鄱陽湖數(shù)字濕地生態(tài)調(diào)控智慧管理平臺設(shè)計與應(yīng)用

吳 勰，王振興

(1.中鐵水利水電規(guī)劃設(shè)計集團有限公司，江西 南昌 330029；2.生態(tài)環(huán)境部華南環(huán)境科學(xué)研究所，廣東 廣州 510655)

濕地已成為全球遭受破壞最為嚴(yán)重的生態(tài)系統(tǒng)之一，并引起國際社會的廣泛關(guān)注[1-3]。工農(nóng)業(yè)快速發(fā)展導(dǎo)致濕地環(huán)境污染、生態(tài)退化、功能下降[4-5]。目前我國有60%的湖泊受到不同程度的污染，且其中30%污染非常嚴(yán)重。每年約10.4億t工業(yè)廢水排入鄱陽湖，威脅濕地生態(tài)安全。因此，開展鄱陽湖濕地保護迫在眉睫。

然而，鄱陽湖濕地管理總體上呈零散、粗放的模式。已有的傳統(tǒng)管理平臺[6-7]存在技術(shù)集成度低、業(yè)務(wù)耦合水平差、操作復(fù)雜、缺少生態(tài)調(diào)控管理功能等缺陷[8]?；谇捌跐竦毓芾硌芯砍晒鸞9-10]，本研究注重鄱陽湖濕地智慧管理的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、可視化、智能化[11-12]，綜合運用云計算、三維WebGIS、遙感、水量水質(zhì)模擬等多種技術(shù)手段，開展了水資源管理仿真系統(tǒng)的設(shè)計，建立了鄱陽湖濕地水量、水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度集成模擬模型，開發(fā)了鄱陽湖數(shù)字濕地生態(tài)調(diào)控管理平臺，成功應(yīng)用于3914座水庫、285條堤防、138座水閘、29個供水工程、28個泵站、13個灌區(qū)的水利行政主管部門和水利工程管理單位，以期為我國濕地生態(tài)系統(tǒng)的科學(xué)保護、合理開發(fā)和可持續(xù)利用提供技術(shù)支撐。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 平臺總體架構(gòu)

平臺基于“五層兩翼”框架設(shè)計，架構(gòu)如圖1所示?！拔鍖印睘橹腔蹜?yīng)用層、應(yīng)用支撐層、數(shù)據(jù)層、基礎(chǔ)支撐層、感知層；“兩翼”為信息安全保障體系和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范保障體系。

圖1 鄱陽湖數(shù)字濕地生態(tài)調(diào)控智慧管理平臺

感知層采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過快速、準(zhǔn)確地采集、推送和分析雨量、水位、水質(zhì)、水量、工情和視頻等各類信息，動態(tài)掌握水庫安全情況，構(gòu)建水利設(shè)施安全、水環(huán)境、水資源、水生態(tài)等的實時感知體系，實現(xiàn)對濕地運行管理過程及時、全面、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的監(jiān)測、監(jiān)視和監(jiān)控。

數(shù)據(jù)層通過對數(shù)據(jù)資源的全面梳理，物聯(lián)網(wǎng)接入子系統(tǒng)整合管理中心及外部相關(guān)單位的數(shù)據(jù)，構(gòu)建包括基礎(chǔ)庫、監(jiān)測庫、業(yè)務(wù)庫及大數(shù)據(jù)庫等子庫的綜合數(shù)據(jù)庫，為上層應(yīng)用提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)支撐。

應(yīng)用支撐層基于SOA架構(gòu)，建設(shè)以中間件及輔助決策模型為核心的支撐平臺，管理、監(jiān)測并協(xié)調(diào)所有服務(wù)請求的開發(fā)與運行環(huán)境。功能包含地圖服務(wù)、統(tǒng)一認(rèn)證、權(quán)限管理、消息管理、流程引擎、表單管理、搜索引擎、決策支持等。

智慧應(yīng)用層包括數(shù)字濕地平臺、濕地智慧管理和濕地智慧調(diào)控。數(shù)字濕地平臺基于大屏端可視化展示工程概況、運行管理、三維仿真、遠(yuǎn)程巡檢和智慧決策等圖層，提供輔助決策的各種信息化手段；濕地智慧管理基于電腦端和移動端分別按綜合首頁、監(jiān)測監(jiān)控、智能巡檢、工程管理、資料整編、移動端等提供各類專題應(yīng)用系統(tǒng)，滿足各種維度的業(yè)務(wù)需求；濕地智慧調(diào)控根據(jù)前期和現(xiàn)時的水文、氣象、環(huán)境等信息，利用模型分析揭示和預(yù)測洪水的發(fā)生及其變化過程，主要包括洪水預(yù)報、水力調(diào)度、洪水演進、風(fēng)險預(yù)警、電子沙盤、生態(tài)流量、數(shù)字河長等。

