小型水库安全运行信息化管理浅析

蔡宏炜，周 杰，张飞龙，冯翊铖

(广东省水利水电科学研究院，广东 广州 510635)

1 概述

1.1 广东省小型水库分布

广东省水库工程区域分布特点明显。水库工程主要分布在粤北、粤东和粤西地区，珠三角地区受地形条件限制水库数量分布较少。粤北地区水资源丰富，水库数量约占全省水库总数量的34%，总库容接近全省水库总库容的60%[1]。全省小(2)型以上水库共8 408座，总库容为453.07亿m3，其中，小型水库共8 026座，占全省水库总数的95.46%，总库容为64.60亿m3，占全省水库总库容的14.26%,具有“数量多、分布广，作用大”的特点[2-4]。

1.2 小型水库管理现状

广东省欠发达区县的小型水库管理还存在责任人履职能力不强、预案方案针对性和可操作性不强、监测预警设施和能力不足、运行维护管理和人员经费不足等问题。

2020年4月，粤西某县水务局对全县小型水库现状进行了调查，根据调查统计结果，该县现有90座小型水库普遍存在运行管理制度不健全、管理设施不完善、防汛物资短缺、管护能力不足、信息化管理技术落后等问题，部分水库甚至存在安全隐患，90座小型水库均未达到《广东省小型水库安全运行管理标准化工作指引(试行)》的水库安全运行管理标准化要求。

2 信息化管理需求分析

该县小型水库运行管理的信息化管理是基于省级建设平台开展，即：广东省水利工程运行监管平台。根据该县管理需求，制定信息化管理主要内容为：小(1)型水库和坝高15 m(含15 m)以上的小(2)型水库实现“四要素”,即：库水位、降雨量、坝体外观和渗流量的监测；坝高15 m以下的小(2)型水库实现“三要素”，即：库水位、降雨量、坝体外观的监测；培训水库管理人员使用省级开发的巡查软件，开展巡视检查、巡查记录上传、异常情况上报、指令传达等日常管理活动。确保相关监测数据与省级平台无缝对接，实现全省水库协同管理、动态监管。

按照《广东省小型水库安全运行管理标准化工作指引(试行)》工作部署，粤西某县水务局拟分阶段开展标准化建设工作。

第1阶段完成20座小型水库安全运行管理标准化达标工作，应达到2级或以上标准；其中小(1)型水库9座，坝高15 m以上(含15 m)的小(2)型水库5座，坝高15 m以下小(2)型水库6座。第2阶段拟完成该县小(1)型和坝高15 m以上(含15 m)小(2)型水库70%以上达到2级或以上标准、坝高15 m以下小(2)型水库70%以上达到3级或以上标准；到2022年底，全县所有小(1)型水库和坝高15 m以上(含15 m)小(2)型水库达到2级或以上标准，所有坝高15 m以下小(2)型水库达到3级或以上标准。

3 信息化管理工作

3.1 信息化管理工作框架

小型水库信息化管理工作主要包括信息化平台管理、实地巡查和安全监测等方面。其中，信息化平台管理主要是水库基础数据管理，并提供水库工程相关数据供用户访问；智能感知系统建设主要通过智能感知设备采集的数据经过中间库处理后录入信息化平台；水库巡查是市县工作人员通过巡查软件实地巡查水库之后，数据上传对接信息化平台；信息化管理工作框架如图1所示。

图1 信息化管理工作框架示意

3.2 信息化平台管理

3.2.1信息化平台功能结构

信息化平台功能主要提供了水库基本资料管理、水库巡查、安全监测管理和汇总统计四大功能。水库基本资料主要是水库基本资料录入和管理，包括结构化和非结构化数据；智能感知系统数据对接安全监测模块；水库巡查主要是通过省级提供的巡查软件巡查水库，巡查数据对接水库巡查模块；汇总统计主要是对巡查任务和巡查结果的统计和分析，通过统计图表展示市县小型水库巡查情况。信息化平台功能结构见图2。

图2 信息化平台功能结构示意

3.2.2水库基础数据管理

水库基础数据管理是充分利用现代信息技术，逐步建立数字水库，为日常运行管理提供数据支撑。小型水库日常管理中，水库基础资料的上报，主要是：

1)基本信息：水库注册登记号、水库名称、水库位置、水库概况等。

2)主要特征数据：坝型、坝高、坝长、溢洪道堰顶高程、校核水位、设计水位、正常水位、汛限水位、死水位、水位—库容曲线、泄流能力曲线和发电装机容量等。

3)资料文档：水库大坝定期安全鉴定报告、工程地质勘察资料、关键图纸、地形测量等。

小型水库日常管理数据电子化并录入广东省水利工程运行监管平台，数值类的资料直接登录省级平台录入，系统会通过正则表达式对录入的数据进行自动校验。平台操作界面见图3～4。

图3 水库特征数据录入界面示意

图4 水库附件资料录入界面示意

在数据录入过程中，考虑到工程图纸、工程地质勘察资料、安全鉴定资料、安全管理应急预案、管理制度、工程图片等9类资料的初始状态均是高清扫描图片，在系统上传之前需要按照省级系统上传文件要求，对图片进行压缩和格式处理。

