新时期智慧水利建设效果及其应用研究

王燕

摘要：智慧水利是一种运用3S技术、云计算、通信网络等一系列先进技术，对水利各个领域进行科学管理，提高水利工程建设、防汛抗旱、水资源管理效能，有效保障水利科学发展的智能化技术。基于此，以智慧水利建设为背景，介绍智慧水利的基本概念和建设应用，详细阐述智慧水利建设在水利各个领域中的具体应用，实现对水利行业各领域的精确监测和预测分析，提高水利科学监测、预警、分析、预测和决策能力，推动水利事业实现可持续发展。

关键词：智慧水利  科学监测  可持续发展  水利工程建设

中图分类号：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设、防汛抗旱、水资源管理等方面发挥巨大作用。通过智慧水利建设，推动水利建设领域向数字化、网络化、智能化加速跃升，可以使水利管理的点状管理转变为协同管理、智能响应和提前研判，为提高水利治理能力提供技术驱动，为水利规划、管理、水旱灾害救援等提供科学决策依据。水利工程建设是一个复杂的过程，往往会涉及多个因素，传统水利工程行业往往采用粗放的建造方式，容易出现资源消耗大、效率低下、成本高昂、行业信息化水平不高、安全隐患等问题。而通过水利数字化管控和智能化建造技术，将水利实际和数字模型相结合，能实时获取过程数据信息，从而实现对水利行业的全面监控，这种技术的应用可帮助管理者有效提高水利管理效能。

1 智慧水利概述

智慧水利是一种基于遥感技术、地理信息系统、全球定位系统、云计算、大数据等技术的综合应用。通过对水利的数字化、智能化、网络化建设，建成云为载体、互联感知的智慧水利系统，实现人水和谐、兴利除害，能够达到水利治理自动化、智能化和管理决策一体化、科学化。数字化场景、智慧化模拟、精准化决策的智慧水利建设可以推进新阶段水利高质量发展。智慧水利主要从数字孪生流域、数字孪生水利工程、水利业务应用、网络安全体系等方面进行构建，全面覆盖各项水利业务应用，具有预报、预警、预演、预案，推进水利高质量发展。

1.1数字孪生流域

数字孪生流域，是以物理流域为单元，通过倾斜摄影、实景建模、BIM等多种先进的计算机技术和模拟建模技术的综合利用，将流域实体与虚拟模型相结合，将虚拟映像的数字水利叠加在真实的流域水利基础设施上。通过将物理流域全要素和水利有关活动进行虚实结合、孪生互动，实现数字化和智能化映射和模拟，虚实交互，仿真管理和运行。

1.2数字孪生水利工程

数字孪生水利工程，是通过创建一个虚拟模型与物理水利工程完全对应，来管理和优化实体水利工程。主要采用云服务、物联网、3S、大数据等技术，实现数据的整合、展示功能，通过该技术实现河流、水库、闸坝、渠道等水利工程基础信息的展示及数据呈现，提供有关供水数据、防洪水利数据等信息，决策者可以更加直观明确地进行水资源调度、防汛调度等。建立水利系统的数字化模型是数字孪生水利技术应用的基础，数字化模型可将水利系统的物理过程、结构、功能等因素进行抽象描述，通过建模软件将其转化为计算机可识别的形式，在计算机上对水利系统进行仿真实验，在不同条件下进行模拟分析，以评估系统的运行状况。传统水利工程设计需要大量的试实地勘察，费时费力且成本较高。而通过数字孪生技术，可在计算机上进行虚拟设计，减少实地试验的次数和范围，且数字孪生技术能模拟不同场景下的水利工程运行情况对设计方案进行评估，提高设计的可行性。此外，通过数字孪生技术，可以对水利系统进行实时监测，及时发现潜在问题，并采取相应措施，甚至能模拟不同的操作策略，通过优化算法提高水利系统的运行效率[1]。

