水聯(lián)網(wǎng)及智慧水利背景下提升水資源效能研究

滕 飛

（河南省水利移民事務(wù)中心，河南 鄭州 450000）

0 前言

中國社會經(jīng)濟快速發(fā)展背景下中國水資源供需之間的矛盾日益突出，已經(jīng)成為制約社會經(jīng)濟發(fā)展的重要因素。如何有效調(diào)控水資源，提升水資源效能，成為社會普遍關(guān)心的問題。在網(wǎng)絡(luò)信息化時代，有必要創(chuàng)新應(yīng)用先進的網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)，構(gòu)建系統(tǒng)的水聯(lián)網(wǎng)和智慧水利系統(tǒng)，實現(xiàn)水狀態(tài)實時監(jiān)測，為水資源優(yōu)化配置提供科學(xué)依據(jù)，進而和提升水資源效能，更好服務(wù)社會經(jīng)濟發(fā)展。

1 基本概念

1.1 水聯(lián)網(wǎng)和智慧水利

水聯(lián)網(wǎng)是一種先進的水資源管理工具，其可以動態(tài)顯示水流物理流動過程以及水質(zhì)數(shù)據(jù)，并基于模型對水資源未來發(fā)展進行預(yù)測，進而為水資源優(yōu)化配置提供依據(jù)。水聯(lián)網(wǎng)涉及氣象學(xué)、信息學(xué)、互聯(lián)網(wǎng)以及水動力學(xué)等多個領(lǐng)域，是未來水資源管理的重要發(fā)展趨勢。過去中國水資源利用效率較低，跨區(qū)域統(tǒng)一調(diào)配難度大，更沒有形成各部門之間共享的水資源監(jiān)測系統(tǒng)和風(fēng)險預(yù)警機制。水聯(lián)網(wǎng)可以將水資源信息進行動態(tài)呈現(xiàn)，并對其進行智能化管理，可以及時了解水資源供需調(diào)配不足情況，及時進行水資源調(diào)配，提升水資源利用效能。水聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)推動了水資源管理的智能化和智慧化發(fā)展，因此水聯(lián)網(wǎng)也被稱為智慧水利。

1.2 水資源效能

水資源效能主要包括自身內(nèi)涵效率和外延效率。水資源效能高低標(biāo)準(zhǔn)在很大程度上由渠道系數(shù)、灌溉水利用率和供水管損失率等所決定。目前中國對水資源效能評價尚未形成明確統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，在不同領(lǐng)域水資源效能評價存在一定差異，比如：在農(nóng)業(yè)灌溉領(lǐng)域主要采用水資源灌溉系數(shù)和GDP耗費水量對水資源效能進行評價，水資源效能越高，相同水資源條件下可以灌溉更多的農(nóng)田，GDP耗費水量隨之下降。

2 水聯(lián)網(wǎng)及智慧水利提升水資源效能關(guān)鍵技術(shù)

2.1 水資源預(yù)測云計算

水資源預(yù)測是進行水資源管理的首要環(huán)節(jié)，只有明確水資源量才能夠為后續(xù)水資源調(diào)配奠定基礎(chǔ)。云計算基于分布式計算架構(gòu)可以對復(fù)雜信息資源進行處理，為解決復(fù)雜問題提供技術(shù)支撐。水聯(lián)網(wǎng)背景下對水資源預(yù)測進行計算需要考慮多個方面，包括水循環(huán)、水分配、水資源調(diào)控過程等，并需要將計算結(jié)果直觀清晰呈現(xiàn)出來。同時在水資源預(yù)測中水利信息化需要大量的數(shù)據(jù)支撐和模型非結(jié)構(gòu)化，這就需要在云計算過程中不斷提升數(shù)據(jù)信息的標(biāo)準(zhǔn)化程度和模型的集成程度。在實際水資源預(yù)測云計算過程中，考慮到不同的影響因素以及不同的模型，云計算也存在諸多技術(shù)難點，有待于進一步攻關(guān)研究。整體來說水資源預(yù)測云計算可以顯著提升水資源預(yù)測的準(zhǔn)確性，為水資源精準(zhǔn)調(diào)配以及水資源全程監(jiān)控創(chuàng)造了有利條件。

