智慧水務在朝陽區(qū)水系連通工程中應用設計初探

王昕然 金寶光 崔伊彤

(北京市朝陽區(qū)水務局,北京 100025)

1 項目背景

1.1 朝陽區(qū)水系連通工程概況

北京市朝陽區(qū)地處北京市東部平原區(qū),區(qū)內(nèi)河流屬于海河流域北運河水系,全部為平原區(qū)高度人工控制的城市河流[1-2]。流經(jīng)朝陽區(qū)的區(qū)級以上河流共38條,為了使區(qū)域內(nèi)河網(wǎng)水資源配置更加科學,水資源利用更加合理,河湖連通更加順暢,水環(huán)境更加優(yōu)美,提升水資源統(tǒng)籌調(diào)配能力、防洪除澇減災能力、水生態(tài)保護修復能力和應急保障能力,朝陽區(qū)實施了朝陽區(qū)水系連通建設工程,構(gòu)建北小河、朝陽公園湖、高碑店湖、窯洼湖4個水源調(diào)配中心,通過建設調(diào)水泵站、節(jié)制閘等方式實現(xiàn)以現(xiàn)有骨干河道為框架,采取引、調(diào)、自流等方式,使全域骨干河道物理連通,實現(xiàn)流域相濟、地表水網(wǎng)“互連互通”的目標。朝陽區(qū)水系閘壩布置見圖1。

圖1 朝陽區(qū)水系閘壩布置

1.2 朝陽區(qū)智慧水務項目建設概況

智慧水務是指通過信息化、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生、AR等技術(shù)手段,對水務工作全鏈條進行智能化、自動化管理和系統(tǒng)優(yōu)化的一種新的管理模式[3]。為滿足朝陽水務工作的業(yè)務需求,朝陽區(qū)開展了智慧水務相關(guān)工作,將“取供用排”數(shù)據(jù)匯聚到市級平臺,建設了前端感知設備(如智能攝像頭、遠傳流量計和非接觸式水文設備等)、閘壩運行遠程控制設備(如PLC控制系統(tǒng)等),通過數(shù)據(jù)整合匯聚氣象、雨量、取供用排水等數(shù)據(jù),依托互聯(lián)網(wǎng)、5G、AR、數(shù)字孿生等技術(shù),搭建了朝陽區(qū)智慧水務管理平臺基礎底座。

朝陽水系連通工程建成后,河流間水資源調(diào)度面臨著多目標協(xié)同調(diào)度、工作規(guī)范性等問題[4],一方面需要智慧水務系統(tǒng)實現(xiàn)閘壩遠程控制,另一方面需要智慧水務系統(tǒng)前端感知設備、一維水動力模型、算法算力等高質(zhì)量地保障工程效益?；谏鲜鲂枰?本文初步探討了智慧水務在水系連通工程中的應用內(nèi)容和模塊展示指標,結(jié)合智慧水務系統(tǒng)平臺中其他業(yè)務板塊,可為河流日常管理中的水生態(tài)保護與修復、河流水資源調(diào)度、河流汛期調(diào)度等工作提供數(shù)據(jù)支撐。

2 智慧水務系統(tǒng)中水系連通工程相關(guān)內(nèi)容的設計

研究智慧水務在朝陽水系連通工程中的應用內(nèi)容,首先要研究水系連通工程的內(nèi)涵和指標體系[5]。朝陽水系連通工程建設目標是提升水資源統(tǒng)籌調(diào)配能力、防洪除澇減災能力、水生態(tài)保護修復能力和應急保障能力,工程內(nèi)涵體現(xiàn)在河系水資源調(diào)度、防汛、水生態(tài)3個方面,本文將圍繞水資源調(diào)度、防汛調(diào)度、水生態(tài)和應急保障4個建設目標展開智慧水務系統(tǒng)功能設計工作。

