現代化水庫運行管理矩陣體系分析與構建關鍵問題研究

方衛華，袁 威，楊浩東

(1.水利部南京水利水文自動化研究所，210012，南京；2.水利部水文水資源監控技術中心，210012，南京；3.水利部水旱災害防御重點實驗室，210024，南京）

2000年以來，隨著水庫運行管理水平的逐步提高，我國年均潰壩率降至0.05‰以下，進入低潰壩率國家行列，水庫在保障人民生命財產安全、支撐經濟社會發展以及生態環境保護修復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，人類活動強度的加劇，近年來世界范圍內洪澇災害愈加頻繁，水庫潰壩事件時有發生，與高質量發展要求相比，我國水庫運行管理方面依然存在亟待解決的問題。在此背景下，《水利部關于加快構建現代化水庫運行管理矩陣的指導意見》（水運管〔2023〕248 號）以及《水利部辦公廳關于印發〈構建現代化水庫運行管理矩陣重點任務分工方案〉的通知》（辦運管〔2023〕214號）兩個文件的發布，凸顯了構建現代化水庫運行管理矩陣作為行業重點任務的必要性、可行性和緊迫性。

構建現代化水庫運行管理矩陣要求達到“四全”管理、“四制（治）”體系、“四預”措施和“四管”工作共16項具體目標，涉及水利部下屬各主要單位31項任務，同時涵蓋“智慧水利”、“數字孿生”和雨水情監測預報“三道防線”建設等相關要求?？傊?，構建水庫現代化運行管理矩陣是確保水庫安全運行和提高水庫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、數字孿生以及雨水情監測預報“三道防線”、“四預”等概念存在交叉重疊，使得其難以被系統完整理解和準確掌握，而目前鮮有相關文獻進行系統分析。為厘清構建現代化水庫運行管理矩陣各項內容和方法之間的關系，構建可復制、可推廣和符合高質量發展要求的實施模板，在分析現代化水庫運行管理矩陣提出背景、內涵和發展過程基礎上，本文繪制了現代化水庫運行管理矩陣構建體系“一張圖”，分析了現代化水庫運行管理矩陣與標準化管理、風險管理以及智慧管理各概念之間的關系及其發展脈絡，提出了工程安全風險感控和生產安全風險感控“三道防線”概念，對現代化水庫運行管理矩陣構建中的幾個關鍵科技問題進行分析，結合國內外進展給出了相關問題的解決建議并進行總結。

一、提出過程及研究方法

1.提出過程

針對水庫運行管理存在的問題和高質量發展的要求，2021年4月，《國務院辦公廳關于切實加強水庫除險加固和運行管護工作的通知》發布；2022年11月，水利部召開專題會議，部長李國英提出要加快構建現代化水庫運管矩陣；2023年10月，《水利部辦公廳關于印發〈構建現代化水庫運行管理矩陣先行先試工作方案〉的通知》（辦運管〔2023〕245 號）發布；2023 年10 月，《水利部辦公廳關于印發現代化水庫運行管理矩陣建設先行先試臺賬的通知》（辦運管〔2023〕278號）發布。從上述過程可知，矩陣建設是當前和今后一段時間水庫運行管理的重要任務。

2.研究方法

從2022 年水利部提出加快構建現代化水庫運行管理矩陣以來，水利部南京水利水文自動化研究所錨定新階段水利高質量發展目標，通過相關文獻（包括政策文件、標準規范和研究報告）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江水利委員會、黃河水利委員會和海河水利委員會以及小浪底水利樞紐管理中心的下屬水庫進行實地調研，組織相關專家交流咨詢等研究方法，對水庫運行管理督查和標準化評價中發現的問題、整改措施及整改效果，監測系統組成、可靠性和運行穩定性，監測數據及時性、完整性、連續性和精確性，數字孿生水庫建設情況以及相關技術人員對數字孿生的疑問等方面進行研究。