1.3智慧水利业务系统及网络安全体系

智慧水利业务系统建设总体架构从水利业务数字化需求出发，以数据资源为核心，将水利信息化建设总体架构分为感知层、数据层、网络层及业务应用层，通过网络这个传输通道，加强协同智能应用标准化运行管理，保障网络安全。

2 智慧水利建设的应用设想

现以潍城区水利现状作为实际，设想智慧水利建设应用。

2.1开展水利工程建设数字孪生应用

在潍城区现代水网建设中，依托数字孪生平台开展数字孪生水利工程建设，例如：在河道治理或者水库除险加固中，应用数字孪生技术。在传统水利工程施工过程中，往往需要大量实地调查，再根据试验结果多次进行优化。而数字孪生技术可通过建立真实的数字模型，真实模拟不同条件下的水力特性和结构行为，准确预测工程效果，减少实地试验次数和试验成本，提高工程施工效率。同时，由于水利工程建设涉及各种复杂的因素，如水文、水力、土力等因素，如果仅凭经验进行施工，可能存在安全隐患。而数字孪生技术能全面仿真分析，发现潜在的问题并进行优化，从而提高工程的稳定性。此外，在水利工程建设完成后，需要进行日常的运维管理，主要包括监测水位、流量、水质等指标，及时发现和解决问题。数字孪生技术可实时获取水利系统的运行数据，预测潜在的异常故障，提供决策支持，优化运维管理策略，提高水利系统的可持续性[2]。通过数字孪生技术，能有效缩短工程建设周期，减少设计错误，提高工程建设效率。在工程施工过程中可以对施工人员进行实名制信息化系统管理，并结合定位规范现场施工人员的作业行为，杜绝安全施工发生。对施工现场的河道和水库的水位进行智能识别，对各类告警数据掌控精准，辅助发现解决问题及时准确，保障水利工程施工安全。在施工中，通过对施工过程的实际进度和计划进度进行模拟比对，分析出施工偏差的原因，便于改进。在质量管理中，通过智能分析和综合研判，可以对可能存在的质量问题进行预警提示，确保工程质量。总之，数字孪生技术在水利工程建设中具有广泛的应用前景，通过将实际工程与数字模型相结合，数字孪生技术能提供全面的监控，从而提高工程建设效率。未来，我们要进一步深入研究数字孪生技术，在水利工程建设中实现更多的创新和应用[3]。

2.2 构建潍城区一体化水利感知网

依托潍城区水系连通、河道治理、水库除险加固等工程，完善河道、泵站、水库等水利工程智慧化水平。一是扩大河库智慧感知范围，对大于河和小于河补充实现流量及水位等多要素在线监测。柴家河水库、刘家庄子水库、平寿水库和潘里水库4座小（2）型水库实现水位、视频、安全运行状态等多要素监测。 二是扩大水利工程设施监测范围，对水库的安全运行加强监测，建设潍城区境内水库监测预警设施，补充监控站点，用以智慧监测水库位移、形变、渗漏等险情；针对柴家河水库、刘家庄子水库、平寿水库和潘里水库，实现卫星遥感周期性智能监测水情和大坝形变。针对大于河和小于河，实现定期无人机巡视和智能巡河。 三是提升水利管理活动的智能感知能力，依托水利部和省水利厅、市水利局的卫星遥感信息服务平台，加强运用卫星遥感、AI智能摄像机、无人机等新设备新技术，丰富区域监测手段，实现对水利工程险情、防汛抗旱动态、水域岸线侵占情况、水利工程施工进度、水雨情动态、水土流失动态等的全面动态感知，全面提升水利工程建设、水利工程运行、水资源管理、水环境水生态监控、水灾害预防等水利核心业务管理活动中的智能感知能力。