2.1 水資源調(diào)度、防汛調(diào)度與應急保障功能設計

朝陽水系連通工程運行工況分為汛期和非汛期兩種調(diào)度工況。汛期控制指標是河道水位不淹沒雨水口,非汛期控制指標是保障各河流的生態(tài)流量且不淹沒親水步道。為方便用戶使用,兩種調(diào)度工況對應設計智慧水務平臺水資源調(diào)度、防汛調(diào)度兩個板塊內(nèi)容。為了能準確快速地計算出不同邊界條件下河道水位情況,需要構(gòu)建河流一維水動力模型搭載在智慧水務平臺上,運用智慧水務系統(tǒng)的算力,在軟件界面展示河流縱斷面水位,同時可結(jié)合前端感知設備實時回傳的數(shù)據(jù)展示當前河流縱斷面水位。通過遠程控制功能對閘壩泵站運行進行自動控制。

應急保障功能是指通過水系連通工程對需要輸水或排水的河流進行水資源調(diào)度,在智慧水務系統(tǒng)中,設置每條河流的報警閾值,使用水位、流量、智能攝像頭等設備回傳數(shù)據(jù),經(jīng)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行分析,超出閾值的數(shù)據(jù)將自動觸發(fā)河流報警功能,數(shù)據(jù)也將成為一維水動力模型的邊界條件,驅(qū)動模型運算,在智慧水務系統(tǒng)中輸出閘壩泵站運行調(diào)度方案。智慧水務系統(tǒng)與水系連通工程中閘壩泵站調(diào)度邏輯關(guān)系見圖2。

圖2 智慧水務系統(tǒng)與水系連通工程中閘壩泵站調(diào)度邏輯關(guān)系

2.2 水生態(tài)板塊設計

2.2.1 板塊總體目標

河流水生態(tài)完整性要素包括水文情勢時空變異性、河湖生境空間異質(zhì)性、河湖水系連通性、適宜的水體理化特性以及生物多樣性[6]5項。河流作為廊道,可為各生態(tài)節(jié)點輸送物質(zhì)流、物種流和信息流[7],實施水系連通工程是進行城市河流水生態(tài)保護與修復的重要措施,水系連通工程的河湖水資源生態(tài)調(diào)度是恢復高度人工控制的城市河流生態(tài)節(jié)律、水文節(jié)律的基本工具。以往,河流水文節(jié)律中生態(tài)基流等數(shù)據(jù)、標志水系連通特性的水系連通度等指標都需要復雜的計算才能獲得[8]。因此本文生態(tài)板塊總體目標為利用智慧水務系統(tǒng)構(gòu)建河流水生態(tài)模塊,模塊設計以水生態(tài)學科知識為基礎,將“水生態(tài)五要素”具化在智慧水務系統(tǒng)中可監(jiān)測、可查看的指標中,并加以展示。

“流動的河、清潔的河、生態(tài)的河”這一河流理念源自永定河綜合治理與生態(tài)修復工程,結(jié)合朝陽區(qū)功能定位,河流要更多地實現(xiàn)城市河湖濱水空間水生態(tài)服務功能,滿足廣大市民休閑娛樂的需求,因此設計了“親水的河、數(shù)字的河”兩個維度展示游人親水情況。系統(tǒng)平臺設計以上5個維度,通過信息化手段在智慧水務系統(tǒng)中可視化展示朝陽水系連通工程的生態(tài)效果。

2.2.2 具體指標

a.“流動的河”,就是要保證河流中的水是流動的,在智慧水務系統(tǒng)平臺上要展示河流的流動性和連通性兩個指標。河流流速不小于0.1m/s有利于河流水生態(tài)保持良好的狀況。借助智慧水務項目安裝的水文傳感器設備,通過水文傳感器設備的實時在線監(jiān)測,設定流速低于0.1m/s的閾值,軟件系統(tǒng)將發(fā)出告警,并智能推送河流水資源調(diào)度方案,在該模塊還可以展示河流水系中水文設備回傳的水位、流量數(shù)據(jù)。水系連通評價指標體系一般包括水系形態(tài)特征、水系結(jié)構(gòu)連通性和水系水力連通性[9],連通性采用水系連通指數(shù)公式[10]計算,通過計算機高速運算的功能,可在智慧水務平臺中展示實時更新的水系連通指數(shù)。

