薛國強(qiáng)

（廈門市國水水務(wù)咨詢有限公司，福建 廈門，361015）

0 引言

2018 年以來，水利部印發(fā)《加快推進(jìn)新時代水利現(xiàn)代化的指導(dǎo)意見》[1]，圍繞“水利工程補(bǔ)短板，水利行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管”總基調(diào)，要求全方位推進(jìn)智慧水利建設(shè)，把智慧水利建設(shè)作為促進(jìn)水利現(xiàn)代化建設(shè)的著力點和突破口，作為創(chuàng)新水利管理模式的重要契機(jī)，作為推動智慧社會建設(shè)的重要實踐，作為滿足人民對美好生活需要的重要手段。

馬鑾灣新城規(guī)劃片區(qū)位于廈門市西部、海滄區(qū)北部馬鑾灣片區(qū)，共有 9 條溪流匯入港灣，各溪流下游與灌溉渠道相通，呈現(xiàn)縱橫交錯水網(wǎng)[2]。馬鑾灣區(qū)域現(xiàn)狀水體復(fù)雜，水質(zhì)有不同程度污染，濱水空間未能形成良好格局，現(xiàn)狀水利工程措施缺乏系統(tǒng)、科學(xué)的運行調(diào)度規(guī)則，不合理的調(diào)度措施會造成行洪安全與淡水資源浪費[3]。鑒此，馬鑾灣新城建設(shè)有（或規(guī)劃建設(shè)）新陽主排洪渠 1 和 2# 閘，人工島內(nèi)灣過蕓溪水閘，過蕓溪 1 和 2# 翻板閘，深青溪閘、瑤山溪閘、祥露溪閘，環(huán)灣南溪 1，2 和3# 閘，馬鑾灣出口海堤 9 孔閘（已建），翁厝涵閘（已建）等 13 座水閘。通過在河口建閘，有效地攔蓄上游淡水水源，同時合理利用再生水配水，保持新城水生態(tài)多樣性，改善水質(zhì)，維持較好的水生態(tài)景觀，打造水敏感宜居城市[4]?；诖舜蟊尘?，為深入挖掘和廣泛運用水利信息資源，全面提升水利工程管理的效率和效能，構(gòu)建馬鑾灣水安全保障體系，提升水安全保障能力，實現(xiàn)馬鑾灣地區(qū)水利工程現(xiàn)代化、標(biāo)準(zhǔn)化管理。在工程補(bǔ)短板，行業(yè)強(qiáng)監(jiān)管的總基調(diào)下，馬鑾灣片區(qū)水域進(jìn)行了水閘聯(lián)合運行調(diào)度系統(tǒng)智能化建設(shè)研究。

1 總體設(shè)計與建設(shè)原則

深入貫徹落實“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”治水方針，按照“強(qiáng)水利、美生態(tài)、富百姓、建隊伍、保平安”的總體要求，按照“標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的管理體系、整潔美觀的工程面貌、相得益彰的濱海風(fēng)情、先進(jìn)智能的信息系統(tǒng)”的目標(biāo)，建設(shè)智能監(jiān)控、水文預(yù)報、雨水情監(jiān)測、水閘安全監(jiān)測等系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的管理體系，以及安全秀美水閘及閘群一體化信息平臺。圍繞“美麗廈門”戰(zhàn)略規(guī)劃，充分運用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、AR（增強(qiáng)現(xiàn)實）、智能視頻分析等新興信息技術(shù)，利用專業(yè)管理軟件、可編程控制器、組態(tài)軟件平臺、通信網(wǎng)絡(luò)、視頻服務(wù)器等設(shè)備開發(fā)集成，前端控制、監(jiān)控設(shè)備和后端的軟件平臺相結(jié)合，構(gòu)建監(jiān)測類型豐富、監(jiān)測手段多樣、信息傳輸穩(wěn)定、控制安全可靠的全覆蓋立體感控體系，建設(shè)馬鑾灣新城水閘智能聯(lián)合運行調(diào)度系統(tǒng)（以下簡稱水閘智能調(diào)度系統(tǒng)）。實現(xiàn)“更全面的感知、更科學(xué)的決策、更智能的調(diào)度、更高效的管理”目標(biāo)，促進(jìn)水利信息資源的深度整合應(yīng)用，提升水安全保障能力，打造產(chǎn)城融合的國際化智慧生態(tài)海灣新城，為建設(shè)美麗廈門提供強(qiáng)有力的水利支撐。

