方衛(wèi)華，袁 威，楊浩東

(1.水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所，210012，南京；2.水利部水文水資源監(jiān)控技術(shù)中心，210012，南京；3.水利部水旱災(zāi)害防御重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，210024，南京）

2000年以來，隨著水庫(kù)運(yùn)行管理水平的逐步提高，我國(guó)年均潰壩率降至0.05‰以下，進(jìn)入低潰壩率國(guó)家行列，水庫(kù)在保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全、支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展以及生態(tài)環(huán)境保護(hù)修復(fù)等方面的綜合效益日益增加。但隨著全球氣候變化愈加頻繁，人類活動(dòng)強(qiáng)度的加劇，近年來世界范圍內(nèi)洪澇災(zāi)害愈加頻繁，水庫(kù)潰壩事件時(shí)有發(fā)生，與高質(zhì)量發(fā)展要求相比，我國(guó)水庫(kù)運(yùn)行管理方面依然存在亟待解決的問題。在此背景下，《水利部關(guān)于加快構(gòu)建現(xiàn)代化水庫(kù)運(yùn)行管理矩陣的指導(dǎo)意見》（水運(yùn)管〔2023〕248 號(hào)）以及《水利部辦公廳關(guān)于印發(fā)〈構(gòu)建現(xiàn)代化水庫(kù)運(yùn)行管理矩陣重點(diǎn)任務(wù)分工方案〉的通知》（辦運(yùn)管〔2023〕214號(hào)）兩個(gè)文件的發(fā)布，凸顯了構(gòu)建現(xiàn)代化水庫(kù)運(yùn)行管理矩陣作為行業(yè)重點(diǎn)任務(wù)的必要性、可行性和緊迫性。

構(gòu)建現(xiàn)代化水庫(kù)運(yùn)行管理矩陣要求達(dá)到“四全”管理、“四制（治）”體系、“四預(yù)”措施和“四管”工作共16項(xiàng)具體目標(biāo)，涉及水利部下屬各主要單位31項(xiàng)任務(wù)，同時(shí)涵蓋“智慧水利”、“數(shù)字孿生”和雨水情監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)“三道防線”建設(shè)等相關(guān)要求。總之，構(gòu)建水庫(kù)現(xiàn)代化運(yùn)行管理矩陣是確保水庫(kù)安全運(yùn)行和提高水庫(kù)綜合效益的重要舉措。由于涉及層次、要素和尺度多，特別是與近期提出的智慧水利、數(shù)字孿生以及雨水情監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)“三道防線”、“四預(yù)”等概念存在交叉重疊，使得其難以被系統(tǒng)完整理解和準(zhǔn)確掌握，而目前鮮有相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行系統(tǒng)分析。為厘清構(gòu)建現(xiàn)代化水庫(kù)運(yùn)行管理矩陣各項(xiàng)內(nèi)容和方法之間的關(guān)系，構(gòu)建可復(fù)制、可推廣和符合高質(zhì)量發(fā)展要求的實(shí)施模板，在分析現(xiàn)代化水庫(kù)運(yùn)行管理矩陣提出背景、內(nèi)涵和發(fā)展過程基礎(chǔ)上，本文繪制了現(xiàn)代化水庫(kù)運(yùn)行管理矩陣構(gòu)建體系“一張圖”，分析了現(xiàn)代化水庫(kù)運(yùn)行管理矩陣與標(biāo)準(zhǔn)化管理、風(fēng)險(xiǎn)管理以及智慧管理各概念之間的關(guān)系及其發(fā)展脈絡(luò)，提出了工程安全風(fēng)險(xiǎn)感控和生產(chǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)感控“三道防線”概念，對(duì)現(xiàn)代化水庫(kù)運(yùn)行管理矩陣構(gòu)建中的幾個(gè)關(guān)鍵科技問題進(jìn)行分析，結(jié)合國(guó)內(nèi)外進(jìn)展給出了相關(guān)問題的解決建議并進(jìn)行總結(jié)。

一、提出過程及研究方法

1.提出過程

針對(duì)水庫(kù)運(yùn)行管理存在的問題和高質(zhì)量發(fā)展的要求，2021年4月，《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于切實(shí)加強(qiáng)水庫(kù)除險(xiǎn)加固和運(yùn)行管護(hù)工作的通知》發(fā)布；2022年11月，水利部召開專題會(huì)議，部長(zhǎng)李國(guó)英提出要加快構(gòu)建現(xiàn)代化水庫(kù)運(yùn)管矩陣；2023年10月，《水利部辦公廳關(guān)于印發(fā)〈構(gòu)建現(xiàn)代化水庫(kù)運(yùn)行管理矩陣先行先試工作方案〉的通知》（辦運(yùn)管〔2023〕245 號(hào)）發(fā)布；2023 年10 月，《水利部辦公廳關(guān)于印發(fā)現(xiàn)代化水庫(kù)運(yùn)行管理矩陣建設(shè)先行先試臺(tái)賬的通知》（辦運(yùn)管〔2023〕278號(hào)）發(fā)布。從上述過程可知，矩陣建設(shè)是當(dāng)前和今后一段時(shí)間水庫(kù)運(yùn)行管理的重要任務(wù)。