二、現代化水庫運行管理矩陣構建體系“一張圖”的提出

1.內涵分析

現代化水庫運行管理矩陣充分考慮了標準化管理評價和工程管理考核的銜接，包括工程管理考核、標準化管理、風險管理、智慧管理4個層次，同時要求水庫運行管理必須嚴格執行“風險要素感知—成因分析、異常診斷與危險度評估—針對性和系統決策—事件處置（含工程措施和非工程措施）—效果評估—改進檢驗—知識應用”的各個環節，做到水庫運行管理全覆蓋和環節全閉合，避免管理漏洞、盲區和環節缺失?？傊?，現代化水庫運行管理矩陣是一個具有系統性、普適性、可升級性和開放性的管理體系，其構建過程中必須注意整體協調性及針對性。

系統性要求現代化水庫運行管理矩陣的構建必須涵蓋水庫運行管理和效益發揮的關鍵要素和過程，具體可劃分為三大任務，即安全保障、效益和損失控制、管理體制和機制（含人員和制度）優化。安全保障包括工程安全、生產安全和防洪供水安全保障。效益和損失控制包括關聯區域、影響區域的分級管理以及如何充分發揮工程的經濟、社會、環境和生態效益，減少或避免由于工程結構或運行管理造成的各類損失。管理體制和機制優化首先是要實現水庫運行管理人員、監督考核人員以及后方技術支撐人員等全員覆蓋，人員責任逐一落實；其次是實現工程設備設施日常運行操作、維修保養和應急調度效果等全過程與人員培訓、調配、獎懲等全要素相對應匹配。

普適性要求必須考慮到全國水庫現代化運行管理統一范式和標準化工作部署，提出共性框架。在具體執行過程中需在矩陣框架下結合水庫的實際情況體現導向性，即以需求和問題為導向，通過理念更新、體制創新、設備設施更新換代、數據質控和驅動、人工智能輔助等體系化建設解決實際問題。

可升級是指需要根據科技發展和實際問題的變化，從技術、人員、體制機制、模型算法、硬軟件設備設施等方面不斷進行有針對性和適應性的迭代升級，從而實現水庫效率更高、模型算法性能（預報精度、預見期、穩健性和泛化能力）更優、成本更低、效益更好等目標。

開放性是指系統或平臺具有對外行業數據或指令的接口。如雨水情監測預報“三道防線”構建、應急管理和人員疏散等都需要氣象、自然資源等相關行業的資源和數據共享。

2.現代化水庫運行管理矩陣構建體系“一張圖”的繪制

根據上述內涵分析，提出現代化水庫運行管理矩陣構建體系“一張圖”，如圖1所示?，F代化水庫運行管理矩陣構建步驟如下：

圖1 現代化水庫運行管理矩陣構建體系“一張圖”

①摸清工程底細，包括區域、工程、設備設施、人員和制度等，其中區域包括影響工程安全和效益發揮的相關區域以及工程失事后的損失情況管理區、下游影響區和上游關聯區，包括區域內氣候、氣象、水文、地形、地質、結構、材料等相關要素；工程主要包括水庫擋水、泄水、供水、發電等建筑物以及各類基礎工程的竣工和勘探資料、設計資料以及監測和運行維護資料等。

②根據《水利工程標準化管理評價辦法》，從工程狀況、安全管理、運行管護、管理保障、信息化建設等方面對大中型水庫進行深入檢查、逐項完善，保證全面達到標準化管理要求。對于小型水庫可根據相關文件結合小型水庫安全風險進行相應簡化。

③基于風險管理體系，全面分析影響工程安全和效益發揮的各種要素，分析確定其不確定性和相互間的關聯性。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、結構材料等自身條件，建筑物運行調度、維修加固過程中人、機、物和工程相互作用，以及影響區域多要素關聯和演化等。除外界作用，大壩承載能力、水庫有效庫容和泄洪能力，以及集雨面積、下墊面、影響后果、水庫效益等都在隨水庫運行而變化。從漸變和突變、災害演化和疊加以及全局敏感性出發，動態確定關鍵要素，嚴格分級預警，根據致災因子及其分布區域、影響后果、動態特性做好相應的雨水情監測預報、工程安全風險感控、生產安全風險感控“三道防線”和相應各項內容的“四預”工作。

