基于信息技術的水利工程建設管理分析

姚黨照

（中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222）

1 引言

水是寶貴的清潔能源，從綠色可持續發展角度來看，不斷提高水資源的利用率是從業者必須長期堅持的工作理念。 若要真正實現上述目標，可在建設、運用、維護水利工程時廣泛應用信息技術， 最終達到水利信息充分共享、 水資源高效利用、從根本上提高防汛能力的目的。

2 信息技術應用于水利工程建設管理的目標

2.1 3 個階段目標

信息技術應用于水利工程建設管理的目標可分為3 個階段。

1）近期目標。 不斷提高水利信息資源的開發利用程度，完成水利信息網絡、水利數據中心及安全保障體系的建設[1]。

2）中期目標。 初步形成水利信息化綜合管理機制，最終達到 “有效解決信息資源不足及水利資源共享困難問題” 的目的。

3）遠期目標。 提供滿足水利工程建設管理、水力資源信息共享應用等基本業務需求的信息服務， 提高與水有關的行政管理效率，完成水利信息化的建設。 水利信息化涉及水利信息的采集、傳輸、存儲、處理、服務，核心目的是全方位提高水利事業的活動效率效能。

2.2 由水引發的問題及水利信息化發展的必要性

規劃建設及應用水利工程設施的目的是解決自古以來由水引發的問題。 具體來說：其一，江河湖泊等水流域經常出現的洪澇災害給沿岸居民的生產、生活帶來不可估量的損失，也導致寶貴的水資源被大規模浪費；其二，因洪澇災害導致水土流失更加嚴重，不符合可持續發展理念；其三，水污染進一步加劇使水資源嚴重短缺。

如此復雜、 嚴峻的形勢對現代水利工程的建設管理提出新要求：必須全面提高水利資源的利用率和利用效能，與國民經濟和社會發展相適應，最終基于 “水利信息化” 帶動 “水利現代化” 的發展，整體提高水資源的利用率，做好水管理工作。

2.3 基于信息技術的水利工程建設管理主要任務

2.3.1 完成國家-地方水利基礎信息系統工程建設

信息技術應用于水利工程建設管理的核心任務是在規劃建設水利工程的過程中，完成整體性信息化布局。 受此影響，水利工程的地方性特征被逐漸消除——全國各地的水利數據可共享至國家水利基礎信息系統中。 在此基礎上，防汛工作、水質監測評價工作、水土資源監督管理工作、國家水資源管理決策支持等工作均可得到精準數據支撐。

2.3.2 完成水利基礎數據庫建設

水利基礎數據庫包括國家防汛指揮系統綜合數據庫，如實時水雨情庫、國家水文數據庫、全國水資源數據庫、水質數據庫、水土保持數據庫、水利工程數據庫等[2]。 這些數據信息得到綜合運用后，我國社會中的水資源規劃調度、水利工程設施相互配合等工作均會上升至新的臺階，進而助力社會總體發展。

3 水利信息化工程建設管理綜合分析

3.1 存在問題

3.1.1 信息資源相對短缺

現階段，我國水利信息化工程建設中信息資源相對短缺問題集中在以下方面：其一，對水利相關動態信息的采集較為薄弱；其二，水利相關信息的積累規范化程度不足，覆蓋面狹窄。

3.1.2 信息共享難度較大

水利信息共享方面存在的問題主要集中在4 個方面：其一，局部水利信息化設施的服務目標相對單一，導致水利信息收集呈現條塊分割、無法形成整體的特點；其二，信息收集與上傳的標準規范不健全，易形成數字鴻溝；其三，信息共享機制建設水平較低，極易產生信息壁壘；其四，技術設施數量不充足，易阻礙信息交流。

3.1.3 信息基礎較為薄弱

水利信息化建設的 “信息基礎” 薄弱之處體現在：其一，水利工程建設管理模型、相關應用軟件不健全；其二，對部分信息資源的開發利用水平較低，成本較高且維護難度較大，不利于長期使用。

3.2 解決方式——基于實景三維GI S 技術的智慧水利平臺系統建設

GIS 技術應用于水利信息化工程建設時， 在防汛決策支持系統、信息管理平臺系統、水災情況評估系統、洪澇災害風險分析與區劃管理、城市防洪系統中均有廣泛應用。 其中，基于實景三維GIS 技術建設的智慧水利平臺系統能同時解決信息資源短缺、信息共享難度大、信息基礎薄弱3 個問題。

