智慧水利解析

蔣云鐘，冶運(yùn)濤，趙紅莉，張雙虎，曹 引，顧晶晶

（中國水利水電科學(xué)研究院 水資源研究所，北京 100038）

1 研究背景

隨著氣候變化和經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，我國水資源供需矛盾突出，極端水文事件加劇，嚴(yán)重威脅我國水安全、糧食安全及生態(tài)環(huán)境安全。我國地域廣闊，水系眾多，水利工程點(diǎn)多、面廣、量大，類型復(fù)雜，給防洪安全、水資源安全、水生態(tài)環(huán)境安全和水利工程安全的保障提出了更高的要求［1-3］。

當(dāng)前，傳統(tǒng)水利已難以滿足新時代經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展所需的專業(yè)化、精細(xì)化、科學(xué)化管理需求，以經(jīng)驗為主、事后總結(jié)和人海戰(zhàn)術(shù)為特點(diǎn)的管理和決策模式不僅耗時耗力，而且難以盡如人意，導(dǎo)致水利工程體系和管理體系在實際工作中難以發(fā)揮“1+1>2”的效力。隨著以云計算、Web2.0、物聯(lián)網(wǎng)等為標(biāo)志的第三次信息技術(shù)浪潮到來，以感知、互聯(lián)和智能等為基本特點(diǎn)的物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能及其應(yīng)用，極大地改變了各行業(yè)信息化服務(wù)的效率、易用性和行為范式。在水利行業(yè)內(nèi)生需求的推動下，將智慧流域理論［2，4-6］和水利行業(yè)實踐相結(jié)合，以數(shù)字賦能水利，構(gòu)建集自然水系、工程體系、管理體系和數(shù)字體系為一體的“四元融合”的智慧水利體系［3，7-10］，是國際上共同選擇的一種解決水問題的更加高效和可持續(xù)的方法［11］。

利用新智能技術(shù)（New IT，New Intelligence Technology）升級改造傳統(tǒng)水利系統(tǒng)，提高水利管理效率，降低工程運(yùn)行能耗是國內(nèi)外共同關(guān)注的焦點(diǎn)［12］。智慧水利架構(gòu)由不同層次構(gòu)成，這些層次之間通過協(xié)同工作來實現(xiàn)功能和應(yīng)用［12］。Li 等［12］調(diào)研了國際電信聯(lián)盟、美國環(huán)境保護(hù)署、英國國際發(fā)展部、聯(lián)合國全球機(jī)會委員會、科羅拉多州立大學(xué)等機(jī)構(gòu)討論智慧水利系統(tǒng)框架的有關(guān)研究成果。Ye等［10］提出的智慧水利架構(gòu)包含層次框架、技術(shù)體系和功能框架，并進(jìn)行了詳細(xì)描述。Ntuli 等［13］認(rèn)為先進(jìn)的智能水網(wǎng)包括智能測量和網(wǎng)絡(luò)的信息共享以及可持續(xù)的水資源配置基礎(chǔ)設(shè)施，提出了智能水網(wǎng)架構(gòu)應(yīng)包括層次框架、技術(shù)體系和功能框架。Kartakis 等［14］基于物聯(lián)網(wǎng)和云計算，提出了自下而上的五層框架：感知層、傳輸層、處理層、應(yīng)用層和統(tǒng)一門戶層。Günther等［15］認(rèn)為智慧水利框架由物理層、感知和控制層、數(shù)據(jù)收集和傳輸層、數(shù)據(jù)管理和顯示層、數(shù)據(jù)融合和分析層組成。Allen 等［16］以新加坡為例，認(rèn)為框架有數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)流管理、處理和預(yù)警，決策支持工具組成。Li 等［12］從智慧水利評價的角度，提出智慧水利架構(gòu)由儀器層、屬性層、功能層、效益層、應(yīng)用層以及評價體系構(gòu)成。國內(nèi)代表性成果有：水利部發(fā)布的智慧水利總體框架是以水利信息基礎(chǔ)設(shè)施為基礎(chǔ)、以數(shù)字孿生流域、數(shù)字孿生工程和業(yè)務(wù)應(yīng)用為重點(diǎn)、以網(wǎng)絡(luò)安全體系和綜合保障體系為保障［17］。浙江智慧水利框架采用“四縱三橫”總體架構(gòu)，“四橫”為業(yè)務(wù)應(yīng)用、應(yīng)用支撐、數(shù)據(jù)資源和基礎(chǔ)設(shè)施等體系；“三縱”為政策制度、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和組織保障體系［18］。江蘇智慧水利總體框架為1 個統(tǒng)一門戶、4個基礎(chǔ)服務(wù)平臺、1 個水利云服務(wù)中心、N 個業(yè)務(wù)應(yīng)用和1 套安全保障機(jī)制［19］。深圳智慧水務(wù)總體框架由智能感知、基礎(chǔ)設(shè)施、水務(wù)大數(shù)據(jù)、智慧應(yīng)用和門戶5 個層次，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和信息安全2 大體系組成［20］。寧波市智慧水利總體框架由1 張水利感知網(wǎng)、1 個智慧能力中心、1 套智慧應(yīng)用、2 組環(huán)境保障體系構(gòu)成［21］。

雖然為了滿足行業(yè)和政府的需求，智慧水利研究正在加快，但是供應(yīng)商和客戶之間在概念、技術(shù)和實踐方面的差距仍未很好地彌合［12］。大多數(shù)工作是針對某一區(qū)域情況或某一特定情況開展，對智慧水利還缺乏系統(tǒng)的認(rèn)識對，智慧水利的概念和架構(gòu)尚未達(dá)到共識，導(dǎo)致許多智慧水利工程還僅僅停留在信息管理系統(tǒng)平臺和可視化等方面［8］，因此有必要全方位分析智慧水利，從而深化對智慧水利的認(rèn)知，為我國智慧水利建設(shè)提供目標(biāo)支撐。

2 智慧水利的解析思路

智慧水利的解析思路：以水問題解決和治水目標(biāo)為導(dǎo)向，面向水利管控對象，立足于對象的時空過程，遵循數(shù)據(jù)賦能理論，利用New IT 構(gòu)建數(shù)字賦能體，實現(xiàn)建設(shè)成效。由此歸納出智慧水利內(nèi)涵，包括六大維度，即目標(biāo)維度、對象維度、時空維度、技術(shù)維度、價值維度、成效維度。如圖1所示。

圖1 智慧水利解析架構(gòu)

目標(biāo)維度。包括四大水問題識別（水災(zāi)害頻發(fā)、水資源短缺、水環(huán)境污染、水生態(tài)損害）和制訂一個治理目標(biāo)（智慧地將適量適質(zhì)的水適時送到適地，即適量適質(zhì)適時適地“四適”）。

對象維度。包括兩大服務(wù)主體（水行政管理部門、水工程管理部門）和五類水利業(yè)務(wù)（工程安全運(yùn)行、水量科學(xué)調(diào)度、業(yè)務(wù)高效管理、應(yīng)急快速處置、公眾主動服務(wù)）。

時空維度。包括八大監(jiān)控環(huán)節(jié)（大氣水、地表水、土壤水、地下水、?。ü┧⒂茫ê模┧?、排水（污水處理）、回用）和七個決策過程（情報分析、模擬評價、診斷預(yù)警、預(yù)測預(yù)報、配置調(diào)度、遠(yuǎn)程控制、評估反饋）。

技術(shù)維度。包括三大賦能體系（自然水系數(shù)字體、水利工程智能體、業(yè)務(wù)管理智慧體）和六項核心技術(shù)（云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字孿生、移動互聯(lián)網(wǎng)）。

