水库信息化建设的实践与思考

吉 海 ，曾庆彬

（1.深圳市水务局，广东 深圳 518036；2.深圳市水务规划设计院，广东 深圳 518036）

0 引言

铁岗水库位于深圳市宝安区西乡河流域，西乡河属珠江口水系，是独立入海的河流，发源于石岩镇亚婆髻，流域面积 80.2 km2，水库库容 9950 万m3。石岩水库位于茅洲河流域的上游，控制流域面积 44 km2，水库大坝位于石岩镇红星村，总库容达到 3198.8 万m3。石岩水库溢洪道位于铁岗水库上游，距铁岗水库 3.4 km，汛期石岩水库区域内洪水通过石岩溢洪道向铁岗水库排洪。

这 2 个水库现属铁岗、石岩水库管理处管辖，是深圳市最大的原水生产基地，目前每天向宝安区和深圳市多家自来水厂提供原水约 140 万 m3，占深圳市原水生产的 30 %，此外，还肩负着深圳市西部地区 500 万人口近千亿资产的防洪重任，具有城市水文环境的特殊性，供水及防洪任务的重要性，水质形势严峻性，库区周边环境的复杂性。

1 水库信息化系统构架

受城市化进程的严重影响，水库的管理变得更加复杂，要实现城市水库的精细化管理，必须借助先进的信息技术手段为支撑，实现对三防、水资源、供水安全的实时监控，优化管理模式和创新管理手段，针对城市水库的新特性，以铁岗、石岩水库为例，介绍水库信息化建设的实践及经验。

铁岗、石岩水库信息化系统总体方案设计主要由信息采集、视频监控、计算机网络、闸门自动控制、综合系统平台 5 大体系构成[1]，信息采集系统包括：水质、水情自动测报、大坝安全监测、供水量信息等系统。系统总体框架如图 1 所示。

系统基于统一平台实现各子系统的集成应用，整合各业务信息资源，根据用户权限的不同为各级领导和全体工作人员提供信息服务[3]。

2 信息采集系统

水务信息化系统建立在信息基础上，而这些信息获需要不同手段和措施，这些手段和措施及相应采集点就组成了采集层，采集内容有气象、水雨情、工情、旱情、图像、水质、地下水，采集手段包括遥测和其他传感器自动采集、云台摄像等；监测系统主要功能是监控水库，引水工程，主要河道和海堤的水雨情、水质水量、视频监视，大坝的安全监测、泵站闸门运行等信息，即实时监控水源，供水和工程安全、工程运行等信息。

2.1 水情遥测系统

图1 系统总体框架

水情遥测系统主要对库区段流域面积内的水情信息进行采集和处理，为洪水预报和防洪调度提供基础数据支撑。系统水情遥测系统由水位和雨量传感器、遥测站、通讯链路、中继站及中心站计算机系统组成。水情遥测系统结构图如图 2 所示。

图2 水情遥测系统结构图

铁岗、石岩水库水情遥测系统建设主要特点有：1）雨量站多，目前已建设 10 个雨量站；2）组网模式多，水情遥测系统的建设结合其他采集系统的建设，与视频监控、水质在线监测、大坝安全监测等系统的通讯方式进行统筹考虑。

2.2 视频监控系统

视频监控系统采用有线和无线传输的结合，由于水库岸线长，地形复杂，全部采用光纤，投资巨大，在设计和建设中，根据有线光纤和无线网络的不同特点，优化组网模式，实现了光纤和无线 IP 网络相结合的模式构建数字网络视频监控系统，系统具备成本低、带宽高、容量高、视频传输能力强、稳定性好的特点。视频监控系统集成方案如图 3 所示。

2.3 供水计量系统

流量计量系统对自来水厂进水量计量，共 28 个计量点，每天通过 GSM 短信将数据发往中心站，系统自动根据水库出、入库流量计量站点的流量监测数据，计算选定时间段内的出、入库流量信息。用户可将多个流量站点的实时、累积流量过程线按选定的时间区间进行叠加显示和统计。系统可显示水库蒸发量信息，辅助计算当前水库的库容变化情况。

