面向多目標(biāo)協(xié)同管理的城市小流域智慧管控平臺(tái)探索

郭秋萍 ，鄧娟，俞露，劉養(yǎng)欽 ，沈交書

（1.平安國(guó)際智慧城市科技股份有限公司，廣東 深圳 518000；2.深圳市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，廣東 深圳 518000）

0 引言

隨著我國(guó)水治理工作的推進(jìn)，重點(diǎn)流域干流和國(guó)控?cái)嗝嫠|(zhì)大幅提升，但城市地區(qū)的中小河流治理仍存在明顯不足，且缺乏水安全、水環(huán)境、水生態(tài)的綜合治理和上下游協(xié)同治理。根據(jù)《“十四五”重點(diǎn)流域水環(huán)境綜合治理規(guī)劃》（發(fā)改地區(qū)〔2021〕1933 號(hào)）、《“十四五”水安全保障規(guī)劃》等規(guī)劃要求，我國(guó)水管理逐步轉(zhuǎn)向小流域和多目標(biāo)協(xié)同管理為主，其中城市小流域管理是較為復(fù)雜的研究重點(diǎn)。本研究通過梳理城市小流域水安全、水環(huán)境、水生態(tài)多目標(biāo)管理需求，提出城市小流域智慧管控技術(shù)，并以成都市某流域?yàn)槔罱ǜ采w廠網(wǎng)河一體化綜合管控平臺(tái)。

1 城市小流域管理面臨的主要挑戰(zhàn)

城市小流域的水量、水質(zhì)、水生態(tài)不僅受地表徑流及生態(tài)空間等自然因素影響，還受排水管網(wǎng)、城市下墊面等社會(huì)因素影響，水安全、水環(huán)境和水生態(tài)問題更加復(fù)雜，枯水期易出現(xiàn)生態(tài)基流不足、棲息地受損等問題[1-3]，豐水期易受上游洪水和城市雨洪的共同影響，因而相較于自然流域的管理更難，主要有以下挑戰(zhàn)：

1）業(yè)務(wù)分割嚴(yán)重，缺乏跨部門協(xié)同機(jī)制和平臺(tái)。城市水務(wù)業(yè)務(wù)涉及水利、水務(wù)、環(huán)境保護(hù)、城市管理等多個(gè)管理部門，業(yè)務(wù)條塊分割，各部門開展以本部門關(guān)注的防洪、水環(huán)境整治、河道治理等單個(gè)或多個(gè)業(yè)務(wù)為主，信息共享時(shí)效性不足，導(dǎo)致管理難以協(xié)同。

2）涉水要素眾多，聯(lián)系緊密但目標(biāo)不一，多目標(biāo)協(xié)同難度大。城市小流域的排水系統(tǒng)存在上下游、左右岸、干支流的內(nèi)在聯(lián)系，涵蓋河網(wǎng)及污水廠、泵站、閘站、管網(wǎng)、調(diào)蓄池等多要素，運(yùn)營(yíng)主體和管理目標(biāo)不同，廠網(wǎng)河全要素協(xié)調(diào)運(yùn)行存在難度，導(dǎo)致流域全要素難以實(shí)現(xiàn)綜合效能最優(yōu)、保障能力最大和服務(wù)水平最高。

3）水質(zhì)、水量監(jiān)測(cè)時(shí)效性不足，導(dǎo)致對(duì)流域?qū)崟r(shí)狀態(tài)評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的掌握能力較弱。以往流域監(jiān)測(cè)主要以人工采樣方式為主，周期長(zhǎng)，數(shù)據(jù)密度低。特別是水生態(tài)監(jiān)測(cè)，需要大量的人工調(diào)研、采樣和評(píng)價(jià)，一般通過指示生物和綜合生物指標(biāo)等監(jiān)測(cè)，如浮游和底棲動(dòng)物等通過采樣、水樣處理、計(jì)數(shù)及生物量測(cè)算，植物監(jiān)測(cè)通過人工調(diào)查的方式[4-5]進(jìn)行物種調(diào)研分析和生物多樣性評(píng)價(jià)，但均無(wú)法實(shí)時(shí)、快速地評(píng)估水生態(tài)質(zhì)量。