價值維度。遵循一個概念模型DIKIW（Data-Information-Knowledge-Intelligent-Wisdom）和一條推進(jìn)路徑，包含四大轉(zhuǎn)換（從數(shù)據(jù)到信息、從信息到知識、從知識到智能、從智能到智慧）。

成效維度。包括九大功能表征（智能感知、智能仿真、智能診斷、智能預(yù)報、智能預(yù)警、智能調(diào)度、智能控制、智能處置、智能管理）和十大建設(shè)愿景（信息全掌握、仿真全立體、診斷全要素、預(yù)報全時段、調(diào)配全過程、業(yè)務(wù)全覆蓋、管理全協(xié)同、控制全自動、服務(wù)全主動、應(yīng)急全聯(lián)動）。

根據(jù)對解析的六個維度進(jìn)行總結(jié)，智慧水利體系構(gòu)建思路可以歸納為：基于圍繞“一個目標(biāo)”、服務(wù)“兩個主體”、構(gòu)建“三大體系”、遵循“四大轉(zhuǎn)換”、面向“五類業(yè)務(wù)”、凸顯“六項技術(shù)”、貫穿“七大過程”、覆蓋“八大環(huán)節(jié)”、開發(fā)“九大功能”、實現(xiàn)“十大愿景”。

3 目標(biāo)維度：問題識別與目標(biāo)制訂

3.1 問題識別當(dāng)前我國水安全呈現(xiàn)出水資源短缺、水生態(tài)損害、水環(huán)境污染等新問題與水旱災(zāi)害老問題相互交織的嚴(yán)峻形勢［22］。

水災(zāi)害頻發(fā)［22］。受大陸季風(fēng)的影響，我國降水不僅南北空間差異大，而且年內(nèi)年際變化大，60%～80%主要集中在汛期，年際間地表徑流豐枯變化一般相差2～6 倍，最大達(dá)10 倍以上。我國雖然形成了逐步完善的大江大河防洪體系，但是流域大洪水、局部強(qiáng)降雨時有發(fā)生，大部分中小河流的防洪標(biāo)準(zhǔn)仍然較低，尚未完成除險加固的病險水庫仍在帶“病”運(yùn)行，山洪災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警和災(zāi)后救助能力仍然薄弱。城市內(nèi)澇帶來的“看海”現(xiàn)象和臺風(fēng)災(zāi)害極易導(dǎo)致嚴(yán)重?fù)p失依然存在。

水資源短缺［23］。我國水資源相對短缺，人均水資源量僅為世界平均水平的28%，長江南北水資源空間分布與承載的土地、人口和生產(chǎn)力布局不匹配，特別京津冀和西南諸河的“人地水”不平衡的矛盾尤為突出。同時粗放的用水方式導(dǎo)致用水效率總體不高。我國缺水的400 多座城市中，嚴(yán)重缺水的城市有100 多座。全國每年超采約160 億m3地下水，超采區(qū)面積近30 萬km2。

水生態(tài)損害［24］。我國海河、黃河、遼河流域等北方地區(qū)的水資源開發(fā)利用率分別高達(dá)105%、82%和76%，全國696 個面積大于10 km2的湖泊中有200 多個萎縮。全國濕地面積近20年來減少了近9 萬多km2。我國水土流失面積295 萬km2，每年因開發(fā)建設(shè)等人為因素新增水土流失面積超過1 萬km2，年均土壤流失量45 億t，土壤肥力下降，土地沙化，水庫河道淤積嚴(yán)重。

水環(huán)境污染［24］。全國入河入湖入海的廢污水排放量超出納污能力，而且居高不下，增加了水污染治理難度。主要江河水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率低，淮河、海河、太湖、滇池等河湖水質(zhì)尤差。一些地方工業(yè)污染水源重大事件頻繁發(fā)生，農(nóng)業(yè)面源污染加重，飲用水水質(zhì)安全存在隱患。地下水污染也十分嚴(yán)重，水質(zhì)較差和極差的水質(zhì)測站比例為76%，并由淺層向深層蔓延。

3.2 目標(biāo)制訂不管水問題的表現(xiàn)形式如何，就其本質(zhì)而言，均可歸結(jié)為流域水循環(huán)分項或伴生過程的失衡和失調(diào)問題［25］。水災(zāi)害問題，就是流達(dá)的水過多了，超過了河湖蓄泄能力；水資源短缺就是流達(dá)的水太少了，滿足不了生態(tài)、生產(chǎn)、生態(tài)用水；水污染問題就是流達(dá)的水太臟了，污染物超過了水環(huán)境納污能力；水生態(tài)問題就是流達(dá)的水過多或者過少或者過臟引起的，如降雨過多導(dǎo)致水土流失、地下水超采帶來的地下水位下降導(dǎo)致地面沉降、污染嚴(yán)重導(dǎo)致的水華爆發(fā)。為了解決上述水問題，我國開展了水災(zāi)害防御、水資源管理、水土保持和水生態(tài)保護(hù)等水治理工作，無論水怎么治理，目的都只有一個，也就是要讓水在適當(dāng)?shù)臅r候按照適當(dāng)?shù)乃亢瓦m當(dāng)?shù)乃|(zhì)流至適當(dāng)?shù)牡胤?，這是水治理成功與否的標(biāo)志。

為了在適當(dāng)?shù)臅r候按照適當(dāng)?shù)乃亢瓦m當(dāng)?shù)乃|(zhì)到達(dá)適當(dāng)?shù)牡胤?，人類在逐水而居的同時，也在自然水系的基礎(chǔ)上，修建了大量的水利工程體系，建立了多級的管理系統(tǒng)，形成了自然水系、工程體系和管理體系這三大體系。分析這三大體系之間的邏輯關(guān)系，其中水利工程體系的建設(shè)主要是從供給側(cè)管理的角度來考慮，意圖是通過修建大量的工程體系改造水的自然流動方式，將水運(yùn)移到適當(dāng)?shù)膶ο?，實際上從大禹治水開始，幾千年的治水實質(zhì)都是為了滿足這個需求，當(dāng)然這個工程體系的運(yùn)營與控制，需要由管理體系來管理。

而隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展和人口規(guī)模的快速增長，尤其是進(jìn)入20 世紀(jì)中葉以后，依靠傳統(tǒng)的單一加大水利工程設(shè)施建設(shè)，發(fā)現(xiàn)單從供給側(cè)已經(jīng)無法同時滿足經(jīng)濟(jì)社會和生態(tài)環(huán)境的需求，并且給生態(tài)環(huán)境造成了巨大的破壞，所以必須要求順應(yīng)自然、尊重自然和保護(hù)自然，要對需求側(cè)進(jìn)行管理，不能無節(jié)制的滿足需求，要調(diào)整人的行為和糾正人的錯誤行為。因此，從需求側(cè)的角度出發(fā)，管理體系監(jiān)管社會對象將合理用水、合理使用水域空間，最大限度地保護(hù)和減少對自然對象的擾動。

要想通過供給側(cè)和需求側(cè)實現(xiàn)讓水在適當(dāng)?shù)臅r候按照適當(dāng)?shù)乃亢瓦m當(dāng)?shù)乃|(zhì)到達(dá)適當(dāng)?shù)牡胤?，需要有足夠的工程能力，需要有良好的管理（包括對工程的管理和對社會對象的管理），同時需要掌握足夠的信息（知道水從哪兒來，要來多少水，來的是什么水質(zhì)的水，要知道哪兒需要水，需要多少水，需要什么樣的水），然后需要做出科學(xué)的決策（也就是要決策“水往哪兒去”）。