2.研究方法

從2022 年水利部提出加快構(gòu)建現(xiàn)代化水庫(kù)運(yùn)行管理矩陣以來，水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所錨定新階段水利高質(zhì)量發(fā)展目標(biāo)，通過相關(guān)文獻(xiàn)（包括政策文件、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和研究報(bào)告）查閱，到江蘇、浙江、山東、湖南、四川、黑龍江、安徽等省水利廳和水利部長(zhǎng)江水利委員會(huì)、黃河水利委員會(huì)和海河水利委員會(huì)以及小浪底水利樞紐管理中心的下屬水庫(kù)進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，組織相關(guān)專家交流咨詢等研究方法，對(duì)水庫(kù)運(yùn)行管理督查和標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)價(jià)中發(fā)現(xiàn)的問題、整改措施及整改效果，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成、可靠性和運(yùn)行穩(wěn)定性，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)性、完整性、連續(xù)性和精確性，數(shù)字孿生水庫(kù)建設(shè)情況以及相關(guān)技術(shù)人員對(duì)數(shù)字孿生的疑問等方面進(jìn)行研究。

二、現(xiàn)代化水庫(kù)運(yùn)行管理矩陣構(gòu)建體系“一張圖”的提出

1.內(nèi)涵分析

現(xiàn)代化水庫(kù)運(yùn)行管理矩陣充分考慮了標(biāo)準(zhǔn)化管理評(píng)價(jià)和工程管理考核的銜接，包括工程管理考核、標(biāo)準(zhǔn)化管理、風(fēng)險(xiǎn)管理、智慧管理4個(gè)層次，同時(shí)要求水庫(kù)運(yùn)行管理必須嚴(yán)格執(zhí)行“風(fēng)險(xiǎn)要素感知—成因分析、異常診斷與危險(xiǎn)度評(píng)估—針對(duì)性和系統(tǒng)決策—事件處置（含工程措施和非工程措施）—效果評(píng)估—改進(jìn)檢驗(yàn)—知識(shí)應(yīng)用”的各個(gè)環(huán)節(jié)，做到水庫(kù)運(yùn)行管理全覆蓋和環(huán)節(jié)全閉合，避免管理漏洞、盲區(qū)和環(huán)節(jié)缺失。總之，現(xiàn)代化水庫(kù)運(yùn)行管理矩陣是一個(gè)具有系統(tǒng)性、普適性、可升級(jí)性和開放性的管理體系，其構(gòu)建過程中必須注意整體協(xié)調(diào)性及針對(duì)性。

系統(tǒng)性要求現(xiàn)代化水庫(kù)運(yùn)行管理矩陣的構(gòu)建必須涵蓋水庫(kù)運(yùn)行管理和效益發(fā)揮的關(guān)鍵要素和過程，具體可劃分為三大任務(wù)，即安全保障、效益和損失控制、管理體制和機(jī)制（含人員和制度）優(yōu)化。安全保障包括工程安全、生產(chǎn)安全和防洪供水安全保障。效益和損失控制包括關(guān)聯(lián)區(qū)域、影響區(qū)域的分級(jí)管理以及如何充分發(fā)揮工程的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境和生態(tài)效益，減少或避免由于工程結(jié)構(gòu)或運(yùn)行管理造成的各類損失。管理體制和機(jī)制優(yōu)化首先是要實(shí)現(xiàn)水庫(kù)運(yùn)行管理人員、監(jiān)督考核人員以及后方技術(shù)支撐人員等全員覆蓋，人員責(zé)任逐一落實(shí)；其次是實(shí)現(xiàn)工程設(shè)備設(shè)施日常運(yùn)行操作、維修保養(yǎng)和應(yīng)急調(diào)度效果等全過程與人員培訓(xùn)、調(diào)配、獎(jiǎng)懲等全要素相對(duì)應(yīng)匹配。

普適性要求必須考慮到全國(guó)水庫(kù)現(xiàn)代化運(yùn)行管理統(tǒng)一范式和標(biāo)準(zhǔn)化工作部署，提出共性框架。在具體執(zhí)行過程中需在矩陣框架下結(jié)合水庫(kù)的實(shí)際情況體現(xiàn)導(dǎo)向性，即以需求和問題為導(dǎo)向，通過理念更新、體制創(chuàng)新、設(shè)備設(shè)施更新?lián)Q代、數(shù)據(jù)質(zhì)控和驅(qū)動(dòng)、人工智能輔助等體系化建設(shè)解決實(shí)際問題。

可升級(jí)是指需要根據(jù)科技發(fā)展和實(shí)際問題的變化，從技術(shù)、人員、體制機(jī)制、模型算法、硬軟件設(shè)備設(shè)施等方面不斷進(jìn)行有針對(duì)性和適應(yīng)性的迭代升級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)水庫(kù)效率更高、模型算法性能（預(yù)報(bào)精度、預(yù)見期、穩(wěn)健性和泛化能力）更優(yōu)、成本更低、效益更好等目標(biāo)。

