中小型水庫數(shù)字孿生關鍵技術應用探討

蔣志彥

（永州市水利水電勘測設計院，湖南 永州 425000）

前 言

水庫是蓄水之盆，具有保糧食安全、防洪安全、供水安全、生態(tài)安全等重要功能，是實現(xiàn)經濟高質量發(fā)展、滿足人民群眾對美好生活需要的重要基礎設施。據2019年統(tǒng)計數(shù)據，全國約有中小型水庫9.74 萬座。“十一五”以來，國家投入大量資金在全國范圍內開展了病險水庫除險加固，大部分水庫病險問題得到有效整治，使水庫綜合效益得到充分發(fā)揮。特別是“十三五”以來，在習近平總書記“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”新時代治水思路指引下，國家進一步加大了水庫除險加固投入，并對水庫信息化工程建設及運行管理做了硬性要求，取得了明顯實效。

為推進新時代水利改革發(fā)展，積極踐行習近平總書記“十六字”治水方針，從2019 年開始，水利部將工作重心轉到補齊水利工程短板、加強水利行業(yè)監(jiān)管等工作方面來。特別是要求補齊水利信息化方面的短板；強化了對水資源的監(jiān)管，嚴格落實節(jié)水優(yōu)先、以水定需的工作方針，對水資源進行最嚴格的管理，在水資源的開發(fā)、利用、配置、節(jié)約、保護、調配等各個環(huán)節(jié)進行全面全過程監(jiān)管，加強水文水資源監(jiān)測；加強以中小型水庫為重點的水利工程監(jiān)管，強化了中小型水庫調度運用方案、應急預案和雨水情測報等三個重點環(huán)節(jié)的管理。

中小型水庫在灌溉、防洪、城鄉(xiāng)供水等方面發(fā)揮了重要作用，特別是在農業(yè)灌溉方面，有效地保障了我國糧食生產安全，但目前因管護資金和人力短缺等原因，對中小型水庫調度與管理不夠科學精準，大部分小型水庫的水資源管理處于無序狀態(tài)，汛期為保防洪安全要求，水庫直接泄水，能泄盡泄，造成汛末很多水庫蓄水量未達正常庫容，用水高峰到達后不久水庫便見底，管理相對粗放，沒有做到精準按需放水、取水。造成這種局面的主要原因是對水庫的來水量和用水量缺乏精準預測，在水庫水資源的管理和調度上不夠科學、精準，沒有充分利用好水庫的調蓄功能。這在2022 年特大干旱的湖南顯得十分明顯：管理科學的水庫，可大大減緩旱情發(fā)展速度和干旱對灌溉區(qū)域所造成的影響，確保農作物的收成；管理不到位或沒有科學調度管理的水庫，在晴熱天氣持續(xù)不到一個月的時間水庫就見底，農作物絕收，關鍵時候水庫的蓄水灌溉作用沒有得到充分發(fā)揮。

經過多年的水庫除險加固工程建設，切實保障了全國中小型水庫安全、可靠運行，有效發(fā)揮了中小型水庫的灌溉、防洪等作用，成效十分明顯。近兩年以來正在建設中小型水庫的雨水情測報系統(tǒng)和大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)，并將雨水情數(shù)據接入省級水庫信息管理系統(tǒng)，但由于各縣區(qū)人員與技術力量的限制，對中小型水庫雨水情監(jiān)測數(shù)據，特別是視頻畫面、數(shù)據等無法實時通過數(shù)據預判、評估，無法科學精準判斷水庫的來水量和水位上升趨勢，無法科學調度水庫水位（水量）。

因此，加強對中小型水庫的大壩安全管理和水資源調度與管理顯得十分重要，研究利用數(shù)字孿生關鍵技術應用于中小型水庫智慧管理，可以大幅提高中小型水庫大壩安全在線監(jiān)測和水庫水資源科學管理水平，可以進一步挖掘中小型水庫的社會效益與經濟效益，推動我國水利事業(yè)的高質量發(fā)展。