從現(xiàn)狀上來看，無論是工程側(cè)、管理側(cè)，還是需求側(cè)，與要將水在適當(dāng)?shù)臅r候按照適當(dāng)?shù)乃亢瓦m當(dāng)?shù)乃|(zhì)到達(dá)適當(dāng)?shù)牡胤降哪康南啾?，都存在明顯的差距。迫切需要深度融合現(xiàn)代信息技術(shù)，通過建設(shè)智能工程挖掘現(xiàn)有水利工程基礎(chǔ)設(shè)施潛力，優(yōu)化水利工程基礎(chǔ)設(shè)施布局；通過建設(shè)智慧管理實體，提高調(diào)度的科學(xué)性；通過建設(shè)智慧社會對象，更加促進(jìn)人水和諧。這三大對象的深度融合，構(gòu)建成智慧水利體系，保障水利基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)“全域通達(dá)、蓄泄兼籌、豐枯相濟(jì)，安全可靠、科學(xué)高效、和諧健康”。

4 對象維度：服務(wù)主體與水利業(yè)務(wù)

4.1 服務(wù)主體智慧水利主要服務(wù)水行政管理和水工程管理兩類主體。

根據(jù)《中華人民共和國水法》規(guī)定，中央和各級地方人民政府都設(shè)立了水行政主管部門和專業(yè)開發(fā)機(jī)構(gòu)，在統(tǒng)一法規(guī)、統(tǒng)一規(guī)劃和對各部門各地區(qū)有重大影響的江河防洪、水資源分配進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度的前提下，進(jìn)行江河治理、水資源的開發(fā)利用和保護(hù)。水利部是全國水行政主管部門，部內(nèi)設(shè)立有關(guān)職能機(jī)構(gòu)，并設(shè)立了黃河、長江、淮河、海河、松花江和遼河、珠江、太湖等流域機(jī)構(gòu)，作為水利部的派出機(jī)構(gòu)。全國各級地方政府，均確定一個政府職能部門負(fù)責(zé)水行政主管工作，分為?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）、地（市）、縣（市）三級。

我國形成了較為完備水利基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)體系及其水工程管理體系。據(jù)《2019年全國水利發(fā)展統(tǒng)計公報》，全國已建成各類水庫9.8 萬余座、5 級及以上江河堤防32.0 萬km、流量5 m3/s 及以上的水閘103 575 座、日取水大于等于20 m3的供水機(jī)電井或內(nèi)徑大于等于200 mm 的灌溉機(jī)電井511.7 萬眼、裝機(jī)容量1 m3/s 或裝機(jī)功率50 kW 及以上泵站96 830 處、設(shè)計灌溉面積2000 畝及以上灌區(qū)共22 844 處、農(nóng)村水電站45 445 座等。各類工程均設(shè)置有相應(yīng)的管理主體。

4.2 水利業(yè)務(wù)按照“三定（定職能、定機(jī)構(gòu)、定編制）方案”，圍繞洪水、干旱、水資源開發(fā)利用、水利工程安全運(yùn)行、水利工程建設(shè)、水資源開發(fā)利用、城鄉(xiāng)供水、節(jié)水、江河湖泊、水土保持等業(yè)務(wù)，可以概括為工程安全運(yùn)行、水量科學(xué)調(diào)度、業(yè)務(wù)高效管理、應(yīng)急快速處置和公眾主動服務(wù)等五類。其業(yè)務(wù)構(gòu)成如圖2 所示。

圖2 智慧水利業(yè)務(wù)構(gòu)成

工程安全運(yùn)行。水利工程管理是保護(hù)和合理運(yùn)用已建成的水利工程設(shè)施，調(diào)節(jié)水資源，為社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活服務(wù)的工作。只有通過科學(xué)管理，才能發(fā)揮最佳的綜合效益，還可以驗證原來規(guī)劃、設(shè)計和施工質(zhì)量的準(zhǔn)確性。工程管理的基本任務(wù)是：保持工程建筑物和設(shè)備的完整、安全，經(jīng)常處于良好的技術(shù)狀況；正確運(yùn)用工程設(shè)備，以控制、調(diào)節(jié)、分配、使用水源，充分發(fā)揮其防洪、灌溉、供水、排水、發(fā)電、航運(yùn)、水產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)等效益；正確操作閘門啟閉和各類機(jī)械、電機(jī)設(shè)備，提高效率，防止事故；改善經(jīng)營管理，不斷更新改造工程設(shè)備和提高管理水平［26］。

水量科學(xué)調(diào)度。我國形成了興水利除水患的水利工程體系，這些工程體系具有很強(qiáng)的水調(diào)節(jié)能力，改變著河流、湖泊等水系的水文過程。水利工程調(diào)度目標(biāo)任務(wù)從防洪、灌溉、發(fā)電等單目標(biāo)向保障防洪安全、供水安全、生態(tài)安全以及航運(yùn)安全、供電安全等多目標(biāo)綜合調(diào)度轉(zhuǎn)變。同時，隨著大型水工程的不斷建設(shè)和投運(yùn)，水工程調(diào)度的范圍和拓?fù)潢P(guān)系復(fù)雜度不斷加大，除需要考慮邊界條件變化帶來的調(diào)度模型適用性問題外，還要考慮各調(diào)度目標(biāo)間存在的需求相互耦合、相互制約的復(fù)雜關(guān)聯(lián)，這就迫切要求調(diào)度工程能夠統(tǒng)籌各方面的需求，緩解矛盾中各方的競爭協(xié)同關(guān)系［27-28］。

業(yè)務(wù)高效管理。圍繞水利行政主管部門中的“三定”職責(zé)開展的日常管理工作，如水資源管理，水資源保護(hù)，節(jié)約用水，水利設(shè)施、水域及其岸線的管理、保護(hù)與綜合利用，水利工程建設(shè)管理，水土保持，農(nóng)村水利，水庫移民管理等業(yè)務(wù)。水利行政主管部門應(yīng)切實加強(qiáng)水資源合理利用、優(yōu)化配置和節(jié)約保護(hù)。堅持節(jié)水優(yōu)先，從增加供給轉(zhuǎn)向更加重視需求管理，嚴(yán)格控制用水總量和提高用水效率。堅持保護(hù)優(yōu)先，加強(qiáng)水資源、水域和水利工程的管理保護(hù)，維護(hù)河湖健康美麗。堅持統(tǒng)籌兼顧，保障合理用水需求和水資源的可持續(xù)利用，為經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展提供水安全保障。

應(yīng)急快速處置。做好突發(fā)事件應(yīng)急管理工作，是履行政府社會管理職能、執(zhí)政為民的重要體現(xiàn)［29］。水利工作涉及到的突發(fā)公共事件包括水旱災(zāi)害、水污染事件、水利工程建設(shè)重大質(zhì)量與安全事故、水事糾紛、群體上訪、其他突發(fā)公共事件等。為應(yīng)對和處置突發(fā)公共事件，水利部制定了一系列規(guī)章制度和應(yīng)急預(yù)案，如應(yīng)對水旱災(zāi)害編制了《國家防汛抗旱應(yīng)急預(yù)案》，應(yīng)對水污染事件出臺了《重大水污染事件報告暫行辦法》（水資源［2000］251 號）和《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)重大水污染事件報告工作的通知》（辦資源［2005］235 號），應(yīng)對水利工程建設(shè)重大質(zhì)量與安全事故印發(fā)了《水利工程質(zhì)量事故處理暫行規(guī)定》（水利部令第9 號）、《水利工程建設(shè)安全生產(chǎn)管理規(guī)定》（水利部令第26 號）、《水利工程建設(shè)重大質(zhì)量與安全事故應(yīng)急預(yù)案》（水建管［2006］202）等。

