基于河流智慧水環(huán)境管理調(diào)度系統(tǒng)打造幸福河

蔡諸江 ，任慶海 ，蔡馨怡

（1. 新疆瑪納斯河流域管理局水利管理中心，新疆 石河子 832061；2. 水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012；3. 水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210012）

0 引言

黨的十九大明確提出要建設(shè)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國、數(shù)字中國、智慧社會。2019 年 7 月，水利部印發(fā)《加快推進(jìn)智慧水利的指導(dǎo)意見》和《智慧水利總體方案》。2021 年 3 月，李國英部長提出“堅持科技引領(lǐng)和數(shù)字賦能，提高水資源智慧管理水平”[1]。智慧水利是智慧社會建設(shè)的重要組成部分，是對傳統(tǒng)水利信息化的一種升級和擴(kuò)充[2]。隨著快速的城市建設(shè)和社會發(fā)展，海綿城市、黑臭河流治理、河長制等一系列管理理念目標(biāo)和措施不斷推出，不惜耗費(fèi)巨資建設(shè)大量活水調(diào)水、管網(wǎng)截污、生態(tài)工程、河道治理等工程措施。在這些工程建設(shè)之后，如何對這些建設(shè)好的工程進(jìn)行科學(xué)有效的管理并通過優(yōu)化管理調(diào)度發(fā)揮工程的最大效益變得尤為關(guān)鍵。

習(xí)近平總書記在黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展座談會上的重要講話中首次提出了幸福河[3]的新概念、新號召、新指向，是人類從征服、改造、破壞自然，向尊重、順應(yīng)、保護(hù)自然的重大思路轉(zhuǎn)變。幸福河理論內(nèi)涵應(yīng)是能夠維持自身健康，支撐流域或區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會高質(zhì)量發(fā)展，體現(xiàn)人水和諧，讓流域內(nèi)人民具有安全感、獲得感與滿意度的河流。幸福河是安瀾之河、活力之河、清潔之河、生態(tài)之河、文化之河的集合與統(tǒng)稱。

本研究以新疆瑪納斯河綜合整治工程為例開展研究?；诨A(chǔ)感知、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、GIS 等技術(shù)，設(shè)計和構(gòu)建安全實用、智慧高效的瑪納斯河智慧水環(huán)境管理調(diào)度系統(tǒng)，為其他河流智慧水環(huán)境管理調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)提供借鑒。

1 系統(tǒng)設(shè)計原則

為充分體現(xiàn)人水和諧，打造幸福河，瑪納斯河智慧水環(huán)境管理調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)以瑪納斯河流域水環(huán)境業(yè)務(wù)管理實際需求為導(dǎo)向、業(yè)務(wù)應(yīng)用為核心，提升流域水環(huán)境管理調(diào)度系統(tǒng)的運(yùn)行效率，實現(xiàn)站、網(wǎng)、河一體化聯(lián)合運(yùn)行調(diào)度，提高水環(huán)境管理的決策水平、調(diào)度和應(yīng)急處理能力，讓流域內(nèi)人民具有安全感、獲得感，提高滿意度。

瑪納斯河智慧水環(huán)境管理調(diào)度系統(tǒng)通過采集河道水質(zhì)、雨污水管網(wǎng)、污水處理廠和泵站運(yùn)行等數(shù)據(jù)，將各類數(shù)據(jù)進(jìn)行有效整合，形成一個完整的智慧水環(huán)境管理調(diào)度系統(tǒng)。

1.1 需求牽引、應(yīng)用至上

以水環(huán)境管理調(diào)度業(yè)務(wù)實際需求為導(dǎo)向，深入開展水利業(yè)務(wù)需求分析，緊緊圍繞解決水資源保護(hù)、水環(huán)境治理和水行政管理等應(yīng)用，合理配置、優(yōu)化整合資源，建立統(tǒng)一的技術(shù)支撐體系，開發(fā)和建設(shè)業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，降低運(yùn)維的強(qiáng)度和成本，保障信息安全，在業(yè)務(wù)應(yīng)用中發(fā)揮效益。

1.2 統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)