2.4 水质在线监测系统

铁岗、石岩水库共布置 4 个水质站点，具体作用如下：1）有效监测水库周边污染源对水库水质的影响，为分析水质变化，进行水务管理决策提供了科学依据；2）指导截污工程运行的需要，通过水质监测系统仪表自动检测，若水库入水口发现水质未达标，就采取截污方式把污水抽进市政管网。

2.5 大坝安全监测系统

铁岗水库主坝设置测压管 30 支（其中坝体 15 支，坝基 15 支），测压管内安装渗压计。坝后设量水堰 1 个，安装量水堰仪；石岩大坝安全监测包括石岩水库大坝渗压、渗流量、环境监测。石岩大坝为土石坝，坝长 580 m，在石岩主坝上布设了 7 个测压断面，每个断面 4 个测压管，共监测 28 个点。

全部传感器接入自动化监测系统，系统由信息采集主机和若干台 MCU-1/2M 型测控装置构成数据采集网络，网络中央节点为信息采集主机，其主要功能是对数据采集网络进行管理。大坝安全监测系统在运行期监测大坝在不同荷载条件下运行性态及其变化。

3 高级应用系统建设

水库应用系统建设最终目就是为防汛抗旱、水资源合理配置、水环境管理、水土保持等决策提供科学及准确的数据支持。根据水务工作实际情况，水务应用系统主要包括：预报、水资源管理支持、优化调度等系统。

3.1 水资源管理支持系统

图3 视频监控系统集成方案

水资源管理支持子系统主要任务是支持水资源管理日常业务工作和政务管理工作，包括对水资源评价利用、规划、取水许可、用水情况、水质监测、水量分配方案、水资源保护、节约用水和计划用水、水资源工程规划与建设等管理工作提供辅助支持。

3.2 预报系统

水务预报系统主要包括：洪水、水量、水质预报系统，洪水预报系统是防汛调度的基础，由于受到城市化进程的影响，下垫面条件或气候条件因受人类活动影响发生了改变，因此常规的水文预报方法对城市水库水文预报效果很不理想。分布式水文模型把具有时空分布特征的水文参数和变量作为模型的内部结构参数，能改善城市水库水文预报[2]，下一步铁岗、石岩水库可利用气象局电暴雨预警系统，利用闪电数据及气象雷达数据，结合分布式洪水预报模型，建设水文预报系统，可以比较准确地预测降雨的强度，并且进一步得出洪峰到达的时间和流量，从而延长洪水的预见期。

水量预报系统对于优化调度具有重要意义，目前在降水预报及径流的长、中、短期预报方面，国内外已经做了大量的工作，取得的大量成果已被应用到业务系统中提高水库的利用效率。建设水量预报系统是即将开展水资源综合管理和优化调度的基础。

水质预报系统，不但可预测水质的变化，也可为水环境的决策提供科学依据，目前铁岗、石岩水库已经建设了供水水质在线系统，水质预报系统可结合地理信息系统理论构建水质综合模型，考虑污染物的迁移和生态转化工程，实现污染物迁移扩散的常规预报、水华的预警预报及突发污染事件的模拟。

3.3 调度决策支持系统

调度决策支持系统主要包括三防决策支持和水源调度决策系统，目前已经铁岗、石岩水库已建设了比较完善的专题空间数据库，具备建设三防指挥决策支持的条件，正在研制的洪水调度仿真模型研究开发完成后，可改变很难在实时变动环境中做出合理可行、易于实施调度决策的现状。

水库优化调度系统是根据铁岗、石岩水库的实际情况，在对水库供水对象需水状况及入库径流进行分析的基础上，应用多种模型进行水库优化调度，并根据水库长系列兴利调度的结果建立水库调度函数以指导水库运行。各模型通过逐时段滚动控制与反馈相结合，可以增加水库调度的效益，减少不确定性因素对调度的影响。