馬鑾灣新城區(qū)域水利信息化建設(shè)是一項規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能豐富、涉及面廣的系統(tǒng)工程，為確保工程達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，在水閘智能調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)中應(yīng)遵循以下原則：1）城水和諧，科學(xué)發(fā)展；2）需求導(dǎo)向，重點突破；3）建管并重，務(wù)求實效；4）技術(shù)先進(jìn)，科技創(chuàng)新。

2 建設(shè)內(nèi)容

2.1 生態(tài)物聯(lián)感控系統(tǒng)

將水利工程信息化建設(shè)與馬鑾灣生態(tài)新城建設(shè)緊密融合，使水生態(tài)環(huán)境與城市發(fā)展和諧共處，充分保障城市的防洪安全和生態(tài)環(huán)境。為構(gòu)建馬鑾灣新城水系聯(lián)合調(diào)度控制系統(tǒng)，提升水閘的統(tǒng)一管控水平，需建設(shè)生態(tài)物聯(lián)感控系統(tǒng)，建設(shè)內(nèi)容包括以下 4 個子系統(tǒng)：

1）閘門遠(yuǎn)程控制子系統(tǒng)。為實現(xiàn)扁平化管理，馬鑾灣生態(tài)新城建設(shè)工程閘門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)按無人值班（少人值守）原則設(shè)計，采用計算機(jī)監(jiān)控為主、簡易常規(guī)監(jiān)控為輔的控制方式，對馬鑾灣新城區(qū)域管轄內(nèi)的水閘進(jìn)行閘門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)建設(shè)，實現(xiàn)對所有水閘的統(tǒng)一調(diào)度、管理、控制。

2）視頻監(jiān)控子系統(tǒng)。通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)可實時掌握馬鑾灣新城區(qū)域內(nèi)的現(xiàn)場情況，為各管理決策者提供一種全新的、直觀的、擴(kuò)大視覺和聽覺范圍的管理工具。另外，視頻監(jiān)控系統(tǒng)作為閘門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)，在工作人員對閘門進(jìn)行遠(yuǎn)程操作時，可利用輔助監(jiān)視系統(tǒng)，了解現(xiàn)地設(shè)備的運行全貌，全天候 24 h 監(jiān)控、報警聯(lián)動，及時發(fā)現(xiàn)事故隱患，預(yù)防破壞，減少事故，最大限度地保護(hù)工程設(shè)施安全。為達(dá)到全方位、無死角的視頻監(jiān)控，主要布設(shè)范圍包括工程類、生態(tài)環(huán)境類、安防類 3 類。

3）水文監(jiān)測子系統(tǒng)。水文監(jiān)測系統(tǒng)是對馬鑾灣新城區(qū)域水系水文信息進(jìn)行采集、存儲、分析、輸出等操作的信息服務(wù)系統(tǒng)，是防汛指揮決策系統(tǒng)的重要組成部分。

4）水質(zhì)監(jiān)測子系統(tǒng)。入馬鑾灣的主要支流中過蕓溪、深青溪和瑤山溪 3 條溪流流量占入灣流量的90%，馬鑾灣新城內(nèi)灣水閘群智能聯(lián)合運行調(diào)度工程考慮在 3 條溪流入口處分別布置 1 個水質(zhì)監(jiān)測點，共計 3 個，監(jiān)測參數(shù)包括常規(guī)五參數(shù)、COD、氨氮。