1 水庫數(shù)字孿生關鍵技術在國內的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

進入“十四五”期間，為踐行習近平總書記“十六字”治水思路，水利部印發(fā)了關于智慧水利建設方面上層構架文件[2～5]，各省也配套出臺相關配套文件[6]，規(guī)劃建設具有預報、預警、預演、預案的新時代智慧水利體系，推動我國水利事業(yè)的高質量發(fā)展。

我國正在全面開展數(shù)字孿生流域關鍵技術的研究，湖南省正在開展灌區(qū)數(shù)字孿生關鍵技術研究，“中小型水庫數(shù)字孿生關鍵技術研究”目前還未立項，未進行系統(tǒng)的研究。根據國家和湖南省推進智慧水利建設實施方案等相關文件要求，數(shù)字孿生技術在中小型水庫安全管理和水資源調度與管理方面的應用是智慧水利建設不可或缺的技術，是智慧水利發(fā)展的必然趨勢，是水利行業(yè)適應國家高質量發(fā)展的必然要求。

利用數(shù)字孿生技術對中小型水庫進行科學精準管理，可大大提高中小型水庫調度運行的科學性和精準性，可以有效推動新時代水利事業(yè)的高質量發(fā)展。

2 主要研究內容和目標

孿生技術在中小型水庫管理中應用是必然趨勢，它將助推我國中小型水庫水資源和水庫大壩安全生產管理水平的提高，使水庫的功能效益得以提升，中小型水庫的庫容有效利用率得以增加。

2.1 研究中小型水庫水資源智慧調度與管理系統(tǒng)

根據區(qū)域內歷年水文、氣象及其預報資料和水庫歷年的運行管理資料開發(fā)中小型水庫水文預報模型；利用當?shù)貧v年水文、氣象及其預報、灌區(qū)農作物的類別及分布、墑情、供水區(qū)的用水時空分布、其他骨干水源來水等數(shù)據資料開發(fā)中小型水庫的用水預報模型；根據中小型水庫的規(guī)模任務和特點，利用水庫水文預報和用水預報數(shù)據開發(fā)水庫水資源調度管理模型。利用近、中、遠期的氣象預報等數(shù)據，通過水文預報和用水預報模型分析計算水庫未來一段時間內水庫來水量和用（需）水量；利用水庫水資源管理模型對水庫放水實施精準調度，按需調整供水量，并精準預測水庫水位和蓄水量的變化趨勢。在確保水庫安全運行的前提下，這樣既能保證水庫水資源的科學合理利用、發(fā)揮水庫的最大效益，又可為中小型水庫安全運行提供科學管理依據，確保水庫灌溉、防洪保安、供水效益最大化，確保灌區(qū)糧食生產安全，保障水庫安全運行。

2.2 研究中小型水庫大壩安全自動監(jiān)測預警系統(tǒng)，建立安全監(jiān)測模型

在中小型水庫已有雨水情測報和大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)基礎上，建設水庫大壩安全監(jiān)測模型，根據水庫集水區(qū)的降水量、庫水位、大壩滲流、滲壓、位移、變形等數(shù)據實時存儲、分析計算和預測其數(shù)據變化的趨勢、評估大壩的安全狀態(tài)，為水庫運行維護管理提供準確、可靠的數(shù)據支撐。實時通過水庫管理平臺、手機移動APP 平臺語音、短信預警水庫的安全隱患，自動響應相應的應急預案，為水庫的應急管理提供科學有效的決策依據，為后續(xù)安全隱患分析、大壩除險加固、維護方案提供真實可靠的基礎數(shù)據。

2.3 研究中小型水庫可靠的自動控水系統(tǒng)

目前中小型水庫大部分采用臥管放水，放水口基本采用木頭、拍門、閥門、閘門等控水裝置，且絕大部分是采用人工手動操作方式，管水控水設施非常原始，部分采用人工現(xiàn)場手電動操作方式。若要實時精準調度好每個水庫的水資源，需要人工頻繁地操作，運行管理工作量大，需要值守人員多，運行維護費高，運行管理不安全。中小型水庫現(xiàn)行傳統(tǒng)的管理模式很難做到精確管水控水，是造成中小型水庫水資源浪費的主要原因。

