新時期智慧水利建設效果及其應用研究

王燕

摘要：智慧水利是一種運用3S技術、云計算、通信網絡等一系列先進技術，對水利各個領域進行科學管理，提高水利工程建設、防汛抗旱、水資源管理效能，有效保障水利科學發展的智能化技術。基于此，以智慧水利建設為背景，介紹智慧水利的基本概念和建設應用，詳細闡述智慧水利建設在水利各個領域中的具體應用，實現對水利行業各領域的精確監測和預測分析，提高水利科學監測、預警、分析、預測和決策能力，推動水利事業實現可持續發展。

關鍵詞：智慧水利??科學監測??可持續發展??水利工程建設

中圖分類號：TV5

Research?on?the?Effect?of?Smart?Water?Conservancy?Construction?and?Its?Application?in?the?New?Era

WANG?Yan

Weicheng?District?Water?Resources?Bureau?in?Weifang，?Weifang，?Shandong?Province，261057??China

Abstract：?Smart?water?conservancy?is?an?intelligent?technology?that?applies?a?series?of?advanced?technologies?such?as?3S?technology，?cloud?computing?and?communication?networks?to?scientifically?manage?various?water?conservancy?fields?to?improve?the?efficiency?of?water?conservancy?engineering?construction，?flood?control?and?drought?relief?and?water?resource?management?and?effectively?ensure?the?scientific?development?of?water?conservancy.?Based?on?this，?with?the?background?of?smart?water?conservancy?construction，?this?paper?introduces?the?basic?concept?and?construction?application?of?smart?water?conservancy，?and?expounds?the?specific?application?of?smart?water?conservancy?construction?in?various?water?conservancy?fields?in?detail，?in?order?to?realize?the?accurate?monitoring?and?predictive?analysis?of?the?various?fields?of?the?water?conservancy?industry，?improve?the?capacity?of?the?scientific?monitoring，?early?warning，?analysis，?prediction?and?decision-making?of?water?resources，?and?promote?the?sustainable?development?of?the?water?conservancy?industry.

Key?Words：?Smart?water?conservancy;?Scientific?monitoring;?Sustainable?development;?Water?conservancy?engineering?construction

智慧水利在水利工程建設、防汛抗旱、水資源管理等方面發揮巨大作用。通過智慧水利建設，推動水利建設領域向數字化、網絡化、智能化加速躍升，可以使水利管理的點狀管理轉變為協同管理、智能響應和提前研判，為提高水利治理能力提供技術驅動，為水利規劃、管理、水旱災害救援等提供科學決策依據。水利工程建設是一個復雜的過程，往往會涉及多個因素，傳統水利工程行業往往采用粗放的建造方式，容易出現資源消耗大、效率低下、成本高昂、行業信息化水平不高、安全隱患等問題。而通過水利數字化管控和智能化建造技術，將水利實際和數字模型相結合，能實時獲取過程數據信息，從而實現對水利行業的全面監控，這種技術的應用可幫助管理者有效提高水利管理效能。

1?智慧水利概述

智慧水利是一種基于遙感技術、地理信息系統、全球定位系統、云計算、大數據等技術的綜合應用。通過對水利的數字化、智能化、網絡化建設，建成云為載體、互聯感知的智慧水利系統，實現人水和諧、興利除害，能夠達到水利治理自動化、智能化和管理決策一體化、科學化。數字化場景、智慧化模擬、精準化決策的智慧水利建設可以推進新階段水利高質量發展。智慧水利主要從數字孿生流域、數字孿生水利工程、水利業務應用、網絡安全體系等方面進行構建，全面覆蓋各項水利業務應用，具有預報、預警、預演、預案，推進水利高質量發展。

1.1數字孿生流域

數字孿生流域，是以物理流域為單元，通過傾斜攝影、實景建模、BIM等多種先進的計算機技術和模擬建模技術的綜合利用，將流域實體與虛擬模型相結合，將虛擬映像的數字水利疊加在真實的流域水利基礎設施上。通過將物理流域全要素和水利有關活動進行虛實結合、孿生互動，實現數字化和智能化映射和模擬，虛實交互，仿真管理和運行。

