寧波市推進河網(wǎng)水資源智能化調(diào)度的思路與探索

陳 潔

（寧波市水資源信息管理中心，浙江 寧波 315000）

0 引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人口的日益增長，水資源、水環(huán)境承載負擔過重成為新的常態(tài)，2013 年以來，以治污水為首的“五水共治”戰(zhàn)略決策深入推進，寧波市各級政府采取了多種措施不斷加大水環(huán)境治理和水資源保護力度，河網(wǎng)水環(huán)境有了很大程度改善。但是，傳統(tǒng)的經(jīng)濟發(fā)展方式帶來的污染排放與水資源、水環(huán)境承載力之間的矛盾仍十分突出，2018 年，寧波市縣控及以上監(jiān)測斷面水質(zhì)總體呈Ⅳ～Ⅴ 類[1]，水體污染事件時有發(fā)生。2019 年，寧波市全域水環(huán)境治理“控源”“截污”“生態(tài)提升”3 項行動提上議程，提出通過 3～5 a 的時間，寧波市域河道水質(zhì)控制斷面達到或優(yōu)于 Ⅲ 類標準的比例達到 100%[2]。寧波市積極推進清水環(huán)通工程，挖掘水源潛力，改善河網(wǎng)水動力條件，探索河網(wǎng)水量行進路徑，一系列工程措施的推動亟須通過智能化管理手段對河網(wǎng)水資源進行合理配置。

寧波市是全國首批智慧水利先行先試地級區(qū)域之一[3]，寧波市智慧水利的發(fā)展與創(chuàng)新需要尋找落腳點。寧波市水利信息化經(jīng)過多年努力，已基本形成感知體系、業(yè)務應用、環(huán)境保障“三位一體”的發(fā)展模式，在水旱災害防御、水利工程綜合管理等方面搭建起較為完備的模型及系統(tǒng)[4]，在水質(zhì)、水量方面監(jiān)測點位覆蓋面亦日趨完善，但在水資源智能化管理方面則較為薄弱，缺乏河網(wǎng)水資源智能化調(diào)度手段。因此，現(xiàn)階段開展河網(wǎng)水資源智能化調(diào)度的思路及實現(xiàn)路徑探討，對于及時獲知實時的水賬和水流的來龍去脈，形成優(yōu)化的水資源配置方式，構建高效的水資源調(diào)度格局，是十分迫切且必要的。

1 水資源智能化管理實踐成果

經(jīng)過多年努力，寧波市基本建成覆蓋全市范圍的水雨情信息采集系統(tǒng)，并針對水資源業(yè)務管理建設了多個系統(tǒng)，如寧波市河道調(diào)水、實時取水監(jiān)測、水資源公報信息等管理系統(tǒng)。這些業(yè)務系統(tǒng)的建設為水資源業(yè)務管理提供了信息化手段，初步實現(xiàn)了業(yè)務管理在線化。

1）寧波市實時取水監(jiān)測系統(tǒng)。為及時掌握河道各取水口（引水口）的取水信息，滿足取水口管理和水資源配置的需求，寧波市水利局已經(jīng)建設完成實時取水監(jiān)測系統(tǒng)，主要提供取水點的實時監(jiān)測及歷史取水數(shù)據(jù)查詢。

2）寧波市水資源公報信息管理系統(tǒng)。為整合梳理水資源相關數(shù)據(jù)資源，實現(xiàn)系統(tǒng)化、在線化、科學化的水資源公報編制與信息管理，建設水資源公報信息管理系統(tǒng)，為落實最嚴格水資源管理、提升公共信息服務能力提供更全面的技術支撐。

3）寧波市河道調(diào)水管理系統(tǒng)。結合寧波市境內(nèi)外引調(diào)水的實際需求，構建寧波市區(qū)河道調(diào)水管理系統(tǒng)，提供調(diào)水實時監(jiān)控、統(tǒng)計報表查詢等基本功能，為寧波市境外引調(diào)水管理提供信息化管理手段。

然而，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)資源和業(yè)務系統(tǒng)分布較散，現(xiàn)有數(shù)據(jù)利用率不高，在河網(wǎng)水資源智能化調(diào)度方面的探索較為有限，缺乏一定的水資源調(diào)度決策能力，在寧波市大力推進河網(wǎng)水環(huán)境治理的契機下，有必要考慮河網(wǎng)水資源智能化調(diào)度實現(xiàn)手段。

2 河網(wǎng)水資源智能化調(diào)度的思路探索和實現(xiàn)路徑

在寧波市“1 + 1 + 1 + 2”的智慧水利總體框架下，針對中心城區(qū)范圍搭建河網(wǎng)水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)，按照業(yè)務流程可以劃分為監(jiān)測—模擬—調(diào)度—執(zhí)行 4 個環(huán)節(jié)，現(xiàn)有的信息化基礎能夠在這 4 個環(huán)節(jié)中起到優(yōu)化、實時、直觀、有效的作用。

