管理工作健康、有序地發(fā)展提升。