1.2數字孿生水利工程

數字孿生水利工程，是通過創建一個虛擬模型與物理水利工程完全對應，來管理和優化實體水利工程。主要采用云服務、物聯網、3S、大數據等技術，實現數據的整合、展示功能，通過該技術實現河流、水庫、閘壩、渠道等水利工程基礎信息的展示及數據呈現，提供有關供水數據、防洪水利數據等信息，決策者可以更加直觀明確地進行水資源調度、防汛調度等。建立水利系統的數字化模型是數字孿生水利技術應用的基礎，數字化模型可將水利系統的物理過程、結構、功能等因素進行抽象描述，通過建模軟件將其轉化為計算機可識別的形式，在計算機上對水利系統進行仿真實驗，在不同條件下進行模擬分析，以評估系統的運行狀況。傳統水利工程設計需要大量的試實地勘察，費時費力且成本較高。而通過數字孿生技術，可在計算機上進行虛擬設計，減少實地試驗的次數和范圍，且數字孿生技術能模擬不同場景下的水利工程運行情況對設計方案進行評估，提高設計的可行性。此外，通過數字孿生技術，可以對水利系統進行實時監測，及時發現潛在問題，并采取相應措施，甚至能模擬不同的操作策略，通過優化算法提高水利系統的運行效率[1]。

1.3智慧水利業務系統及網絡安全體系

智慧水利業務系統建設總體架構從水利業務數字化需求出發，以數據資源為核心，將水利信息化建設總體架構分為感知層、數據層、網絡層及業務應用層，通過網絡這個傳輸通道，加強協同智能應用標準化運行管理，保障網絡安全。

2?智慧水利建設的應用設想

現以濰城區水利現狀作為實際，設想智慧水利建設應用。

2.1開展水利工程建設數字孿生應用

在濰城區現代水網建設中，依托數字孿生平臺開展數字孿生水利工程建設，例如：在河道治理或者水庫除險加固中，應用數字孿生技術。在傳統水利工程施工過程中，往往需要大量實地調查，再根據試驗結果多次進行優化。而數字孿生技術可通過建立真實的數字模型，真實模擬不同條件下的水力特性和結構行為，準確預測工程效果，減少實地試驗次數和試驗成本，提高工程施工效率。同時，由于水利工程建設涉及各種復雜的因素，如水文、水力、土力等因素，如果僅憑經驗進行施工，可能存在安全隱患。而數字孿生技術能全面仿真分析，發現潛在的問題并進行優化，從而提高工程的穩定性。此外，在水利工程建設完成后，需要進行日常的運維管理，主要包括監測水位、流量、水質等指標，及時發現和解決問題。數字孿生技術可實時獲取水利系統的運行數據，預測潛在的異常故障，提供決策支持，優化運維管理策略，提高水利系統的可持續性[2]。通過數字孿生技術，能有效縮短工程建設周期，減少設計錯誤，提高工程建設效率。在工程施工過程中可以對施工人員進行實名制信息化系統管理，并結合定位規范現場施工人員的作業行為，杜絕安全施工發生。對施工現場的河道和水庫的水位進行智能識別，對各類告警數據掌控精準，輔助發現解決問題及時準確，保障水利工程施工安全。在施工中，通過對施工過程的實際進度和計劃進度進行模擬比對，分析出施工偏差的原因，便于改進。在質量管理中，通過智能分析和綜合研判，可以對可能存在的質量問題進行預警提示，確保工程質量。總之，數字孿生技術在水利工程建設中具有廣泛的應用前景，通過將實際工程與數字模型相結合，數字孿生技術能提供全面的監控，從而提高工程建設效率。未來，我們要進一步深入研究數字孿生技術，在水利工程建設中實現更多的創新和應用[3]。

2.2?構建濰城區一體化水利感知網

依托濰城區水系連通、河道治理、水庫除險加固等工程，完善河道、泵站、水庫等水利工程智慧化水平。一是擴大河庫智慧感知范圍，對大于河和小于河補充實現流量及水位等多要素在線監測。柴家河水庫、劉家莊子水庫、平壽水庫和潘里水庫4座?。?）型水庫實現水位、視頻、安全運行狀態等多要素監測。?二是擴大水利工程設施監測范圍，對水庫的安全運行加強監測，建設濰城區境內水庫監測預警設施，補充監控站點，用以智慧監測水庫位移、形變、滲漏等險情；針對柴家河水庫、劉家莊子水庫、平壽水庫和潘里水庫，實現衛星遙感周期性智能監測水情和大壩形變。針對大于河和小于河，實現定期無人機巡視和智能巡河。?三是提升水利管理活動的智能感知能力，依托水利部和省水利廳、市水利局的衛星遙感信息服務平臺，加強運用衛星遙感、AI智能攝像機、無人機等新設備新技術，豐富區域監測手段，實現對水利工程險情、防汛抗旱動態、水域岸線侵占情況、水利工程施工進度、水雨情動態、水土流失動態等的全面動態感知，全面提升水利工程建設、水利工程運行、水資源管理、水環境水生態監控、水災害預防等水利核心業務管理活動中的智能感知能力。