2.2 數(shù)據(jù)交換共享服務(wù)系統(tǒng)

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的日新月異，水利科技發(fā)展應(yīng)堅持開發(fā)和應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)等高新技術(shù)，在臺風(fēng)防汛、工程集控、水閘管理、水閘聯(lián)合調(diào)度等重要領(lǐng)域能更及時客觀地獲得數(shù)據(jù)和信息，更準(zhǔn)確、高效地進(jìn)行預(yù)測和預(yù)警。針對馬鑾灣新城水利數(shù)據(jù)資源分散、數(shù)據(jù)共享及深入挖掘分析能力不足等問題，建設(shè)馬鑾灣新城數(shù)據(jù)交換共享服務(wù)系統(tǒng)，全面匯聚整合馬鑾灣地區(qū)水利相關(guān)數(shù)據(jù)資源，實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的統(tǒng)一管理和高效共享，同時利用水利專業(yè)分析計算技術(shù)，構(gòu)建各類水利專題數(shù)據(jù)服務(wù)，為水利業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務(wù)支撐，形成資源豐富、服務(wù)專業(yè)、共享高效、管控可視的水利數(shù)據(jù)服務(wù)體系，最終實現(xiàn)“數(shù)據(jù)資產(chǎn)化、服務(wù)價值化、管控可視化”的目標(biāo)。

2.2.1 水利數(shù)據(jù)資源建設(shè)

按照“一數(shù)一源”原則，對馬鑾灣地區(qū)水利相關(guān)數(shù)據(jù)資源進(jìn)行調(diào)查與梳理，建立數(shù)據(jù)資源目錄。遵循國家及水利行業(yè)數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，建立各類標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫，對水利數(shù)據(jù)資源進(jìn)行統(tǒng)一存儲。通過信息的集成與存儲，對相關(guān)數(shù)據(jù)資源進(jìn)行整合，建立橫向不同水利業(yè)務(wù)之間、縱向各級水利部門之間的數(shù)據(jù)交換共享機(jī)制，打破傳統(tǒng)數(shù)據(jù)資源的信息孤島，充分發(fā)揮水利、水生態(tài)數(shù)據(jù)資源效能。

2.2.2 專題數(shù)據(jù)服務(wù)建設(shè)

結(jié)合水利專業(yè)分析計算、模型和云計算等技術(shù)，通過一系列的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、專業(yè)化的數(shù)據(jù)服務(wù)建設(shè)，構(gòu)建防汛、工程管理、水生態(tài)、地理信息等專題服務(wù)，為馬鑾灣地區(qū)水利業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供統(tǒng)一的專業(yè)數(shù)據(jù)服務(wù)支撐，滿足水利業(yè)務(wù)應(yīng)用需求，實現(xiàn)水利信息服務(wù)價值化的目標(biāo)。

2.2.3 數(shù)據(jù)交換共享管理建設(shè)

建立數(shù)據(jù)交換共享管理系統(tǒng)，構(gòu)建數(shù)據(jù)資源、服務(wù)管理，數(shù)據(jù)及服務(wù)監(jiān)控，以及數(shù)據(jù)可視化展示等功能，對馬鑾灣新城水利數(shù)據(jù)資源和專題數(shù)據(jù)服務(wù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，實現(xiàn)水利數(shù)據(jù)資源、服務(wù)的可視化全鏈路管控，有效維護(hù)水利信息化產(chǎn)品的生命周期，為水行政主管部門的數(shù)據(jù)資源管理及交換共享提供支撐。

