永定河智慧化水資源監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

袁 軍，張 瑞

（水利部海河水利委員會(huì)，300170，天津）

《永定河綜合治理與生態(tài)修復(fù)總體方案》（以下簡稱《總體方案》）提出要建設(shè)智慧永定河，率先實(shí)施永定河智慧化水資源監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)，為保障河流生態(tài)水量，實(shí)施流域水資源統(tǒng)一調(diào)度提供科學(xué)決策。因此，按照《總體方案》提出的要求，構(gòu)建永定河智慧化水資源監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)，以提升流域水資源管控能力、促進(jìn)智慧永定河建設(shè)。

一、系統(tǒng)架構(gòu)和主要功能

1.系統(tǒng)架構(gòu)

永定河智慧化水資源監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)突出對(duì)感知信息的應(yīng)用，以監(jiān)測(cè)體系和數(shù)據(jù)永定河平臺(tái)為基礎(chǔ)，以利用模型提供分析計(jì)算支撐的業(yè)務(wù)系統(tǒng)為核心，以安全體系為保障，形成系統(tǒng)總體框架（見圖1）。聚焦《總體方案》提出的“監(jiān)督、監(jiān)控、評(píng)價(jià)、評(píng)估、調(diào)度、預(yù)警”6項(xiàng)核心功能，將視頻監(jiān)控、遙感監(jiān)測(cè)、三維仿真、基礎(chǔ)設(shè)施云、大數(shù)據(jù)、專業(yè)模型等新一代信息技術(shù)與水利業(yè)務(wù)深度融合，為永定河綜合治理與生態(tài)修復(fù)工作提供技術(shù)支撐。

2.系統(tǒng)功能

（1）信息全景展示

依托三維仿真影像、平面地圖、概化圖三種模式，提供覆蓋全流域的信息全景展示平臺(tái)。對(duì)永定河地理環(huán)境、自然資源、河流水系、水資源、水生態(tài)環(huán)境、水利工程及經(jīng)濟(jì)社會(huì)狀況等要素集中展示，整合監(jiān)測(cè)、屬性、視頻、業(yè)務(wù)等數(shù)據(jù)，全方位、多視角、遞進(jìn)式地展示各類水利對(duì)象的信息，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)、線、面信息綜合檢索和“一站式”信息服務(wù)。

（2）實(shí)時(shí)優(yōu)化的水資源調(diào)度決策和調(diào)度全過程管理

圖1 系統(tǒng)框架

預(yù)測(cè)來水形勢(shì)，統(tǒng)籌本地水、外調(diào)水、再生水等多種水源，優(yōu)先保障生活用水與河道內(nèi)基本生態(tài)用水，兼顧工農(nóng)業(yè)用水需求，綜合運(yùn)用各種工程措施，制定調(diào)度計(jì)劃；調(diào)度過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)視重要斷面水量變化和工程運(yùn)行，監(jiān)督生態(tài)水量目標(biāo)實(shí)現(xiàn)情況，滾動(dòng)預(yù)測(cè)來水，實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度方案；調(diào)度完成后，分析調(diào)度執(zhí)行情況和實(shí)施效果，實(shí)現(xiàn)調(diào)度監(jiān)督考核和水量測(cè)算，支撐流域生態(tài)水量統(tǒng)一調(diào)度管理。

（3）多層次多角度的治理效果評(píng)估

分析評(píng)價(jià)永定河流域水資源、水環(huán)境、水生態(tài)狀況變化，判斷治理目標(biāo)實(shí)現(xiàn)情況，評(píng)估《總體方案》實(shí)施效果。特別是對(duì)農(nóng)業(yè)節(jié)水這一重要措施和評(píng)估難點(diǎn)，系統(tǒng)提供節(jié)水效果和節(jié)水潛力分析評(píng)估功能。在效果評(píng)估的基礎(chǔ)上，分析判別水生態(tài)環(huán)境修復(fù)關(guān)鍵影響因子，指導(dǎo)治理措施的落實(shí)和優(yōu)化，為修復(fù)治理工作部署提供決策依據(jù)。