智慧水環(huán)境管理調(diào)度系統(tǒng)必須統(tǒng)一規(guī)劃，從站、網(wǎng)、河一體化運(yùn)行的需求出發(fā)，遵循國家相關(guān)信息化標(biāo)準(zhǔn)，按照統(tǒng)一的信息采集、數(shù)據(jù)整理、數(shù)據(jù)庫建設(shè)、系統(tǒng)開發(fā)等方面的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，開展系統(tǒng)建設(shè)。

1.3 平臺共用、信息共享

充分利用現(xiàn)有信息化系統(tǒng)和已建的水利信息基礎(chǔ)設(shè)施，推進(jìn)水利信息化體系和智慧水環(huán)境調(diào)度共享業(yè)務(wù)平臺建設(shè)。建立健全資源共享機(jī)制，實現(xiàn)平臺集中與共享利用，促進(jìn)信息資源的廣泛共享機(jī)制。

1.4 制度保障、安全可靠

以國家頒布實施的信息化與安全相關(guān)法律法規(guī)、信息系統(tǒng)等級保護(hù)制度為基礎(chǔ)，建立與智慧水環(huán)境調(diào)度系統(tǒng)相適應(yīng)的規(guī)章制度，并通過行政管理手段確保這些制度的全面執(zhí)行，從物聯(lián)通信、基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)共享、業(yè)務(wù)應(yīng)用等多維度全方位保障網(wǎng)絡(luò)安全。

1.5 實用先進(jìn)、發(fā)揮效益

作為信息化項目的水環(huán)境管理調(diào)度系統(tǒng)在設(shè)計與實施過程中必須處理好實用與先進(jìn)的關(guān)系[4]，以實用為前提，科學(xué)運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代技術(shù)，充分保證瑪納斯河智慧水環(huán)境管理調(diào)度系統(tǒng)的前瞻性和先進(jìn)性。系統(tǒng)建成后必須在城市水環(huán)境管理業(yè)務(wù)工作中充分應(yīng)用，發(fā)揮應(yīng)有的作用。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 總體框架

瑪納斯河智慧水環(huán)境管理調(diào)度系統(tǒng)緊密圍繞瑪納斯河水環(huán)境管理調(diào)度與生態(tài)治理等各方面需求，從全局和整體層面進(jìn)行設(shè)計，通過全面感知、高速互聯(lián)、云化支撐、資源共享、深度挖掘、智能應(yīng)用及泛在服務(wù)的建設(shè)實現(xiàn)目標(biāo)，橫向形成感知層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)資源層、應(yīng)用支撐層、業(yè)務(wù)支撐層、智能應(yīng)用等 6 個層次，縱向建立網(wǎng)絡(luò)安全保障、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范 2 個體系的總體架構(gòu)。系統(tǒng)總體框架如圖1 所示。

圖1 瑪納斯河智慧水環(huán)境管理調(diào)度系統(tǒng)總體構(gòu)架圖

感知層是瑪納斯河智慧水環(huán)境管理調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)層，主要綜合運(yùn)用水質(zhì)監(jiān)測站、河道水文監(jiān)測站、源水廠、泵閘監(jiān)控站、視頻監(jiān)視站點、雨污管網(wǎng)監(jiān)測站、污水處理廠等全河道流域的水文，水質(zhì)，水量，氣象，環(huán)境等多維度的信息感知系統(tǒng)進(jìn)行自動化采集與存儲，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層匯聚到數(shù)據(jù)資源層；在應(yīng)用支撐層構(gòu)建瑪納斯河智慧水環(huán)境管理調(diào)度系統(tǒng)的軟硬件資源，并在應(yīng)用支撐層創(chuàng)建數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)大范圍的數(shù)據(jù)資源整合；業(yè)務(wù)支撐層依托瑪納斯河智慧水環(huán)境管理調(diào)度系統(tǒng)的框架進(jìn)行開發(fā)和應(yīng)用功能拓展，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)支撐管理、瑪納斯河一張圖、全景數(shù)據(jù)展現(xiàn)、調(diào)度流程管理、綜合業(yè)務(wù)管理等業(yè)務(wù)應(yīng)用；智能應(yīng)用層承擔(dān)對外的門戶，主要包括河道綜合監(jiān)管、水環(huán)境保護(hù)、水生態(tài)治理、水安全保障和對外數(shù)據(jù)公眾服務(wù)等，并與日常管理、調(diào)度流程、應(yīng)急指揮、資源管理、智能決策、水務(wù)管理及各有關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)對接和支撐。

