寧夏：科技賦能，“治水”變“智水”

王迎霞

寧夏回族自治區(qū)，人均水資源量是我國平均水平的三分之一，做好水治理文章是永恒主題。然而，從“治水”到“智水”的進(jìn)程中，諸多技術(shù)瓶頸令人棘手。何以破題？唯有科技。錨定建設(shè)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展先行區(qū)、探索建立全國第一個(gè)百萬畝級水聯(lián)網(wǎng)數(shù)字治水示范先行區(qū)，寧夏要為全國水治理現(xiàn)代化提供范式。

面對滔滔洪水，大禹變堵為疏，終成大業(yè)。千百年后，進(jìn)入“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代，智慧水利不斷迭代升級，民生大計(jì)催生數(shù)字治水。

地處西北內(nèi)陸的寧夏回族自治區(qū)，人均水資源量是我國平均水平的三分之一，做好水治理文章是永恒主題。然而，從“治水”到“智水”的進(jìn)程中，諸多技術(shù)瓶頸令人棘手。

何以破題？唯有科技。

2020年，寧夏科技廳設(shè)立自治區(qū)重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重大項(xiàng)目《基于水聯(lián)網(wǎng)全數(shù)字治水關(guān)鍵技術(shù)研究與示范》（以下簡稱寧夏數(shù)字治水項(xiàng)目），會同寧夏水利廳、組織寧夏水利科學(xué)研究院，聯(lián)合清華大學(xué)等單位開展協(xié)同攻關(guān)。今年5月12日，項(xiàng)目高水平通過國家和自治區(qū)專家驗(yàn)收。

錨定建設(shè)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展先行區(qū)、探索建立全國第一個(gè)百萬畝級水聯(lián)網(wǎng)數(shù)字治水示范先行區(qū)，寧夏要為全國水治理現(xiàn)代化提供范式。

閘門控制系統(tǒng)進(jìn)入“自動駕駛階段”

當(dāng)前，寧夏引黃灌區(qū)的水資源管理仍然相對粗放，總體上自動化程度較低，人力成本較高，且供水服務(wù)質(zhì)量不佳。

調(diào)度人員通過提高或降低渠道閘門開度，達(dá)到穩(wěn)定的目標(biāo)流量。但由于相互影響，即使其他閘門沒有任何動作，過閘流量也會相應(yīng)變化，這些變化是不可預(yù)期的。要使所有閘門都達(dá)到目標(biāo)，就要不斷調(diào)整閘門的開度。

“過去全憑人的經(jīng)驗(yàn)來摸索。每個(gè)灌季，每次灌溉調(diào)整，需要特別有經(jīng)驗(yàn)的人花費(fèi)兩天時(shí)間。”寧夏大學(xué)副校長、清華大學(xué)—寧夏銀川水聯(lián)網(wǎng)數(shù)字治水聯(lián)合研究院院長王忠靜說。

如今，隨著寧夏引黃灌區(qū)水聯(lián)網(wǎng)全渠系智能控制關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，這項(xiàng)工作變得異常輕松。

5月12日8時(shí)57分，寧夏西干渠管理處。

工作人員打開渠道閘門測控系統(tǒng)，藍(lán)色屏幕上，清晰地顯示出第一管理所當(dāng)前干引流量為3950立方米/秒，實(shí)供流量2620立方米/秒。另外4個(gè)管理所的數(shù)據(jù)也一目了然。一并顯示的，還有各所測流斷面的平均流速、損失流量、水位與流量的關(guān)系曲線。

這套系統(tǒng)把西干渠的所有感知數(shù)據(jù)全部接入，每一個(gè)指標(biāo)口，從用水計(jì)劃指標(biāo)的下達(dá)到配水計(jì)劃的制定，從用水斗口的配水到管理所水量的結(jié)算，全部實(shí)現(xiàn)了智能化管理。

“所有閘門同時(shí)放到一個(gè)系統(tǒng)里，根據(jù)閘門之間的動作和反饋回來的現(xiàn)時(shí)流量，每5分鐘自動調(diào)節(jié)一次，產(chǎn)生一批指令，15分鐘就能達(dá)成目標(biāo)，整個(gè)系統(tǒng)一般45分鐘左右達(dá)成目標(biāo)?！蓖踔异o強(qiáng)調(diào)，“精準(zhǔn)灌溉就是這么實(shí)現(xiàn)的。”

工作人員指著中間一條縱坐標(biāo)為“0”的曲線進(jìn)一步解釋，“越接近這條曲線，代表指標(biāo)口即時(shí)流量和目標(biāo)流量的偏差越小。如果某個(gè)指標(biāo)口的變化曲線與這條重合，代表偏差為零，完全達(dá)成目標(biāo)?！?/p>

兩年來，該課題承擔(dān)單位清華大學(xué)通過不懈努力，實(shí)現(xiàn)了西干渠灌域100多公里渠道管理全程數(shù)字化。在王忠靜看來，“我們的控制系統(tǒng)已經(jīng)像汽車一樣，進(jìn)入了自動駕駛階段。”

打造國內(nèi)首個(gè)百萬畝級智慧灌區(qū)

引黃灌區(qū)水聯(lián)網(wǎng)全渠系智能控制關(guān)鍵技術(shù)，是寧夏數(shù)字治水項(xiàng)目的縮影。水利人和科技人并肩作戰(zhàn)，當(dāng)起了“現(xiàn)代大禹”。