開放性是指系統(tǒng)或平臺(tái)具有對(duì)外行業(yè)數(shù)據(jù)或指令的接口。如雨水情監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)“三道防線”構(gòu)建、應(yīng)急管理和人員疏散等都需要?dú)庀蟆⒆匀毁Y源等相關(guān)行業(yè)的資源和數(shù)據(jù)共享。

2.現(xiàn)代化水庫(kù)運(yùn)行管理矩陣構(gòu)建體系“一張圖”的繪制

根據(jù)上述內(nèi)涵分析，提出現(xiàn)代化水庫(kù)運(yùn)行管理矩陣構(gòu)建體系“一張圖”，如圖1所示?，F(xiàn)代化水庫(kù)運(yùn)行管理矩陣構(gòu)建步驟如下：

圖1 現(xiàn)代化水庫(kù)運(yùn)行管理矩陣構(gòu)建體系“一張圖”

①摸清工程底細(xì)，包括區(qū)域、工程、設(shè)備設(shè)施、人員和制度等，其中區(qū)域包括影響工程安全和效益發(fā)揮的相關(guān)區(qū)域以及工程失事后的損失情況管理區(qū)、下游影響區(qū)和上游關(guān)聯(lián)區(qū)，包括區(qū)域內(nèi)氣候、氣象、水文、地形、地質(zhì)、結(jié)構(gòu)、材料等相關(guān)要素；工程主要包括水庫(kù)擋水、泄水、供水、發(fā)電等建筑物以及各類基礎(chǔ)工程的竣工和勘探資料、設(shè)計(jì)資料以及監(jiān)測(cè)和運(yùn)行維護(hù)資料等。

②根據(jù)《水利工程標(biāo)準(zhǔn)化管理評(píng)價(jià)辦法》，從工程狀況、安全管理、運(yùn)行管護(hù)、管理保障、信息化建設(shè)等方面對(duì)大中型水庫(kù)進(jìn)行深入檢查、逐項(xiàng)完善，保證全面達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化管理要求。對(duì)于小型水庫(kù)可根據(jù)相關(guān)文件結(jié)合小型水庫(kù)安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行相應(yīng)簡(jiǎn)化。

③基于風(fēng)險(xiǎn)管理體系，全面分析影響工程安全和效益發(fā)揮的各種要素，分析確定其不確定性和相互間的關(guān)聯(lián)性。如降水、溫度、水壓、滲流、上游來水等外荷作用，壩基和壩肩地質(zhì)、結(jié)構(gòu)材料等自身?xiàng)l件，建筑物運(yùn)行調(diào)度、維修加固過程中人、機(jī)、物和工程相互作用，以及影響區(qū)域多要素關(guān)聯(lián)和演化等。除外界作用，大壩承載能力、水庫(kù)有效庫(kù)容和泄洪能力，以及集雨面積、下墊面、影響后果、水庫(kù)效益等都在隨水庫(kù)運(yùn)行而變化。從漸變和突變、災(zāi)害演化和疊加以及全局敏感性出發(fā)，動(dòng)態(tài)確定關(guān)鍵要素，嚴(yán)格分級(jí)預(yù)警，根據(jù)致災(zāi)因子及其分布區(qū)域、影響后果、動(dòng)態(tài)特性做好相應(yīng)的雨水情監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)、工程安全風(fēng)險(xiǎn)感控、生產(chǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)感控“三道防線”和相應(yīng)各項(xiàng)內(nèi)容的“四預(yù)”工作。

④搭建數(shù)字孿生平臺(tái)，提升體系決策支撐能力。充分利用人工智能技術(shù)，包括智能傳感、邊緣計(jì)算、感知網(wǎng)絡(luò)、云計(jì)算等，從數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)、訪問、展示、交互全要素入手，借助圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、知識(shí)圖譜、遷移學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)和多模態(tài)學(xué)習(xí)等人工智能方法，建立水庫(kù)安全模型，效益和運(yùn)行調(diào)度的評(píng)估、預(yù)警、反饋、控制模型，通過多源數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)同化和證據(jù)理論等提高預(yù)警預(yù)報(bào)的精度，延長(zhǎng)預(yù)見期，實(shí)現(xiàn)模型的自適應(yīng)、高穩(wěn)健、強(qiáng)泛化和高容錯(cuò)。在此基礎(chǔ)上通過開發(fā)相應(yīng)平臺(tái)，提高人機(jī)交互水平，全面覆蓋大型水庫(kù)、防洪重點(diǎn)中型水庫(kù)和“頭頂一盆水”的中小型水庫(kù)，實(shí)現(xiàn)基于數(shù)字孿生的水庫(kù)現(xiàn)代化運(yùn)行管理。

三、與相關(guān)概念的關(guān)系

在現(xiàn)代化水庫(kù)運(yùn)行管理矩陣概念提出之前，智慧水利、數(shù)字孿生和雨水情監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)“三道防線”建設(shè)已經(jīng)被提出并發(fā)布相關(guān)文件，在構(gòu)建現(xiàn)代化水庫(kù)運(yùn)行管理矩陣過程中需準(zhǔn)確理解其與上述概念的關(guān)系，提高矩陣構(gòu)建水平。