2.2 業(yè)務(wù)架構(gòu)

圍繞瑪納斯河綜合治理，促進(jìn)全流域高質(zhì)量發(fā)展，讓瑪納斯河成為造福人民的幸福河這一目標(biāo)，以強(qiáng)監(jiān)管為主導(dǎo)思想，準(zhǔn)確把握“需求牽引、應(yīng)用至上”的業(yè)務(wù)需求，遵循“分工明確、數(shù)據(jù)共享、業(yè)務(wù)協(xié)同”[5]的思路，構(gòu)建以綜合監(jiān)管作為核心，以水環(huán)境保護(hù)、水生態(tài)修復(fù)、水安全保障等業(yè)務(wù)為支撐，兼顧政務(wù)、公共服務(wù)等工作內(nèi)容，服務(wù)于監(jiān)控分析、決策處置、反饋評估全過程的業(yè)務(wù)架構(gòu)，系統(tǒng)業(yè)務(wù)架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 瑪納斯河智慧水環(huán)境管理調(diào)度系統(tǒng)業(yè)務(wù)架構(gòu)圖

在綜合監(jiān)管的統(tǒng)一協(xié)調(diào)下，采用多方向業(yè)務(wù)管理的模式，對瑪納斯河狀況進(jìn)行全方位管理，綜合運(yùn)用多源信息，及時識別問題并啟動相關(guān)業(yè)務(wù)深入分析處理，全面強(qiáng)化監(jiān)管力度；積極應(yīng)對瑪納斯河在水資源、水環(huán)境、水生態(tài)、水災(zāi)害等方面存在的具體問題。統(tǒng)籌各項工作內(nèi)容，加強(qiáng)業(yè)務(wù)協(xié)同，對各業(yè)務(wù)提出的需求、方案等進(jìn)行綜合分析和協(xié)調(diào)處置，落實監(jiān)管責(zé)任，提升監(jiān)管效能。通過資源整合挖掘和流程優(yōu)化完善等方式，擴(kuò)大服務(wù)范圍，完善服務(wù)內(nèi)容，改進(jìn)服務(wù)模式，提升管理能力與公共服務(wù)水平。

3 系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容

瑪納斯河智慧水環(huán)境管理調(diào)度系統(tǒng)從方便操作、易于使用方面考慮，采用 B/S 模式開發(fā)。系統(tǒng)采用分布式組件結(jié)構(gòu)，低耦合的軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局，可應(yīng)用于多種硬件平臺和操作系統(tǒng)。各應(yīng)用端的子系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)云平臺提供的接口獲取現(xiàn)場數(shù)據(jù)及運(yùn)維情況。終端用戶通過 PC 或者移動客戶端訪問這些業(yè)務(wù)子系統(tǒng)，主要功能子系統(tǒng)如圖3 所示。

圖3 瑪納斯河智慧水環(huán)境管理調(diào)度系統(tǒng)功能模塊

3.1 智能感知子系統(tǒng)

通過水位、雨量、流量、水質(zhì)、氣象、視頻等信息在線監(jiān)測采集的方式，并將沿河的取水口、閘站、污水管網(wǎng)、溢流口、污水處理廠、排澇站等設(shè)施監(jiān)測監(jiān)控功能統(tǒng)一起來，形成一個涵蓋站、網(wǎng)、河的智能監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。完善信息采集，提供實時、準(zhǔn)確、有效的監(jiān)測數(shù)據(jù)，構(gòu)建瑪納斯河智慧水環(huán)境智能感知網(wǎng)。

3.2 一張圖子系統(tǒng)

