王燕

摘要：智慧水利是一種運(yùn)用3S技術(shù)、云計(jì)算、通信網(wǎng)絡(luò)等一系列先進(jìn)技術(shù)，對(duì)水利各個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行科學(xué)管理，提高水利工程建設(shè)、防汛抗旱、水資源管理效能，有效保障水利科學(xué)發(fā)展的智能化技術(shù)?；诖?，以智慧水利建設(shè)為背景，介紹智慧水利的基本概念和建設(shè)應(yīng)用，詳細(xì)闡述智慧水利建設(shè)在水利各個(gè)領(lǐng)域中的具體應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)水利行業(yè)各領(lǐng)域的精確監(jiān)測和預(yù)測分析，提高水利科學(xué)監(jiān)測、預(yù)警、分析、預(yù)測和決策能力，推動(dòng)水利事業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：智慧水利??科學(xué)監(jiān)測??可持續(xù)發(fā)展??水利工程建設(shè)

中圖分類號(hào)：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設(shè)、防汛抗旱、水資源管理等方面發(fā)揮巨大作用。通過智慧水利建設(shè)，推動(dòng)水利建設(shè)領(lǐng)域向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化加速躍升，可以使水利管理的點(diǎn)狀管理轉(zhuǎn)變?yōu)閰f(xié)同管理、智能響應(yīng)和提前研判，為提高水利治理能力提供技術(shù)驅(qū)動(dòng)，為水利規(guī)劃、管理、水旱災(zāi)害救援等提供科學(xué)決策依據(jù)。水利工程建設(shè)是一個(gè)復(fù)雜的過程，往往會(huì)涉及多個(gè)因素，傳統(tǒng)水利工程行業(yè)往往采用粗放的建造方式，容易出現(xiàn)資源消耗大、效率低下、成本高昂、行業(yè)信息化水平不高、安全隱患等問題。而通過水利數(shù)字化管控和智能化建造技術(shù)，將水利實(shí)際和數(shù)字模型相結(jié)合，能實(shí)時(shí)獲取過程數(shù)據(jù)信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水利行業(yè)的全面監(jiān)控，這種技術(shù)的應(yīng)用可幫助管理者有效提高水利管理效能。

1?智慧水利概述

智慧水利是一種基于遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的綜合應(yīng)用。通過對(duì)水利的數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)，建成云為載體、互聯(lián)感知的智慧水利系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)人水和諧、興利除害，能夠達(dá)到水利治理自動(dòng)化、智能化和管理決策一體化、科學(xué)化。數(shù)字化場景、智慧化模擬、精準(zhǔn)化決策的智慧水利建設(shè)可以推進(jìn)新階段水利高質(zhì)量發(fā)展。智慧水利主要從數(shù)字孿生流域、數(shù)字孿生水利工程、水利業(yè)務(wù)應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)安全體系等方面進(jìn)行構(gòu)建，全面覆蓋各項(xiàng)水利業(yè)務(wù)應(yīng)用，具有預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案，推進(jìn)水利高質(zhì)量發(fā)展。

1.1數(shù)字孿生流域

數(shù)字孿生流域，是以物理流域?yàn)閱卧?，通過傾斜攝影、實(shí)景建模、BIM等多種先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)和模擬建模技術(shù)的綜合利用，將流域?qū)嶓w與虛擬模型相結(jié)合，將虛擬映像的數(shù)字水利疊加在真實(shí)的流域水利基礎(chǔ)設(shè)施上。通過將物理流域全要素和水利有關(guān)活動(dòng)進(jìn)行虛實(shí)結(jié)合、孿生互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和智能化映射和模擬，虛實(shí)交互，仿真管理和運(yùn)行。

