周 蘊,丁 瑤,張亞玲
(天津市龍網(wǎng)科技發(fā)展有限公司,天津 300181)
隨著我國治水工作重點的轉(zhuǎn)變,新形勢對水利信息化建設(shè)提出了新的要求。水利部組織開展《智慧水利總體方案》編制工作,以保障防洪、供水、糧食、經(jīng)濟、生態(tài)和國家的安全為向?qū)?,圍繞水利中心工作,加快推進(jìn)水治理體系和治理能力現(xiàn)代化[1]12,77,指導(dǎo)全國智慧水利建設(shè)。
智慧流域是智慧水利的重要組成部分,智慧流域建設(shè)將新一代信息技術(shù)運用于流域管理工作中,有助于提高管理能力和工作水平。我國地域遼闊,不同流域的氣候地理環(huán)境差異較大,業(yè)務(wù)各有側(cè)重,智慧流域建設(shè)特別是其業(yè)務(wù)應(yīng)用建設(shè)需緊密貼合流域自然地理特點和業(yè)務(wù)重點安排建設(shè)內(nèi)容,本研究針對北方地區(qū)水問題特征,提出智慧流域業(yè)務(wù)應(yīng)用建設(shè)思路、需求及重點內(nèi)容,為北方地區(qū)智慧流域建設(shè)提供參考。
我國北方地區(qū)普遍存在水資源短缺現(xiàn)象,近年來,人類活動引起的流域下墊面變化、工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展及其他經(jīng)濟社會活動進(jìn)一步導(dǎo)致了水質(zhì)污染、水生態(tài)破壞、水災(zāi)害頻發(fā)等問題。
降水少,蒸發(fā)大,且水資源時空分布不均,徑流年內(nèi)、年際變化大,大部分地區(qū)水資源嚴(yán)重短缺,人均水資源占有量低。農(nóng)業(yè)用水比重大且用水結(jié)構(gòu)不合理,特別是灌溉用水量大,模式粗放,效率低下;生態(tài)環(huán)境用水嚴(yán)重不足。
由于水資源總量缺乏、時空分布不均衡,水資源的控制和利用難度大,加之部分河道缺乏調(diào)蓄工程、來水蓄水不協(xié)調(diào)、開發(fā)與利用無序等因素致使水資源供需矛盾突出[2]。特別在地下水開發(fā)利用方面,華北平原超采嚴(yán)重,松嫩平原、遼河平原、西北內(nèi)陸盆地的部分區(qū)域也普遍存在超采問題。
在洪災(zāi)方面,夏季降水集中,徑流變化大,易發(fā)生暴雨洪水;在高緯度地區(qū),初冬初春可能發(fā)生凌汛;因河流泥沙含量高,造成水庫河道淤積,給防洪調(diào)度帶來難度。在旱災(zāi)方面,西北地區(qū)常年干旱,東北華北易發(fā)生春旱、初夏旱,甚至形成春夏連旱,對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響嚴(yán)重。
由于水資源承載能力較弱,加之氣候原因和人類活動影響,導(dǎo)致水生態(tài)環(huán)境惡化,部分地區(qū)水污染嚴(yán)重,還出現(xiàn)了河湖水面萎縮、地下水漏斗、地面沉降、海水入侵、水土流失等問題;同時由于河道長期干旱,對水土資源的無序開發(fā)利用,部分區(qū)域存在較為嚴(yán)重的河湖水域侵占現(xiàn)象。
北方地區(qū)智慧流域業(yè)務(wù)應(yīng)用從流域整體角度考慮,運用智慧手段,緊抓 3 個方面重點:
1)北方。以支撐流域強監(jiān)管為目標(biāo),圍繞北方地區(qū)流域在水問題方面的特點,確定需開展建設(shè)的重點業(yè)務(wù)應(yīng)用方向,選取適宜的技術(shù)方法和解決方案。
2)流域。將流域作為一個整體,綜合考慮上下游、干支流、左右岸的關(guān)系,考慮不同時間尺度水問題的變化規(guī)律,考慮自然和人文地理等不同要素間的相互影響;同時把握好流域和區(qū)域管理的區(qū)別,處理好智慧流域和區(qū)域建設(shè)的側(cè)重點和相互關(guān)系。