④搭建數字孿生平臺，提升體系決策支撐能力。充分利用人工智能技術，包括智能傳感、邊緣計算、感知網絡、云計算等，從數據庫建設、訪問、展示、交互全要素入手，借助圖神經網絡、脈沖神經網絡、知識圖譜、遷移學習、強化學習和多模態學習等人工智能方法，建立水庫安全模型，效益和運行調度的評估、預警、反饋、控制模型，通過多源數據融合、數據同化和證據理論等提高預警預報的精度，延長預見期，實現模型的自適應、高穩健、強泛化和高容錯。在此基礎上通過開發相應平臺，提高人機交互水平，全面覆蓋大型水庫、防洪重點中型水庫和“頭頂一盆水”的中小型水庫，實現基于數字孿生的水庫現代化運行管理。

三、與相關概念的關系

在現代化水庫運行管理矩陣概念提出之前，智慧水利、數字孿生和雨水情監測預報“三道防線”建設已經被提出并發布相關文件，在構建現代化水庫運行管理矩陣過程中需準確理解其與上述概念的關系，提高矩陣構建水平。

1.與水庫標準化管理的關系

水庫標準化管理是構建現代化水庫運行管理矩陣的基礎。水利部2022年3月發布《水利部關于印發〈關于推進水利工程標準化管理的指導意見〉〈水利工程標準化管理評價辦法〉及其評價標準的通知》（水運管〔2022〕130號），首次以正式文件的形式提出標準化建設要求?！端こ虡藴驶芾碓u價辦法》是在《水利工程管理考核辦法》基礎上，根據標準化管理的新要求修訂形成，規定以水利工程標準化管理評價替代水利工程管理考核工作?！洞笾行退畮旃こ虡藴驶芾碓u價標準》是上述文件定量化體現，為水庫標準化管理提供了切實可行的精細化評價依據。

2.與“四預”及雨水情監測預報“三道防線”的關系

2021 年11 月，水利部印發《關于大力推進智慧水利建設的指導意見》，提出在重點防洪地區實現“四預”建設N 項業務應用。原來的“四預”主要針對水庫安全，實際上隨著現代化水庫運行管理矩陣的提出，“四預”還應深化到對水庫運行管理的各個子系統，詳見表1。

表1 “四預”概念推廣及內容深化

李國英部長在2023年全國水利工作會議上強調，加快構建雨水情監測預報“三道防線”。2023年8月，水利部辦公廳印發《關于加快構建雨水情監測預報“三道防線”實施方案》（辦水文〔2023〕202號），要求加快建立健全氣象衛星和測雨雷達、雨量站、水文站組成的雨水情監測預報“三道防線”，實現延長洪水預見期和提高洪水預報精準度的有效統一。

為高效降低水庫運行風險，原來面向流域的雨水情監測預報“三道防線”需做進一步調整，即第一道防線可以借助衛星和雷達對水庫（群）集雨面積內的可能降水進行面雨量的預報預警，同時借助配套的氣象水文耦合模型有效延長預見期；第二道防線應針對水庫分水嶺內降水雨量站網進行提檔升級，特別是要提高暴雨監測精準度及數據可靠性，同時完成下墊面產匯流模型的建立和預報方案優化，保證預報精度的前提下延長預見期；第三道防線應針對水庫庫尾各入流斷面，完善水文站網，根據來水性質配置相應監測要素，構建適合水庫來水的洪水演進模型，準確預計壩前水位。在考慮風險情況下，上述三道防線還必須耦合失事或潰壩洪水淹沒損失分析，計入擋水建筑物抗力，泄洪設施設備結構和功能性能的不確定性，壩下游影響區水文、水動力和滲流以及人口、經濟和生態損失的各種不確定性對失事風險影響，并根據風險性質和災害鏈演化制定相應預案并進行針對性預演。此外，在構建現代化水庫運行管理矩陣“三道防線”中，除必須將雨水情監測預報“三道防線”納入外，還應構建工程安全風險感控“三道防線”和生產安全風險感控“三道防線”。

（1）工程安全風險感控“三道防線”