2020年5月1日，由王忠靜教授負(fù)責(zé)、寧夏水利科學(xué)研究院擔(dān)綱，這一重大研究項(xiàng)目正式啟動。4個(gè)課題分別是寧夏引黃灌區(qū)水聯(lián)網(wǎng)全渠系智能控制關(guān)鍵技術(shù)，賀蘭山蘇峪口溝洪水精準(zhǔn)預(yù)報(bào)與智能調(diào)度技術(shù)，河湖水質(zhì)自動監(jiān)測、智能診斷及智慧河長技術(shù)，西干渠灌域百萬畝級水聯(lián)網(wǎng)數(shù)字治水集成示范。

巍巍賀蘭山東麓，長約290公里，寬約33公里，涵蓋寧夏4個(gè)地級市共11個(gè)縣區(qū)和10個(gè)工業(yè)園區(qū)，涉及人口379萬人，占總?cè)丝诘囊话胍陨稀Ｔ撜n題構(gòu)建了衛(wèi)星、雷達(dá)、地表多源雨情監(jiān)測與耦合優(yōu)化布局體系，建立了氣候模式、氣象雷達(dá)聯(lián)合降水預(yù)測模型，建立了暴雨洪水預(yù)報(bào)與山前攔洪庫聯(lián)合調(diào)度技術(shù)，將洪水預(yù)報(bào)的預(yù)見期由0.5小時(shí)提高至2.5小時(shí)，可支撐山區(qū)取得防洪和非常規(guī)水資源利用雙贏。

塞上江南好，縱橫“七十二連湖”。讓銀川平原永葆清波蕩漾、鷗戲鷺翔，是每個(gè)人心中的愿景。

民之所向，我之所往。

課題組研發(fā)了監(jiān)測與仿真實(shí)時(shí)耦合的河湖水質(zhì)在線智能分析模型及其智慧河長云平臺，實(shí)現(xiàn)了河湖水質(zhì)全天候自動監(jiān)測、實(shí)時(shí)動態(tài)模擬及水環(huán)境突變預(yù)警預(yù)報(bào)。

三管齊下，國內(nèi)首個(gè)百萬畝級智慧灌區(qū)躍然而出。該項(xiàng)目第四課題組將前三項(xiàng)技術(shù)在西干渠灌域集成示范，效果顯著。

水聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)代化灌區(qū)技術(shù)應(yīng)用，可節(jié)水6%、節(jié)勞50%、節(jié)能15%；洪水精準(zhǔn)預(yù)報(bào)與智能調(diào)度技術(shù)應(yīng)用，把洪水預(yù)報(bào)預(yù)見期提高2小時(shí)，精度提高到85%；河湖水質(zhì)智能診斷及智慧河長技術(shù)應(yīng)用，可大幅減輕河長巡河工作強(qiáng)度，提前3天智能預(yù)測水華發(fā)生的可能性和程度。

在同類型灌區(qū)具有廣闊應(yīng)用前景

寧夏數(shù)字治水項(xiàng)目驗(yàn)收當(dāng)天，專家組經(jīng)查看現(xiàn)場、聽取匯報(bào)、審閱資料、質(zhì)詢評議，一致認(rèn)為項(xiàng)目開展水聯(lián)網(wǎng)數(shù)字治水關(guān)鍵技術(shù)研究與示范，對于促進(jìn)水資源節(jié)約集約利用、水利高質(zhì)量發(fā)展、智慧水利建設(shè)具有重大意義。“今天實(shí)地走訪了三個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，感覺各有特點(diǎn)，在科研應(yīng)用方面也有共同之處，那就是實(shí)現(xiàn)了技術(shù)、管理和服務(wù)的融合?！彼克乃Y源監(jiān)測預(yù)報(bào)中心副主任成建國表示。

中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所研究員賈紹鳳也稱，項(xiàng)目在灌區(qū)渠系輸配水精量智能控制技術(shù)、干旱區(qū)多源信息耦合雨洪預(yù)報(bào)與智能調(diào)度技術(shù)、河湖水質(zhì)在線監(jiān)測及水質(zhì)水動力實(shí)時(shí)計(jì)算模擬技術(shù)等方面創(chuàng)新突出。

按照專家組驗(yàn)收意見，寧夏數(shù)字治水項(xiàng)目取得的11項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)及其在寧夏的示范應(yīng)用，將大幅提高寧夏水資源利用效率和管理水平，在水資源利用的精量、智能、低碳、節(jié)水和經(jīng)濟(jì)等方面支撐黃河流域水資源高效利用和水利事業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

筆者注意到，專家認(rèn)為項(xiàng)目研究成果在西干渠、秦漢渠和銀川市水務(wù)局得到推廣應(yīng)用，在我國同類型灌區(qū)具有廣闊應(yīng)用前景。

“在高速公路上開車，什么時(shí)候最省油？答案是自動駕駛的時(shí)候。這次我們把傳統(tǒng)灌區(qū)的灌溉管理從‘手動駕駛模式切換到‘自動駕駛模式，為的就是準(zhǔn)確配水，準(zhǔn)確調(diào)度，達(dá)到灌溉節(jié)水的目標(biāo)。”王忠靜表示。

他仔細(xì)算了一筆賬：灌區(qū)通過自動管理，節(jié)水能達(dá)到6%，如果寧夏40億立方米的黃河用水指標(biāo)都能依靠這種手段進(jìn)行管理，節(jié)約的2.4億立方米用水總指標(biāo)按照現(xiàn)在國家水權(quán)長期交易價(jià)，價(jià)值應(yīng)該是75億元左右。

“假如將來寧夏600多萬畝的黃河灌區(qū)都用上這一技術(shù)，必將推動黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展到新的階段?！睂幭目萍紡d農(nóng)村科技處處長徐小濤如是憧憬。