3)智慧。以滿足流域管理實際業(yè)務(wù)需求為目標(biāo),以先進(jìn)的信息化技術(shù)為手段,建設(shè)具備自主分析和學(xué)習(xí)能力的信息化支撐體系,針對不同應(yīng)用場景和業(yè)務(wù)對象,提供靈活、自動、快捷的技術(shù)支持。
目前,我國水利信息化建設(shè)已具備了一定基礎(chǔ),但新一代信息技術(shù)應(yīng)用還處于初級階段,智慧化的業(yè)務(wù)應(yīng)用功能尚未充分實現(xiàn)[3],特別是在水利行業(yè)監(jiān)管和分析決策方面,急需信息化技術(shù)提供支持。為此,梳理北方地區(qū)流域管理各業(yè)務(wù)方向?qū)π畔⒒ㄔO(shè)的主要需求。
面向水資源短缺的實際情況和節(jié)水優(yōu)先要求,需要加強監(jiān)控行政區(qū)界斷面、外調(diào)水、干支流重要控制斷面的水量變化及取用水情況,構(gòu)建分析模擬方法,完善水資源評價、配置、調(diào)度和評估考核等功能;提供不同區(qū)域、行業(yè)用水情況分析對比、用水總量和效率分析評估功能,為考核、審批,以及指導(dǎo)、協(xié)調(diào)各地方取用水提供依據(jù)。特別是針對農(nóng)業(yè)灌區(qū)用水節(jié)水需要提供監(jiān)控、分析和灌溉方案制定等功能。
圍繞“清四亂”等工作的要求,需要及時掌握水生態(tài)空間變化情況,提供支持巡查、處置、評估等工作的管理平臺。通過分析多種類型、來源的數(shù)據(jù),科學(xué)評判流域水系的健康狀況,預(yù)測其變化趨勢及治理措施的實施效果。針對濕地、河口等生態(tài)敏感區(qū)等引起的生態(tài)問題,需要著重進(jìn)行現(xiàn)狀監(jiān)控、趨勢預(yù)測和影響因素分析,為制定保護(hù)措施提供依據(jù)。
依據(jù)水資源保護(hù)職能要求,需要加強污染監(jiān)控,分析污染特點與規(guī)律;圍繞污染總量控制要求,提供限排方案輔助制定功能。針對突發(fā)水污染事件,提供處置決策依據(jù)和全過程管理工具。
通過防汛抗旱、水工程運行監(jiān)測體系信息集成,掌握流域內(nèi)防汛抗旱減災(zāi)、水工程安全運行基本情況,進(jìn)一步提高模型的計算精度,擴大運用場景,實現(xiàn)流域內(nèi)汛情旱情預(yù)測預(yù)警、水庫群聯(lián)合調(diào)度、蓄滯洪區(qū)安全運用及水工程運行的安全管控,提高決策和管理的精細(xì)化和智慧化程度。
需要構(gòu)建政務(wù)信息的交互和業(yè)務(wù)流程協(xié)同處理平臺,對政務(wù)工作提供規(guī)范、高效的支持手段,提高政務(wù)服務(wù)工作效率和水平。
面向不同的公共服務(wù)對象,需要有針對性地提供信息資源和數(shù)據(jù)資料,提供行政審批等事務(wù)的便利化處理手段;通過加強輿情分析和構(gòu)建公眾交流平臺,提升水利公共服務(wù)水平。
針對各業(yè)務(wù)在數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)、平臺等方面缺少共享與互動的現(xiàn)狀,需要構(gòu)建綜合性的業(yè)務(wù)應(yīng)用,集成多方面的涉水?dāng)?shù)據(jù),及時發(fā)現(xiàn)、綜合分析出現(xiàn)的問題,分配、協(xié)調(diào)各業(yè)務(wù)應(yīng)用之間的工作,實現(xiàn)智慧化聯(lián)動應(yīng)用與分析決策。
北方地區(qū)智慧流域遵循智慧水利總體框架[1]17-23,從全局和整體層面進(jìn)行框架搭建,形成 “四橫兩縱”的總體架構(gòu),主要包括感知體系、信息網(wǎng)絡(luò)、流域大腦、業(yè)務(wù)應(yīng)用、安全體系、協(xié)同管理機制等部分,具體內(nèi)容如圖 1 所示。