①第一道防線：采用前期勘探、測試和室內試驗，或根據類似工程經驗確定相關結構材料參數和典型工況，結合考慮材料徐變、應變軟（強）化和結構老化的本構模型和失效破壞準則，基于數值模擬計算的方式估計工程安全狀態及失效過程，其預見期為1年以上。

②第二道防線：采用基于當前實測數據的參數反演、多源數據融合、模型修正、數據同化、證據理論等方法，結合物理機制約束和基于數據驅動的預置模型庫、輕量化模型、遷移學習和快速算法，在不考慮結構材料時間劣化特征的情況下進行預見期為1個月的工程安全性態預報預警。

③第三道防線：基于天氣、水文和大壩實測性態數據，采用預警指標的方法實時評估工程結構安全狀態，能高準確度地實現預見期為1天的大壩安全性態預報預警。

（2）生產安全風險感控“三道防線”

①第一道防線：對體制機制運行情況，工程隱患發現和消除情況，設備設施功能性能及其使用維修養護規范化水平，企業風氣和生態，人員專業化水平、對業務熟悉程度、年齡結構、工作態度和精神面貌、健康狀況以及獎懲制度的合理性等長期風險評估，其預見期為3年。

②第二道防線：對設備設施功能性能及其使用維修養護規范化水平，人員專業化水平、對業務熟悉程度、工作交接的順暢性、工作態度和精神面貌、健康狀況以及考勤情況等進行中期風險評估，結合巡視檢查對體制機制的運行情況進行預報預警，其預見期為2年。

③第三道防線：對責任人到崗負責情況，設備設施功能性能及其使用維修養護規范化水平，企業風氣和生態，人員專業化水平、對業務熟悉程度、年齡結構、工作態度和精神面貌、健康狀況以及獎懲制度的合理性等進行短期風險評估，結合應急預案的針對性和有效性對體制機制進行預報預警，其預見期為1年。

現代化水庫運行管理矩陣“三道防線”概念的推廣也要求“四預”必須實現相應內容的全覆蓋，因此也應推廣應用至水庫運行的各個子系統，如閘門控制子系統、網絡運行系統等。

3.與智慧水利和數字孿生的關系

2021年11月，水利部印發《關于大力推進智慧水利建設的指導意見》，提出了智慧水利建設方案，2022年3月水利部分別印發《數字孿生水利工程建設技術導則（試行）》《水利業務“四預”基本技術要求（試行）》《數字孿生流域建設技術大綱（試行）》等。智慧水利是數字孿生的引擎，能加速提高數字孿生的智能化水平，而數字孿生是智慧水利的表現，提高了人機交互水平和效率。在現代化水庫運行管理矩陣提出后，數字孿生不應僅針對大壩等擋水建筑物，更應根據水庫運行管理的關鍵要素，特別是其風險大小，將智慧水利和數字孿生的概念向深處發展，逐步覆蓋影響水庫安全評估和運行調度的關鍵要素，實現雙向信息透明和高效運行決策。

通過上述分析可知，數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性、可解釋性和可視化的具體體現形式，而做好“四預”是數字孿生的落腳點?，F代化水庫運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系。

4.與流域/區域的關系

水庫作為流域的一個節點，通過水量分配和水力聯系，在防洪、供水、抗旱等方面與流域上下游水庫運行具有不可分割的聯系，同時作為區域節點，在土地管理、自然資源、經濟社會、生態環境、防災減災、應急演練、行政執法等方面都具有不同影響。在構建現代化水庫運行管理矩陣過程中，應始終充分考慮水庫所在流域和區域特點，通過數據共享和資源整合，在避免重復建設的基礎上加強溝通協調，提高整體協作水平和相互配合的及時性和有效性。

四、幾個關鍵問題

構建現代化水庫運行管理矩陣要求實施“四全”管理、完善“四制（治）”體系、強化“四預”措施和加強“四管”工作，不僅針對水庫這一對象，同樣也要實現16 個要素之間相互達標，如監管全覆蓋不僅包括庫區、工程、設備設施、軟件、算法和數據，同時也應覆蓋全體相關人員和工作流程，“四預”不僅是對水庫運行狀態和安全的“四預”，也要對標準化管理中的所有要素實現“四預”?？傊F代化水庫運行管理矩陣不是簡單的“1+1=2”，而是通過不同子系統的整合協同形成一個完整系統，通過邊界延伸、數據共享、模型深化達到“1+1 ＞2”的效果，為此必須處理好如下幾個關鍵問題。