1.與水庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)化管理的關(guān)系

水庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)化管理是構(gòu)建現(xiàn)代化水庫(kù)運(yùn)行管理矩陣的基礎(chǔ)。水利部2022年3月發(fā)布《水利部關(guān)于印發(fā)〈關(guān)于推進(jìn)水利工程標(biāo)準(zhǔn)化管理的指導(dǎo)意見〉〈水利工程標(biāo)準(zhǔn)化管理評(píng)價(jià)辦法〉及其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的通知》（水運(yùn)管〔2022〕130號(hào)），首次以正式文件的形式提出標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)要求。《水利工程標(biāo)準(zhǔn)化管理評(píng)價(jià)辦法》是在《水利工程管理考核辦法》基礎(chǔ)上，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化管理的新要求修訂形成，規(guī)定以水利工程標(biāo)準(zhǔn)化管理評(píng)價(jià)替代水利工程管理考核工作。《大中型水庫(kù)工程標(biāo)準(zhǔn)化管理評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》是上述文件定量化體現(xiàn)，為水庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)化管理提供了切實(shí)可行的精細(xì)化評(píng)價(jià)依據(jù)。

2.與“四預(yù)”及雨水情監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)“三道防線”的關(guān)系

2021 年11 月，水利部印發(fā)《關(guān)于大力推進(jìn)智慧水利建設(shè)的指導(dǎo)意見》，提出在重點(diǎn)防洪地區(qū)實(shí)現(xiàn)“四預(yù)”建設(shè)N 項(xiàng)業(yè)務(wù)應(yīng)用。原來的“四預(yù)”主要針對(duì)水庫(kù)安全，實(shí)際上隨著現(xiàn)代化水庫(kù)運(yùn)行管理矩陣的提出，“四預(yù)”還應(yīng)深化到對(duì)水庫(kù)運(yùn)行管理的各個(gè)子系統(tǒng)，詳見表1。

表1 “四預(yù)”概念推廣及內(nèi)容深化

李國(guó)英部長(zhǎng)在2023年全國(guó)水利工作會(huì)議上強(qiáng)調(diào)，加快構(gòu)建雨水情監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)“三道防線”。2023年8月，水利部辦公廳印發(fā)《關(guān)于加快構(gòu)建雨水情監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)“三道防線”實(shí)施方案》（辦水文〔2023〕202號(hào)），要求加快建立健全氣象衛(wèi)星和測(cè)雨雷達(dá)、雨量站、水文站組成的雨水情監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)“三道防線”，實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)洪水預(yù)見期和提高洪水預(yù)報(bào)精準(zhǔn)度的有效統(tǒng)一。

為高效降低水庫(kù)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，原來面向流域的雨水情監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)“三道防線”需做進(jìn)一步調(diào)整，即第一道防線可以借助衛(wèi)星和雷達(dá)對(duì)水庫(kù)（群）集雨面積內(nèi)的可能降水進(jìn)行面雨量的預(yù)報(bào)預(yù)警，同時(shí)借助配套的氣象水文耦合模型有效延長(zhǎng)預(yù)見期；第二道防線應(yīng)針對(duì)水庫(kù)分水嶺內(nèi)降水雨量站網(wǎng)進(jìn)行提檔升級(jí)，特別是要提高暴雨監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)度及數(shù)據(jù)可靠性，同時(shí)完成下墊面產(chǎn)匯流模型的建立和預(yù)報(bào)方案優(yōu)化，保證預(yù)報(bào)精度的前提下延長(zhǎng)預(yù)見期；第三道防線應(yīng)針對(duì)水庫(kù)庫(kù)尾各入流斷面，完善水文站網(wǎng)，根據(jù)來水性質(zhì)配置相應(yīng)監(jiān)測(cè)要素，構(gòu)建適合水庫(kù)來水的洪水演進(jìn)模型，準(zhǔn)確預(yù)計(jì)壩前水位。在考慮風(fēng)險(xiǎn)情況下，上述三道防線還必須耦合失事或潰壩洪水淹沒損失分析，計(jì)入擋水建筑物抗力，泄洪設(shè)施設(shè)備結(jié)構(gòu)和功能性能的不確定性，壩下游影響區(qū)水文、水動(dòng)力和滲流以及人口、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)損失的各種不確定性對(duì)失事風(fēng)險(xiǎn)影響，并根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)性質(zhì)和災(zāi)害鏈演化制定相應(yīng)預(yù)案并進(jìn)行針對(duì)性預(yù)演。此外，在構(gòu)建現(xiàn)代化水庫(kù)運(yùn)行管理矩陣“三道防線”中，除必須將雨水情監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)“三道防線”納入外，還應(yīng)構(gòu)建工程安全風(fēng)險(xiǎn)感控“三道防線”和生產(chǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)感控“三道防線”。

（1）工程安全風(fēng)險(xiǎn)感控“三道防線”

①第一道防線：采用前期勘探、測(cè)試和室內(nèi)試驗(yàn)，或根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)確定相關(guān)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)和典型工況，結(jié)合考慮材料徐變、應(yīng)變軟（強(qiáng)）化和結(jié)構(gòu)老化的本構(gòu)模型和失效破壞準(zhǔn)則，基于數(shù)值模擬計(jì)算的方式估計(jì)工程安全狀態(tài)及失效過程，其預(yù)見期為1年以上。