其中,業(yè)務(wù)應(yīng)用建設(shè)以強監(jiān)管為主導(dǎo)思想,在匯集多源數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,充分運用流域大腦提供的分析計算能力及公共基礎(chǔ)服務(wù)支撐,加強信息融合和智能分析應(yīng)用,構(gòu)建“1 + 4 + 2”智能業(yè)務(wù)應(yīng)用體系,如圖 2 所示?!?”以綜合監(jiān)管為核心,提供跨業(yè)務(wù)、區(qū)域的信息展示和工作協(xié)同,實現(xiàn)綜合性的監(jiān)督管理和分析處置;“4”針對北方地區(qū)流域重點業(yè)務(wù),在水資源管理、水生態(tài)修復(fù)、水環(huán)境保護(hù)、水災(zāi)害防御 4 個方面,提供信息服務(wù)及分析、評價、預(yù)測、決策工具和成果支持[4-5];“2”指政務(wù)和公共服務(wù),分別面向水利行業(yè)和社會公眾需求,提供更為廣泛和智能化的信息支持及便捷的流程服務(wù)。
圖 1 北方地區(qū)智慧流域總體框架圖
圖 2 北方地區(qū)智慧流域“1 + 4 + 2”智能業(yè)務(wù)應(yīng)用體系示意圖
業(yè)務(wù)應(yīng)用突出體現(xiàn)智慧水利在北方和流域方面的特點:1)考慮北方地區(qū)的氣候特點和水問題特征,開發(fā)有北方特色的應(yīng)用功能,如精細(xì)化調(diào)度方案制定、低溫條件下的工程安全運用監(jiān)控分析、凌汛和旱情等情況的監(jiān)視預(yù)測等;2)從流域整體的角度,考慮不同地區(qū)和不同業(yè)務(wù)之間的相互影響,如水資源調(diào)度方案制定,不僅考慮各地區(qū)、行業(yè)用水需求,還要考慮防洪、清泥沙、保生態(tài)等多業(yè)務(wù)目標(biāo)需求及工程安全狀況,因此,構(gòu)建業(yè)務(wù)應(yīng)用之間的關(guān)聯(lián),將相關(guān)數(shù)據(jù)、需求及分析結(jié)果傳遞至水資源管理業(yè)務(wù)應(yīng)用以供制定調(diào)水方案,并通過綜合監(jiān)管判別調(diào)水方案與其它業(yè)務(wù)需求、分析結(jié)果之間的協(xié)調(diào)性,從而實現(xiàn)資源共享及業(yè)務(wù)協(xié)同。
4.1.1 信息全息展示和異常情況處置
面向全流域快速匯集數(shù)據(jù),全面掌握流域涉水信息,實現(xiàn)信息智慧化聯(lián)動展示,依托模型云、算法庫、知識庫等技術(shù)基礎(chǔ),及時發(fā)現(xiàn)問題,啟動、協(xié)調(diào)相關(guān)業(yè)務(wù)深入分析處理,監(jiān)督執(zhí)行情況,實現(xiàn)監(jiān)管方案的結(jié)果跟蹤、綜合比對與分析評價,全面強化監(jiān)管力度,落實監(jiān)管責(zé)任。
4.1.2 業(yè)務(wù)協(xié)同
針對各業(yè)務(wù)、區(qū)域提出的需求,根據(jù)所涉及的相關(guān)業(yè)務(wù),進(jìn)行綜合分析、協(xié)調(diào)處置和智能決策,構(gòu)建服務(wù)于流域綜合管理的協(xié)同支撐,提升監(jiān)管效能。
4.2.1 水資源動態(tài)監(jiān)控評價
實現(xiàn)水資源實時監(jiān)控,利用水資源評價模型,按不同時間和空間尺度分析評價流域水資源狀況和開發(fā)利用現(xiàn)狀。
4.2.2 水資源優(yōu)化配置
