现代化水库运行管理矩阵体系分析与构建关键问题研究

方卫华，袁 威，杨浩东

(1.水利部南京水利水文自动化研究所，210012，南京；2.水利部水文水资源监控技术中心，210012，南京；3.水利部水旱灾害防御重点实验室，210024，南京）

2000年以来，随着水库运行管理水平的逐步提高，我国年均溃坝率降至0.05‰以下，进入低溃坝率国家行列，水库在保障人民生命财产安全、支撑经济社会发展以及生态环境保护修复等方面的综合效益日益增加。但随着全球气候变化愈加频繁，人类活动强度的加剧，近年来世界范围内洪涝灾害愈加频繁，水库溃坝事件时有发生，与高质量发展要求相比，我国水库运行管理方面依然存在亟待解决的问题。在此背景下，《水利部关于加快构建现代化水库运行管理矩阵的指导意见》（水运管〔2023〕248 号）以及《水利部办公厅关于印发〈构建现代化水库运行管理矩阵重点任务分工方案〉的通知》（办运管〔2023〕214号）两个文件的发布，凸显了构建现代化水库运行管理矩阵作为行业重点任务的必要性、可行性和紧迫性。

构建现代化水库运行管理矩阵要求达到“四全”管理、“四制（治）”体系、“四预”措施和“四管”工作共16项具体目标，涉及水利部下属各主要单位31项任务，同时涵盖“智慧水利”、“数字孪生”和雨水情监测预报“三道防线”建设等相关要求。总之，构建水库现代化运行管理矩阵是确保水库安全运行和提高水库综合效益的重要举措。由于涉及层次、要素和尺度多，特别是与近期提出的智慧水利、数字孪生以及雨水情监测预报“三道防线”、“四预”等概念存在交叉重叠，使得其难以被系统完整理解和准确掌握，而目前鲜有相关文献进行系统分析。为厘清构建现代化水库运行管理矩阵各项内容和方法之间的关系，构建可复制、可推广和符合高质量发展要求的实施模板，在分析现代化水库运行管理矩阵提出背景、内涵和发展过程基础上，本文绘制了现代化水库运行管理矩阵构建体系“一张图”，分析了现代化水库运行管理矩阵与标准化管理、风险管理以及智慧管理各概念之间的关系及其发展脉络，提出了工程安全风险感控和生产安全风险感控“三道防线”概念，对现代化水库运行管理矩阵构建中的几个关键科技问题进行分析，结合国内外进展给出了相关问题的解决建议并进行总结。

一、提出过程及研究方法

1.提出过程

针对水库运行管理存在的问题和高质量发展的要求，2021年4月，《国务院办公厅关于切实加强水库除险加固和运行管护工作的通知》发布；2022年11月，水利部召开专题会议，部长李国英提出要加快构建现代化水库运管矩阵；2023年10月，《水利部办公厅关于印发〈构建现代化水库运行管理矩阵先行先试工作方案〉的通知》（办运管〔2023〕245 号）发布；2023 年10 月，《水利部办公厅关于印发现代化水库运行管理矩阵建设先行先试台账的通知》（办运管〔2023〕278号）发布。从上述过程可知，矩阵建设是当前和今后一段时间水库运行管理的重要任务。

2.研究方法

从2022 年水利部提出加快构建现代化水库运行管理矩阵以来，水利部南京水利水文自动化研究所锚定新阶段水利高质量发展目标，通过相关文献（包括政策文件、标准规范和研究报告）查阅，到江苏、浙江、山东、湖南、四川、黑龙江、安徽等省水利厅和水利部长江水利委员会、黄河水利委员会和海河水利委员会以及小浪底水利枢纽管理中心的下属水库进行实地调研，组织相关专家交流咨询等研究方法，对水库运行管理督查和标准化评价中发现的问题、整改措施及整改效果，监测系统组成、可靠性和运行稳定性，监测数据及时性、完整性、连续性和精确性，数字孪生水库建设情况以及相关技术人员对数字孪生的疑问等方面进行研究。