1.系統整合與對外接口

構建現代化水庫運行管理矩陣是在現有條件的基礎上進行的，在工程安全、運行調度和管理體制機制等方面都存在約束條件，如需整合不同廠家的監測系統和新舊軟件設備，包括數據格式、通信規約、接口標準、數據安全與隱私處理，以及隨著網絡體系的擴大導致的數據延遲問題。為此，除建立設備體系、指標體系、方法體系、制度體系和標準體系等體系外，還必須解決以下問題：①體系化條件下人機物協調性和資源調配問題；②時間、空間、物理和事件等多尺度協同問題，其中時間多尺度問題，如水庫既有氣候、地質條件對采用建筑材料的長期影響以及蠕變等緩慢長時間累積過程，也包括天氣系統（如局地長時間處于暴雨中心）、近壩區滑坡（導致溢洪道或泄洪設施淤堵）和大壩結構安全性態的突變等短時間突發事件；③多層次協調問題，水庫管理不僅是每一名員工尤其是“三個責任人”的工作，也與廠家售后服務以及天氣預報等外界信息的可靠度有關；④故障隔離和無縫隙銜接問題，大系統運行過程中，如何實時隔離故障點或環節，確保整個大系統的連續健康運行，除采用必要的冗余、熱備份技術外，采用實時故障隔離、并行設計和故障預估技術等也是必須考慮的方法。

2.應急條件下系統可靠性與可用性

超標準洪水、地震等災害耦合強降雨、溢洪道泄洪閘門被漂浮物或滾石阻卡、通信電源中斷等應急條件下，如何保證系統尤其是關鍵核心部分的有效運行是現代化水庫運行管理必須考慮的問題。建議依據風險分析和敏感性分析查找重要風險源、關鍵點（環節），針對性采用應急預案，將應急條件下的“四預”放到更加突出的位置，采用分布式系統、區塊鏈與去中心化、邊緣計算以及備份設計實現水庫運行管理的實時、動態、有效。在信息感知和通信網絡的構建中，采用固定監測－流動監測以及雙信道相互備份是必要的。

3.數據質量控制與在線檢驗

如何保證在干擾、誤碼率較高甚至儀器故障條件下及時發現問題并實現數據質量控制，是構建現代化水庫運行管理矩陣必須解決的問題。為保證每個環節數據真實可靠，可采用基于數據物理意義、多種誤差診斷和快速識別算法的數據質量控制與在線檢測算法。數據質量控制除原有硬件軟件化和軟件硬件化方法外，相繼出現的基于統計理論、證據理論、知識圖譜和深度學習的方法，為在線數據質量控制與無效數據實時處理提供了有效思路。

4.預報模型與預警方法

預報模型是雨水情監測預報、工程安全風險感控、生產安全風險感控“三道防線”、全覆蓋“四預”以及數字孿生等現代化水庫運行管理矩陣中關鍵技術的核心，為優化預報模型精確性、預見期、適應性、穩定性、穩健性和泛化能力，有必要對預報模型體系進行深入梳理，選擇適合具體需求的預報方法（方案）。預報模型一般可以分成基于經驗統計方法、數據驅動方法、數值模擬方法和混合方法的4 種模型。目前物理機制加實測數據的混合方法模型是預報模型的發展趨勢，選擇具有物理約束的人工智能（包括深度學習）模型是兼顧模型速度、精度和適應場景的有效方法。預報模型中的關鍵科學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 種問題都有相應的解決方法，如樣本增強、少樣本學習或遷移學習等，但具體效果如何需借助數值仿真結果予以驗證。