1.2 平臺性能設(shè)計

采用工業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)，遵從軟件技術(shù)規(guī)范的同時，平臺設(shè)計還具備如下特點：①穩(wěn)定高效實用性，支持系統(tǒng)7×24小時穩(wěn)定運行，關(guān)鍵業(yè)務(wù)系統(tǒng)采用集群系統(tǒng)，避免意外的系統(tǒng)宕機。②通過合理的UI和UE設(shè)計實現(xiàn)數(shù)據(jù)更新及時高效。③數(shù)據(jù)調(diào)用快捷準(zhǔn)確，各頁面的響應(yīng)時間一般應(yīng)在3秒以內(nèi)，一般操作響應(yīng)小于1秒，復(fù)雜查詢響應(yīng)小于3秒，處置方案和分析評估報告生成小于5秒。對較長時間歷史數(shù)據(jù)的檢索可放寬到分鐘級，一般控制在1分鐘以內(nèi)。④操作維護簡便，通過頁面合理布局、標(biāo)準(zhǔn)控件，以及避免臃腫的界面設(shè)計，實現(xiàn)各類業(yè)務(wù)功能的簡便操作和維護。所有故障狀態(tài)和信息系統(tǒng)均自動記錄和存儲，便于故障分析與應(yīng)對。對于系統(tǒng)中有關(guān)系統(tǒng)配置、運行參數(shù)、節(jié)目表的修改等，提供直觀、方便的修改界面。⑤數(shù)據(jù)組織合理，根據(jù)日常業(yè)務(wù)和戰(zhàn)時業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)及應(yīng)用特點，針對領(lǐng)導(dǎo)、值班人員、系統(tǒng)管理員等用戶特點，分別對數(shù)據(jù)進行有針對性的組織及展現(xiàn)。⑥系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要具有很好的擴充性，設(shè)計中保證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊化，軟件功能可以積木式拼裝等，保證系統(tǒng)的開放性和可擴展性。系統(tǒng)對于未來可能增添的新服務(wù)系統(tǒng)、新數(shù)據(jù)庫、新功能、新用戶都能夠方便接入，系統(tǒng)可以隨著業(yè)務(wù)的發(fā)展而不斷平滑演進。⑦通過當(dāng)前主流中間件技術(shù)、存儲與備份技術(shù)、Web Service技術(shù)、SOA架構(gòu)、J2EE架構(gòu)與XML，可以很好地滿足本系統(tǒng)與各類系統(tǒng)、服務(wù)等的有效兼容。

1.3 數(shù)據(jù)流程設(shè)計

平臺基于三維GIS開發(fā)平臺的B/S架構(gòu)，實現(xiàn)矢量地圖與水利模型數(shù)據(jù)疊加發(fā)布，同時采用支持完備的二次開發(fā)接口的新一代Applet技術(shù)，實現(xiàn)靈活的行業(yè)應(yīng)用擴展功能。以水資源管理工作流程如圖2所示為例，數(shù)據(jù)通過各功能模塊、服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫管理軟件、GIS平臺、客戶端，實現(xiàn)儲存、更新、傳輸、可視化、空間分析、發(fā)布等功能。

圖2 濕地水資源管理工作流程圖

空間數(shù)據(jù)分矢量和柵格兩種不同形式分別存儲于服務(wù)器中。平臺的數(shù)據(jù)流程圖如圖3所示，展示了主要數(shù)據(jù)通路及處理的主要階段。

圖3 濕地三維GIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖

2 功能設(shè)計與應(yīng)用

功能模塊主要包括濕地三維模擬仿真、濕地水量水質(zhì)調(diào)度、濕地生態(tài)流量調(diào)控、濕地水文預(yù)報與災(zāi)害預(yù)警、水利設(shè)施安全監(jiān)測、工程建設(shè)運行管理、濕地河長制數(shù)字化管理等。

2.1 濕地三維模擬仿真

濕地三維模擬仿真對象為湖區(qū)、庫區(qū)、河流，以及6794個水庫站、1073個河道站、103個堰閘站、6942個雨量站以及347個流量點、111個閘門點、364個視頻點、2437個圖像點、21個用水戶等。采用3Dmax建模方法，對水庫進行精細(xì)三維建模，利用三維建模軟件制作的水利工程仿真模型疊加在三維場景中，使鄱陽湖濕地特征得到形象逼真的展現(xiàn)。