在生態(tài)文明建設(shè)和綠色發(fā)展大背景下，城市小流域管理的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和科學(xué)性面臨更高要求，使得國(guó)內(nèi)外城市小流域管理關(guān)注點(diǎn)正逐步從傳統(tǒng)的人工經(jīng)驗(yàn)管理模式，轉(zhuǎn)向信息化管理的現(xiàn)代化管理方式[6]。隨著我國(guó)治水工作的深入，治水從早期的防汛、消除黑臭，到如今的海綿城市、水生態(tài)文明，城市水務(wù)信息化管理也從早期的廠網(wǎng)一體化調(diào)度，到廠網(wǎng)河一體化調(diào)度。廠網(wǎng)一體化調(diào)度主要以污水系統(tǒng)為研究對(duì)象，關(guān)注進(jìn)廠污水的預(yù)報(bào)預(yù)期，協(xié)調(diào)調(diào)度城市污水處理廠和管網(wǎng)，從而提高城市水環(huán)境質(zhì)量，以 2010 年北京排水集團(tuán)提出的廠網(wǎng)一體化運(yùn)營(yíng)概念為主要里程碑[7]。隨著“六水共治”、水系統(tǒng)等概念的出臺(tái)，福州和深圳等城市以城市防汛排澇、水環(huán)境達(dá)標(biāo)和水生態(tài)恢復(fù)為目標(biāo)，統(tǒng)籌流域內(nèi)廠網(wǎng)河全要素一體化管控，開展廠網(wǎng)河一體化多目標(biāo)統(tǒng)籌調(diào)度[8-10]。

2 設(shè)計(jì)思路

針對(duì)城市小流域涉及部門多、涉水要素多、動(dòng)態(tài)評(píng)估難和管理協(xié)同難的特點(diǎn)，提出“三橫兩縱”的設(shè)計(jì)思路，“三橫”包括數(shù)據(jù)采集、孿生流域、業(yè)務(wù)應(yīng)用，“兩縱”包括流域標(biāo)準(zhǔn)和信息安全等體系，橫向?qū)哟蔚纳蠈訉?duì)下層具有依賴關(guān)系，縱向體系對(duì)于橫向?qū)哟尉哂屑s束關(guān)系，城市小流域智慧管控技術(shù)框架如圖 1 所示。

具體內(nèi)容如下：

1）數(shù)據(jù)采集。以統(tǒng)一的流域標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范為依托，在信息安全前提下，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及數(shù)據(jù)共享交換平臺(tái)，匯聚流域基礎(chǔ)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù)，以及廠、網(wǎng)、站、池、河、庫(kù)等流域重點(diǎn)要素，搭建流域統(tǒng)一的數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)跨部門數(shù)據(jù)的共享。其中物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)主要采集水位、流量等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和閘閥動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，共享交換平臺(tái)主要對(duì)接政務(wù)系統(tǒng)中氣象、國(guó)土、水利等部門的氣象和上下游水質(zhì)及水量等數(shù)據(jù)。

2）孿生流域。以流域傾斜攝影數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將數(shù)據(jù)中心靜態(tài)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，利用虛擬仿真和三維可視化技術(shù)，建立與實(shí)體流域映射的數(shù)字孿生流域。

圖1 城市小流域智慧管控技術(shù)框架

3）業(yè)務(wù)應(yīng)用。以孿生流域?yàn)榈鬃?，依托氣象、產(chǎn)匯流、水動(dòng)力、水質(zhì)等專業(yè)模型在線模擬能力，對(duì)不同降雨情形下流域關(guān)鍵斷面的水位、水質(zhì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)超水位、水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)等風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，制定不同等級(jí)風(fēng)險(xiǎn)下的預(yù)案管理，實(shí)時(shí)指導(dǎo)不同降雨條件下水安全、水環(huán)境、水生態(tài)的統(tǒng)籌調(diào)度目標(biāo)。搭建流域管理環(huán)節(jié)要素、在線監(jiān)測(cè)、工程運(yùn)行和水量調(diào)度分析等業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)，支撐流域業(yè)務(wù)管理工作，從而建立城市小流域內(nèi)河道水系、污水、雨水和再生水等多目標(biāo)協(xié)同管理的綜合管控平臺(tái)，支撐城市小流域在防洪治澇、水質(zhì)污染、生態(tài)補(bǔ)水等場(chǎng)景的決策分析和調(diào)度分析及智能化管理。