一張圖子系統(tǒng)基于 GIS 地圖、測站監(jiān)測及遙感影像等多源水利數(shù)據(jù)整合技術(shù)，實現(xiàn)各類信息一體化管理與展示[6]，實現(xiàn)信息在不同圖層間的交叉索引查詢與分析，為用戶提供可視的便捷應(yīng)用。該子系統(tǒng)是在瑪納斯河 GIS 地圖的基礎(chǔ)上疊加與河道相關(guān)的取水口、泵閘站、生活污水、雨污管網(wǎng)、排污企業(yè)、沿河水利設(shè)施等數(shù)據(jù)，完善數(shù)據(jù)展示內(nèi)容，實現(xiàn)數(shù)據(jù)多維度查詢，集成各類相關(guān)信息，使不同用戶在同一張圖上實現(xiàn)各自的瀏覽與查詢需求。

3.3 水環(huán)境綜合調(diào)度子系統(tǒng)

水環(huán)境綜合調(diào)度子系統(tǒng)基于水質(zhì)與水動力耦合模型，針對河道突發(fā)水污染事件或水質(zhì)超標(biāo)情況，通過氣象預(yù)報、雨水調(diào)蓄池、鋼壩和閘泵調(diào)度等一系列措施進(jìn)行計算，從而得到未來時間段內(nèi)下游河道某一斷面處水質(zhì)、流量、水位等特征值的預(yù)期變化情況。根據(jù)河流對污染物的容納閾值對未來該斷面水質(zhì)水量數(shù)據(jù)進(jìn)行量化評估。針對不同的泵、閘、調(diào)蓄池和污水處理廠運(yùn)行方案制定運(yùn)行調(diào)度方案并評估方案的預(yù)期效果。

3.4 決策支持子系統(tǒng)

決策支持子系統(tǒng)的主要功能是對瑪納斯河水環(huán)境情況進(jìn)行分析和決策。決策支持子系統(tǒng)在綜合考慮環(huán)境、水文、氣象、社會、經(jīng)濟(jì)等各類因素影響的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)據(jù)信息和相關(guān)專家意見、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、政策法規(guī)等依據(jù)，對瑪納斯河水環(huán)境進(jìn)行綜合評估，最終形成瑪納斯河水環(huán)境優(yōu)化管理的分析成果，產(chǎn)生輔助決策報告。還可將分析決策的成果生成報告或以多媒體報警信號的形式輸出，以便為決策部門進(jìn)行水資源配置和調(diào)度提供參考。

3.5 調(diào)度評價子系統(tǒng)

調(diào)度評價子系統(tǒng)主要對調(diào)度方案和工作執(zhí)行結(jié)果做后評價。一方面，對調(diào)度方案制定的合理性進(jìn)行評價，發(fā)現(xiàn)調(diào)度方案的不足，進(jìn)一步完善調(diào)度方案；另一方面，評價工作人員的執(zhí)行成效，實現(xiàn)對人員的監(jiān)督管理，保障任務(wù)執(zhí)行的及時性、正確性，對瑪納斯河水環(huán)境管理調(diào)度提供技術(shù)支撐和有效的保障。

3.6 移動客戶端 App

移動客戶端 App 采用簡便易操作的布局和功能設(shè)計，用戶可以在手機(jī)或平板電腦上實現(xiàn)對各應(yīng)用模塊的訪問定制，方便用戶隨時隨地操作查詢。

4 結(jié)語

瑪納斯河智慧水環(huán)境管理調(diào)度系統(tǒng)的建設(shè)，目前解決了源頭如何調(diào)水，流域內(nèi)如何配水，對已建污水處理系統(tǒng)如何有效監(jiān)測和合理調(diào)度，防止流域污染等關(guān)鍵問題。加強(qiáng)瑪納斯河流域的生態(tài)保護(hù)治理，改善人民群眾生活，探索打造一條幸福河。

由于項目規(guī)模和經(jīng)費(fèi)的限制，部分規(guī)劃設(shè)計的功能，如水生態(tài)評估預(yù)測、地下水動態(tài)分析、河道納污能力模型構(gòu)建、涉水事件輿情預(yù)測分析等功能[7]暫時還未實現(xiàn)。按照李國英部長提出的打造數(shù)字孿生流域，實現(xiàn)“預(yù)報、預(yù)警、預(yù)演、預(yù)案”功能[8]的智慧水利建設(shè)要求還有一定的差距，需要在今后的設(shè)計和實踐中逐步探索和完善。