2.2 濕地水量水質(zhì)調(diào)度

濕地在環(huán)境中的作用主要是水的凈化、防洪和岸線和生態(tài)穩(wěn)定。以往的濕地水利調(diào)度管理偏重于依賴視覺、嗅覺等傳統(tǒng)經(jīng)驗做法來確定調(diào)引水量和調(diào)水歷時等因素，本平臺實現(xiàn)水資源、水環(huán)境和水生態(tài)調(diào)度的科學(xué)、高效和智能化管理。根據(jù)濕地實際需求，以水量、水質(zhì)聯(lián)合監(jiān)測、模擬為基礎(chǔ)，耦合綜合水質(zhì)最大改善、防洪程度和綜合缺水最小影響的目標(biāo)，建立了濕地水量、水質(zhì)時空分配聯(lián)合調(diào)度模型。可提供水源地、水質(zhì)、供用水量、排水量及生態(tài)環(huán)境等各類相關(guān)信息查詢服務(wù)，定期向社會公開信息，提供及時準(zhǔn)確的在線查詢、預(yù)警發(fā)布等服務(wù)。實現(xiàn)三條紅線控制管理、監(jiān)測信息服務(wù)、水資源信息發(fā)布、水資源綜合信息服務(wù)、水資源業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)等功能，達到節(jié)約水資源、改善水環(huán)境質(zhì)量、恢復(fù)水生態(tài)功能的目的。

2.3 濕地生態(tài)流量調(diào)控

根據(jù)河段形態(tài)、補充水量的總貯水量和調(diào)蓄設(shè)施的分布及數(shù)量等條件，建立符合當(dāng)?shù)貙嶋H情況的生態(tài)流量計算與調(diào)控補給模型。利用GPS、RS和GIS技術(shù)為支撐，組建一個由基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、高清衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)、全方位的水文水資源數(shù)據(jù)和河道專題數(shù)據(jù)組成的空間數(shù)據(jù)庫，通過對濕地內(nèi)水電站等民生水利工程的水位、水利設(shè)施下泄流量、水質(zhì)等的綜合分析，實現(xiàn)濕地生態(tài)流量調(diào)控。

2.4 濕地水文預(yù)報與災(zāi)害預(yù)警

基于地圖展示區(qū)域內(nèi)雨情監(jiān)測站點，通過對各點在選定時間段內(nèi)降雨量、蒸發(fā)量進行預(yù)測及水位現(xiàn)狀監(jiān)測，實現(xiàn)對該點位及附近的水文預(yù)報與水情監(jiān)控。通過平臺錄入管理系統(tǒng)可對站點進行錄入，保證監(jiān)控點位的有效覆蓋。對區(qū)域內(nèi)山洪災(zāi)害頻發(fā)點進行實時監(jiān)控，包括水位、雨量以及圖像監(jiān)控，聯(lián)動采取預(yù)警短信提醒方式，實現(xiàn)對山洪、污染等的災(zāi)害預(yù)警。同時提供水位、雨量、水質(zhì)應(yīng)急監(jiān)測變化統(tǒng)計，作為分析數(shù)據(jù)支撐，基于水污染突發(fā)事件發(fā)生和演化具有衍生性、快速擴散性、耦合性以及傳導(dǎo)變異性等特征，構(gòu)建了鄱陽湖水文預(yù)報與災(zāi)害預(yù)警聯(lián)合調(diào)度模型和突發(fā)事件處置中態(tài)勢精準(zhǔn)預(yù)測體系，為濕地生態(tài)環(huán)境風(fēng)險的防控提供技術(shù)支持。

2.5 濕地河長制數(shù)字化管理

濕地河長制數(shù)字化管理實現(xiàn)對濕地內(nèi)河湖總數(shù)、河湖長數(shù)、巡查次數(shù)及情況、督辦任務(wù)、社會監(jiān)督、監(jiān)測點位數(shù)量等的統(tǒng)計，并輔以考核管理機制，在模塊內(nèi)聯(lián)動完成河湖長責(zé)任落實的數(shù)字化管理。

3 結(jié)語

鄱陽湖數(shù)字濕地生態(tài)調(diào)控智慧管理平臺的研究與實踐為濕地水資源、水環(huán)境、水生態(tài)的精細(xì)化管理提供了現(xiàn)代化工具，大大加強了生態(tài)環(huán)境、水利、自然資源、農(nóng)業(yè)等不同行業(yè)相關(guān)業(yè)務(wù)之間的聯(lián)系。平臺在行業(yè)內(nèi)的深入實踐與應(yīng)用，實現(xiàn)了濕地管理中不同行業(yè)信息化平臺的無縫銜接，為我國濕地生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境保護、合理開發(fā)和可持續(xù)利用提供了技術(shù)支撐。平臺在全面體現(xiàn)智慧濕地、智慧流域的技術(shù)體系和評價指標(biāo)，以及在依托衛(wèi)星遙感應(yīng)用，結(jié)合地面監(jiān)測手段，逐步建立“天-地”一體化“水利-環(huán)?！北O(jiān)測綜合體系等方面存在不足，需進一步深入研究。