二、现代化水库运行管理矩阵构建体系“一张图”的提出

1.内涵分析

现代化水库运行管理矩阵充分考虑了标准化管理评价和工程管理考核的衔接，包括工程管理考核、标准化管理、风险管理、智慧管理4个层次，同时要求水库运行管理必须严格执行“风险要素感知—成因分析、异常诊断与危险度评估—针对性和系统决策—事件处置（含工程措施和非工程措施）—效果评估—改进检验—知识应用”的各个环节，做到水库运行管理全覆盖和环节全闭合，避免管理漏洞、盲区和环节缺失。总之，现代化水库运行管理矩阵是一个具有系统性、普适性、可升级性和开放性的管理体系，其构建过程中必须注意整体协调性及针对性。

系统性要求现代化水库运行管理矩阵的构建必须涵盖水库运行管理和效益发挥的关键要素和过程，具体可划分为三大任务，即安全保障、效益和损失控制、管理体制和机制（含人员和制度）优化。安全保障包括工程安全、生产安全和防洪供水安全保障。效益和损失控制包括关联区域、影响区域的分级管理以及如何充分发挥工程的经济、社会、环境和生态效益，减少或避免由于工程结构或运行管理造成的各类损失。管理体制和机制优化首先是要实现水库运行管理人员、监督考核人员以及后方技术支撑人员等全员覆盖，人员责任逐一落实；其次是实现工程设备设施日常运行操作、维修保养和应急调度效果等全过程与人员培训、调配、奖惩等全要素相对应匹配。

普适性要求必须考虑到全国水库现代化运行管理统一范式和标准化工作部署，提出共性框架。在具体执行过程中需在矩阵框架下结合水库的实际情况体现导向性，即以需求和问题为导向，通过理念更新、体制创新、设备设施更新换代、数据质控和驱动、人工智能辅助等体系化建设解决实际问题。

可升级是指需要根据科技发展和实际问题的变化，从技术、人员、体制机制、模型算法、硬软件设备设施等方面不断进行有针对性和适应性的迭代升级，从而实现水库效率更高、模型算法性能（预报精度、预见期、稳健性和泛化能力）更优、成本更低、效益更好等目标。

开放性是指系统或平台具有对外行业数据或指令的接口。如雨水情监测预报“三道防线”构建、应急管理和人员疏散等都需要气象、自然资源等相关行业的资源和数据共享。

2.现代化水库运行管理矩阵构建体系“一张图”的绘制

根据上述内涵分析，提出现代化水库运行管理矩阵构建体系“一张图”，如图1所示。现代化水库运行管理矩阵构建步骤如下：

图1 现代化水库运行管理矩阵构建体系“一张图”

①摸清工程底细，包括区域、工程、设备设施、人员和制度等，其中区域包括影响工程安全和效益发挥的相关区域以及工程失事后的损失情况管理区、下游影响区和上游关联区，包括区域内气候、气象、水文、地形、地质、结构、材料等相关要素；工程主要包括水库挡水、泄水、供水、发电等建筑物以及各类基础工程的竣工和勘探资料、设计资料以及监测和运行维护资料等。

②根据《水利工程标准化管理评价办法》，从工程状况、安全管理、运行管护、管理保障、信息化建设等方面对大中型水库进行深入检查、逐项完善，保证全面达到标准化管理要求。对于小型水库可根据相关文件结合小型水库安全风险进行相应简化。

③基于风险管理体系，全面分析影响工程安全和效益发挥的各种要素，分析确定其不确定性和相互间的关联性。如降水、温度、水压、渗流、上游来水等外荷作用，坝基和坝肩地质、结构材料等自身条件，建筑物运行调度、维修加固过程中人、机、物和工程相互作用，以及影响区域多要素关联和演化等。除外界作用，大坝承载能力、水库有效库容和泄洪能力，以及集雨面积、下垫面、影响后果、水库效益等都在随水库运行而变化。从渐变和突变、灾害演化和叠加以及全局敏感性出发，动态确定关键要素，严格分级预警，根据致灾因子及其分布区域、影响后果、动态特性做好相应的雨水情监测预报、工程安全风险感控、生产安全风险感控“三道防线”和相应各项内容的“四预”工作。