式中:FS為水系連通指數(shù);S為河網(wǎng)覆蓋區(qū)域面積;li為河段i的長度;Ki為水系連通性指標取值向量;Wi為指標熵權(quán)向量。

b.“清潔的河”,從可見污染物和不可見污染物兩方面展開應用設計?？梢娢廴疚锛慈庋劭梢姷睦?、漂浮物等物體,通過AI攝像頭算法來自動識別漂浮物,并通過系統(tǒng)自動報送信息至相關(guān)管理人員處;不可見污染物指河水中化學污染物,如總氮、氨氮、總磷等,導入河流斷面的水質(zhì)數(shù)據(jù)并進行可視化展示。

c.“生態(tài)的河”,設置有水河長和水面面積變化情況等指標,可通過遍布在河流上的316處攝像頭和衛(wèi)星遙感影像,在智慧水務平臺上顯示有水河長和水面面積變化情況。鳥類作為水生態(tài)系統(tǒng)食物鏈頂端捕食者,可反映出水生態(tài)系統(tǒng)的健康程度。水鳥品種、數(shù)量的增加,意味著水生態(tài)系統(tǒng)生物量的增加、生物多樣性的改善。通過攝像頭觀察水鳥的品種和數(shù)量變化,是對水生態(tài)系統(tǒng)的宏觀觀察,可從宏觀角度反映河流的生態(tài)狀況。在“生態(tài)的河”部分設置水鳥觀察展示模塊,捕捉水鳥影像,觀察水鳥棲息地情況,是河流水生態(tài)調(diào)度效果的一種輔助檢驗手段。

d.“親水的河”,關(guān)注城市河湖濱水空間水生態(tài)服務功能的實現(xiàn),滿足市民休閑、娛樂、觀賞、體驗等多樣化需求,設置游河熱度這一指標,通過游人熱力圖的形式在智慧水務平臺上展現(xiàn)河流在文化服務方面的生態(tài)價值。在該模塊通過輪播河流監(jiān)控實況、河流介紹短片等形式,展示近些年朝陽水生態(tài)河流建成后對市民的影響。

e.“數(shù)字的河”通過匯聚全部感知設備,構(gòu)建河流基礎數(shù)據(jù)庫,用戶可查看河流實況畫面、水文信息等數(shù)據(jù)。

河流生態(tài)版塊邏輯關(guān)系見圖3。朝陽區(qū)智慧水務平臺包含領(lǐng)導駕駛艙、水務“一張圖”、取供用排、行政辦公等模塊,水系連通工程依托智慧水務平臺進行管理與調(diào)度,在智慧水務平臺開發(fā)水生態(tài)河流模塊,通過“一張圖”的方式總體展示河流關(guān)鍵數(shù)據(jù),通過河流水資源調(diào)度模型模擬不同運行調(diào)度方案水系連通性指數(shù)和水生態(tài)指標的變化,通過水系連通性指數(shù)判斷水系連通工程的利用情況,通過不斷變化的水生態(tài)指標檢驗水系連通工程的成效。

圖3 河流生態(tài)板塊邏輯關(guān)系

3 結(jié) 語

智慧水務系統(tǒng)在朝陽區(qū)水系連通工程中的應用是朝陽水務工作全鏈條智能化、自動化管理和系統(tǒng)優(yōu)化的重要一環(huán),本文分析了朝陽水系連通工程河系水資源調(diào)度、防汛、水生態(tài)3方面項目內(nèi)涵,對此項工作的具體工作內(nèi)容、軟件邏輯架構(gòu)做出了初步設計。

本文將“水生態(tài)五要素”理論進行指標分解,具體設計為“流動的河、清潔的河、生態(tài)的河、親水的河、數(shù)字的河”5個軟件模塊,可通過智慧水務系統(tǒng)動態(tài)、實時地展示水生態(tài)要素變化情況,為下一步河流生態(tài)化管護提供了具體指標。