協(xié)調(diào)多水源供水、多目標(biāo)用水之間的關(guān)系,針對北方地區(qū)生態(tài)環(huán)境用水嚴(yán)重不足的情況,在優(yōu)先保障河道內(nèi)基本生態(tài)和居民生活用水的基礎(chǔ)上,統(tǒng)籌考慮各方面用水需求,對多水源進(jìn)行聯(lián)合配置。
4.2.3 水資源聯(lián)合調(diào)度管理
利用氣象預(yù)報和實時監(jiān)測數(shù)據(jù),掌握徑流變化,預(yù)測來水情況,綜合考慮流域內(nèi)各水利工程的調(diào)度能力、效果和用水需求,生成精細(xì)化動態(tài)聯(lián)合調(diào)度方案。
在調(diào)度方案執(zhí)行過程中,實時監(jiān)控關(guān)鍵斷面過水量、工程運用狀況、引水取水情況,判斷生態(tài)基流等控制指標(biāo)達(dá)標(biāo)情況,結(jié)合滾動計算的來水預(yù)測結(jié)果,實現(xiàn)方案的實時修正。對歷史調(diào)度方案執(zhí)行效果進(jìn)行分析,逐步建立方案智能優(yōu)選方法,實現(xiàn)方案優(yōu)選。在調(diào)度方案執(zhí)行結(jié)束后,測算水量分配情況,進(jìn)行調(diào)度評估考核。
在北方地區(qū)調(diào)水過程中,重點關(guān)注因低溫冰凍對引調(diào)水造成的影響,根據(jù)氣象、徑流等監(jiān)測數(shù)據(jù)及對結(jié)冰情況的觀測,對比歷史類似情況記錄,分析預(yù)測冰的生成演變和輸移及對調(diào)水的影響,模擬冰情生消演變的全過程,優(yōu)選除冰方案,以此為基礎(chǔ)對調(diào)水方案進(jìn)行調(diào)整。
4.2.4 取水節(jié)水管理
實時監(jiān)控取用水情況,按水源、區(qū)域、行業(yè)不同尺度分析用水情況,結(jié)合用水總量控制指標(biāo)、取水許可、用水計劃和定額等相關(guān)指標(biāo),實現(xiàn)異常情況報警。實現(xiàn)用水效率和節(jié)水水平分析,為相關(guān)考核、審批工作提供依據(jù)。結(jié)合水資源優(yōu)化配置結(jié)果,提供取用水總量控制指標(biāo)建議方案,協(xié)調(diào)地表水、地下水、外調(diào)水開發(fā)利用。
針對北方地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水特點,以灌區(qū)為管理重點,利用地面和遙感監(jiān)測技術(shù),掌握氣象、墑情、水源條件及灌溉過程,分析灌區(qū)用水節(jié)水狀況,利用模型預(yù)測來水、分析用水需求、模擬灌溉方案、評估節(jié)水措施效益,結(jié)合閘門遠(yuǎn)程控制等技術(shù),實現(xiàn)灌區(qū)精細(xì)化灌溉。
4.3.1 水生態(tài)分析評價
利用遙感、視頻及人工智能識別等技術(shù),結(jié)合輿情感知、問題上報、監(jiān)督檢查等多源信息,及時掌握水生態(tài)空間變化,加強對水生態(tài)破壞行為的監(jiān)管,構(gòu)建涵蓋問題識別、問題上報、受理處置、反饋監(jiān)督等各環(huán)節(jié)業(yè)務(wù)的閉環(huán)工作平臺,并提供巡查管理、現(xiàn)場調(diào)度、績效考核等輔助功能,加強河湖水域岸線空間管控。
建立水生態(tài)評價指標(biāo)體系,利用實測數(shù)據(jù)定量測算、動態(tài)評估流域水系健康狀況,通過預(yù)測不同情形下水生態(tài)變化,判別關(guān)鍵影響因子,為生態(tài)修復(fù)措施制定、評估和優(yōu)化提供依據(jù)。
以水庫濕地、骨干河道、河口等水生態(tài)敏感區(qū)域為關(guān)注重點,掌握具體關(guān)注對象的水生態(tài)狀況,建立關(guān)注對象與上下游及周邊環(huán)境的關(guān)聯(lián),分析評估要素之間相互影響,支持治理措施的制定、優(yōu)選和調(diào)整。