3.4 水库水生态信息系统

水库水生态信息系统将基于和谐水生态系统的目标构建健全水指标体系，实现水生态信息的“全过程跟踪”，可充当和研究解决水生态问题的有效工具。对一般的用户，生态信息系统可实现信息的查询和检索；对高级用户而言，可利用模型库信息挖掘技术为水生态治理和管理提高决策依据。

4 应用系统及平台

系统采用 WebGIS 技术，与水库电子沙盘联合运用，实现了基于三维场景的水文、水工、水质、大坝安全监测、视频、水量信息等的定位的三维实景化查询，用户可通过与三维场景的交互，可对三维数字地图上的要素进行定位、查询。查询的结果以数据表格、图表、视频等多种形式体现。

5 系统建设的经验和思考

铁岗、石岩水库水务信息化系统的建设坚持统一规划，统一标准的原则，以满足水库业务应用需求为牵引，紧紧围绕水库工作实际，开发业务应用系统。以能提升工作效率和效能，提高管理水平，帮助解决工作难题作为信息系统的最终检验标准。系统开发要注重实际应用效果，实现了业务系统的“有用”、“能用”、“好用”。系统经验总结如下：

1）加强系统的顶层设计。能有效克服低水平重复建设、信息资源分散、开发利用效率低下信息资源共享不足等问题，促进水务信息资源的共享，强化业务协同效应，是实现深圳市高效水源综合管理的有力保障措施。

2）强化水库信息资源的整合。梳理了水库信息资源目录体系，制定数据采集规程、标准化体系与接口技术规范，建立集中存储、共享、分发水务数据的公共数据平台，为领导决策和业务系统建设提供数据支持。

3）加强平台系统的整合。水库综合信息平台是充分利用现有资源，整合已有系统进行集成统一的信息平台，充分实现资源和信息共享，实现对水利工程的安全分析评价，对洪水进行预报，并可根据水利工程安全现状、洪水预报结果和水质水量变化动态，提出最优化调度方案，供领导决策。实现平台统一，有利于水库的安全生产和度汛，对于提高水库管理的工作效率，增强水管工作的准确、科学、前瞻性具有深远的现实意义。

4）提高采集信息系统的精度和代表性。水库常用的信息采集设备有大坝安全信息、雨量、水位、流量、温度、湿度等多类型的感知和监测设备，实现对涉水基础信息的采集、控制问题。新型传感器的应用能够提高采集信息的精度，加大和优化传感器的安装密度能够提高采集信息的代表性，促进水资源的合理利用。

5）加强视频监控的力度及新技术的应用

水库视频监控系统将远程监视及流域的整体监控作为必备的技术要求，同时已建监控点将逐步实现联网改造和接入。为适合这种发展趋势逐步出台了相应的配套标准，以实现水利视频监控的标准化。从技术上讲，流域监控系统必然对系统架构及服务器平台提出更高的要求，作为深圳数字水务视频监控系统的子单元，在建设过程中，必须要实现服务器分布式部署，同时解决服务器级联、备份及互相支援等问题，提高流媒体服务器的转发效率以满足大流量视频数据的转发和分发，并确保不堵塞现有网络。

6 结语

水库信息化建设是深圳市数字水务建设的子单元，它的总体规划、建设理念能高效的满足数字水务建设的需要，和数字水务有机的融合，其业务的高集成和信息的高共享，减轻了水库管理人员的工作负担，为实现水库的精细化管理提供了强有力的信息支持。当然目前的铁岗、石岩水库水务信息化系统也存在一定的局限性，如高级应用系统还不够完善，高清视频远程共享受网络的带宽限制，随着下一步数字水务工程的建设，将得以改善。

[1]陈光胜，吉海，周其春，等. 深圳市铁岗石岩水库水务信息化初步设计报告[R]. 深圳：深圳市水务局，2009: 7.

[2]越飞，任汝成. 水库综合信息平台研究与探索[J]. 中国农村水电及电气化，2006 (8): 48.

[3]宋雅坪. 东北洪水预报模型的理论研制与实践[J]. 大坝与安全，2000 (3): 28.

[4]刘云，卢少同，周亮. 网络视频监控系统的设计与实现[J]. 微型计算机，2009 (25): 129.