②第二道防線：采用基于當(dāng)前實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的參數(shù)反演、多源數(shù)據(jù)融合、模型修正、數(shù)據(jù)同化、證據(jù)理論等方法，結(jié)合物理機(jī)制約束和基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的預(yù)置模型庫(kù)、輕量化模型、遷移學(xué)習(xí)和快速算法，在不考慮結(jié)構(gòu)材料時(shí)間劣化特征的情況下進(jìn)行預(yù)見期為1個(gè)月的工程安全性態(tài)預(yù)報(bào)預(yù)警。

③第三道防線：基于天氣、水文和大壩實(shí)測(cè)性態(tài)數(shù)據(jù)，采用預(yù)警指標(biāo)的方法實(shí)時(shí)評(píng)估工程結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)，能高準(zhǔn)確度地實(shí)現(xiàn)預(yù)見期為1天的大壩安全性態(tài)預(yù)報(bào)預(yù)警。

（2）生產(chǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)感控“三道防線”

①第一道防線：對(duì)體制機(jī)制運(yùn)行情況，工程隱患發(fā)現(xiàn)和消除情況，設(shè)備設(shè)施功能性能及其使用維修養(yǎng)護(hù)規(guī)范化水平，企業(yè)風(fēng)氣和生態(tài)，人員專業(yè)化水平、對(duì)業(yè)務(wù)熟悉程度、年齡結(jié)構(gòu)、工作態(tài)度和精神面貌、健康狀況以及獎(jiǎng)懲制度的合理性等長(zhǎng)期風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，其預(yù)見期為3年。

②第二道防線：對(duì)設(shè)備設(shè)施功能性能及其使用維修養(yǎng)護(hù)規(guī)范化水平，人員專業(yè)化水平、對(duì)業(yè)務(wù)熟悉程度、工作交接的順暢性、工作態(tài)度和精神面貌、健康狀況以及考勤情況等進(jìn)行中期風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，結(jié)合巡視檢查對(duì)體制機(jī)制的運(yùn)行情況進(jìn)行預(yù)報(bào)預(yù)警，其預(yù)見期為2年。

③第三道防線：對(duì)責(zé)任人到崗負(fù)責(zé)情況，設(shè)備設(shè)施功能性能及其使用維修養(yǎng)護(hù)規(guī)范化水平，企業(yè)風(fēng)氣和生態(tài)，人員專業(yè)化水平、對(duì)業(yè)務(wù)熟悉程度、年齡結(jié)構(gòu)、工作態(tài)度和精神面貌、健康狀況以及獎(jiǎng)懲制度的合理性等進(jìn)行短期風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，結(jié)合應(yīng)急預(yù)案的針對(duì)性和有效性對(duì)體制機(jī)制進(jìn)行預(yù)報(bào)預(yù)警，其預(yù)見期為1年。

現(xiàn)代化水庫(kù)運(yùn)行管理矩陣“三道防線”概念的推廣也要求“四預(yù)”必須實(shí)現(xiàn)相應(yīng)內(nèi)容的全覆蓋，因此也應(yīng)推廣應(yīng)用至水庫(kù)運(yùn)行的各個(gè)子系統(tǒng)，如閘門控制子系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行系統(tǒng)等。

3.與智慧水利和數(shù)字孿生的關(guān)系

2021年11月，水利部印發(fā)《關(guān)于大力推進(jìn)智慧水利建設(shè)的指導(dǎo)意見》，提出了智慧水利建設(shè)方案，2022年3月水利部分別印發(fā)《數(shù)字孿生水利工程建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則（試行）》《水利業(yè)務(wù)“四預(yù)”基本技術(shù)要求（試行）》《數(shù)字孿生流域建設(shè)技術(shù)大綱（試行）》等。智慧水利是數(shù)字孿生的引擎，能加速提高數(shù)字孿生的智能化水平，而數(shù)字孿生是智慧水利的表現(xiàn)，提高了人機(jī)交互水平和效率。在現(xiàn)代化水庫(kù)運(yùn)行管理矩陣提出后，數(shù)字孿生不應(yīng)僅針對(duì)大壩等擋水建筑物，更應(yīng)根據(jù)水庫(kù)運(yùn)行管理的關(guān)鍵要素，特別是其風(fēng)險(xiǎn)大小，將智慧水利和數(shù)字孿生的概念向深處發(fā)展，逐步覆蓋影響水庫(kù)安全評(píng)估和運(yùn)行調(diào)度的關(guān)鍵要素，實(shí)現(xiàn)雙向信息透明和高效運(yùn)行決策。

通過上述分析可知，數(shù)字孿生是智慧水利的重要組成部分，也是提高定量決策科學(xué)性、可解釋性和可視化的具體體現(xiàn)形式，而做好“四預(yù)”是數(shù)字孿生的落腳點(diǎn)。現(xiàn)代化水庫(kù)運(yùn)行管理矩陣與智慧水利是局部與整體、手段與目的之間的關(guān)系。