平台设计了一套Python批处理程序：调用Python图像处理库PIL，对指定路径下的图片进行尺寸、像素、大小等进行修改，同时程序要做好不同水库的图片区分，处理完成之后输出到指定径。图5～6是图片处理关键函数展示。

按照省级系统上图片的上传标准修改和压缩图片，水库管理人员只需将图片存储到指定路径下，执行程序，即可得到可以在省级系统上成功上传，大大提高了文件数据录入的效率和准确率。

图5 修改图片尺寸函数示意

图6 压缩图片函数示意

3.3 智能感知系统建设

智能感知系统建设要求：

1)小(1)型水库和坝高15 m及以上的小(2)型水库智能感知必设项目主要为库水位、降雨量、坝体外观(视频或图像)、渗流量，简称“四要素”。

坝高小于15 m的小(2)型水库智能感知必设项目主要为库水位、降雨量、坝体外观(视频或图像)，简称“三要素”。

2)库水位、降雨量和坝体外观(视频或图像)可集中于“一杆式装置”，一般安装在坝顶靠上游侧，实现数据实时感知、自动传输。“一杆式装置”示意见图7～9。

图7 “一杆式装置”平面布置示意

图8 “一杆式装置”大样示意

图9 “一杆式装置”断面布置示意

水库智能感知系统(“一杆式装置”)：实现对水库流域雨量水位实时监控，及时准确地获取水情、雨情信息，提高洪水预测报水平，增强防灾抗灾和配水调度能力。数据采集方式：由前端的感知层收集传感数据并由传输层的水利遥测终端设备对数据进行采集传输至平台层进行分析处理。最终由应用层的用户对数据信息进行比对决策。

3)渗流量感知原则上应采用自动化监测，可通过线缆集成于“一杆式装置”。

4)智能感知数据采集之后均应接入信息化平台的安全监测模块。

针对上述建设要求，选用不同的监测设备厂商，不同的设备厂商对应不同的感知数据采集平台。现场设备采集的数据不能直接录入到省级平台中，需要设备厂商和平台软件进行数据对接。课题组采取的数据对接方式是中间库，即根据省级平台提供的数据库表，将采集的数据经过格式转换等操作录入到指定库表中。中间库表包括雨量表和水库水情表。雨量表一般需要录入的数据为测站编码、时间、时段降水量等。水库水情表一般需要录入的数据为测站编码、时间和水库水位[4]。

小型水库雨情信息按时间年、月、日、小时为计量单位，采集雨量数据，并对小型水库逐日日降雨量、旬月雨量、雨量极值、年月雨量等雨量信息进行分析；小型水库水情信息，系统记录水库水位，水库量过程线、雨洪图、水库特征值等。通过智能感知设备的建设，根据水库雨情、水库水情的情况，逐步建成小型水库智能分析库，对小型水库纳雨能力、抗暴雨能力、水库入库流量等作出预测和判断。

3.4 水库巡查管理

水库巡查是确保水库安全运行的重要手段，水库巡查人员到达水库现场时，开启巡查软件开始巡查工作，巡查过程中发现的安全隐患，巡查人员可通过图片、视频、文字描述等形式记录，保存后立即生成1条隐患上报信息。巡查结束，软件会自动记录巡查路线，显示此次巡查的所有隐患信息，查看隐患安全级别：重大隐患、一般隐患，巡查人员可对此进行复核，填写处理意见后确定需要上报处理。

责任人类型即“3个责任人”包括：巡查责任人、技术责任人、行政责任人。问题上报处理流程见图10。明确“3个责任人”主要是为了建立安全生产责任制度，明确安全生产专职人员。

图10 巡查问题上报处理流程示意

信息化平台根据巡查结果，通过统计图表展示水库巡查情况。按照地区、时间范围不同(近1 d、近 7 d、近1月、近1 a)统计显示辖区内水库数量、计划巡查数量、有效巡查数量、存在问题数量和巡查完成率，通过柱状图该行政区划内水库巡查完成情况(图11为粤西某县近期水库巡查统计示意)。隐患所在位置信息，包括坝体、坝脚区、泄水设施、输水设施及其他(如图11所示，水库巡查存在问题主要是隐患位置存在问题)。根据巡查问题上报处理流程，相关责任人会对隐患进行处理、确认，最终关闭问题。

图11 巡查统计示意

综上所述，水行政主管部门、水库管理单位可通过信息化平台及巡查软件，查看工程实时信息和巡查人员的履职情况，充分发挥信息化平台可追溯功能。

4 结语

广东省粤西某县20座小型水库安全运行信息化管理过程中，逐步建成小型水库工程日常管理、数据自动采集、风险研判、智能预警和问题处理的闭环，提升了小型水库日常运行管理能力，同时提高了水库管理人员的业务水平和工作效率，改变了该县小型水库信息化管理技术落后的状况。水库信息化平台的良好、持续稳定的运行，还需要上级水行政管理部门从水库管养、经费等各方面提供大力支持。

在互联网、物联网高速发展的新时代，传统水利已经不能满足于水利建设和管理的时代要求，小型水库安全运行信息化的建设伴随着数据的不断积累，接下来考虑借助人工智能、大数据、深度学习、物联网等技术建设智慧型水利。