2.1 監(jiān)測方面

寧波市已在水雨情、工情、河道取水監(jiān)測方面建設了較為完備的基礎感知體系，感知能力逐年提升。具體建設情況如下[5]：

1）水雨情監(jiān)測方面。全市共建成各類水文自動監(jiān)測站 970 處，其中：有雨量監(jiān)測功能的自動監(jiān)測站為 581 處，雨量監(jiān)測密度達到 17 km2/站；水位站有 650 處，覆蓋水庫、主要平原河網(wǎng)及重要區(qū)域。

2）工情及自動化方面。已有 34 座大中型水庫、63 座大中型水閘、24 座大中型泵站，建設完成了工情自動化監(jiān)測體系；已有 17 座大中型水庫、37 座大中小型水閘、18 座大中小型泵站，建設完成了工程自動化控制體系，為水資源調(diào)度提供了堅實的基礎。

3）水質(zhì)水量監(jiān)測方面。已建有流量監(jiān)測點32 處，基本覆蓋市區(qū)三江干流和骨干排澇河道主要排水口；建有河道 5 萬 m3以上取水實時監(jiān)測點253 個；市區(qū)河道建有 8 個水質(zhì)測站。

下一步通過結合國家水資源監(jiān)控能力建設，與環(huán)保部門的數(shù)據(jù)共享開放，以及寧波市中心城區(qū)水域調(diào)查結果，對中心城區(qū)范圍內(nèi)的水資源取用水量及水質(zhì)情況進行實時監(jiān)測，為掌握水資源的空間分布及取用水狀況打下基礎。

2.2 模擬方面

根據(jù)寧波市中心城區(qū)河網(wǎng)水系特征，以及水利工程對水體實際控制情況，確定項目研究范圍，構建寧波市中心城區(qū)水量水質(zhì)模型。水量水質(zhì)模型主要包括以下模型：

1）水量計算模型。近幾年，寧波市通過建設洪水風險應用及管理系統(tǒng)，已建立較為完備的河道水流數(shù)值模擬模型，如寧波地表產(chǎn)匯流、一維平原河網(wǎng)等模型，可以為本研究中有關水量計算模型需要用到的產(chǎn)匯流計算和平原河網(wǎng)模型提供計算結果和模型基礎。同時，全市水域調(diào)查項目的成果及每年清淤工程得到的河道斷面實測數(shù)據(jù)，將不斷完善、細化研究范圍內(nèi)的平原河網(wǎng)模型，提高模型計算精度。

2）水質(zhì)模型。水質(zhì)模型是描述水體水質(zhì)變化規(guī)律的模型，即通過數(shù)值計算模擬預測與河道水質(zhì)相關的 BOD，COD 及氨氮等污染物輸運規(guī)律，用于水體水質(zhì)的評價、預測[6]?，F(xiàn)有的水質(zhì)數(shù)值模型以污染負荷模型為主，對污染物方面的計算按照排放方式分為點源和面源污染，其中：點源污染為通過污水處理廠和排放口，排入水域的工業(yè)及城鎮(zhèn)生活污染；面源污染為由于降雨引起，從土壤或地面向水體擴散的各種污染物。污染負荷模型從結構上分為產(chǎn)生和處置 2 種模塊，產(chǎn)生模塊用于計算各種污染源的產(chǎn)生量，處置模塊計算污染物經(jīng)過各個處理單元后的污染負荷入河量。

考慮到實際模擬過程中，由于水質(zhì)因子的測驗誤差、點源面源計算誤差、水質(zhì)數(shù)值模型精度等無法滿足實時水質(zhì)預警的要求，因此，需要依據(jù)實時水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)對模型的計算及預報結果進行校正。目前，環(huán)保部門將在全市中心城區(qū)河道建設約 200 個實時水質(zhì)監(jiān)測點位，下一步將通過數(shù)據(jù)共享形式，在水質(zhì)數(shù)值模型的初始成果基礎上，接入實時水質(zhì)數(shù)據(jù)，對模擬出的未來水質(zhì)預報成果的誤差進行校正，以提高水質(zhì)模擬的精度。

3）生態(tài)需水模型。河網(wǎng)作為生態(tài)用水系統(tǒng)中重要的環(huán)節(jié)，滿足河道生態(tài)用水需求是生態(tài)用水調(diào)度的最終目標，因此需要根據(jù)河道生態(tài)環(huán)境健康及人居景觀要求，采用生態(tài)需水模型對河道各個河段的需水量進行預測，預測結果作為制定生態(tài)用水調(diào)度方案的邊界條件。

2.3 調(diào)度方面

依靠水量、水質(zhì)模型分析，建立寧波市中心城區(qū)河網(wǎng)水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)，調(diào)度系統(tǒng)的核心在于水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度模型的建設。調(diào)度模型建設包括 2 個方面，一方面是水量、水質(zhì)、生態(tài)需水模型的耦合，另一方面是調(diào)度模型的建立及優(yōu)化。