4.與流域/區(qū)域的關(guān)系

水庫(kù)作為流域的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，通過水量分配和水力聯(lián)系，在防洪、供水、抗旱等方面與流域上下游水庫(kù)運(yùn)行具有不可分割的聯(lián)系，同時(shí)作為區(qū)域節(jié)點(diǎn)，在土地管理、自然資源、經(jīng)濟(jì)社會(huì)、生態(tài)環(huán)境、防災(zāi)減災(zāi)、應(yīng)急演練、行政執(zhí)法等方面都具有不同影響。在構(gòu)建現(xiàn)代化水庫(kù)運(yùn)行管理矩陣過程中，應(yīng)始終充分考慮水庫(kù)所在流域和區(qū)域特點(diǎn)，通過數(shù)據(jù)共享和資源整合，在避免重復(fù)建設(shè)的基礎(chǔ)上加強(qiáng)溝通協(xié)調(diào)，提高整體協(xié)作水平和相互配合的及時(shí)性和有效性。

四、幾個(gè)關(guān)鍵問題

構(gòu)建現(xiàn)代化水庫(kù)運(yùn)行管理矩陣要求實(shí)施“四全”管理、完善“四制（治）”體系、強(qiáng)化“四預(yù)”措施和加強(qiáng)“四管”工作，不僅針對(duì)水庫(kù)這一對(duì)象，同樣也要實(shí)現(xiàn)16 個(gè)要素之間相互達(dá)標(biāo)，如監(jiān)管全覆蓋不僅包括庫(kù)區(qū)、工程、設(shè)備設(shè)施、軟件、算法和數(shù)據(jù)，同時(shí)也應(yīng)覆蓋全體相關(guān)人員和工作流程，“四預(yù)”不僅是對(duì)水庫(kù)運(yùn)行狀態(tài)和安全的“四預(yù)”，也要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化管理中的所有要素實(shí)現(xiàn)“四預(yù)”?？傊F(xiàn)代化水庫(kù)運(yùn)行管理矩陣不是簡(jiǎn)單的“1+1=2”，而是通過不同子系統(tǒng)的整合協(xié)同形成一個(gè)完整系統(tǒng)，通過邊界延伸、數(shù)據(jù)共享、模型深化達(dá)到“1+1 ＞2”的效果，為此必須處理好如下幾個(gè)關(guān)鍵問題。

1.系統(tǒng)整合與對(duì)外接口

構(gòu)建現(xiàn)代化水庫(kù)運(yùn)行管理矩陣是在現(xiàn)有條件的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，在工程安全、運(yùn)行調(diào)度和管理體制機(jī)制等方面都存在約束條件，如需整合不同廠家的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和新舊軟件設(shè)備，包括數(shù)據(jù)格式、通信規(guī)約、接口標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)安全與隱私處理，以及隨著網(wǎng)絡(luò)體系的擴(kuò)大導(dǎo)致的數(shù)據(jù)延遲問題。為此，除建立設(shè)備體系、指標(biāo)體系、方法體系、制度體系和標(biāo)準(zhǔn)體系等體系外，還必須解決以下問題：①體系化條件下人機(jī)物協(xié)調(diào)性和資源調(diào)配問題；②時(shí)間、空間、物理和事件等多尺度協(xié)同問題，其中時(shí)間多尺度問題，如水庫(kù)既有氣候、地質(zhì)條件對(duì)采用建筑材料的長(zhǎng)期影響以及蠕變等緩慢長(zhǎng)時(shí)間累積過程，也包括天氣系統(tǒng)（如局地長(zhǎng)時(shí)間處于暴雨中心）、近壩區(qū)滑坡（導(dǎo)致溢洪道或泄洪設(shè)施淤堵）和大壩結(jié)構(gòu)安全性態(tài)的突變等短時(shí)間突發(fā)事件；③多層次協(xié)調(diào)問題，水庫(kù)管理不僅是每一名員工尤其是“三個(gè)責(zé)任人”的工作，也與廠家售后服務(wù)以及天氣預(yù)報(bào)等外界信息的可靠度有關(guān)；④故障隔離和無縫隙銜接問題，大系統(tǒng)運(yùn)行過程中，如何實(shí)時(shí)隔離故障點(diǎn)或環(huán)節(jié)，確保整個(gè)大系統(tǒng)的連續(xù)健康運(yùn)行，除采用必要的冗余、熱備份技術(shù)外，采用實(shí)時(shí)故障隔離、并行設(shè)計(jì)和故障預(yù)估技術(shù)等也是必須考慮的方法。

