引黄供水工程中智慧水利体系构建与关键技术研究

李娜

（济南市邢家渡引黄供水服务处）

1 引言

黄河是我国的母亲河，以5464km的长度横跨九个省（自治区），长度位居我国第二、世界前列，是我国华夏文明的主要发祥地，同时也灌溉了北方大部分地区，为沿河的居民创造了宜居的生存环境。进入新世纪以来，沿黄各省份纷纷开展引黄供水工程建设活动，以解决当地生产和生活用水问题，母亲河再度扮演了重要角色。

如何提高引黄供水工程的综合效益，很多学者开展了卓有成效的研究工作。基于模糊数学知识构建了引黄供水工程最优方案[1]，从政府投资的角度分析了引黄供水工程所带来的经济效益[2]。随着形势的发展，在水利工程建设领域提出了“智慧水利体系”的概念，用于提升水利工程项目建设的智能化水平。结合四川省水力发电的实际需求，提出了构建智慧水利体系、提升水力发电效益的措施和方法[3]。结合山东省水利工程建设暴露出的问题，提出了利用智慧水利体系建设弥补传统建设方法的缺陷的具体办法[4]。目前，关于在引黄供水工程项目建设过程中如何实行智慧水利体系的研究成果不多。

作者结合智慧水利的内涵和特征，结合引黄供水工程项目建设，研究了智慧水利体系建设的基本方法。

2 智慧水利的内涵和特征

智慧水利是一个不断发展变化的概念，当前所谓的“智慧水利”，主要是利用各种智能化的软件处理方法和智能化的硬件相配合，共同实现水利信息的获取、分析、水力资源的调配、水涝灾害的预防和防治、水生态环境的监督与管理等。具体来说，智慧水利主要有以下几种基本特征。

2.1 全方位感知水利全要素信息

传统上，主要是通过设置各种水文站点的方式来感知水利信息的要素，这种方法具有投资大、信息掌握不全面、占用人力资源过多等局限性。随着智能化信息获取技术手段的出现，智慧水利体系可以调动资源观测卫星、无人机、无人船等多种装备，利用视频、声波等信息获取手段，从不同方位对自然水和社会水循环的指标要素进行全天候不间断的监测，从而获得大量的、综合性的信息，再辅助以大数据、图像识别等现代化的智能处理手段进行信息分析和挖掘，从而获得对水利全要素信息的全面掌握。

2.2 建立智能平台实现信息的全域传播

网络技术是信息化技术的核心，也是智慧水利体系的信息传递枢纽。各种传感器和智能化、无人化装备采集到的数据，具有比特量大、实时性强、快速传输要求高的特点，因此需要建设大带宽网络来传递信息，实现多种智能平台的互联互通，真正实现水利管理的智能化建设要求。

2.3 发挥情景式态势智能感知和推演功能

智慧水利体系的构建，最主要的目的适用于洪涝灾害的防治和水力资源的动态调动，实现造福人民生活的宏伟目标。因此，智慧水利体系中必须要包括情景式态势感知和推演模块，利用动画模拟、情景交互等技术实现江河湖海和各级水库的水位变化情况动态演示，必要时可以实现水力资源调配之后的洪涝灾害态势变化的动态演示和在线推演，为洪涝灾害治理提供智能化的信息参考。

3 构建智慧水利体系的基本方法

智慧水利体系的构建，既离不开现代化信息技术发展做支撑，同时也需要灵活合理的管理制度来确保体系效果的充分实现，更需要提高管理人员综合素质，确保水利体系管理得法、应用合理，能够发挥出最大的效益。构建智慧水利体系，主要有几下几种基本方法。

1）基于信息化技术，分层构建智慧水利体系实现的物理基础

智慧水利体系的作用主要用来监测河流水库的水位和流量，以及在线实时评估云、雨和洪水的数据。在引黄供水工程中，当水流水量超过水位预警时，智慧水利体系就会给出报警信号，同时及时预测云雨量变化情况，及时给出防洪或者防涝指导意见。因此，在智慧水利体系建设过程中，需要利用各种水位和流量传感器在线监测水位流量变化情况，同时调动资源观测卫星、无人机、无人船等多种装备对水位和流量变化情况进行实时、在线、全方位、多维度的观测，将这些数据通过互联网进行收集，汇总起来之后利用大数据、机器学习、深度学习等智能化的算法进行信息挖掘和规律分析，为水情、雨情的变化做出判断和预测。同时，还需要结合流体力学的相关知识建立数学模型，为河道演进情况和水位变化趋势进行在线推演，为管理人员做出科学决策提供参考。智慧水利体系的物理基础如图1所示。