3.2.1 基于實景三維GIS 的智慧水利平臺特點

現代水利工程設施不僅需要具有疏導水流的作用， 還應具有全面、實時收集及上傳水利相關信息的作用。 若要實現上述功能，需在建設水利工程的過程中應用三維實景GIS 技術。這種三維層級的GIS 技術相較于二維GIS 技術， 優點主要體現在：二維GIS 技術對數據的分析較籠統、粗略，且大多集中于宏觀數據分析方面， 在水利工程場景的表達上往往具有單一性和抽象性的特點， 很難實現水利精細化管理。 三維實景GIS 技術能夠對水利工程設施及附近環境進行高逼真、 高精度還原，進而為智慧水利施工、智慧水利治理營造可視化、直觀化、立體化的環境。 總體而言，基于實景三維GIS 的智慧水利平臺特點如圖1 所示。

圖1 基于三維實景GI S 技術的智慧水利平臺系統特點圖

基于大數據技術、可視化引擎及高精細化信息服務技術，可實現以下功能。

1）全流域場景真實還原。 相較于市區智慧服務場景建模，智慧水利平臺系統可結合無人機攝影技術及衛星通信技術，實現大范圍數據監測與收集。 基于此，平臺系統可高效率、低成本、高真實還原不同復雜流域的現實全景，為后續智慧水利平臺建設提供高真實三維數據底板[3]。

2）數字模擬的主要目標是對水利工程設施建設及應用期間可能遭受的泥石流、 積水、 洪澇等災害的嚴重程度進行判斷。 在此基礎上，將地區歷年來的水利數據信息錄入系統平臺中，由系統自行總結規律，后進行推演、預測，最終為后續應對與完善相關措施做好充足準備。

3）應用三維實景GIS 技術可獲得底圖數據。 這種數據的形成過程為： 由攝像機等設備對水利設施周圍的環境進行監測，進而完成數據集成及上傳（基于智能傳感器收集并整理特定類型的數據）。 結合三維模型中提前存儲的地形、層高等信息，經由輔助AI 算法處理后，可有效識別水利設施覆蓋范圍內易發生水災的區域，有利于提前做好應對措施。

3.2.2 智慧水利“一張圖”軟件的應用

現代水利工程設施建成后，除對水資源進行精確規劃外，還應具備有效應對洪澇災害的作用。 基于此， 基于三維實景GIS 技術設計智慧水利 “一張圖” 軟件，用于對水利工程設施進行全方位、系統化管理。 該軟件系統的架構如下：以實景三維數據為基底，內置智能感知、數據融合、智能應用三大體系，分別對應梳理數據監測、數據支撐、綜合監督三大功能，最終形成對水利工程設施以及水流數據的全過程、一體化管理。 在日常管理中， 系統對水利設施覆蓋范圍內的所有動態進行常態化監測，相關數據被實時記錄并總結出變化趨勢圖；這些數據與數據庫中記錄的數據進行實時比對， 超過平均值并逐漸接近危險臨界值時，系統不斷發出預警信息，進而對水利災害進行有效管理及防治。

上述 “一張圖” 軟件的主要功能如下。

1）如圖2 所示，對水利工程覆蓋區域進行實時監測，同時將氣象、風象、水情、風力預測工作容納為整體。 經由該軟件，一個地區的水庫區、河流區、監測站、洪澇災害易發區等重點信息均可實時呈現在一張圖上。 在水利設施建設全過程及建成后全壽命周期內，管理人員可基于 “一張圖” 軟件完成水利工程設施周邊重點管理區域的選擇工作， 后在任意時間均可在軟件中 “點擊” 重點區域，實時觀察這些區域的各類實時情況，進而視相關結果調整當前工作重點。

圖2 “一張圖”軟件容納并實時呈現的信息

2）如圖3 所示，在 “一張圖” 軟件中點擊某個區域后，該區域當前的三維景象、 內部各區域對應的基礎信息會立刻呈現在顯示屏幕中。 如某水利工程設施建成后，一旦地區突發洪澇災害，需要開閘放水時，水流向所在地的2 個村莊受到波及。基于 “一張圖” 軟件，管理人員可實時了解這2 個村莊的信息，包括人口數量、耕地面積等，進而為后續決策提供準確依據。

圖3 “一張圖”軟件下的區域情況三維可視化效果圖

4 結語

綜上所述， 信息技術應用于水利工程建設管理的終極目標是打造智慧水利管理體系。 在該體系下，全國各地的水資源信息、水利工程資源信息實現共享。 基于衛星、無人機及各類監測設備（包括單兵監測設備、布置在各處的攝像頭等），獲得的信息實時上傳至智慧水利系統。 在此基礎上， 結合大數據AI、可視化引擎、服務引擎等技術，水利工程建設及應用管理人員可根據自身實際需要，充分實現空間定位、空間分析、實時導航、虛實疊加等功能，進而將精準度極高的三維水利場景信息實時顯示在顯示系統中， 可極大地提升水利工程建設管理水平。