引黄供水工程中智慧水利体系构建与关键技术
王亚威
新乡黄河河务局长垣黄河河务局 河南新乡 453400
摘要：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。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。
关键词：引黄供水工程；智慧水利体系；构建；关键技术
1智慧水利的基本要求及优势
1.1做好信息获取、存储、利用等的管理
（1）保证信息的多元性。因为智慧水利建设中牵扯的社会领域较多，且监测管理过程中涉及的面也很广，具体执行过程中存在复杂性和多样性。例如：智慧水利建设中要与气象、水文、市政等多部门打交道，同时监测管理的水利工程对象包括江、河、湖及人工建设水利工程等，水利监管的某一指标信息不会是一时的，要存在对比性，所以可能涵盖了过去、现代及未来的信息，具有一定的时间跨度且数据信息多；信息传输存储中也会以图像、数字和视频等不同格式出现。（2）信息感知的完整性。为了改善目前监测数据的不全面问题，提升水利信息监测的全面性、精准性，需要进一步扩大感知及监测范围。具体的执行就是扩大江河湖泊及水利工程设施的监测范围。同时需要继续引入高科技的手段和设备来提升信息立体感知的智能水平，例如雷达、卫星等。（3）重视信息汇集过程和结果。智慧水利执行过程中需要将获取的信息数据及已有的数库支撑平台和数据库内容进行综合汇聚、整合。其中数据汇集平台应该是在水利管理部门及对应的管控省份、检测流域三级建立，实现遥感影像获取的统一性。然后根据各级的不同需求来对对应数据信息进行处理分析。
1.2高效获知专业知识
（1）大数据挖掘手段。大数据挖掘是指利用软件实现在海量数据库中对应知识的查找提取、分析处理等工作。水利建设中的数据具有信息量大、数据类型多、价值密度低、更新速度快等特点，特别适合使用大数据挖掘手段。（2）人工智能应用。人工智能的应用是建立在大数据挖掘基础上的，需要利用数据来实现智能。只是人工智能具备“指令”功能，可以根据反馈结果来做出对应的指令，并将指令以数据方式传输给对应的设备或机器，使其做出对应的动作。而大数据只能做到分析总结这一步，而不能根据分析结果去自动安排行动。
1.3拓展智慧水利工程中对应的能力
（1）流域水模拟和预测。预测一般分为洪水预报及天气预报等多个方面。例如：流域洪水预报时，要建造对应的水文模拟模型并根据实际需求来进行模型要素和范围的拓展工作，提升模拟能力。而天气预报时，需要进一步拓展水文天气预报的预见期。（2）重视水工程安全分析和科学调度工作开展。工程规划、建设、管理及运行过程中，都必须重视水利工程智能手段的应用，通过模拟过程来发现可能存在的问题，并研究对应的解决策略，按照策略要求开展调度工作。（3）在水利工程行政管理方面引入智能管理系统。在智慧水利平台建设的基础上来进一步开展升级的监管信息预处理、安全生产监管、工程质量监督等，从而实现水利建设行政管理的智能化，提升资产、机关建设等众多项目的智能化管理水平。
2构建智慧水利体系的基本方法
2.1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。
2.2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。
2.3做好气象水文信息融合
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。
2.4建立与智慧水利相配套的制度与人才体系
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。
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。本文结合智慧水利的基本要求及优势，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。
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