4.3.2 地下水保護(hù)
以淺層地下水為主要監(jiān)控目標(biāo),兼顧已開發(fā)利用的深層地下水,加強超采區(qū)和水源地、外調(diào)水受水區(qū)、海水入侵區(qū)等重點地區(qū)地下水監(jiān)控,掌握地下水開采、回補及水質(zhì)狀況,掌握地面沉降、地下水埋藏位置及水資源量變化。利用地下水?dāng)?shù)值模擬分析方法,預(yù)測地下水變化情況,掌握降雨、開采、生態(tài)補水、海水倒灌等因素對地下水的影響。
4.3.3 水土保持
劃分業(yè)務(wù)管理最小單元,實現(xiàn)流域水土流失綜合治理、水土保持預(yù)防監(jiān)督、水土保持監(jiān)測管理等業(yè)務(wù)信息的采集編輯,檢索瀏覽,統(tǒng)計分析,輸出調(diào)用的智能化一體化聯(lián)動管理。
加大土壤侵蝕定量模型研究力度,分析上下游、山區(qū)與平原、城市與鄉(xiāng)鎮(zhèn)水蝕風(fēng)蝕的動態(tài)變化,掌握徑流泥沙的運動與沉積情況,加強水土流失預(yù)測預(yù)報和分析評價,實現(xiàn)水土流失安全預(yù)警。
分析預(yù)測水土保持措施影響,提供水土保持措施方案生成、對比分析和效果預(yù)測評估,提供水土保持決策支持。
4.4.1 水質(zhì)分析預(yù)測
以水功能區(qū)、水源地、行政區(qū)界、引調(diào)水沿線、河口為重點監(jiān)控水質(zhì)狀況。圍繞水質(zhì)目標(biāo)和污染物排放總量控制指標(biāo),加強污染源監(jiān)控、分析和風(fēng)險預(yù)警,實現(xiàn)不同來水條件、調(diào)水方案、灌溉模式和排污控制措施影響下的水質(zhì)變化分析預(yù)測。分析計算動態(tài)納污能力,圍繞污染物總量控制要求,提供限排方案并跟蹤分析實施效果。
4.4.2 突發(fā)水污染應(yīng)急處置
整合監(jiān)測、調(diào)查及外行業(yè)數(shù)據(jù),以風(fēng)險防控為目標(biāo),分析預(yù)判潛在風(fēng)險源和易發(fā)生地點,及時識別、跟蹤突發(fā)水污染事件,利用模型實現(xiàn)污染模擬、風(fēng)險分析、處置方案推演和優(yōu)選。遵循“統(tǒng)一決策、協(xié)同處置”的思路,構(gòu)建信息服務(wù)、溝通交互、過程記錄、信息發(fā)布、效果評估、措施分析等服務(wù)支撐,提供突發(fā)水污染風(fēng)險預(yù)警、影響預(yù)測、事件處置、事后評估全過程輔助支持。
4.5.1 防汛抗旱
以事件為主線跟蹤洪水和干旱事態(tài),打造多維智能分析、水工程聯(lián)合調(diào)度、多目標(biāo)調(diào)度情景模擬、場景式全周期記錄的決策支持鏈條。
針對汛情,實現(xiàn)短時洪水精細(xì)預(yù)報,結(jié)合預(yù)報數(shù)據(jù),進(jìn)行動態(tài)風(fēng)險分析,形成防洪形勢分析報告,并實現(xiàn)對洪水預(yù)報、形勢分析、洪水調(diào)度等全過程管理。針對北方地區(qū)特有的凌汛現(xiàn)象,利用遙感、視頻等技術(shù)加強監(jiān)測,掌握冰凌發(fā)生發(fā)展?fàn)顩r,并為防、蓄、分、排等措施實施提供數(shù)據(jù)支持。針對旱情,利用氣象、水文、墑情等多源信息實現(xiàn)旱情監(jiān)測,綜合分析研判和預(yù)警預(yù)測。
同時,在調(diào)度方案制定過程中,綜合考慮防洪、抗旱、清泥沙、保生態(tài)等多目標(biāo),多任務(wù)的調(diào)度任務(wù)及流域內(nèi)各水利工程的調(diào)度能力,提供聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度方案。