2）基于冗余备份思维，建立数据异地备灾和调用系统

智慧水利体系在实际运行过程中，会产生很多数据，这些数据的安全存储是一个很重要的问题。引黄供水工程，由于黄河跨越的省份较多，开展引黄供水工程的城市也较多，因此有必要在这些数据安全存储的基础上实现信息共享。智慧水利体系能够实现多节点之间的并联运算，因此在实际运行过程中，有条件的城市可以在较为安全的地区设置备份服务器，与主服务器并行工作。当主服务器出现运行不稳定或者出现故障时，备份服务器自动启动数据备份和存储功能，实现对数据的冗余备份存储，方便后续查询、分析和调用，尤其是当自然灾害发生时，多个服务器增加了数据的安全性。另外，通过专用网络建设，可以实现引黄供水工程相关城市之间的信息共享，尤其是黄河上中下游城市之间水位、流量信息的互联互通，不仅有助于提升引黄供水工程对城市供水的稳定覆盖能力，还具有一定的科研价值。

3）基于气象水文信息融合，破解智慧水利体系建设关键技术

进行智慧水利体系的建设，离不开气象水文信息的支撑。智慧水利体系建设的关键技术，主要包括融合时空信息的气象水文监测、情景式洪水态势预测与推演等。融合时空信息的气象水文监测，需要利用数据融合技术（包括粒计算、关联计算等）实现多维数据的融合。数据融合后利用随机森林模型分析数据之间的关系，利用网格计算技术实现数据变化规律的快速统计，利用网络实现信息的传递、共享，利用云存储实现数据在服务器上的快速读入与读出。情景式洪水态势预测与推荐，需要利用时间序列预测技术实现对气象水文变化态势的准确预报，结合流体力学、水文历史记录数据等分析态势演变过程，利用3D建模技术对这一演化过程进行动态化演示，有条件的单位可以利用VR技术实现防洪力量与洪涝灾害发展趋势的动态互动，从而为决策提供信息支撑。

4）基于素质能力提升，建立与智慧水利相配套的制度与人才体系

图1 引黄供水工程智慧水利体系物理结构

科学合理的制度是确保智慧水利体系发挥最大综合效益的有力保障，人才更是智慧水利体系的基础支撑力量。因此，在进行智慧水利体系建设过程中，必须要重视制度建设和人才储备建设。制度上，应该建立更加灵活可靠的资源调动机制，当发生事故时，相应的现场工作人员有紧急情况报送途径，同时可以根据实际情况及时对资源进行调动并事后备案，减少审批流程。日常工作过程中，需要加强对智慧水利体系运行情况的巡检巡查，发现问题之后要第一时间进行上报，并做好日常维护保养工作，确保智慧水利体系始终运行在良好的工作状态。智慧水利体系的管理和操作人员，必须要具备一定的互联网和大数据相关知识，对于基本的操作技能必须掌握，同时还需要具有数据分析和判读能力，能够给出基本的水流量分析报告。智能水利体系需要进行定期的升级，同时每次升级之后需要对相关人员进行教育和培训，确保一线工作人员能够掌握最新的系统使用方法。

4 结语

引黄供水工程是造福当代、福泽千秋的伟大工程，在实际运行维护过程中需要运用智能化的手段和方法来减少人员投入，一方面提升工作效率和自动化水平，另一方面有助于降低工程运行成本。作者结合智慧水利的内涵和特征，提出了构建智慧水利体系的基本方法，既包括通过技术途径搭建物理基础，也包括利用冗余备份思维提升数据安全，更包括制度机制和人才储备，相关成果具有一定的可实施性，并且经过工程实践证明了其有效性。