研究并應用安全可靠的自動控水系統(tǒng)，以徹底解決目前純靠人工控水的方式，是解決上述問題的有效途徑。根據水文預報模型、用水預報模型預測水庫來水、需水、庫水位等，利用水庫水資源管理模型實時對水庫放水進行實時調節(jié)與控制，達到精準按需放水，充分、高效利用水資源，發(fā)揮水庫最大的效益。

2.4 研究中小型水庫數(shù)字化可持續(xù)發(fā)展方式

全國中小型水庫近10 萬座，點多面廣，每年對中小型水庫的基本管護資金數(shù)額巨大，全國各地由于基本管護資金不到位，部分小型水庫管護處于失控狀態(tài)。隨著雨水情測報和大壩安全監(jiān)測設施等信息化設施的投運，這些設施大部分是電子設備，且長期處于室外的工作環(huán)境，隨著投運時間的增加，信息化設備需要專業(yè)技術力量的維護，需要有專門的維護資金作為保障，否則水利信息化將無法可持續(xù)發(fā)展。研究利用新能源技術解決中小型水庫信息化設施管護資金不足、管護不到位的問題，實現(xiàn)中小型數(shù)字水庫可持續(xù)發(fā)展，勢在必行。

3 主要技術路線研究與創(chuàng)新

水庫數(shù)字孿生關鍵技術主要利用新一代信息技術與水利技術的深度融合，強化數(shù)字孿生、大數(shù)據、人工智能、區(qū)塊鏈等技術在水利工程技術中的應用，建立中小型水庫水文預報模型、用水預報模型、水庫水資源調度管理模型及水庫安全監(jiān)測模型；利用現(xiàn)代化控制技術實現(xiàn)水庫的自動控水，利用新能源技術解決水庫信息化供電容量及管護資金不足、管護不到位的問題。科學、精準預測水庫近、中、遠期來水，合理調度水庫，并根據水庫可供水量進行分析計算，實時調整水庫供水量，科學高效管理水庫水資源，確保水庫安全，主要從以下幾方面進行創(chuàng)新：

1）科學、精準預測中小型水庫近、中、遠期來水量，自動對水庫進行調洪計算并進行調度，實時評估水庫的安全狀態(tài)。

2）科學、精準預測中小型水庫供水區(qū)域近、中、長期需水量，通過實時分析計算、自動動態(tài)調整水庫供水量，確保水庫水源的高效利用，解決水庫水資源管理無序狀態(tài)。

3）建設中小型水庫安全監(jiān)測平臺，實時監(jiān)測、評估大壩的安全性態(tài)，自動提供應急預案，并為安全隱患分析、大壩除險加固、維護方案提供數(shù)據依據。

4）利用新能源等技術解決數(shù)字水庫可持續(xù)發(fā)展中存在的運行維護資金不足問題。

4 結 語

中小型水庫數(shù)字孿生關鍵技術可為智慧水利建設提供技術成果支撐。中小型水庫數(shù)字孿生關鍵技術應用可實現(xiàn)中小型水庫的全過程智能化管理，實現(xiàn)中小型水庫科學、精準蓄水、用水，確保水庫水資源的高效利用，提高我國中小型水庫的灌溉、防洪和供水效益，保障糧食生產安全，在應對全球氣候變暖導致極端氣候頻發(fā)對農業(yè)生產的影響方面發(fā)揮重要作用，進一步提高中小型水庫在國民經濟高質量發(fā)展中的作用。中小型水庫數(shù)字孿生關鍵技術應用可破解目前我國中小型水庫管護人員不足、管護經費缺乏、日常管護不精準、不到位等難題，可有效促進水利基礎設施的建設，實現(xiàn)數(shù)字孿生水利建設投入的良性循環(huán)。中小型水庫數(shù)字孿生關鍵技術的應用可提高水庫水資源調度與管理及大壩安全運行管理水平，增加中小型水庫的庫容有效利用率，具有明顯的社會、經濟、生態(tài)效益。