2.應(yīng)急條件下系統(tǒng)可靠性與可用性

超標(biāo)準(zhǔn)洪水、地震等災(zāi)害耦合強(qiáng)降雨、溢洪道泄洪閘門被漂浮物或滾石阻卡、通信電源中斷等應(yīng)急條件下，如何保證系統(tǒng)尤其是關(guān)鍵核心部分的有效運(yùn)行是現(xiàn)代化水庫(kù)運(yùn)行管理必須考慮的問題。建議依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)分析和敏感性分析查找重要風(fēng)險(xiǎn)源、關(guān)鍵點(diǎn)（環(huán)節(jié)），針對(duì)性采用應(yīng)急預(yù)案，將應(yīng)急條件下的“四預(yù)”放到更加突出的位置，采用分布式系統(tǒng)、區(qū)塊鏈與去中心化、邊緣計(jì)算以及備份設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)水庫(kù)運(yùn)行管理的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、有效。在信息感知和通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建中，采用固定監(jiān)測(cè)－流動(dòng)監(jiān)測(cè)以及雙信道相互備份是必要的。

3.數(shù)據(jù)質(zhì)量控制與在線檢驗(yàn)

如何保證在干擾、誤碼率較高甚至儀器故障條件下及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，是構(gòu)建現(xiàn)代化水庫(kù)運(yùn)行管理矩陣必須解決的問題。為保證每個(gè)環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，可采用基于數(shù)據(jù)物理意義、多種誤差診斷和快速識(shí)別算法的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制與在線檢測(cè)算法。數(shù)據(jù)質(zhì)量控制除原有硬件軟件化和軟件硬件化方法外，相繼出現(xiàn)的基于統(tǒng)計(jì)理論、證據(jù)理論、知識(shí)圖譜和深度學(xué)習(xí)的方法，為在線數(shù)據(jù)質(zhì)量控制與無效數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理提供了有效思路。

4.預(yù)報(bào)模型與預(yù)警方法

預(yù)報(bào)模型是雨水情監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)、工程安全風(fēng)險(xiǎn)感控、生產(chǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)感控“三道防線”、全覆蓋“四預(yù)”以及數(shù)字孿生等現(xiàn)代化水庫(kù)運(yùn)行管理矩陣中關(guān)鍵技術(shù)的核心，為優(yōu)化預(yù)報(bào)模型精確性、預(yù)見期、適應(yīng)性、穩(wěn)定性、穩(wěn)健性和泛化能力，有必要對(duì)預(yù)報(bào)模型體系進(jìn)行深入梳理，選擇適合具體需求的預(yù)報(bào)方法（方案）。預(yù)報(bào)模型一般可以分成基于經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方法、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法、數(shù)值模擬方法和混合方法的4 種模型。目前物理機(jī)制加實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的混合方法模型是預(yù)報(bào)模型的發(fā)展趨勢(shì)，選擇具有物理約束的人工智能（包括深度學(xué)習(xí)）模型是兼顧模型速度、精度和適應(yīng)場(chǎng)景的有效方法。預(yù)報(bào)模型中的關(guān)鍵科學(xué)問題包括樣本不平衡問題、樣本稀疏問題和樣本未能覆蓋問題，目前上述3 種問題都有相應(yīng)的解決方法，如樣本增強(qiáng)、少樣本學(xué)習(xí)或遷移學(xué)習(xí)等，但具體效果如何需借助數(shù)值仿真結(jié)果予以驗(yàn)證。

在近兩年的超標(biāo)準(zhǔn)洪水過程中，為優(yōu)化洪水預(yù)報(bào)模型預(yù)見期和預(yù)報(bào)精度，快速算法、驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)自適應(yīng)加密、滾動(dòng)預(yù)報(bào)及以測(cè)補(bǔ)報(bào)等實(shí)用方法不斷出現(xiàn)，在構(gòu)建現(xiàn)代化水庫(kù)運(yùn)行管理矩陣模型庫(kù)或制定預(yù)報(bào)方案時(shí)可以充分借鑒這類經(jīng)驗(yàn)。另外，針對(duì)無（缺）資料地區(qū)洪水預(yù)報(bào)模型的建立問題，借助類似工程經(jīng)驗(yàn)或物理背景知識(shí)，增加約束和減少統(tǒng)計(jì)方法對(duì)樣本的依賴。

為延長(zhǎng)預(yù)見期，同時(shí)盡可能充分利用水庫(kù)擋水和泄水能力，構(gòu)建氣象-水文-工程一體化預(yù)報(bào)模型，實(shí)現(xiàn)以工程安全為約束的水庫(kù)動(dòng)態(tài)調(diào)度以及洪水資源化利用。針對(duì)下墊面的巨大變化，建立如蓄滯洪區(qū)啟用，上游梯級(jí)水庫(kù)泄洪、失事甚至潰壩，以及水利工程的非正常泄水等條件下的預(yù)報(bào)模型也是提高水庫(kù)現(xiàn)代化運(yùn)行管理水平的重要手段。在運(yùn)行條件變化時(shí)，可充分借助預(yù)置模型庫(kù)、基于物理模型的數(shù)值模型、預(yù)訓(xùn)練模型、多模態(tài)學(xué)習(xí)、元學(xué)習(xí)、零樣本學(xué)習(xí)等提高不同工況下模型的適應(yīng)能力和響應(yīng)速度。