公眾主動服務(wù)。借助互聯(lián)網(wǎng)平臺提供在線公共服務(wù)，創(chuàng)新在線公共服務(wù)管理，提升在線公共服務(wù)質(zhì)量，已成為服務(wù)型政府建設(shè)重點(diǎn)之一。當(dāng)今政府轉(zhuǎn)型的方向即是建立公共服務(wù)型政府，以人民為本，為人民服務(wù)，為公眾服務(wù)。目前通過水利行業(yè)政府網(wǎng)站和微信公眾號發(fā)布政府信息，還提供了行政審批受理窗口實現(xiàn)行政審批事項流程網(wǎng)上辦理。面向社會公眾發(fā)布實時水雨情、熱點(diǎn)水情、重點(diǎn)江河湖庫等信息，以及國家、流域、省、市、縣水情預(yù)警信息服務(wù)。推動了水利工程建設(shè)領(lǐng)域項目信息公開和誠信體系建設(shè)。各地利用已建成的水博物館、水文化館、水科普館、水主題公園，以及節(jié)水、水土保持、防洪教育基地等，面向社會公眾開展了多種形式的水情教育活動。

5 時空維度：監(jiān)控環(huán)節(jié)與決策過程

5.1 監(jiān)控環(huán)節(jié)智慧水利的建設(shè)目標(biāo)是要將適量適質(zhì)的水適時送到適當(dāng)?shù)牡胤?，需要對整個水循環(huán)過程進(jìn)行管控，使水循環(huán)系統(tǒng)保持健康有序的發(fā)展。隨著人類活動對自然水循環(huán)的干預(yù)，原有由單一的受自然主導(dǎo)的循環(huán)過程轉(zhuǎn)變成受自然和社會共同影響、共同作用的新的水循環(huán)系統(tǒng)，這種水循環(huán)系統(tǒng)稱為流域“天然-人工”或“自然-社會”二元水循環(huán)系統(tǒng)［30］。

自然水循環(huán)環(huán)節(jié)包括大氣水、地表水、土壤水、地下水，簡稱“四水”［31］。在水循環(huán)過程中，大氣降水是地表水、土壤水、地下水年復(fù)一年不斷得到補(bǔ)充的源泉。大氣水分通過凝結(jié)能作用，變?yōu)橐簯B(tài)水或固態(tài)水，降水到達(dá)地表后，轉(zhuǎn)化為地表水、土壤水和地下水。而地表水、土壤水和地下水又通過蒸發(fā)回到了大氣，成為大氣水的重要組成部分。與此同時，地表水、土壤水和地下水之間，區(qū)域之間也不斷產(chǎn)生水量交換。實際上，任何一個區(qū)域的“四水”轉(zhuǎn)化關(guān)系，既受氣候、地形、地貌、土壤、植被、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件等自然因素的影響和制約，也受人類社會經(jīng)濟(jì)活動的影響而改變。

社會水循環(huán)環(huán)節(jié)包括供（?。┧⒂茫ê模┧?、排水（處理）與回用［32］。供（?。┧到y(tǒng)是社會水循環(huán)的始端和將自然水循環(huán)引入到社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)；用（耗）水是社會水循環(huán)的核心，是社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)獲取水的各種價值及使水資源價值流不斷耗散的一整套流程；污水處理與回用是伴隨社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)水循環(huán)通量和人類環(huán)境衛(wèi)生需求而產(chǎn)生的循環(huán)環(huán)節(jié)，也成為構(gòu)建健康良性社會水循環(huán)的關(guān)鍵；排水系統(tǒng)是社會水循環(huán)的“匯”及與自然水循環(huán)的聯(lián)結(jié)節(jié)點(diǎn)。

5.2 決策過程以水資源管理與調(diào)配為例，決策過程主要分為情報分析、模擬評價、診斷預(yù)警、預(yù)測預(yù)報、配置調(diào)度、遠(yuǎn)程控制和評估反饋［33］。

情報分析。通過物聯(lián)感知、互聯(lián)網(wǎng)采集、資料數(shù)字化等方式，獲取流域和區(qū)域的水情、水質(zhì)、工情、供水、用水、排水、社會經(jīng)濟(jì)、災(zāi)情等有價值的水資源信息，并對收集的情報信息進(jìn)行整理與統(tǒng)計分析。

模擬評價。利用“自然-社會”二元水循環(huán)模型，在時段初對上一時段的水資源數(shù)量、質(zhì)量及其時空分布特征，以及水資源開發(fā)利用狀況等進(jìn)行動態(tài)分析和評價。

診斷預(yù)警。通過分析和制定水資源預(yù)警（報警）指標(biāo)及等級，研究和確定水資源預(yù)警（報警）等級劃分標(biāo)準(zhǔn)、審批權(quán)限、發(fā)布范圍與對象。根據(jù)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和模擬評價結(jié)果，計算預(yù)警（報警）指標(biāo)值，診斷水資源及其開發(fā)利用形勢和存在的問題等。

預(yù)測預(yù)報。主要包括來水預(yù)報和需水預(yù)測，來水預(yù)報又分為水量預(yù)報和水質(zhì)預(yù)報。水量預(yù)報包括地表水資源量預(yù)報和地下水資源量預(yù)報，地表水資源量預(yù)報既可細(xì)分為當(dāng)?shù)厮屯鈦硭òㄒ{(diào)水）預(yù)報，又可分為汛期徑流預(yù)報和枯季（非汛期）徑流預(yù)報。需水預(yù)測分為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活和生態(tài)環(huán)境需水量預(yù)測。

配置調(diào)度。利用水資源模擬評價和預(yù)測預(yù)報結(jié)果等，通過水資源配置模型計算，結(jié)合領(lǐng)域?qū)＜一驔Q策者等積累的知識、經(jīng)驗和偏好，分水協(xié)議、水價政策的經(jīng)濟(jì)調(diào)節(jié)作用等進(jìn)行綜合分析，提出水資源配置方案。通過制定的年度內(nèi)水資源配置方案，確定水資源優(yōu)化調(diào)度的規(guī)則和依據(jù)；根據(jù)各時段水資源的豐枯情況和污染態(tài)勢，通過建立水資源優(yōu)化調(diào)度模型，確定水資源調(diào)度方案。

遠(yuǎn)程控制?？刂瓶煞譃槭止た刂啤胱詣涌刂坪妥詣涌刂频?，主要是對重要的取水口、開采機(jī)井、引水閘門等的控制。

評估反饋。為了不斷改進(jìn)和完善系統(tǒng)的各項功能，需要對系統(tǒng)的重點(diǎn)功能進(jìn)行評估反饋。主要內(nèi)容包括：針對水資源配置、調(diào)度方案的合理性、實施效果以及預(yù)報方案的準(zhǔn)確性、控制情況等進(jìn)行評估，重點(diǎn)分析導(dǎo)致配置、調(diào)度方案不合理和效益不好、預(yù)報不準(zhǔn)確的原因等。

6 技術(shù)維度：賦能體系與核心技術(shù)

6.1 賦能體系智慧水利的數(shù)字賦能體系是以自然水系、水利工程和管理部門為對象，建設(shè)自然水系數(shù)字體（簡稱“數(shù)字體”）、水利工程智能體（簡稱“智能體”）和業(yè)務(wù)管理智慧體（簡稱“智慧體”）［34］，這也是智慧水利最終呈現(xiàn)的形態(tài)，它們的協(xié)同互動來實現(xiàn)智慧水利的目標(biāo)，如圖3 所示。