1.2數(shù)字孿生水利工程

數(shù)字孿生水利工程，是通過創(chuàng)建一個(gè)虛擬模型與物理水利工程完全對(duì)應(yīng)，來管理和優(yōu)化實(shí)體水利工程。主要采用云服務(wù)、物聯(lián)網(wǎng)、3S、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的整合、展示功能，通過該技術(shù)實(shí)現(xiàn)河流、水庫、閘壩、渠道等水利工程基礎(chǔ)信息的展示及數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，提供有關(guān)供水?dāng)?shù)據(jù)、防洪水利數(shù)據(jù)等信息，決策者可以更加直觀明確地進(jìn)行水資源調(diào)度、防汛調(diào)度等。建立水利系統(tǒng)的數(shù)字化模型是數(shù)字孿生水利技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)，數(shù)字化模型可將水利系統(tǒng)的物理過程、結(jié)構(gòu)、功能等因素進(jìn)行抽象描述，通過建模軟件將其轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可識(shí)別的形式，在計(jì)算機(jī)上對(duì)水利系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，在不同條件下進(jìn)行模擬分析，以評(píng)估系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。傳統(tǒng)水利工程設(shè)計(jì)需要大量的試實(shí)地勘察，費(fèi)時(shí)費(fèi)力且成本較高。而通過數(shù)字孿生技術(shù)，可在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)，減少實(shí)地試驗(yàn)的次數(shù)和范圍，且數(shù)字孿生技術(shù)能模擬不同場景下的水利工程運(yùn)行情況對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)估，提高設(shè)計(jì)的可行性。此外，通過數(shù)字孿生技術(shù)，可以對(duì)水利系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在問題，并采取相應(yīng)措施，甚至能模擬不同的操作策略，通過優(yōu)化算法提高水利系統(tǒng)的運(yùn)行效率[1]。

1.3智慧水利業(yè)務(wù)系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)安全體系

智慧水利業(yè)務(wù)系統(tǒng)建設(shè)總體架構(gòu)從水利業(yè)務(wù)數(shù)字化需求出發(fā)，以數(shù)據(jù)資源為核心，將水利信息化建設(shè)總體架構(gòu)分為感知層、數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層及業(yè)務(wù)應(yīng)用層，通過網(wǎng)絡(luò)這個(gè)傳輸通道，加強(qiáng)協(xié)同智能應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)行管理，保障網(wǎng)絡(luò)安全。

2?智慧水利建設(shè)的應(yīng)用設(shè)想

現(xiàn)以濰城區(qū)水利現(xiàn)狀作為實(shí)際，設(shè)想智慧水利建設(shè)應(yīng)用。

2.1開展水利工程建設(shè)數(shù)字孿生應(yīng)用

在濰城區(qū)現(xiàn)代水網(wǎng)建設(shè)中，依托數(shù)字孿生平臺(tái)開展數(shù)字孿生水利工程建設(shè)，例如：在河道治理或者水庫除險(xiǎn)加固中，應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)。在傳統(tǒng)水利工程施工過程中，往往需要大量實(shí)地調(diào)查，再根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果多次進(jìn)行優(yōu)化。而數(shù)字孿生技術(shù)可通過建立真實(shí)的數(shù)字模型，真實(shí)模擬不同條件下的水力特性和結(jié)構(gòu)行為，準(zhǔn)確預(yù)測工程效果，減少實(shí)地試驗(yàn)次數(shù)和試驗(yàn)成本，提高工程施工效率。同時(shí)，由于水利工程建設(shè)涉及各種復(fù)雜的因素，如水文、水力、土力等因素，如果僅憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行施工，可能存在安全隱患。而數(shù)字孿生技術(shù)能全面仿真分析，發(fā)現(xiàn)潛在的問題并進(jìn)行優(yōu)化，從而提高工程的穩(wěn)定性。此外，在水利工程建設(shè)完成后，需要進(jìn)行日常的運(yùn)維管理，主要包括監(jiān)測水位、流量、水質(zhì)等指標(biāo)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決問題。數(shù)字孿生技術(shù)可實(shí)時(shí)獲取水利系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，預(yù)測潛在的異常故障，提供決策支持，優(yōu)化運(yùn)維管理策略，提高水利系統(tǒng)的可持續(xù)性[2]。通過數(shù)字孿生技術(shù)，能有效縮短工程建設(shè)周期，減少設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，提高工程建設(shè)效率。在工程施工過程中可以對(duì)施工人員進(jìn)行實(shí)名制信息化系統(tǒng)管理，并結(jié)合定位規(guī)范現(xiàn)場施工人員的作業(yè)行為，杜絕安全施工發(fā)生。對(duì)施工現(xiàn)場的河道和水庫的水位進(jìn)行智能識(shí)別，對(duì)各類告警數(shù)據(jù)掌控精準(zhǔn)，輔助發(fā)現(xiàn)解決問題及時(shí)準(zhǔn)確，保障水利工程施工安全。在施工中，通過對(duì)施工過程的實(shí)際進(jìn)度和計(jì)劃進(jìn)度進(jìn)行模擬比對(duì)，分析出施工偏差的原因，便于改進(jìn)。在質(zhì)量管理中，通過智能分析和綜合研判，可以對(duì)可能存在的質(zhì)量問題進(jìn)行預(yù)警提示，確保工程質(zhì)量?？傊瑪?shù)字孿生技術(shù)在水利工程建設(shè)中具有廣泛的應(yīng)用前景，通過將實(shí)際工程與數(shù)字模型相結(jié)合，數(shù)字孿生技術(shù)能提供全面的監(jiān)控，從而提高工程建設(shè)效率。未來，我們要進(jìn)一步深入研究數(shù)字孿生技術(shù)，在水利工程建設(shè)中實(shí)現(xiàn)更多的創(chuàng)新和應(yīng)用[3]。