預(yù)警方法一般包括可靠度（風(fēng)險(xiǎn)）方法和預(yù)警指標(biāo)（閾值）方法，可靠度（風(fēng)險(xiǎn)）方法通過設(shè)置可接受風(fēng)險(xiǎn)情況，計(jì)算當(dāng)前水庫(kù)管理過程整個(gè)或其中一個(gè)系統(tǒng)的體系可靠度（風(fēng)險(xiǎn)），并根據(jù)可接受風(fēng)險(xiǎn)予以預(yù)警。預(yù)警指標(biāo)方法針對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相同指標(biāo)設(shè)置的臨界閾值，既可以是靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的，也可以是單側(cè)或雙側(cè)甚至高維的。根據(jù)預(yù)警指標(biāo)限定測(cè)值屬性，將預(yù)警方法分成3個(gè)層次，一為荷載預(yù)警，如臨界雨量、水位、風(fēng)速等；二為抗力預(yù)警針對(duì)受載體、受力體的抵抗能力確定，如抗拉（壓、剪切甚至廣義剪切）強(qiáng)度、斷裂韌度；三為荷載－抗力聯(lián)合動(dòng)態(tài)預(yù)警。

5.極端－長(zhǎng)期兼顧條件下水庫(kù)安全保障機(jī)制

極端情況發(fā)生的概率較低，但其造成損失通常較大，如何協(xié)調(diào)極端情況和長(zhǎng)期投入的關(guān)系，在合理降低投入的情況下保證水庫(kù)工程效益發(fā)揮是水庫(kù)現(xiàn)代化管理必須考慮的問題。為此必須研究“四不”（人員不傷亡、水庫(kù)不垮壩、重要堤防不決口、重要基礎(chǔ)設(shè)施不受沖擊）的成套理論與方法，加強(qiáng)對(duì)擋水、泄水及邊坡地基和金屬結(jié)構(gòu)非常規(guī)隱患探測(cè)及其預(yù)報(bào)預(yù)警、生態(tài)調(diào)控技術(shù)研究，對(duì)泥沙淤積、溢流泄洪設(shè)施老化失效水庫(kù)的防洪能力進(jìn)行復(fù)核，以及提升連續(xù)變量和事件混合驅(qū)動(dòng)下水庫(kù)突發(fā)災(zāi)害的感控技術(shù)水平，以及有效建立與高質(zhì)量發(fā)展、全球氣候變化及科技水平發(fā)展相適應(yīng)的水庫(kù)運(yùn)行管理體系。

五、結(jié)論與建議

通過系統(tǒng)分析現(xiàn)代化水庫(kù)運(yùn)行管理矩陣的發(fā)展脈絡(luò)及其內(nèi)涵、與相關(guān)概念的關(guān)系以及構(gòu)建過程中的關(guān)鍵問題，可以得出如下結(jié)論：

①現(xiàn)代化水庫(kù)運(yùn)行管理矩陣是水庫(kù)管理標(biāo)準(zhǔn)化、風(fēng)險(xiǎn)管理和智慧管理發(fā)展的必然結(jié)果，需要通過系統(tǒng)手段整合上述成果和經(jīng)驗(yàn)；②通過現(xiàn)代化水庫(kù)運(yùn)行管理矩陣構(gòu)建體系“一張圖”可以厘清相關(guān)概念之間的關(guān)系，給出現(xiàn)代化水庫(kù)運(yùn)行管理清晰、完整的層次化結(jié)構(gòu)以及流暢的信息流程；③現(xiàn)代化水庫(kù)運(yùn)行管理矩陣建設(shè)是一個(gè)不斷迭代進(jìn)步的過程，其中的關(guān)鍵科技問題均具有進(jìn)一步研究的空間，需進(jìn)行系統(tǒng)梳理和集中協(xié)同攻關(guān)。

構(gòu)建好現(xiàn)代化水庫(kù)運(yùn)行管理矩陣是一個(gè)涉及多要素、多層次的系統(tǒng)工程，要使得矩陣有序運(yùn)行，有力促進(jìn)水庫(kù)運(yùn)行管理水平提高和效益發(fā)揮，建議如下：

①構(gòu)建項(xiàng)目實(shí)施管理矩陣，從嚴(yán)進(jìn)行系統(tǒng)軟硬件及平臺(tái)的質(zhì)量控制、天空地水各類數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制以及整個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)性和可靠性保障措施的配置。其中矩陣橫坐標(biāo)為現(xiàn)代化水庫(kù)運(yùn)行管理矩陣的建設(shè)流程，包括設(shè)計(jì)、軟硬件研制、室內(nèi)外比測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)、試運(yùn)行、考核、驗(yàn)收，縱坐標(biāo)為每個(gè)環(huán)節(jié)的全要素、全環(huán)節(jié)和過程單元。

②在先行先試階段需同步針對(duì)發(fā)現(xiàn)的問題及時(shí)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，并提煉相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)指南，同步進(jìn)行相關(guān)技術(shù)研究和產(chǎn)品開發(fā)。

③先行先試過程中，對(duì)針對(duì)性設(shè)計(jì)、施工和科研進(jìn)行全面責(zé)任落實(shí)，形成全覆蓋獎(jiǎng)懲制度，確保構(gòu)建現(xiàn)代化水庫(kù)運(yùn)行管理矩陣整個(gè)過程的質(zhì)量監(jiān)督以及責(zé)任落實(shí)。