圖3 智慧水利數(shù)字體、智能體和智慧體之間關(guān)系

自然水系數(shù)字體。它是“把自然水系裝進(jìn)電腦”，旨在對自然水系要素的水量、水質(zhì)狀態(tài)進(jìn)行全面感知，對自然水系要素的物理實體對象及其信息支撐設(shè)施的有機(jī)融合，通過水利云計算基礎(chǔ)設(shè)施和水利專業(yè)模型對自然水系要素的現(xiàn)狀進(jìn)行評價、問題進(jìn)行診斷、未來進(jìn)行預(yù)測，實現(xiàn)自然水系要素過去、現(xiàn)在、未來狀態(tài)的精細(xì)刻畫，為水系自然要素的開發(fā)利用、節(jié)約保護(hù)提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。水系數(shù)字體的成果具體包括數(shù)字河流、數(shù)字湖泊、數(shù)字濕地、數(shù)字地下水、數(shù)字流域等方面。

水利工程智能體。它是“把水利工程裝進(jìn)電腦”，旨在對水利工程的物理對象及其信息支撐設(shè)施的有機(jī)融合，通過水利立體感知、云計算等信息化基礎(chǔ)設(shè)施，對水利工程過去、現(xiàn)在、未來狀態(tài)進(jìn)行精細(xì)刻畫，實現(xiàn)水利工程全生命期的智能感知、智能仿真、智能診斷、智能評價、智能預(yù)測和智能控制。水利工程智能體還要通過智能控制基礎(chǔ)設(shè)施實現(xiàn)水利工程的遠(yuǎn)程自動控制、執(zhí)行智慧管理體的決策與控制指令。水利工程智能體的最終目標(biāo)是實現(xiàn)水利工程前期策劃、規(guī)劃設(shè)計、施工建設(shè)、運(yùn)行管理全生命周期的智能感知、智能仿真、智能診斷、智能評價、智能預(yù)測和智能控制。工程智能體具體包括：智能大壩、智能水庫、智能水電站、智能閘站、智能泵站、智能渠道、智能管道、智能堤防、智能分/蓄/滯洪區(qū)等方面。

業(yè)務(wù)管理智慧體。它是“把管理部門裝進(jìn)電腦”，旨在自然水系數(shù)字體、水利工程智能體的基礎(chǔ)上，面向水利工程對象的前期策劃、規(guī)劃設(shè)計、施工建設(shè)、運(yùn)行管理以及自然水系要素開發(fā)利用、節(jié)約保護(hù)的執(zhí)行、監(jiān)督與管理需求，分別構(gòu)建行使監(jiān)督管理職能、執(zhí)行職能、技術(shù)支撐職能的智慧體，實現(xiàn)對自然水系要素、水利工程管理的智慧化。水利工程對象的施行及運(yùn)行管理，水利自然對象的開發(fā)利用、節(jié)約保護(hù)的工程、非工程措施的施行，都依賴業(yè)務(wù)管理智慧體。業(yè)務(wù)管理智慧體是建立在其所管理的水系數(shù)字體、工程智能體之上的，按照管理目標(biāo)，對智能工程下達(dá)決策和控制指令，進(jìn)而對自然水系施加影響。業(yè)務(wù)管理智慧體依托水利立體感知、云計算等基礎(chǔ)設(shè)施，實現(xiàn)對自然水系要素、水利工程管控的智慧化管理。業(yè)務(wù)智慧體的對象按照行使行為不同又可劃分為：智慧水行政主管部門、智慧工程建管部門、智慧技術(shù)支撐部門、智慧水務(wù)部門等。

6.2 核心技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、數(shù)字孿生和移動互聯(lián)網(wǎng)是智慧水利建設(shè)主要使用的技術(shù)［6，35］。如圖4 所示。

圖4 智慧水利核心技術(shù)組成

物聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水利行業(yè)的具體應(yīng)用稱為“水聯(lián)網(wǎng)”，物聯(lián)網(wǎng)有助于進(jìn)一步提高水利信息化水平，提升水利數(shù)字化程度，更好地服務(wù)城鄉(xiāng)供水、水生態(tài)環(huán)境保護(hù)與修復(fù)、防汛抗旱減災(zāi)及水資源管理等。在傳感網(wǎng)方面，傳感網(wǎng)絡(luò)在我國水利行業(yè)廣泛應(yīng)用，涉及工程安全、防汛抗旱、水文水質(zhì)、水土保持、農(nóng)田水利等各個方面，已初步形成從傳感器到二次采集設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、中央監(jiān)控設(shè)備的研發(fā)、封裝、測試、生產(chǎn)、應(yīng)用和系統(tǒng)集成的完整產(chǎn)業(yè)鏈。

云計算。云計算是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的新型計算與服務(wù)范式，從技術(shù)層面上，云計算基本功能的實現(xiàn)取決于數(shù)據(jù)的存儲能力和分布式的計算能力兩個關(guān)鍵因素。采用云計算技術(shù)，可以為技術(shù)密集和問題復(fù)雜的水利行業(yè)提供一種全新的思路和方法。當(dāng)前我國水利行業(yè)也開展了對云計算的研究和應(yīng)用，并且取得了一些成果，如基于云計算的防汛抗旱信息集成平臺、基于云計算的水利工程視頻監(jiān)控系統(tǒng)等，但云計算數(shù)據(jù)規(guī)范、云計算安全等方面還有待進(jìn)一步提高。

大數(shù)據(jù)。水利行業(yè)大數(shù)據(jù)具備了大數(shù)據(jù)特征。大數(shù)據(jù)技術(shù)與水利科學(xué)的學(xué)科融合產(chǎn)生了水利大數(shù)據(jù)這一新的研究方向。傳統(tǒng)的水利管理對象描述的數(shù)據(jù)多是孤立無序、缺乏群體性，難以實現(xiàn)全面完整的系統(tǒng)認(rèn)識，而水利大數(shù)據(jù)可以充分利用大數(shù)據(jù)的全樣本描述、擅長規(guī)律分析和關(guān)聯(lián)分析、快速實時處理等優(yōu)勢，面向治水業(yè)務(wù)需求，能夠融合多來源、多類型、多尺度的水利數(shù)據(jù)，加以科學(xué)的分類、優(yōu)化的管理、集成的分析、高效的利用［36-37］。

人工智能。智能感知、數(shù)據(jù)挖掘、智能決策等人工智能技術(shù)在水利行業(yè)嶄露頭角。人工智能是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新的技術(shù)科學(xué)，主要研究內(nèi)容包括機(jī)器感知、機(jī)器學(xué)習(xí)、機(jī)器思維和機(jī)器行為四大領(lǐng)域。目前水利行業(yè)開始嘗試使用人工智能技術(shù)來提高水利現(xiàn)代化水平，從而進(jìn)行更透徹的感知、更全面的互聯(lián)互通以及更高層次的智能化。在防洪調(diào)度方面，人工智能技術(shù)應(yīng)用最早，主要是進(jìn)行洪水的智能預(yù)報，以及優(yōu)化調(diào)度等。在水利行業(yè)其他方面，人工智能技術(shù)也開始有所應(yīng)用，如基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的水污染趨勢智能預(yù)測、基于模糊推理的大型水利機(jī)械智能故障診斷、基于智能機(jī)器人的水下大壩自動探測，等等。隨著人工智能技術(shù)本身的發(fā)展，智慧水利對智能性要求不斷提高。