4.5.2 工程建設(shè)和安全運行
以水庫、堤防、閘壩等水利工程為管理重點,利用三維模型、視頻、傳感等技術(shù)實現(xiàn)工程風(fēng)險動態(tài)感知,實現(xiàn)工程安全狀態(tài)監(jiān)控、評估和風(fēng)險預(yù)警;建設(shè)工程安全智慧管理平臺,實現(xiàn)水利工程建設(shè)和運行全周期的安全監(jiān)管。
圍繞資產(chǎn)、項目規(guī)劃、財務(wù)、扶貧、機關(guān)事務(wù)等行政事務(wù),利用信息融合共享、流程優(yōu)化再造等手段,促進(jìn)政務(wù)服務(wù)的規(guī)范化和跨部門的政務(wù)協(xié)同,對監(jiān)督檢查工作提供全流程支持,促進(jìn)工作效率提升和質(zhì)量提高。
4.7.1 信息服務(wù)
面向社會公眾,提供生產(chǎn)、生活和娛樂等活動所需的與水相關(guān)的信息服務(wù),包括災(zāi)害事件預(yù)警預(yù)報、用水節(jié)水指導(dǎo)建議等;面向其它行業(yè)管理、科研、生產(chǎn)經(jīng)營等單位,提供數(shù)據(jù)資料。
4.7.2 事務(wù)服務(wù)
構(gòu)建行政審批辦理平臺,實現(xiàn)行政審批事項的在線辦理和信息公開;構(gòu)建水權(quán)交易平臺,為地區(qū)間、行業(yè)間、用水戶間開展水權(quán)交易提供管理工具,促進(jìn)水權(quán)交易的規(guī)范和統(tǒng)一管理。
4.7.3 信息交流
廣泛匯集互聯(lián)網(wǎng)涉水信息,通過大數(shù)據(jù)智能分析,提取有效信息內(nèi)容,篩選熱點信息,預(yù)測輿情發(fā)展,歸類業(yè)務(wù)方向,為有效的公共服務(wù)工作提供依據(jù)。借助公共網(wǎng)絡(luò)媒介構(gòu)建信息交流平臺,及時了解公眾需要,獲取公眾反饋信息,鼓勵公眾參與江河湖庫監(jiān)管。
主要圍繞北方地區(qū)流域特點提出業(yè)務(wù)應(yīng)用方面的構(gòu)想。通過北方地區(qū)智慧流域業(yè)務(wù)應(yīng)用建設(shè),實現(xiàn)三大突破:1)流域管理模式突破,變被動響應(yīng)為主動應(yīng)對[1]13,緊抓突出問題,逐步推進(jìn)至全程監(jiān)管,同時進(jìn)一步強化監(jiān)管力度;2)業(yè)務(wù)模式突破,由單一業(yè)務(wù)應(yīng)用轉(zhuǎn)變?yōu)閰f(xié)同聯(lián)動模式,突出綜合監(jiān)管作用,推進(jìn)信息共享,加強業(yè)務(wù)交流和區(qū)域協(xié)同,統(tǒng)籌協(xié)調(diào)各項工作;3)服務(wù)模式突破,改變水利信息化以面向行業(yè)內(nèi)部為主的服務(wù)模式,積極應(yīng)對社會對水利行業(yè)的需求,推進(jìn)水利工作的重心轉(zhuǎn)變,服務(wù)于社會發(fā)展。
在實際工作中,還應(yīng)注意:1)由于不同流域在水問題特點、工作重點、管理模式、信息化基礎(chǔ)等方面有所不同,在建設(shè)內(nèi)容方面需有所區(qū)別和側(cè)重;2)統(tǒng)籌規(guī)劃、合理安排項目實施,加強相關(guān)單位、項目、工作的溝通協(xié)調(diào),加強資源整合共享;3)在規(guī)劃設(shè)計、體制機制、規(guī)范制度和技術(shù)手段等方面開展相應(yīng)工作,提供有效的保障措施。
總之,北方地區(qū)智慧流域業(yè)務(wù)應(yīng)用從服務(wù)流域管理全業(yè)務(wù)角度開展建設(shè),必須牢牢把握北方地區(qū)流域特點,突出體現(xiàn)流域管理工作重點,從而有效提升流域管理工作水平。