4）流域標(biāo)準(zhǔn)體系。編制流域適用的分類編碼、信息傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，以及流域系統(tǒng)維護(hù)、用戶管理等管理標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，指導(dǎo)流域信息化系統(tǒng)建設(shè)與管理。

5）信息安全體系。建立覆蓋流域網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)、應(yīng)用、系統(tǒng)等的信息安全體系。

3 重點(diǎn)建設(shè)內(nèi)容

3.1 采集感知體系

城市小流域采集感知是智慧管控的數(shù)據(jù)和信息基礎(chǔ)，根據(jù)城市小流域水安全、水環(huán)境、水生態(tài)多目標(biāo)統(tǒng)籌管理的業(yè)務(wù)需求，依據(jù) HJ 91.2—2022《地表水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》、SL/T 34—2023《水文站網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)導(dǎo)則》、SL 515—2013《水利視頻監(jiān)視系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》等技術(shù)規(guī)范文件，針對(duì)流域內(nèi)河流、塘庫(kù)重要斷面、排水管網(wǎng)主要節(jié)點(diǎn)、水質(zhì)凈化廠尾水等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，建設(shè)水情、水質(zhì)、水生態(tài)等感知設(shè)備，并基于設(shè)備管理要求對(duì)閘門、泵站、閥門等重要水務(wù)設(shè)施建設(shè)設(shè)備工況監(jiān)控系統(tǒng)。利用物聯(lián)網(wǎng)、視頻、遙感、無(wú)人機(jī)、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水量、水質(zhì)、水生態(tài)的全面立體監(jiān)測(cè)，對(duì)閘門開度、水位等設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)全面掌握，以及對(duì)水面漂浮物等的有效監(jiān)管，城市小流域采集感知體系的監(jiān)測(cè)內(nèi)容、手段、指標(biāo)和對(duì)象如表 1 所示。同時(shí)，通過數(shù)據(jù)共享交換，獲取氣象、水務(wù)、環(huán)境保護(hù)、住房與城鄉(xiāng)建設(shè)等部門的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)小流域采集感知的精細(xì)化和現(xiàn)代化。

表1 城市小流域采集感知體系

3.2 流域數(shù)據(jù)中心

城市小流域狀態(tài)監(jiān)測(cè)、預(yù)警預(yù)報(bào)、調(diào)度分析等業(yè)務(wù)場(chǎng)景眾多，流域數(shù)據(jù)分散于省、市、區(qū)不同層級(jí)，以及氣象、水務(wù)、環(huán)境保護(hù)等不同部門，因此具有業(yè)務(wù)管理分割、信息共享困難的特點(diǎn)。為破解傳統(tǒng)業(yè)務(wù)管理信息孤島現(xiàn)象，依據(jù)統(tǒng)一的流域數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，建立統(tǒng)一匯聚和共享流域內(nèi)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)治理平臺(tái)，通過對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分層、治理、計(jì)算、存儲(chǔ)，每一層數(shù)據(jù)依托ETL平臺(tái)（監(jiān)控調(diào)度平臺(tái)）進(jìn)行清洗、轉(zhuǎn)換和加載，并利用數(shù)據(jù)治理平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行治理、監(jiān)控，保證數(shù)據(jù)的質(zhì)量；對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密、脫敏及權(quán)限控制保證數(shù)據(jù)安全，從而建立流域數(shù)據(jù)資源中心，滿足數(shù)據(jù)應(yīng)用層的需求，實(shí)現(xiàn)城市小流域的數(shù)據(jù)資產(chǎn)化，城市小流域數(shù)據(jù)中心技術(shù)架構(gòu)如圖 2 所示。

3.3 流域一張圖

圖2 城市小流域數(shù)據(jù)中心技術(shù)架構(gòu)