數(shù)字孿生。水利的數(shù)字孿生是充分利用精細(xì)化的物理水利模型、智能傳感器數(shù)據(jù)、水利歷史數(shù)據(jù)等，集成涉水的多學(xué)科、多要素、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成對智慧水利系統(tǒng)的映射［38-39］。通過水利數(shù)字孿生的全息復(fù)制、孿生交互、虛實迭代等特征的實現(xiàn)，首先依托于高質(zhì)量的水利智能傳感和通訊技術(shù)，然后通過數(shù)據(jù)孿生技術(shù)建立水利數(shù)據(jù)中臺、水利數(shù)字模型和水利大腦，并在虛擬空間中構(gòu)建孿生水利，進(jìn)而通過孿生水利的數(shù)據(jù)價值挖掘，通過孿生交互實現(xiàn)物理水利的預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案，支撐水利各項業(yè)務(wù)的數(shù)字化運(yùn)管［40-41］。

移動互聯(lián)網(wǎng)。移動互聯(lián)網(wǎng)作為移動通信和互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合體，是一種通過智能移動終端，采用移動無線通信方式獲取業(yè)務(wù)和服務(wù)的新興業(yè)務(wù)，包含終端、軟件和應(yīng)用三個層面。移動互聯(lián)網(wǎng)可以克服水利行業(yè)在管理方面存在的空間、時間層面的阻礙，是解決現(xiàn)場性、突發(fā)性、不確定性等水利日常工作的最佳解決方案。目前，水利行業(yè)已經(jīng)開始接受并逐步普及移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，如水利行業(yè)可以直接與QQ、微信、APP、網(wǎng)站和智能手機(jī)建立雙向通信，以提高服務(wù)質(zhì)量，提醒用戶可能發(fā)生的洪澇災(zāi)害、旱情、雨情、水情、水質(zhì)等情況。移動智能終端還可以直接作為信息獲取的手段，進(jìn)行河湖巡查、突發(fā)事件實時上報等，能極大地提高信息傳遞的時效性和可靠性。

7 價值維度：概念模型與推進(jìn)路徑

7.1 概念模型智慧常與知識聯(lián)系在一起，知識又與信息聯(lián)系在一起，信息與數(shù)據(jù)相連［42-43］。Row?ley［44］提出了“智慧層級”，又被稱作“DIKW 金字塔”“知識層次”“信息層次”和“知識金字塔”，泛指用來表示數(shù)據(jù)、信息、知識與智慧結(jié)構(gòu)和/或功能關(guān)系的一類模型，其中信息用數(shù)據(jù)來定義，知識用信息來定義，智慧用知識來定義。Ackoff［45］、Rowley［42］、Liew［46］等學(xué)者分析了數(shù)據(jù)、信息、知識、智慧的定義，給出了它們各自的作用。Sternberg［47］認(rèn)為智慧與智能和創(chuàng)造力有一定的關(guān)系，從這個出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行定義，智慧和智能兩者不同。Meystel 等［48］定義“智能是感知系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境，關(guān)聯(lián)整個系統(tǒng)的發(fā)生事件，對這些事件進(jìn)行決策，執(zhí)行解決問題和生成各自的行動和控制”。為了這樣的需要，Liew［43］在DIKW 模型中增加了“智能”層次，從而將DIKW 模型擴(kuò)展到DIKIW 模型。雖然關(guān)于智慧層次有眾多討論，但是DIKIW 模型提供了一條把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為信息、知識、智能和智慧的路徑。

7.2 推進(jìn)路徑?jīng)]有價值的信息化建設(shè)最終會被舍棄，尤其像具有公益性特點(diǎn)水利行業(yè)信息化。智慧水利“天生”有提高水利管理效率效能的屬性，而DIKIW 模型的信息轉(zhuǎn)換［49］為智慧水利建設(shè)提供了理論基礎(chǔ)。在數(shù)據(jù)、信息、知識轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)上，對水利工程“智能”改造，盡可能的少人化管理，甚至無人化管理；對業(yè)務(wù)流程的“智能化”升級，使得業(yè)務(wù)管理效率更高；對水利管理體系完善，在智能化加持下，集眾人之智，合眾人之慧，使水利工作考慮更全面、預(yù)測更準(zhǔn)確、決策更科學(xué)、執(zhí)行更徹底、反饋更敏捷。智慧水利推進(jìn)路徑示例如下。

——獲取水利數(shù)據(jù)，進(jìn)行態(tài)勢感知，支撐監(jiān)測監(jiān)視。智慧水利的態(tài)勢感知和監(jiān)測監(jiān)視屬于水利數(shù)據(jù)領(lǐng)域?qū)用?。通過構(gòu)建空天地網(wǎng)立體化感知體系，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)交互共享接口，對自然水系、水利工程、水利管理活動對象等數(shù)據(jù)全面采集及治理，形成高質(zhì)量的水利大數(shù)據(jù)，將分散在跨層級、跨行業(yè)、跨部門、跨系統(tǒng)等涉水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行全面融合與同化，構(gòu)建水利對象的數(shù)字化映射，形成對水利對象的時空變化態(tài)勢的整體性認(rèn)識，尤其能“透明式”監(jiān)測監(jiān)視流域的上下游、左右岸、地上地下的涉水過程，比如通過綜合雨情、水情、工情等，可以判斷流域防洪現(xiàn)狀態(tài)勢。

——提煉水利信息，進(jìn)行問題診斷，支撐告警預(yù)警。智慧水利的問題診斷和告警預(yù)警屬于水利信息領(lǐng)域?qū)用妗Ｒ宰匀凰?、水利工程、水利管理活動對象為診斷對象，根據(jù)積累的對象的采集數(shù)據(jù)，利用統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)值模擬等手段，確立河流、湖泊、地下水、水利工程安全、取用水活動、河湖采砂活動、供排水等是否異常指標(biāo)分級閾值。通過人工上報、物聯(lián)網(wǎng)感知等方式，利用動態(tài)感知數(shù)據(jù)，對水利事件進(jìn)行告警。利用數(shù)字孿生模擬仿真平臺，預(yù)測預(yù)報水利事件或水利狀態(tài)發(fā)生變化趨勢，診斷未來水利事件發(fā)展是變好變壞，對于異常狀態(tài)發(fā)布水利預(yù)警。

——挖掘水利知識，進(jìn)行原因分析，支撐調(diào)度調(diào)配。智慧水利的原因分析和調(diào)度調(diào)配屬于水利知識領(lǐng)域?qū)用?。原因分析回答的問題是“為什么沒有適當(dāng)?shù)乃亢瓦m當(dāng)?shù)乃|(zhì)在適當(dāng)?shù)臅r間到達(dá)適當(dāng)?shù)牡胤?？”，這就需要利用大數(shù)據(jù)分析方法找出水災(zāi)害頻發(fā)、水資源短缺、水環(huán)境污染、水生態(tài)損害發(fā)生的“病因”和“病根”。在此基礎(chǔ)上，通過多維度、多方位的信息整合與分析，才能對“癥”下“藥”，開出“良方”，即利用模擬仿真技術(shù)對防洪調(diào)度、水資源管理與調(diào)配、水生態(tài)過程調(diào)節(jié)等預(yù)演基礎(chǔ)上，生成決策建議方案，重點(diǎn)是制定最優(yōu)化方案，最大程度規(guī)避風(fēng)險、減少損失、提高效益。

——嵌入水利智能，進(jìn)行措施實施，支撐控制管制。智慧水利的事件調(diào)度和聯(lián)動指揮功能屬于水利智能領(lǐng)域?qū)用?。事件調(diào)度是根據(jù)事件告警、監(jiān)測預(yù)警、調(diào)度調(diào)配等功能對重大事件、日常事件進(jìn)行主動響應(yīng)、快速處置。智能層面的事件調(diào)度需要有一套完備機(jī)制進(jìn)行落實，在這個過程中，持續(xù)提高事件調(diào)度過程的智能化。聯(lián)動指揮要求相關(guān)系統(tǒng)、人員保持暢通聯(lián)系，以確保所有的指令迅速落實，并調(diào)撥各部門的資源。在決策上，更多是依靠人工在基于知識的供應(yīng)所做出的判斷。會商響應(yīng)則是通過閾值設(shè)定、算法建模、預(yù)警模型建立等方式，將歷史經(jīng)驗變成知識，使得調(diào)度會商功能越來越完善與智能。