2.3潍城区智慧协同体系建设

在潍城区现有水利工程、水利设施、水利资源管理体系的基础上，根据需要建立一套完整的集水利工程信息、水利管理信息、水利资源信息等功能于一体的智能系统。一是建设潍城区水利信息一体化平台，充分运用新一代物联网、大数据等信息技术，整合潍城区目前的防汛监测预警系统等各个业务应用系统，建立起潍城区水利信息一体化平台，其中包括水资源管理系统、供水保障系统、办公信息化系统，并对接省、市水行政主管部门，实现业务数据共享，打造现代智慧决策系统，该系统集防洪、供水、水资源管理等多功能于一体。二是建设水土保持信息化系统，推进互通互联的水土保持信息化建设，建成水土保持资源共享信息平台，全面提升全区水土保持信息化、智慧化水平，真正实现动态监控的“天地一体化”预防监督、精细化管理的“图斑”综合治理。三是建设用水管理系统，根据节水型城市的建设要求，对潍城区水平衡监控系统建设完善，根据水平衡测试分析更加快捷方便地找出用水超标片区或用水户。建立完善远程在线监控系统，实时监控、系统分析供水管道内的压力和流量，降低管网漏损率，减少水资源的浪费。四是大于河、小于河数字孪生流域建设，采用“点线面”结合的方式构建大于河、小于河数字化场景，主要建设内容包含潍城区全流域的数字场景、大于河、小于河精细化场景和利用数字孪生技术构建的流域实景三维模型。运用虚拟化手段、建立模型，对全区流域水信息进行静动结合的多维数据展示，辅助防汛等联合调度指挥决策者做出决策[4]。

3 对智慧水利发展的思考及建议

3.1 智慧水利现状与存在问题

一是智慧应用水平不高，全面感知能力不足。二是共享不足。在水利行业内部及与环保、交通、国土等部门的相关数据还不能做到数据实时共享。三是智慧水利建设需要投入资金较大，很多地区由于资金投入不足，设备功能不够完善，硬件系统得不到提升，影响智慧水利发展。四是对数据安全具有挑战，随着当前对保密要求的提高，对数据隔离与脱敏有了更高的要求。3.2智慧水利未来发展的思考

智慧水利在水利行业中专业、全过程的应用十分必要，其应用价值也十分突出，是推动新阶段水利行业高质量发展的路径之一。要加快构建具有预报、预警、预演、预案功能的智慧水利体系，实现场景数字化、模拟智慧化和决策精准化，实现水利行业内外之间的互联互通，更安全高效地处理水利信息，进行资源整合，提高水利设施远程控制和智能化执行能力[5]。

4 结语

综上所述，随着科技不断发展和全球信息化的深度发展，物联网、人工智能和水利应用为一体的智慧水利建设已经在水利领域中得到广泛应用。智慧水利的核心是水利信息化服务，通过将现代化的信息技术与传统的水利相融合，为水利数据提供全方位的监测、存储、传输、智能分析应用的服务。水利工程数字孪生技术可以提升水利工程建设从规划、设计、施工到运行管理维护全过程的管理水平，加快项目进度、节约成本，提升水利工程的自动化、智慧化水平。数字水利业务平台的建设，可以为水资源管理、防汛抗旱、供水保障、业务办理等提供更便捷的服务方式。智慧水利在实际中的应用价值点仍需继续挖掘，智慧水利的推广应用也将助力水利行业的快速发展。

参考文献

[1] 余卓衡，舒德伟，白畯文，等.基于GIS+BIM的滇中引水工程数字场景构建研究[J].水利信息化，2023（2）：34-38.

[2] 朱乔利，何成威，刘亦超.面向Cesium的数字孪生场景多源数据融合可视化研究[J].科学技术创新，2023（23）：43-46.

[3] 牛广利，李天旸，杨恒玲，等.数字孪生水利工程安全智能分析预警技术研究及应用[J].长江科学院院报，2023，40（3）：181-185.

[4] 郑安琪，SHAH S，梁健.基于数字孪生的泵闸群自动化调度系统研究[J].科技创新与应用，2023，13（30）：128-131.

[5] 夏润亮，李涛，余伟，等.流域数字孪生理论及其在黄河防汛中的实践[J].中国水利，2021（20）：11-13.