2.2 水資源需求云服務(wù)

云服務(wù)是指通過網(wǎng)絡(luò)以按需、易擴展的方式來獲得所需服務(wù)，這為水聯(lián)網(wǎng)在水資源管理中的應(yīng)用提供了良好平臺。要想有效提升水資源效能，要求供水、用水均需要滿足市場需求，要求管理具有一定的前瞻性和可預(yù)見性，具有足夠的儲備量和延時供應(yīng)量，從而有效滿足當(dāng)前和未來的水資源需求。水資源需求云服務(wù)在云計算基礎(chǔ)上，對水資源信息數(shù)據(jù)進行集成整合，一方面可以準(zhǔn)確了解用戶的水源需求，實現(xiàn)水資源合理調(diào)配和高效率配送，同時降低了水資源管理成本；另一方面可以動態(tài)掌握水資源相關(guān)信息，為水資源管理調(diào)配提供動態(tài)支持。以中國部分灌溉地區(qū)為例進行分析，其對水資源需求量相對較多，需要基于各個年度的具體情況以及農(nóng)業(yè)用水量來綜合確定水資源需求。果蔬種植具有明顯的季節(jié)性特點，不同類型果蔬的耗水量存在明顯差異，同時種植園的面積、區(qū)域降水量以及區(qū)域儲水能力也存在明顯的區(qū)別，果蔬前期的成長情況也會對后續(xù)用水量產(chǎn)生影響。針對這些問題便可以利用水資源需求云服務(wù)獲取更加全面準(zhǔn)確的動態(tài)信息，綜合預(yù)測該地區(qū)的需水量和降水量，然后實現(xiàn)水資源的精準(zhǔn)調(diào)配，避免程序化灌溉，顯著提升水資源效能。

2.3 多水源供給智慧調(diào)度

多水源供給智慧調(diào)度是水聯(lián)網(wǎng)徑流預(yù)報和流域情況預(yù)報的重要基礎(chǔ)，在水資源信息整合的基礎(chǔ)上，尋求與市場目標(biāo)相匹配的水源進行供給，有助于更好滿足用戶需求，更為科學(xué)合理地對水資源進行調(diào)配，這些水資源包括地表水、地下水、非常規(guī)水等多種，進而有助于提升水資源效能。多水源供給智慧調(diào)度可以在水資源供給情況發(fā)生變化時，從時間、空間等多維度進行綜合考慮，有效降低水資源調(diào)配的風(fēng)險和不確定性。比如：對地表水和地下水進行聯(lián)合調(diào)配，便需要充分考慮地表水的供應(yīng)能力和地下水的儲備能力，在滿足供給的條件下還需要考慮地下水開采所產(chǎn)生的后續(xù)影響。在非常規(guī)水資源管理方面，需要注意兩個方面：一是需要對污水再生水進行統(tǒng)籌管理，便于其再次利用；二是對雨水資源的實時調(diào)度也要充分合理，只有這樣才能夠在常規(guī)水資源的基礎(chǔ)上最大程度發(fā)揮非常規(guī)水資源的更大效能。在多水源供給智慧調(diào)度背景下想要實現(xiàn)水資源的長期存儲和科學(xué)管理，需要形成一套科學(xué)完善的評估體系，對水資源進行科學(xué)評估，并基于區(qū)域天氣和水文特點來綜合編制方案，保障方案的合理性。中國北方地區(qū)水資源相對匱乏，并且部分區(qū)域水資源呈現(xiàn)逐年遞減趨勢，干旱現(xiàn)象越來越普遍，在這種情況下跨流域進行水資源調(diào)配和進行水資源安全儲備具有重要意義。多水源供給智慧調(diào)度綜合水資源動靜態(tài)信息，對水資源調(diào)配進行科學(xué)合理安排。特別是對于水資源短缺的地區(qū)，通過多水源供給智慧調(diào)度可以在國家水資源安全層面進行整體部署，提升水資源利用效率，更好發(fā)揮水資源效能。