在近兩年的超標準洪水過程中，為優化洪水預報模型預見期和預報精度，快速算法、驅動數據自適應加密、滾動預報及以測補報等實用方法不斷出現，在構建現代化水庫運行管理矩陣模型庫或制定預報方案時可以充分借鑒這類經驗。另外，針對無（缺）資料地區洪水預報模型的建立問題，借助類似工程經驗或物理背景知識，增加約束和減少統計方法對樣本的依賴。

為延長預見期，同時盡可能充分利用水庫擋水和泄水能力，構建氣象-水文-工程一體化預報模型，實現以工程安全為約束的水庫動態調度以及洪水資源化利用。針對下墊面的巨大變化，建立如蓄滯洪區啟用，上游梯級水庫泄洪、失事甚至潰壩，以及水利工程的非正常泄水等條件下的預報模型也是提高水庫現代化運行管理水平的重要手段。在運行條件變化時，可充分借助預置模型庫、基于物理模型的數值模型、預訓練模型、多模態學習、元學習、零樣本學習等提高不同工況下模型的適應能力和響應速度。

預警方法一般包括可靠度（風險）方法和預警指標（閾值）方法，可靠度（風險）方法通過設置可接受風險情況，計算當前水庫管理過程整個或其中一個系統的體系可靠度（風險），并根據可接受風險予以預警。預警指標方法針對實測數據相同指標設置的臨界閾值，既可以是靜態或動態的，也可以是單側或雙側甚至高維的。根據預警指標限定測值屬性，將預警方法分成3個層次，一為荷載預警，如臨界雨量、水位、風速等；二為抗力預警針對受載體、受力體的抵抗能力確定，如抗拉（壓、剪切甚至廣義剪切）強度、斷裂韌度；三為荷載－抗力聯合動態預警。

5.極端－長期兼顧條件下水庫安全保障機制

極端情況發生的概率較低，但其造成損失通常較大，如何協調極端情況和長期投入的關系，在合理降低投入的情況下保證水庫工程效益發揮是水庫現代化管理必須考慮的問題。為此必須研究“四不”（人員不傷亡、水庫不垮壩、重要堤防不決口、重要基礎設施不受沖擊）的成套理論與方法，加強對擋水、泄水及邊坡地基和金屬結構非常規隱患探測及其預報預警、生態調控技術研究，對泥沙淤積、溢流泄洪設施老化失效水庫的防洪能力進行復核，以及提升連續變量和事件混合驅動下水庫突發災害的感控技術水平，以及有效建立與高質量發展、全球氣候變化及科技水平發展相適應的水庫運行管理體系。

五、結論與建議

通過系統分析現代化水庫運行管理矩陣的發展脈絡及其內涵、與相關概念的關系以及構建過程中的關鍵問題，可以得出如下結論：

①現代化水庫運行管理矩陣是水庫管理標準化、風險管理和智慧管理發展的必然結果，需要通過系統手段整合上述成果和經驗；②通過現代化水庫運行管理矩陣構建體系“一張圖”可以厘清相關概念之間的關系，給出現代化水庫運行管理清晰、完整的層次化結構以及流暢的信息流程；③現代化水庫運行管理矩陣建設是一個不斷迭代進步的過程，其中的關鍵科技問題均具有進一步研究的空間，需進行系統梳理和集中協同攻關。

構建好現代化水庫運行管理矩陣是一個涉及多要素、多層次的系統工程，要使得矩陣有序運行，有力促進水庫運行管理水平提高和效益發揮，建議如下：

①構建項目實施管理矩陣，從嚴進行系統軟硬件及平臺的質量控制、天空地水各類數據的質量控制以及整個系統協調性和可靠性保障措施的配置。其中矩陣橫坐標為現代化水庫運行管理矩陣的建設流程，包括設計、軟硬件研制、室內外比測、現場校準、試運行、考核、驗收，縱坐標為每個環節的全要素、全環節和過程單元。

②在先行先試階段需同步針對發現的問題及時總結經驗教訓，并提煉相關標準和技術指南，同步進行相關技術研究和產品開發。

③先行先試過程中，對針對性設計、施工和科研進行全面責任落實，形成全覆蓋獎懲制度，確保構建現代化水庫運行管理矩陣整個過程的質量監督以及責任落實。