2.3 水閘智能調(diào)度管理平臺

以馬鑾灣新城防汛減災(zāi)、工程運行管理、水閘聯(lián)合調(diào)度等核心業(yè)務(wù)需求為索引，建設(shè)馬鑾灣水閘智能調(diào)度管理平臺，構(gòu)建防汛防臺綜合應(yīng)用、工程集控管理、水閘智能聯(lián)合調(diào)度、增強(qiáng)現(xiàn)實立體防控、馬鑾灣綜合門戶等業(yè)務(wù)應(yīng)用，實現(xiàn)馬鑾灣新城防汛信息全面及時掌握，區(qū)域工程集中控制管理，防洪排澇及水生態(tài)科學(xué)調(diào)度，區(qū)域信息全方位立體監(jiān)控，為馬鑾灣新城水利工程的現(xiàn)代化、智慧化管理提供支撐[5]。智能調(diào)度管理平臺關(guān)系圖如圖 1 所示。

圖 1 智能調(diào)度管理平臺關(guān)系圖

2.3.1 防汛防臺綜合應(yīng)用

廈門位于福建省東南部沿海，易受強(qiáng)熱帶風(fēng)暴和臺風(fēng)襲擊，洪澇災(zāi)害影響嚴(yán)重。采用先進(jìn)的計算機(jī)、地理信息等技術(shù)，構(gòu)建一個全面、完善的防汛防臺綜合應(yīng)用系統(tǒng)，提供臺風(fēng)綜合信息、綜合汛情監(jiān)控、精細(xì)化降雨數(shù)值預(yù)報預(yù)警、防汛分析簡報等功能，實現(xiàn)多元防汛信息的快速匯聚、及時預(yù)警，為馬鑾灣新城防汛人員提供防汛防臺綜合信息服務(wù)，有效減輕洪澇災(zāi)情損失，全面提升防洪減災(zāi)的效率。

2.3.2 工程集控管理

廈門市小型水閘多由社區(qū)負(fù)責(zé)日常管理工作，在防洪、灌溉和生態(tài)等方面發(fā)揮著重要作用，但經(jīng)過多年的運行，這些水閘在安全管理方面存在以下問題：控制運行、消防安全、值班考勤等規(guī)章制度不完整，未上墻；資金短缺；水閘調(diào)度運行方案、安全管理（防汛）預(yù)案沒有針對性。為此提出“以大帶小、小小聯(lián)合”的區(qū)域工程集中化管理的模式，針對馬鑾灣新城水閘工程，利用現(xiàn)代信息技術(shù)，建立統(tǒng)一的工程集控管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對水利工程監(jiān)控、運行、維護(hù)的統(tǒng)一管理，保證水利工程安全可靠運行，推動工程安全生產(chǎn)和規(guī)范管理，為馬鑾灣新城水利工程管理提供完善的一體化管理體系。

2.3.3 水閘智能聯(lián)合調(diào)度

實際運行過程中，洪水演進(jìn)和水生態(tài)環(huán)境演變過程復(fù)雜，馬鑾灣閘泵工程組成聯(lián)合調(diào)度工程群，可實現(xiàn)防洪排澇和水環(huán)境調(diào)度等功能。若水利工程群僅按照控制運行計劃執(zhí)行，而無專用調(diào)度指揮工具，面對非常規(guī)洪水或水環(huán)境演變等形勢時，多工程優(yōu)化調(diào)度實現(xiàn)難度大，所以需要建設(shè)統(tǒng)一精細(xì)協(xié)同調(diào)度的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，構(gòu)建多目標(biāo)調(diào)度模型，實現(xiàn)區(qū)域水閘智能聯(lián)合統(tǒng)一精細(xì)調(diào)度。

2.3.3.1 防汛排澇調(diào)度決策輔助子系統(tǒng)

1）防洪排澇調(diào)度模型建設(shè)。根據(jù)研究區(qū)域特性、下墊面條件、閘泵工程特性及城市防洪防潮特征，建設(shè)水文學(xué)及水力學(xué)耦合的防洪防潮調(diào)度模型，支撐區(qū)域防汛工作。防汛排澇調(diào)度模型包括產(chǎn)流、河網(wǎng)水動力、潮位預(yù)報、實時校正、平原淹沒分析等模型。