④搭建数字孪生平台，提升体系决策支撑能力。充分利用人工智能技术，包括智能传感、边缘计算、感知网络、云计算等，从数据库建设、访问、展示、交互全要素入手，借助图神经网络、脉冲神经网络、知识图谱、迁移学习、强化学习和多模态学习等人工智能方法，建立水库安全模型，效益和运行调度的评估、预警、反馈、控制模型，通过多源数据融合、数据同化和证据理论等提高预警预报的精度，延长预见期，实现模型的自适应、高稳健、强泛化和高容错。在此基础上通过开发相应平台，提高人机交互水平，全面覆盖大型水库、防洪重点中型水库和“头顶一盆水”的中小型水库，实现基于数字孪生的水库现代化运行管理。

三、与相关概念的关系

在现代化水库运行管理矩阵概念提出之前，智慧水利、数字孪生和雨水情监测预报“三道防线”建设已经被提出并发布相关文件，在构建现代化水库运行管理矩阵过程中需准确理解其与上述概念的关系，提高矩阵构建水平。

1.与水库标准化管理的关系

水库标准化管理是构建现代化水库运行管理矩阵的基础。水利部2022年3月发布《水利部关于印发〈关于推进水利工程标准化管理的指导意见〉〈水利工程标准化管理评价办法〉及其评价标准的通知》（水运管〔2022〕130号），首次以正式文件的形式提出标准化建设要求。《水利工程标准化管理评价办法》是在《水利工程管理考核办法》基础上，根据标准化管理的新要求修订形成，规定以水利工程标准化管理评价替代水利工程管理考核工作。《大中型水库工程标准化管理评价标准》是上述文件定量化体现，为水库标准化管理提供了切实可行的精细化评价依据。

2.与“四预”及雨水情监测预报“三道防线”的关系

2021 年11 月，水利部印发《关于大力推进智慧水利建设的指导意见》，提出在重点防洪地区实现“四预”建设N 项业务应用。原来的“四预”主要针对水库安全，实际上随着现代化水库运行管理矩阵的提出，“四预”还应深化到对水库运行管理的各个子系统，详见表1。

表1 “四预”概念推广及内容深化

李国英部长在2023年全国水利工作会议上强调，加快构建雨水情监测预报“三道防线”。2023年8月，水利部办公厅印发《关于加快构建雨水情监测预报“三道防线”实施方案》（办水文〔2023〕202号），要求加快建立健全气象卫星和测雨雷达、雨量站、水文站组成的雨水情监测预报“三道防线”，实现延长洪水预见期和提高洪水预报精准度的有效统一。

为高效降低水库运行风险，原来面向流域的雨水情监测预报“三道防线”需做进一步调整，即第一道防线可以借助卫星和雷达对水库（群）集雨面积内的可能降水进行面雨量的预报预警，同时借助配套的气象水文耦合模型有效延长预见期；第二道防线应针对水库分水岭内降水雨量站网进行提档升级，特别是要提高暴雨监测精准度及数据可靠性，同时完成下垫面产汇流模型的建立和预报方案优化，保证预报精度的前提下延长预见期；第三道防线应针对水库库尾各入流断面，完善水文站网，根据来水性质配置相应监测要素，构建适合水库来水的洪水演进模型，准确预计坝前水位。在考虑风险情况下，上述三道防线还必须耦合失事或溃坝洪水淹没损失分析，计入挡水建筑物抗力，泄洪设施设备结构和功能性能的不确定性，坝下游影响区水文、水动力和渗流以及人口、经济和生态损失的各种不确定性对失事风险影响，并根据风险性质和灾害链演化制定相应预案并进行针对性预演。此外，在构建现代化水库运行管理矩阵“三道防线”中，除必须将雨水情监测预报“三道防线”纳入外，还应构建工程安全风险感控“三道防线”和生产安全风险感控“三道防线”。

（1）工程安全风险感控“三道防线”