（4）基于遙感數(shù)據(jù)的耗水分析和灌溉管理分析

利用遙感數(shù)據(jù)分析流域水庫蓄水量和中下游河段水面變化，基于耗水管理理念，對(duì)照不同水平年的耗水控制目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)流域內(nèi)人類活動(dòng)的可耗水量、可支撐的農(nóng)業(yè)最大規(guī)模等內(nèi)容分析，并針對(duì)灌區(qū)灌溉管理，提供灌區(qū)作物耗水過程、灌溉用水效率和作物水分生產(chǎn)效率分析等功能，通過變化過程分析和不同地區(qū)、灌區(qū)間對(duì)比，分析評(píng)價(jià)灌區(qū)節(jié)水水平和先進(jìn)的地區(qū)、灌區(qū)，促進(jìn)流域用水管理水平提高和水資源的高效利用。

（5）公眾服務(wù)

利用微信公眾號(hào)發(fā)布永定河治理工程進(jìn)展等信息，提供信息交互平臺(tái)，加強(qiáng)信息公開，促進(jìn)公眾參與；同時(shí)，針對(duì)農(nóng)業(yè)用水比重大、節(jié)水任務(wù)重的實(shí)際情況，利用APP 為農(nóng)戶提供灌溉建議，提升公共服務(wù)能力，促進(jìn)農(nóng)戶主動(dòng)節(jié)水意愿的提高。

二、系統(tǒng)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

1.全覆蓋全要素的監(jiān)測(cè)體系

利用覆蓋全流域、重點(diǎn)監(jiān)測(cè)永定河干支流重要控制斷面、省界斷面、水功能區(qū)、重要水利樞紐、大中型灌區(qū)的800 余個(gè)站點(diǎn)，采集水量、水質(zhì)、水生態(tài)、工情、灌區(qū)取水、入河排污、氣象、地下水水位等8類監(jiān)測(cè)信息。

在補(bǔ)水工程、省界斷面、干流重要斷面、重要支流匯入斷面及重要水利工程等位置，布設(shè)視頻監(jiān)視點(diǎn)，實(shí)時(shí)掌握水利工程運(yùn)行情況、現(xiàn)場(chǎng)河道水體變化情況、沿線輸水動(dòng)態(tài)、水頭位置及周邊環(huán)境，并結(jié)合智能識(shí)別技術(shù)采集水位和閘門開度等數(shù)據(jù)，進(jìn)行輔助觀測(cè)。

充分發(fā)揮遙感監(jiān)測(cè)范圍廣、信息量大等優(yōu)勢(shì)，定期采集流域土地覆被、種植結(jié)構(gòu)、水體變化、蒸散發(fā)和生物量等關(guān)鍵參數(shù)，用于分析流域水量平衡變化過程、灌區(qū)節(jié)水改造效果。

2.數(shù)據(jù)資源的全面匯集共享

利用以海委為流域節(jié)點(diǎn)、以流域內(nèi)各省級(jí)水行政主管部門和永定河流域投資有限公司為分節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)，從各級(jí)水利部門、氣象、生態(tài)環(huán)境等部門及互聯(lián)網(wǎng)全方位獲取涉水信息，實(shí)現(xiàn)各相關(guān)行業(yè)之間、系統(tǒng)內(nèi)和已建系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通和數(shù)據(jù)共享，一方面通過跨區(qū)域、跨部門、全方位的信息匯集，滿足系統(tǒng)運(yùn)行需要，另一方面根據(jù)各單位的業(yè)務(wù)需求，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)掌握的數(shù)據(jù)資源共享，使數(shù)據(jù)發(fā)揮更大效益。