2）洪澇演進(jìn)模擬。利用防洪防潮調(diào)度模型，通過降雨時空分配、產(chǎn)流在線計算、潮位預(yù)報、泵站調(diào)度模擬、水流演進(jìn)模擬等流程化的作業(yè)過程，進(jìn)行水流演進(jìn)模擬方案的計算，在系統(tǒng)中進(jìn)行相關(guān)方案條件的配置，系統(tǒng)調(diào)用后臺模型進(jìn)行水流演進(jìn)模擬。

3）洪澇計算成果分析。實現(xiàn)對降雨信息統(tǒng)計分析、產(chǎn)流信息計算分析、閘泵調(diào)度排水分析評估、斷面水位-流量關(guān)系分析、淹沒信息統(tǒng)計分析。

4）洪澇淹沒動態(tài)仿真。根據(jù)模型計算結(jié)果，可對洪澇演進(jìn)過程進(jìn)行動態(tài)仿真模擬，仿真模擬洪澇演進(jìn)過程中淹沒水深變化，對一場洪澇的演進(jìn)給以直觀的感受，更迅速地了解洪澇演進(jìn)情況及洪災(zāi)成因，有利于提高防汛決策工作水平。

5）洪澇災(zāi)情分析評估?；谒餮葸M(jìn)模擬方案成果，在系統(tǒng)中進(jìn)行洪澇計算成果分析、洪澇影響分析、災(zāi)情損失評估、在線簡報生成、洪澇風(fēng)險圖圖件制作等，相關(guān)操作均基于 WebGIS 地圖進(jìn)行，提供更科學(xué)精準(zhǔn)的分析和更高效的交互及信息展示。

6）調(diào)度方案評價優(yōu)選。方案評價優(yōu)選是對多場洪澇計算方案進(jìn)行評價對比，以優(yōu)選出洪澇風(fēng)險更小的方案。對不同閘、泵調(diào)度情景的方案，在系統(tǒng)中對洪澇淹沒情況、時長等指標(biāo)進(jìn)行對比評價，推薦優(yōu)選方案為洪澇調(diào)度執(zhí)行方案。2.3.3.2 水生態(tài)環(huán)境調(diào)度決策輔助子系統(tǒng)

1）水環(huán)境調(diào)度模型。水質(zhì)模型是水體水質(zhì)變化規(guī)律的數(shù)學(xué)描述。通過數(shù)值計算模擬預(yù)測水質(zhì)污染物輸運規(guī)律；通過調(diào)研分析，概化區(qū)域污染源，考慮區(qū)域閘泵工程特性；通過對對流擴(kuò)散方程與水流演進(jìn)計算模型耦合求解，進(jìn)行水環(huán)境調(diào)度模型建設(shè)。

2）水生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與評價子系統(tǒng)。通過水質(zhì)監(jiān)測收集到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、污染物排放情況及評價水體的水情，運用水環(huán)境容量計算模型，計算水體污染物分布及輸移趨勢、水環(huán)境容量等，按評價指標(biāo)是否滿足水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和水體所處水功能區(qū)要求，綜合評價水體的水質(zhì)狀況。

3）水環(huán)境調(diào)度決策支持系統(tǒng)。一般的引清調(diào)水，由于引水時機(jī)或方式不科學(xué)，會導(dǎo)致清水浪費，利用效率低。引清調(diào)水決策支持系統(tǒng)利用水質(zhì)模型，通過在線的調(diào)水方案制定與計算、分析及會商、跟蹤及優(yōu)化等功能可實現(xiàn)水環(huán)境優(yōu)化調(diào)度支持。根據(jù)實時水情及工情，規(guī)劃最優(yōu)調(diào)水時機(jī)及路線，通過配水的稀釋和置換作用，使水質(zhì)較差的水體增加流動，調(diào)活水體，提高復(fù)氧、自凈能力，改善水質(zhì)，為提高水環(huán)境質(zhì)量提供決策支持。