①第一道防线：采用前期勘探、测试和室内试验，或根据类似工程经验确定相关结构材料参数和典型工况，结合考虑材料徐变、应变软（强）化和结构老化的本构模型和失效破坏准则，基于数值模拟计算的方式估计工程安全状态及失效过程，其预见期为1年以上。

②第二道防线：采用基于当前实测数据的参数反演、多源数据融合、模型修正、数据同化、证据理论等方法，结合物理机制约束和基于数据驱动的预置模型库、轻量化模型、迁移学习和快速算法，在不考虑结构材料时间劣化特征的情况下进行预见期为1个月的工程安全性态预报预警。

③第三道防线：基于天气、水文和大坝实测性态数据，采用预警指标的方法实时评估工程结构安全状态，能高准确度地实现预见期为1天的大坝安全性态预报预警。

（2）生产安全风险感控“三道防线”

①第一道防线：对体制机制运行情况，工程隐患发现和消除情况，设备设施功能性能及其使用维修养护规范化水平，企业风气和生态，人员专业化水平、对业务熟悉程度、年龄结构、工作态度和精神面貌、健康状况以及奖惩制度的合理性等长期风险评估，其预见期为3年。

②第二道防线：对设备设施功能性能及其使用维修养护规范化水平，人员专业化水平、对业务熟悉程度、工作交接的顺畅性、工作态度和精神面貌、健康状况以及考勤情况等进行中期风险评估，结合巡视检查对体制机制的运行情况进行预报预警，其预见期为2年。

③第三道防线：对责任人到岗负责情况，设备设施功能性能及其使用维修养护规范化水平，企业风气和生态，人员专业化水平、对业务熟悉程度、年龄结构、工作态度和精神面貌、健康状况以及奖惩制度的合理性等进行短期风险评估，结合应急预案的针对性和有效性对体制机制进行预报预警，其预见期为1年。

现代化水库运行管理矩阵“三道防线”概念的推广也要求“四预”必须实现相应内容的全覆盖，因此也应推广应用至水库运行的各个子系统，如闸门控制子系统、网络运行系统等。

3.与智慧水利和数字孪生的关系

2021年11月，水利部印发《关于大力推进智慧水利建设的指导意见》，提出了智慧水利建设方案，2022年3月水利部分别印发《数字孪生水利工程建设技术导则（试行）》《水利业务“四预”基本技术要求（试行）》《数字孪生流域建设技术大纲（试行）》等。智慧水利是数字孪生的引擎，能加速提高数字孪生的智能化水平，而数字孪生是智慧水利的表现，提高了人机交互水平和效率。在现代化水库运行管理矩阵提出后，数字孪生不应仅针对大坝等挡水建筑物，更应根据水库运行管理的关键要素，特别是其风险大小，将智慧水利和数字孪生的概念向深处发展，逐步覆盖影响水库安全评估和运行调度的关键要素，实现双向信息透明和高效运行决策。

通过上述分析可知，数字孪生是智慧水利的重要组成部分，也是提高定量决策科学性、可解释性和可视化的具体体现形式，而做好“四预”是数字孪生的落脚点。现代化水库运行管理矩阵与智慧水利是局部与整体、手段与目的之间的关系。

4.与流域/区域的关系

水库作为流域的一个节点，通过水量分配和水力联系，在防洪、供水、抗旱等方面与流域上下游水库运行具有不可分割的联系，同时作为区域节点，在土地管理、自然资源、经济社会、生态环境、防灾减灾、应急演练、行政执法等方面都具有不同影响。在构建现代化水库运行管理矩阵过程中，应始终充分考虑水库所在流域和区域特点，通过数据共享和资源整合，在避免重复建设的基础上加强沟通协调，提高整体协作水平和相互配合的及时性和有效性。