3.基于在線模型的實(shí)時(shí)調(diào)度決策

將大數(shù)據(jù)分析、多目標(biāo)優(yōu)化、模糊邏輯評(píng)價(jià)、敏感性分析等方法及分布式水文模型、遙感水文模型、區(qū)域宏觀經(jīng)濟(jì)投入產(chǎn)出模型、水質(zhì)預(yù)測(cè)模型等進(jìn)行有機(jī)耦合，形成以大數(shù)據(jù)智能分析為驅(qū)動(dòng)的永定河水資源動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)與生態(tài)水量實(shí)時(shí)調(diào)度模型，支持系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)。

同時(shí)，為保障各斷面生態(tài)水量滿足目標(biāo)要求，模型利用動(dòng)態(tài)反饋機(jī)制，基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行在線滾動(dòng)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)調(diào)度方案的動(dòng)態(tài)調(diào)整和實(shí)時(shí)優(yōu)化。

4.三維技術(shù)支持下的精細(xì)化管理

利用測(cè)繪與地理信息技術(shù)，建設(shè)覆蓋全流域的三維仿真數(shù)字場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)海量空間數(shù)據(jù)管理和多尺度三維場(chǎng)景無縫銜接。利用流域數(shù)字場(chǎng)景和河道精細(xì)數(shù)字場(chǎng)景，真實(shí)再現(xiàn)流域和骨干河道的地形地貌特征；利用水庫、水閘、補(bǔ)水工程等31 處重點(diǎn)水利工程實(shí)景模型，逼真展現(xiàn)工程空間布局和外部結(jié)構(gòu)；利用冊(cè)田水庫、三家店攔河閘2 處工程BIM 模型，實(shí)現(xiàn)工程信息全數(shù)字化。

三維仿真數(shù)字場(chǎng)景提供交互式三維可視化操作平臺(tái)，支持場(chǎng)景瀏覽、信息查詢展示、空間定位量算、調(diào)度方案動(dòng)態(tài)模擬等功能，實(shí)現(xiàn)流域狀況的全景展示、調(diào)度執(zhí)行過程和實(shí)施效果的直觀演示及水利工程信息的精細(xì)管理。

三、結(jié) 語

永定河智慧化水資源監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)以多要素、全方位的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)信息資源匯集共享和綜合應(yīng)用；以生態(tài)水量為首要考慮因素提供調(diào)度方案制定、實(shí)時(shí)優(yōu)化和評(píng)估等功能，為流域水資源統(tǒng)一管理和決策提供依據(jù)；利用模型實(shí)時(shí)大體量數(shù)據(jù)計(jì)算，分析流域復(fù)雜水網(wǎng)中水資源“從哪來、可利用量、誰在用、可調(diào)度量”等，研判流域水資源、水生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)變化，提高流域水資源調(diào)控能力，服務(wù)于《總體方案》實(shí)施階段目標(biāo)考核、效果評(píng)估以及治理達(dá)效后監(jiān)督監(jiān)控預(yù)警，對(duì)提升水資源保障能力、推動(dòng)流域綜合治理、促進(jìn)區(qū)域互動(dòng)合作和協(xié)同管理、維護(hù)永定河河流生命健康具有重要意義。

同時(shí)，系統(tǒng)仍將積極探索新技術(shù)在水利業(yè)務(wù)中的應(yīng)用，遵循智慧永定河建設(shè)框架，為智慧流域的建設(shè)奠定基礎(chǔ)。隨著生態(tài)水量調(diào)度和流域治理的全面推進(jìn)，系統(tǒng)可進(jìn)一步擴(kuò)展和完善，如利用人工智能技術(shù)優(yōu)化調(diào)度方案、優(yōu)化關(guān)鍵影響因子篩選方案、完善感知技術(shù)等。同時(shí)，也可充分利用系統(tǒng)建設(shè)成果，在水旱災(zāi)害防御、水土流失治理等業(yè)務(wù)方向開發(fā)新的功能，為永定河智慧化管理提供支撐服務(wù)。