2.4 水資源管理精準(zhǔn)投遞

水資源管理精準(zhǔn)投遞與常規(guī)的物品精準(zhǔn)投遞存在明顯的差異，主要體現(xiàn)在水資源管理精準(zhǔn)投遞面臨更為復(fù)雜的環(huán)境因素，需要對水資源管理整個過程進行正確模擬，才能夠確定有效的控制變量和狀態(tài)變量，對每一個水源流動環(huán)節(jié)進行優(yōu)化，實現(xiàn)整個涉水過程的實時監(jiān)控，準(zhǔn)確反映當(dāng)前的水情、旱情以及水資源市場需求等，并對未來一段時間的水情、旱情以及水資源市場需求等進行科學(xué)預(yù)測，在此基礎(chǔ)上進行水資源調(diào)配，進而實現(xiàn)水資源管理的精準(zhǔn)投遞。在水資源管理精準(zhǔn)投遞中構(gòu)建綜合的耦合水資源管理系統(tǒng)和對涉水過程進行模擬是關(guān)鍵，有助于水資源管理精準(zhǔn)投遞對外界環(huán)境變化及時作出響應(yīng)，更好滿足社會經(jīng)濟發(fā)展對水資源的需求。目前利用物聯(lián)網(wǎng)和手機系統(tǒng)尚未完全攻克復(fù)雜水資源管理精準(zhǔn)投遞中的多目標(biāo)非線性問題。研究人員希望通過水資源管理系統(tǒng)對整個涉水過程進行實時監(jiān)控，對用戶需求進行整合，綜合考慮供水途徑和路徑，然后基于不同地區(qū)的具體情況，對水資源進行綜合分析，最后確定水資源管理精準(zhǔn)投遞策略，進而優(yōu)化精準(zhǔn)投遞路徑，避免超負(fù)荷情況，提升水資源利用效率。

2.5 水效能評價過程控制

在水聯(lián)網(wǎng)背景下為了提升對水資源的利用效能，需要對水量時空分布進行合理評價，并對用水準(zhǔn)確性和時效性提出更高要求。水聯(lián)網(wǎng)服務(wù)能力在很大程度上決定了水資源利用效率，配水準(zhǔn)確性和時效性決定了水資源效能高低，水資源利用所產(chǎn)生的效益取決于用水對象，這幾部分相互聯(lián)系，相互作用，共同決定了水資源跨流域的利用率。因此，在水聯(lián)網(wǎng)和智慧水利建設(shè)中對水效能進行科學(xué)準(zhǔn)確評價是非常重要的環(huán)節(jié)，既有助于優(yōu)化水聯(lián)網(wǎng)硬件設(shè)施，又有助于擴大數(shù)據(jù)信息覆蓋面，提升信息傳遞的及時性和有效性。水效能評價過程控制通過最符合水循環(huán)發(fā)展和利用的評價指標(biāo)體系，基于水聯(lián)網(wǎng)獲得的信息對水資源進行調(diào)控，可以顯著提升動態(tài)水流管理的信息化水平，可以基于時空環(huán)境變化來改變動態(tài)水流軌跡，進而提高水資源管理的適用性，促進水資源效能達到最大化。

3 結(jié)語

綜上所述，隨著中國社會經(jīng)濟的進一步發(fā)展，水資源短缺和不平衡問題更加突出。水聯(lián)網(wǎng)和智慧水利是先進網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)在水資源管理中的創(chuàng)新體現(xiàn)，其通過水資源預(yù)測云計算、水資源需求云服務(wù)、多水源供給智慧調(diào)度、水資源管理精準(zhǔn)投遞以及水效能評價過程控制等多項關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了復(fù)雜時空環(huán)境下水資源的準(zhǔn)確計算和科學(xué)預(yù)算，并基于用戶需求確定最優(yōu)的水資源投遞路徑和投遞方式，進而顯著提升水資源利用效率和效能。目前中國水聯(lián)網(wǎng)和智慧水利建設(shè)中還存在一些不足，相信隨著科學(xué)技術(shù)持續(xù)發(fā)展，其將在中國水資源管理中發(fā)揮更大的作用。