四、几个关键问题

构建现代化水库运行管理矩阵要求实施“四全”管理、完善“四制（治）”体系、强化“四预”措施和加强“四管”工作，不仅针对水库这一对象，同样也要实现16 个要素之间相互达标，如监管全覆盖不仅包括库区、工程、设备设施、软件、算法和数据，同时也应覆盖全体相关人员和工作流程，“四预”不仅是对水库运行状态和安全的“四预”，也要对标准化管理中的所有要素实现“四预”。总之现代化水库运行管理矩阵不是简单的“1+1=2”，而是通过不同子系统的整合协同形成一个完整系统，通过边界延伸、数据共享、模型深化达到“1+1 ＞2”的效果，为此必须处理好如下几个关键问题。

1.系统整合与对外接口

构建现代化水库运行管理矩阵是在现有条件的基础上进行的，在工程安全、运行调度和管理体制机制等方面都存在约束条件，如需整合不同厂家的监测系统和新旧软件设备，包括数据格式、通信规约、接口标准、数据安全与隐私处理，以及随着网络体系的扩大导致的数据延迟问题。为此，除建立设备体系、指标体系、方法体系、制度体系和标准体系等体系外，还必须解决以下问题：①体系化条件下人机物协调性和资源调配问题；②时间、空间、物理和事件等多尺度协同问题，其中时间多尺度问题，如水库既有气候、地质条件对采用建筑材料的长期影响以及蠕变等缓慢长时间累积过程，也包括天气系统（如局地长时间处于暴雨中心）、近坝区滑坡（导致溢洪道或泄洪设施淤堵）和大坝结构安全性态的突变等短时间突发事件；③多层次协调问题，水库管理不仅是每一名员工尤其是“三个责任人”的工作，也与厂家售后服务以及天气预报等外界信息的可靠度有关；④故障隔离和无缝隙衔接问题，大系统运行过程中，如何实时隔离故障点或环节，确保整个大系统的连续健康运行，除采用必要的冗余、热备份技术外，采用实时故障隔离、并行设计和故障预估技术等也是必须考虑的方法。

2.应急条件下系统可靠性与可用性

超标准洪水、地震等灾害耦合强降雨、溢洪道泄洪闸门被漂浮物或滚石阻卡、通信电源中断等应急条件下，如何保证系统尤其是关键核心部分的有效运行是现代化水库运行管理必须考虑的问题。建议依据风险分析和敏感性分析查找重要风险源、关键点（环节），针对性采用应急预案，将应急条件下的“四预”放到更加突出的位置，采用分布式系统、区块链与去中心化、边缘计算以及备份设计实现水库运行管理的实时、动态、有效。在信息感知和通信网络的构建中，采用固定监测－流动监测以及双信道相互备份是必要的。

3.数据质量控制与在线检验

如何保证在干扰、误码率较高甚至仪器故障条件下及时发现问题并实现数据质量控制，是构建现代化水库运行管理矩阵必须解决的问题。为保证每个环节数据真实可靠，可采用基于数据物理意义、多种误差诊断和快速识别算法的数据质量控制与在线检测算法。数据质量控制除原有硬件软件化和软件硬件化方法外，相继出现的基于统计理论、证据理论、知识图谱和深度学习的方法，为在线数据质量控制与无效数据实时处理提供了有效思路。

4.预报模型与预警方法

预报模型是雨水情监测预报、工程安全风险感控、生产安全风险感控“三道防线”、全覆盖“四预”以及数字孪生等现代化水库运行管理矩阵中关键技术的核心，为优化预报模型精确性、预见期、适应性、稳定性、稳健性和泛化能力，有必要对预报模型体系进行深入梳理，选择适合具体需求的预报方法（方案）。预报模型一般可以分成基于经验统计方法、数据驱动方法、数值模拟方法和混合方法的4 种模型。目前物理机制加实测数据的混合方法模型是预报模型的发展趋势，选择具有物理约束的人工智能（包括深度学习）模型是兼顾模型速度、精度和适应场景的有效方法。预报模型中的关键科学问题包括样本不平衡问题、样本稀疏问题和样本未能覆盖问题，目前上述3 种问题都有相应的解决方法，如样本增强、少样本学习或迁移学习等，但具体效果如何需借助数值仿真结果予以验证。