生態(tài)需水模型提供河道維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定所需要的水資源量[7]，為水量計算模型提供目標范圍；水量模型為水質(zhì)模型提供需要的流速、流量等水動力參數(shù)。

在模型耦合基礎上，綜合考慮調(diào)度過程涉及的閘、泵及引調(diào)水工程的調(diào)度需求，制定目標，用數(shù)學目標函數(shù)優(yōu)化方法求解得出最佳的調(diào)度方案。河網(wǎng)水資源調(diào)度從事態(tài)緊急程度上，分為常規(guī)和應急 2 種調(diào)度；從調(diào)度達成的目標上，分為水資源水量、水環(huán)境及水生態(tài) 3 種調(diào)度。目前水質(zhì)水量模型分析過程智能化程度不高，需要通過人工根據(jù)經(jīng)驗預先設定調(diào)度方案，人工輸入各種邊界條件及調(diào)度方式，通過模型演算后得出河流態(tài)勢或流速等結果，主觀性較強。

結合機器學習技術的發(fā)展，將水循環(huán)綜合模擬模型擴展成水循環(huán)綜合模擬-自動調(diào)控模型。在邊界條件自動獲取的水循環(huán)綜合模擬模型上，從管理需求出發(fā)，預先設定好水質(zhì)、流速、水位等控制目標，通過現(xiàn)有模型二次開發(fā)，自動生成調(diào)度方案，供決策參考。

水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)的架構圖如圖 1 所示。

圖 1 寧波市中心城區(qū)水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)架構

水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)可以完成的計算有以下幾方面：

1）實時獲知水賬。結合河道斷面測量數(shù)據(jù)，及時得到寧波市中心城區(qū)范圍內(nèi)的水量動態(tài)變化過程及水質(zhì)情況。同時，在不影響對水資源正常取用的情況下，能夠獲取水體所能容納的污染物的量或水體進行自身調(diào)節(jié)凈化并保持良好生態(tài)平衡的能力。

2）能夠進行評價。通過水質(zhì)監(jiān)測收集到的數(shù)據(jù)可以獲知污染物排放情況，從而評價水體的水質(zhì)情況，按評價指標判斷是否滿足水質(zhì)標準和水體所處水功能區(qū)要求，綜合評價水體的水質(zhì)狀況。同時，根據(jù)模型模擬仿真結果，可以統(tǒng)計出水資源公報、年（月）報上水質(zhì)指標，獲取中心城區(qū)在不同時空尺度上的水資源數(shù)量與質(zhì)量，對現(xiàn)階段水資源配置方案和布局的合理性進行評價。

3）能夠進行預報預警。結合水雨情預報，在寧波市中心城區(qū)開展水資源長、中、短期實時預測，開展水資源調(diào)配和水量分配方案的擬定。同時，可以根據(jù)水資源各項指標的控制要求，設定一定的目標控制值或范圍，當某一監(jiān)測值或計算值超出范圍時，設置系統(tǒng)自動報警功能。

4）進行水環(huán)境應急調(diào)度。針對突發(fā)水污染，通過調(diào)度模型分析計算，分析得出最優(yōu)調(diào)水方案，規(guī)劃最優(yōu)調(diào)水時機及路線，為提升水環(huán)境質(zhì)量提供決策支撐。

2.4 調(diào)度執(zhí)行方面

利用物聯(lián)網(wǎng)、集群監(jiān)控、遠程自動化控制等現(xiàn)代化技術，寧波市智慧水利二期工程將建立寧波市核心區(qū)三江調(diào)度運行管理模塊，針對寧波市核心區(qū)的水閘、泵站，提供調(diào)度規(guī)則管理、指令下發(fā)、指令執(zhí)行、執(zhí)行跟蹤、成果統(tǒng)計及在線簡報生成等功能，為寧波市核心區(qū)三江水量調(diào)配、防汛排澇提供支撐手段。遠期，將加強前端視頻感知及分析，利用 BIM 對工程進行模塊分解，達到精細化管理的目標。

3 結語

水資源智能化調(diào)度是提升水利管理能力現(xiàn)代化的重要手段，寧波市水利局近年來在水資源智能化管理方面的實踐表明：智能化技術的應用能夠全面掌握水資源“水源地—原水—取水—輸水—用水—節(jié)水”的從“源頭”到“龍頭”的基礎及監(jiān)測信息，在提高在線業(yè)務分析、水資源科學調(diào)度、水利工程精細化管理能力，以及提升抗旱應急響應能力等方面，具有重要意義。后期寧波市將結合水旱災害防御調(diào)度，在多目標智能調(diào)度、河流生態(tài)修復等方面做進一步探索，推動水資源調(diào)度管理向現(xiàn)代化管理模式轉變，為水資源的合理配置提供堅實保障。