2.2?構(gòu)建濰城區(qū)一體化水利感知網(wǎng)

依托濰城區(qū)水系連通、河道治理、水庫除險(xiǎn)加固等工程，完善河道、泵站、水庫等水利工程智慧化水平。一是擴(kuò)大河庫智慧感知范圍，對(duì)大于河和小于河補(bǔ)充實(shí)現(xiàn)流量及水位等多要素在線監(jiān)測。柴家河水庫、劉家莊子水庫、平壽水庫和潘里水庫4座?。?）型水庫實(shí)現(xiàn)水位、視頻、安全運(yùn)行狀態(tài)等多要素監(jiān)測。?二是擴(kuò)大水利工程設(shè)施監(jiān)測范圍，對(duì)水庫的安全運(yùn)行加強(qiáng)監(jiān)測，建設(shè)濰城區(qū)境內(nèi)水庫監(jiān)測預(yù)警設(shè)施，補(bǔ)充監(jiān)控站點(diǎn)，用以智慧監(jiān)測水庫位移、形變、滲漏等險(xiǎn)情；針對(duì)柴家河水庫、劉家莊子水庫、平壽水庫和潘里水庫，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星遙感周期性智能監(jiān)測水情和大壩形變。針對(duì)大于河和小于河，實(shí)現(xiàn)定期無人機(jī)巡視和智能巡河。?三是提升水利管理活動(dòng)的智能感知能力，依托水利部和省水利廳、市水利局的衛(wèi)星遙感信息服務(wù)平臺(tái)，加強(qiáng)運(yùn)用衛(wèi)星遙感、AI智能攝像機(jī)、無人機(jī)等新設(shè)備新技術(shù)，豐富區(qū)域監(jiān)測手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)水利工程險(xiǎn)情、防汛抗旱動(dòng)態(tài)、水域岸線侵占情況、水利工程施工進(jìn)度、水雨情動(dòng)態(tài)、水土流失動(dòng)態(tài)等的全面動(dòng)態(tài)感知，全面提升水利工程建設(shè)、水利工程運(yùn)行、水資源管理、水環(huán)境水生態(tài)監(jiān)控、水災(zāi)害預(yù)防等水利核心業(yè)務(wù)管理活動(dòng)中的智能感知能力。

2.3濰城區(qū)智慧協(xié)同體系建設(shè)

在濰城區(qū)現(xiàn)有水利工程、水利設(shè)施、水利資源管理體系的基礎(chǔ)上，根據(jù)需要建立一套完整的集水利工程信息、水利管理信息、水利資源信息等功能于一體的智能系統(tǒng)。一是建設(shè)濰城區(qū)水利信息一體化平臺(tái)，充分運(yùn)用新一代物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)，整合濰城區(qū)目前的防汛監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)等各個(gè)業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，建立起濰城區(qū)水利信息一體化平臺(tái)，其中包括水資源管理系統(tǒng)、供水保障系統(tǒng)、辦公信息化系統(tǒng)，并對(duì)接省、市水行政主管部門，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)共享，打造現(xiàn)代智慧決策系統(tǒng)，該系統(tǒng)集防洪、供水、水資源管理等多功能于一體。二是建設(shè)水土保持信息化系統(tǒng)，推進(jìn)互通互聯(lián)的水土保持信息化建設(shè)，建成水土保持資源共享信息平臺(tái)，全面提升全區(qū)水土保持信息化、智慧化水平，真正實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)控的“天地一體化”預(yù)防監(jiān)督、精細(xì)化管理的“圖斑”綜合治理。三是建設(shè)用水管理系統(tǒng)，根據(jù)節(jié)水型城市的建設(shè)要求，對(duì)濰城區(qū)水平衡監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)完善，根據(jù)水平衡測試分析更加快捷方便地找出用水超標(biāo)片區(qū)或用水戶。建立完善遠(yuǎn)程在線監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控、系統(tǒng)分析供水管道內(nèi)的壓力和流量，降低管網(wǎng)漏損率，減少水資源的浪費(fèi)。四是大于河、小于河數(shù)字孿生流域建設(shè)，采用“點(diǎn)線面”結(jié)合的方式構(gòu)建大于河、小于河數(shù)字化場景，主要建設(shè)內(nèi)容包含濰城區(qū)全流域的數(shù)字場景、大于河、小于河精細(xì)化場景和利用數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建的流域?qū)嵕叭S模型。運(yùn)用虛擬化手段、建立模型，對(duì)全區(qū)流域水信息進(jìn)行靜動(dòng)結(jié)合的多維數(shù)據(jù)展示，輔助防汛等聯(lián)合調(diào)度指揮決策者做出決策[4]。