在近两年的超标准洪水过程中，为优化洪水预报模型预见期和预报精度，快速算法、驱动数据自适应加密、滚动预报及以测补报等实用方法不断出现，在构建现代化水库运行管理矩阵模型库或制定预报方案时可以充分借鉴这类经验。另外，针对无（缺）资料地区洪水预报模型的建立问题，借助类似工程经验或物理背景知识，增加约束和减少统计方法对样本的依赖。

为延长预见期，同时尽可能充分利用水库挡水和泄水能力，构建气象-水文-工程一体化预报模型，实现以工程安全为约束的水库动态调度以及洪水资源化利用。针对下垫面的巨大变化，建立如蓄滞洪区启用，上游梯级水库泄洪、失事甚至溃坝，以及水利工程的非正常泄水等条件下的预报模型也是提高水库现代化运行管理水平的重要手段。在运行条件变化时，可充分借助预置模型库、基于物理模型的数值模型、预训练模型、多模态学习、元学习、零样本学习等提高不同工况下模型的适应能力和响应速度。

预警方法一般包括可靠度（风险）方法和预警指标（阈值）方法，可靠度（风险）方法通过设置可接受风险情况，计算当前水库管理过程整个或其中一个系统的体系可靠度（风险），并根据可接受风险予以预警。预警指标方法针对实测数据相同指标设置的临界阈值，既可以是静态或动态的，也可以是单侧或双侧甚至高维的。根据预警指标限定测值属性，将预警方法分成3个层次，一为荷载预警，如临界雨量、水位、风速等；二为抗力预警针对受载体、受力体的抵抗能力确定，如抗拉（压、剪切甚至广义剪切）强度、断裂韧度；三为荷载－抗力联合动态预警。

5.极端－长期兼顾条件下水库安全保障机制

极端情况发生的概率较低，但其造成损失通常较大，如何协调极端情况和长期投入的关系，在合理降低投入的情况下保证水库工程效益发挥是水库现代化管理必须考虑的问题。为此必须研究“四不”（人员不伤亡、水库不垮坝、重要堤防不决口、重要基础设施不受冲击）的成套理论与方法，加强对挡水、泄水及边坡地基和金属结构非常规隐患探测及其预报预警、生态调控技术研究，对泥沙淤积、溢流泄洪设施老化失效水库的防洪能力进行复核，以及提升连续变量和事件混合驱动下水库突发灾害的感控技术水平，以及有效建立与高质量发展、全球气候变化及科技水平发展相适应的水库运行管理体系。

五、结论与建议

通过系统分析现代化水库运行管理矩阵的发展脉络及其内涵、与相关概念的关系以及构建过程中的关键问题，可以得出如下结论：

①现代化水库运行管理矩阵是水库管理标准化、风险管理和智慧管理发展的必然结果，需要通过系统手段整合上述成果和经验；②通过现代化水库运行管理矩阵构建体系“一张图”可以厘清相关概念之间的关系，给出现代化水库运行管理清晰、完整的层次化结构以及流畅的信息流程；③现代化水库运行管理矩阵建设是一个不断迭代进步的过程，其中的关键科技问题均具有进一步研究的空间，需进行系统梳理和集中协同攻关。

构建好现代化水库运行管理矩阵是一个涉及多要素、多层次的系统工程，要使得矩阵有序运行，有力促进水库运行管理水平提高和效益发挥，建议如下：

①构建项目实施管理矩阵，从严进行系统软硬件及平台的质量控制、天空地水各类数据的质量控制以及整个系统协调性和可靠性保障措施的配置。其中矩阵横坐标为现代化水库运行管理矩阵的建设流程，包括设计、软硬件研制、室内外比测、现场校准、试运行、考核、验收，纵坐标为每个环节的全要素、全环节和过程单元。

②在先行先试阶段需同步针对发现的问题及时总结经验教训，并提炼相关标准和技术指南，同步进行相关技术研究和产品开发。

③先行先试过程中，对针对性设计、施工和科研进行全面责任落实，形成全覆盖奖惩制度，确保构建现代化水库运行管理矩阵整个过程的质量监督以及责任落实。