2.3.4 綜合應(yīng)用門戶

利用現(xiàn)代化信息技術(shù)，建設(shè)統(tǒng)籌全局、一站式登錄、多維信息融合的馬鑾灣綜合應(yīng)用門戶，構(gòu)建統(tǒng)一門戶、馬鑾灣生態(tài)調(diào)度指揮大屏、移動工作系統(tǒng)，實現(xiàn)馬鑾灣新城水利和水生態(tài)綜合信息分析及成果的智能化統(tǒng)一分析展示、管理、導(dǎo)航，為區(qū)域防汛防臺、工程管理、水生態(tài)環(huán)境管理提供支撐。

2.4 指揮調(diào)度中心

2.4.1 數(shù)據(jù)中心

建設(shè)馬鑾灣新城工程數(shù)據(jù)中心和標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)房，并配套相應(yīng)的軟硬件設(shè)施，避免軟硬件資源的重復(fù)建設(shè)，為馬鑾灣新城工程的信息化建設(shè)提供安全、穩(wěn)定的基礎(chǔ)運行保障環(huán)境。

2.4.2 調(diào)度中心

為實現(xiàn)對馬鑾灣新城城區(qū)水閘的調(diào)度及水資源的優(yōu)化配置，提高城區(qū)水利工程管理能力，實現(xiàn)對城區(qū)水閘、水資源日常的運行管理與調(diào)度，根據(jù)馬鑾灣新城水閘規(guī)模，初步考慮建設(shè) 1 個總調(diào)度中心，分中心則根據(jù)水閘方案進(jìn)行設(shè)置，調(diào)度中心與分中心采用專網(wǎng)實現(xiàn)互聯(lián)互通，專網(wǎng)包括工控與視頻專網(wǎng)。調(diào)度中心系統(tǒng)建設(shè)包括大屏幕顯示、會議擴(kuò)聲、集中控制及配套設(shè)施等子系統(tǒng)。

2.5 水閘聯(lián)合調(diào)度運行計劃

工程調(diào)度運行計劃是在典型工況條件下制定的，為實現(xiàn)防洪排澇、擋潮、水環(huán)境調(diào)度等目標(biāo)，用于指導(dǎo)工程運行調(diào)度的規(guī)則。馬鑾灣水閘群需要結(jié)合現(xiàn)狀工程情況，按照典型洪水發(fā)生及水環(huán)境演變等過程，結(jié)合馬鑾灣水文、潮汐情況進(jìn)行洪潮組合，對錯峰調(diào)洪演算等進(jìn)行計算，制定滿足工程調(diào)度目標(biāo)的控制運行計劃。

3 結(jié)語

當(dāng)今社會日新月異，互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、數(shù)字信息化突飛猛進(jìn)，日行千里，近年來以互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能為代表的新一代網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)，正加速與經(jīng)濟(jì)社會各領(lǐng)域深入滲透融合。要推進(jìn)新時代水利現(xiàn)代化的發(fā)展，必須全方位推進(jìn)智慧水利建設(shè)，提升水安全保障能力，為水利改革發(fā)展提供有力支撐。馬鑾灣新城水閘群通過生態(tài)物聯(lián)感控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)交換共享服務(wù)系統(tǒng)、智能調(diào)度管理平臺、指揮調(diào)度中心及水閘聯(lián)合調(diào)度運行計劃等智慧水利信息化建設(shè)，建立馬鑾灣片區(qū)水閘智能聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)，打造福建省領(lǐng)先的智慧水利金名片，有力提升全局工作能力和管理效率，實現(xiàn)馬鑾灣水利工程現(xiàn)代化、標(biāo)準(zhǔn)化管理，正是智慧水利建設(shè)的完美典范。當(dāng)然，因研究范圍和投資預(yù)算等各方面原因，如何在更大范圍內(nèi)進(jìn)行水利工程的協(xié)同智慧建設(shè)還未更多拓展研究，這些需要各方面更多的投入，更大的決心，做到更大范圍水利一張圖，多規(guī)合一，協(xié)同建設(shè)與智慧調(diào)度運行管理。