——凝聚水利智慧，進(jìn)行主動學(xué)習(xí)，支撐預(yù)防預(yù)控。智慧水利的自主學(xué)習(xí)和預(yù)防預(yù)控功能屬于水利智慧領(lǐng)域?qū)用?。智慧水利工作目?biāo)要堅持“以創(chuàng)新為第一動力、以協(xié)調(diào)為內(nèi)生特點(diǎn)、以綠色為普遍形態(tài)、以開放為必由之路、以共享為根本目的”的發(fā)展理念，以流域為單元，打造能自主學(xué)習(xí)、迭代進(jìn)化的有機(jī)生命體——智慧流域，依托載體就是自然水系數(shù)字體、水利工程智能體和業(yè)務(wù)管理智慧體。該生命體在豐富數(shù)據(jù)庫、強(qiáng)大知識庫和精準(zhǔn)模型庫的支持下，利用深度學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)、智能推理等能力，通過自主學(xué)習(xí)和迭代進(jìn)化，就能實現(xiàn)全息感知、聰慧預(yù)判、及時反應(yīng)、主動避障，防患于未然，治“病”于未“病”。

8 成效維度：功能表征與建設(shè)愿景

8.1 功能表征智慧水利應(yīng)用系統(tǒng)是針對不同水利業(yè)務(wù)管理需求，應(yīng)具備智能感知、智能仿真、智能診斷、智能預(yù)報、智能預(yù)警、智能調(diào)度、智能控制、智能處置、智能管理等功能，如圖5 所示。

圖5 智慧水利功能組成

智能感知。圍繞工程安全運(yùn)行、科學(xué)調(diào)度、高效管理、快速應(yīng)急、主動服務(wù)等五大業(yè)務(wù)，實現(xiàn)面向高空、低空、地上、水面的“空天地網(wǎng)”一體化、全方位、多角度監(jiān)測。

智能仿真。具有對地形地貌、水利工程、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)字化映射、有機(jī)融合為整體的能力，實現(xiàn)靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)與真實物理世界實時同步、虛實交互、迭代更新。

智能診斷。利用視頻識別、遙感反演、紅外熱像、多維數(shù)據(jù)綜合分析等智能方法，進(jìn)行水利工程各環(huán)節(jié)（水庫、隧洞、泵站、閘門、閥門等）運(yùn)行異常事故診斷預(yù)警、構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)安全事故診斷預(yù)警、水庫水質(zhì)事故診斷預(yù)警和設(shè)備控制異常識別預(yù)警，構(gòu)建工程全線各環(huán)節(jié)、全鏈條事故智能診斷預(yù)警體系。

智能預(yù)報。以水文、氣象管理部門發(fā)布的降雨量、蒸發(fā)量、徑流量等大量歷史數(shù)據(jù)和智能感知體系獲得的多源水文水資源監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，獲取有效數(shù)據(jù)，篩選具有穩(wěn)定聯(lián)系的相關(guān)因素，綜合利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法和基于物理機(jī)制的水文模型，實現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的智能化水量預(yù)測，為水利工程的精細(xì)化運(yùn)行管理提供信息支持。

智能預(yù)警?；谥悄茴A(yù)報結(jié)果，智能診斷出高風(fēng)險突發(fā)性事件，分析水安全事件的特點(diǎn)，利用智能仿真平臺對突發(fā)性水安全事故進(jìn)行可視化仿真，事故的演變規(guī)律，定量給出事故的影響范圍和深度，根據(jù)事故所隸屬的等級以及直接危害或間接危害的程度，通過數(shù)字孿生技術(shù)將事故的危害程度直觀地展現(xiàn)在三維虛擬環(huán)境中，同時利用各種電子終端自動聯(lián)合發(fā)布相關(guān)的預(yù)警信息。

智能調(diào)度。以水資源管理為例，包括計劃調(diào)度和實時調(diào)度兩個層面。計劃調(diào)度層面，根據(jù)受水區(qū)用水計劃、水源區(qū)水庫蓄水狀態(tài)以及流域預(yù)報來水量等數(shù)據(jù)信息，借助專業(yè)模型和大數(shù)據(jù)智能分析，制定水量調(diào)度計劃。實時調(diào)度層面，以水量調(diào)度計劃為參考依據(jù)，綜合考慮水庫下游需水、受水區(qū)當(dāng)前及未來3 ~ 5 d 的可能用水量，以及閘泵閥的運(yùn)行狀態(tài)，優(yōu)化制定水量調(diào)度方案。

智能控制。以實現(xiàn)水利工程“無人值守、少人值班”為目標(biāo)，利用機(jī)電一體化技術(shù)，并與物聯(lián)網(wǎng)、云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)基于云平臺的高效、精準(zhǔn)、智能的自動控制系統(tǒng)。管理者在任何時間、任何地點(diǎn)，均可通過訪問終端，發(fā)送控制指令，進(jìn)行設(shè)備遠(yuǎn)程、精準(zhǔn)、統(tǒng)一化控制。

智能處置。以最大程度降低突發(fā)事件影響損失和最快速度恢復(fù)正常輸水狀態(tài)為目標(biāo)，以智能化的方式，開展事件類型主動判斷、事件影響范圍及程度自動分析、事件預(yù)案自動匹配和處置方案自動生成的全流程突發(fā)事故快速處置。

智能管理。結(jié)合實際管理需求，綜合運(yùn)用大數(shù)據(jù)、視頻識別、射頻識別、智能機(jī)器人等手段，構(gòu)建涵蓋安全防護(hù)、日常巡檢、資產(chǎn)管理、綜合辦公、業(yè)務(wù)管理等的智能管理體系，實現(xiàn)業(yè)務(wù)在時間和空間上的全覆蓋，最終達(dá)到“減人增效”的管理目標(biāo)。

8.2 建設(shè)愿景以自然水系、水利工程和水利管理活動對象為智慧化對象，以智慧水利功能支撐業(yè)務(wù)的“預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案”［50］，以New IT 優(yōu)化重塑業(yè)務(wù)流程，從而使智慧水利達(dá)到的建設(shè)愿景包括：信息全掌握、時間全天候、展現(xiàn)全三維、調(diào)配全過程、業(yè)務(wù)全覆蓋、管理全協(xié)同、控制全自動、服務(wù)全主動、應(yīng)急全聯(lián)動，如圖6 所示。

圖6 智慧水利建設(shè)愿景

信息全掌握。通過建立“空天地網(wǎng)”一體化的監(jiān)測體系，以“自然-人工”二元水循環(huán)為主線，實現(xiàn)水量、水質(zhì)、水生態(tài)、水經(jīng)濟(jì)，地表、地下等涉水信息“點(diǎn)、線、面”“過去、現(xiàn)在、將來”的全要素、全空間、全時段的匯聚，對自然水系、水利工程、水利管理活動等對象精準(zhǔn)“畫像”。

仿真全立體。在建立物理水利及其影響區(qū)域的數(shù)字化映射中，對水旱災(zāi)害防御、水資源管理、水資源配置以及農(nóng)村水利、水土保持等業(yè)務(wù)實現(xiàn)預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案［51］，這樣才能主動或者超前管理到位。