2.3濰城區智慧協同體系建設

在濰城區現有水利工程、水利設施、水利資源管理體系的基礎上，根據需要建立一套完整的集水利工程信息、水利管理信息、水利資源信息等功能于一體的智能系統。一是建設濰城區水利信息一體化平臺，充分運用新一代物聯網、大數據等信息技術，整合濰城區目前的防汛監測預警系統等各個業務應用系統，建立起濰城區水利信息一體化平臺，其中包括水資源管理系統、供水保障系統、辦公信息化系統，并對接省、市水行政主管部門，實現業務數據共享，打造現代智慧決策系統，該系統集防洪、供水、水資源管理等多功能于一體。二是建設水土保持信息化系統，推進互通互聯的水土保持信息化建設，建成水土保持資源共享信息平臺，全面提升全區水土保持信息化、智慧化水平，真正實現動態監控的“天地一體化”預防監督、精細化管理的“圖斑”綜合治理。三是建設用水管理系統，根據節水型城市的建設要求，對濰城區水平衡監控系統建設完善，根據水平衡測試分析更加快捷方便地找出用水超標片區或用水戶。建立完善遠程在線監控系統，實時監控、系統分析供水管道內的壓力和流量，降低管網漏損率，減少水資源的浪費。四是大于河、小于河數字孿生流域建設，采用“點線面”結合的方式構建大于河、小于河數字化場景，主要建設內容包含濰城區全流域的數字場景、大于河、小于河精細化場景和利用數字孿生技術構建的流域實景三維模型。運用虛擬化手段、建立模型，對全區流域水信息進行靜動結合的多維數據展示，輔助防汛等聯合調度指揮決策者做出決策[4]。

3?對智慧水利發展的思考及建議

3.1?智慧水利現狀與存在問題

一是智慧應用水平不高，全面感知能力不足。二是共享不足。在水利行業內部及與環保、交通、國土等部門的相關數據還不能做到數據實時共享。三是智慧水利建設需要投入資金較大，很多地區由于資金投入不足，設備功能不夠完善，硬件系統得不到提升，影響智慧水利發展。四是對數據安全具有挑戰，隨著當前對保密要求的提高，對數據隔離與脫敏有了更高的要求。3.2智慧水利未來發展的思考

智慧水利在水利行業中專業、全過程的應用十分必要，其應用價值也十分突出，是推動新階段水利行業高質量發展的路徑之一。要加快構建具有預報、預警、預演、預案功能的智慧水利體系，實現場景數字化、模擬智慧化和決策精準化，實現水利行業內外之間的互聯互通，更安全高效地處理水利信息，進行資源整合，提高水利設施遠程控制和智能化執行能力[5]。

4?結語

綜上所述，隨著科技不斷發展和全球信息化的深度發展，物聯網、人工智能和水利應用為一體的智慧水利建設已經在水利領域中得到廣泛應用。智慧水利的核心是水利信息化服務，通過將現代化的信息技術與傳統的水利相融合，為水利數據提供全方位的監測、存儲、傳輸、智能分析應用的服務。水利工程數字孿生技術可以提升水利工程建設從規劃、設計、施工到運行管理維護全過程的管理水平，加快項目進度、節約成本，提升水利工程的自動化、智慧化水平。數字水利業務平臺的建設，可以為水資源管理、防汛抗旱、供水保障、業務辦理等提供更便捷的服務方式。智慧水利在實際中的應用價值點仍需繼續挖掘，智慧水利的推廣應用也將助力水利行業的快速發展。

參考文獻

[1]?余卓衡，舒德偉，白畯文，等.基于GIS+BIM的滇中引水工程數字場景構建研究[J].水利信息化，2023（2）：34-38.

[2]?朱喬利，何成威，劉亦超.面向Cesium的數字孿生場景多源數據融合可視化研究[J].科學技術創新，2023（23）：43-46.

[3]?牛廣利，李天旸，楊恒玲，等.數字孿生水利工程安全智能分析預警技術研究及應用[J].長江科學院院報，2023，40（3）：181-185.

[4]?鄭安琪，SHAH?S，梁健.基于數字孿生的泵閘群自動化調度系統研究[J].科技創新與應用，2023，13（30）：128-131.

[5]?夏潤亮，李濤，余偉，等.流域數字孿生理論及其在黃河防汛中的實踐[J].中國水利，2021（20）：11-13.