3?對(duì)智慧水利發(fā)展的思考及建議

3.1?智慧水利現(xiàn)狀與存在問題

一是智慧應(yīng)用水平不高，全面感知能力不足。二是共享不足。在水利行業(yè)內(nèi)部及與環(huán)保、交通、國土等部門的相關(guān)數(shù)據(jù)還不能做到數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享。三是智慧水利建設(shè)需要投入資金較大，很多地區(qū)由于資金投入不足，設(shè)備功能不夠完善，硬件系統(tǒng)得不到提升，影響智慧水利發(fā)展。四是對(duì)數(shù)據(jù)安全具有挑戰(zhàn)，隨著當(dāng)前對(duì)保密要求的提高，對(duì)數(shù)據(jù)隔離與脫敏有了更高的要求。3.2智慧水利未來發(fā)展的思考

智慧水利在水利行業(yè)中專業(yè)、全過程的應(yīng)用十分必要，其應(yīng)用價(jià)值也十分突出，是推動(dòng)新階段水利行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的路徑之一。要加快構(gòu)建具有預(yù)報(bào)、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案功能的智慧水利體系，實(shí)現(xiàn)場景數(shù)字化、模擬智慧化和決策精準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)水利行業(yè)內(nèi)外之間的互聯(lián)互通，更安全高效地處理水利信息，進(jìn)行資源整合，提高水利設(shè)施遠(yuǎn)程控制和智能化執(zhí)行能力[5]。

4?結(jié)語

綜上所述，隨著科技不斷發(fā)展和全球信息化的深度發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和水利應(yīng)用為一體的智慧水利建設(shè)已經(jīng)在水利領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。智慧水利的核心是水利信息化服務(wù)，通過將現(xiàn)代化的信息技術(shù)與傳統(tǒng)的水利相融合，為水利數(shù)據(jù)提供全方位的監(jiān)測、存儲(chǔ)、傳輸、智能分析應(yīng)用的服務(wù)。水利工程數(shù)字孿生技術(shù)可以提升水利工程建設(shè)從規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工到運(yùn)行管理維護(hù)全過程的管理水平，加快項(xiàng)目進(jìn)度、節(jié)約成本，提升水利工程的自動(dòng)化、智慧化水平。數(shù)字水利業(yè)務(wù)平臺(tái)的建設(shè)，可以為水資源管理、防汛抗旱、供水保障、業(yè)務(wù)辦理等提供更便捷的服務(wù)方式。智慧水利在實(shí)際中的應(yīng)用價(jià)值點(diǎn)仍需繼續(xù)挖掘，智慧水利的推廣應(yīng)用也將助力水利行業(yè)的快速發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]?余卓衡，舒德偉，白畯文，等.基于GIS+BIM的滇中引水工程數(shù)字場景構(gòu)建研究[J].水利信息化，2023（2）：34-38.

[2]?朱喬利，何成威，劉亦超.面向Cesium的數(shù)字孿生場景多源數(shù)據(jù)融合可視化研究[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2023（23）：43-46.

[3]?牛廣利，李天旸，楊恒玲，等.數(shù)字孿生水利工程安全智能分析預(yù)警技術(shù)研究及應(yīng)用[J].長江科學(xué)院院報(bào)，2023，40（3）：181-185.

[4]?鄭安琪，SHAH?S，梁健.基于數(shù)字孿生的泵閘群自動(dòng)化調(diào)度系統(tǒng)研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2023，13（30）：128-131.

[5]?夏潤亮，李濤，余偉，等.流域數(shù)字孿生理論及其在黃河防汛中的實(shí)踐[J].中國水利，2021（20）：11-13.