診斷全要素。建立能夠全面描述自然水循環(huán)和社會水循環(huán)以及水工程設(shè)備設(shè)施健康狀態(tài)的指標(biāo)體系，并對各種指標(biāo)進(jìn)行分級閾值設(shè)定，在此基礎(chǔ)上，自動分析水安全、水資源、水生態(tài)、水環(huán)境、水工程的事前診斷、事中診斷、事后診斷，對越限狀態(tài)及時預(yù)警。

預(yù)報全時段。降水預(yù)報的準(zhǔn)確性對流域防洪、水資源調(diào)配、水污染防治的科學(xué)性至關(guān)重要。因此要具備對降水的遠(yuǎn)期（一年以上）、長期（10 d 以上、月、季、年）、中期（4 ~ 10 d）、短期（0 ~ 12 h）和臨近期（0 ~ 2 h）等不同時段的水量聯(lián)合預(yù)警預(yù)報能力。

調(diào)配全過程。既具備對水源側(cè)的水庫、泵站、泵群等多庫聯(lián)調(diào)功能，也具備對不同行政區(qū)、不同行業(yè)、不同用戶的優(yōu)化調(diào)配［52-53］，實現(xiàn)來水、取水、輸水、供水、用水、耗水、排水全過程的精細(xì)化管理。對洪水過程的上滯、中蓄、下泄等過程的調(diào)配。

業(yè)務(wù)全覆蓋。全面覆蓋水利部“三定”（定職能、定機(jī)構(gòu)、定編制）方案規(guī)定的流域防洪、水資源調(diào)配、河湖管理等全部職責(zé)，針對不同業(yè)務(wù)領(lǐng)域建設(shè)目標(biāo)性更強(qiáng)、精準(zhǔn)性更高的專業(yè)分系統(tǒng)，以支撐業(yè)務(wù)用戶更加精準(zhǔn)履職。

管理全協(xié)同。在日常管理中，要實現(xiàn)各分系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享等，這是因為水利的上下游、左右岸、干支流、工程體系、不同業(yè)務(wù)之間是緊密聯(lián)系的，不同分系統(tǒng)只有相互聯(lián)通、數(shù)據(jù)共享，才能更好完成各自分系統(tǒng)的任務(wù)，也才能全面支撐綜合性決策需求［54-55］。

控制全自動。“無人值守，少人值班”是水利工程管理追求的最終目標(biāo)。通過對水利工程智能化改造，在沒有人直接參與或少人干預(yù)的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置，使泵站、閘門等工作狀態(tài)或參數(shù)自動按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。

服務(wù)全主動。從傳統(tǒng)的被動服務(wù)模式向主動模式轉(zhuǎn)變。將用戶最關(guān)心的涉水信息主動推送給相關(guān)人員。不管是決策領(lǐng)導(dǎo)、業(yè)務(wù)人員，還是社會用戶，均有一個屬于自己的數(shù)字駕駛艙或儀表盤，有自己最關(guān)心的數(shù)據(jù)信息。

應(yīng)急全聯(lián)動。通過物理聯(lián)動、通信聯(lián)動和應(yīng)用聯(lián)動，構(gòu)建多級聯(lián)動一體化運(yùn)行和橫向到邊、縱向到底的指揮體系。物理聯(lián)動是通過同屏互控、座席協(xié)作等實現(xiàn)多級之間顯示資源的共享；通信聯(lián)動是通過融合通信、視頻聯(lián)網(wǎng)等實現(xiàn)多級通信可達(dá)；應(yīng)用聯(lián)動是指值班值守、指揮調(diào)度、專項防范等系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)互通打通應(yīng)用［56］。

9 結(jié)論

智慧水利是水利高質(zhì)量發(fā)展的顯著標(biāo)志［50］。由于社會各界對智慧水利理念的理解不一致，總體架構(gòu)的設(shè)計也有所不同，為了深化社會對智慧水利的認(rèn)識，本文從目標(biāo)維度、對象維度、時空維度、技術(shù)維度、價值維度和成效維度等六個維度對智慧水利內(nèi)涵進(jìn)行解析：

（1）從目標(biāo)維度可知，解決水災(zāi)害、水資源、水環(huán)境、水生態(tài)等問題是智慧水利建設(shè)的需求。水問題產(chǎn)生的根源，可以歸結(jié)為水沒有按照適當(dāng)?shù)乃亢瓦m當(dāng)?shù)乃|(zhì)在合適的時間去合適的地方。而智慧水利就是依托自然水系，融合水工程體系和水管理體系，將適量適質(zhì)的水適時送到適地，實現(xiàn)長久水安瀾、優(yōu)質(zhì)水資源、宜居水環(huán)境和健康水生態(tài)。

（2）從對象維度可知，智慧水利對象包括兩大服務(wù)主體和五類業(yè)務(wù)。兩大服務(wù)主體包括水行政管理部門和水工程管理部門。五類業(yè)務(wù)包括工程安全運(yùn)行、水量科學(xué)調(diào)度、業(yè)務(wù)高效管理、應(yīng)急快速處置、公眾主動服務(wù)，利用智慧水利可以優(yōu)化業(yè)務(wù)流程，重塑業(yè)務(wù)模式。

（3）從時空維度可知，從物理水利角度，智慧水利要監(jiān)控“自然-社會”水循環(huán)的全環(huán)節(jié)全過程，其中自然水循環(huán)包括大氣水、地表水、土壤水、地下水等過程，社會水循環(huán)包括供（取）水、用（耗）水、排水（處理）與回用等過程；從決策過程來看，以水資源管理與調(diào)配為例，包括情報分析、模擬評價、診斷預(yù)警、預(yù)測預(yù)報、配置調(diào)度、遠(yuǎn)程控制、評估反饋等過程，其他業(yè)務(wù)的決策過程與此類似。

（4）從技術(shù)維度可知，智慧水利要利用新一代信息技術(shù)對物理水利及水行政主管部門進(jìn)行智慧化改造使自然水系成為“數(shù)字體”、水利工程成為“智能體”、業(yè)務(wù)管理部門成為“智慧體”，這就是智慧水利的具體體現(xiàn)。構(gòu)建“數(shù)字體”“智能體”和“智慧體”，需要開展物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、數(shù)字孿生、移動互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的應(yīng)用研究。

（5）從價值維度可知，智慧水利建設(shè)需要遵循DIKIW 模型，數(shù)據(jù)是基礎(chǔ)，要高度重視水利數(shù)據(jù)的收集、開放和共享；信息是關(guān)鍵，要高度重視監(jiān)測數(shù)據(jù)的信息提取和分析；知識是核心，要加強(qiáng)水利信息的挖掘、提升和知識的積累；智能和智慧是目的，要重視人工智能的使用和管理制度體系的構(gòu)建。尤其需要指出，沒有高質(zhì)量數(shù)據(jù)的智慧水利建設(shè)，就像沒有“頭腦”的“弱智兒”，不符合智慧水利的特征。

（6）從成效維度可知，智慧水利要具備智能感知、智能仿真、智能診斷、智能預(yù)報、智能預(yù)警、智能調(diào)度、智能控制、智能處置、智能管理等功能，達(dá)到信息全掌握、仿真全立體、診斷全要素、預(yù)報全時段、調(diào)配全過程、業(yè)務(wù)全覆蓋、管理全協(xié)同、控制全自動、服務(wù)全主動、應(yīng)急全聯(lián)動的建設(shè)愿景。智慧水利建設(shè)成效需要建立一套合理的評估指標(biāo)體系來定量評價，從而科學(xué)認(rèn)知智慧水利的建設(shè)過程，以推動智慧水利健康有序發(fā)展。