根據(jù)流域涉水要素眾多且管理分散的特點(diǎn)，將流域內(nèi)遙感影像、電子底圖、傾斜攝影、河湖基礎(chǔ)等數(shù)據(jù)，以及氣象、水文、水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)等一系列空間數(shù)據(jù)以GIS+BIM 技術(shù)進(jìn)行展示，實(shí)現(xiàn)流域坐標(biāo)體系、空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)體系的統(tǒng)一，建立流域內(nèi)統(tǒng)一的影像底圖、電子底圖、傾斜攝影影像、流域?qū)ｎ}圖等全要素空間數(shù)據(jù)底板，支撐流域內(nèi)相關(guān)專題的統(tǒng)一展示。其中，流域影像底圖指覆蓋流域及周邊相關(guān)區(qū)域的高分辨率遙感影像（分辨率不低于 5 m 為宜），為流域業(yè)務(wù)提供包括用地類型、地形地貌等信息的地圖底板；流域電子底圖指將流域內(nèi)地理信息數(shù)字化處理與展示，包括行政邊界、流域邊界、排水分區(qū)、土地利用、水系分布等信息；傾斜攝影影像是指利用傾斜攝影技術(shù)獲取的流域三維信息，包括建筑物、主要水務(wù)設(shè)施等，實(shí)現(xiàn)對(duì)流域特征的直接展示和分析；流域?qū)ｎ}圖主要包括地表水體監(jiān)測(cè)、水務(wù)工程等專題圖，為流域業(yè)務(wù)提供統(tǒng)一便捷的地圖數(shù)據(jù)。

3.4 水量調(diào)度分析管理系統(tǒng)

在城市小流域?qū)嶋H管理中會(huì)面臨不同的降雨情景和污染事件，且需要統(tǒng)籌協(xié)調(diào)流域內(nèi)廠網(wǎng)河等各類涉水要素。本研究提出搭建集成河道水系、污水、雨水和再生水為一體的綜合管控平臺(tái)，以流域一張圖為基礎(chǔ)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)流域內(nèi)河道水量、水質(zhì)，以及排水管網(wǎng)、污水廠站等排水設(shè)施，通過流域“四預(yù)”管理實(shí)現(xiàn)不同情景下水量精準(zhǔn)調(diào)度，水量調(diào)度分析技術(shù)路線如圖 3所示。在預(yù)報(bào)管理環(huán)節(jié)，主要接入氣象局的氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，加載水情監(jiān)測(cè)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)控等數(shù)據(jù)。當(dāng)氣象預(yù)報(bào)或監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)觸發(fā)洪水、水質(zhì)污染和生態(tài)水位等預(yù)警時(shí)，利用 ICM 在線仿真模型進(jìn)行不同預(yù)案的預(yù)演和不斷調(diào)優(yōu)，支撐流域在防洪、生態(tài)補(bǔ)水等調(diào)度情景下快速匹配最優(yōu)調(diào)度方案，實(shí)現(xiàn)流域水安全、水環(huán)境、水生態(tài)的全面穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

圖3 水量調(diào)度分析技術(shù)路線

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 “視頻+AI”水生態(tài)評(píng)價(jià)

當(dāng)前，水情、水質(zhì)、設(shè)備工況的監(jiān)測(cè)技術(shù)相對(duì)成熟，但水生態(tài)監(jiān)測(cè)方面一般采用人工調(diào)查方法，存在周期長(zhǎng)、時(shí)效低的缺點(diǎn)。本研究根據(jù)水生態(tài)指標(biāo)監(jiān)測(cè)和定性評(píng)估需求，提出利用“視頻+AI”技術(shù)將機(jī)器視覺與多面視頻融合，開展生物物種監(jiān)測(cè)，水生態(tài)評(píng)價(jià)技術(shù)路線如圖 4 所示，再通過生物多樣性指數(shù)進(jìn)行水生態(tài)評(píng)價(jià)。

城市小流域水生態(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)關(guān)鍵路徑如下：

1）根據(jù)區(qū)域生物庫(kù)及前期動(dòng)植物信息調(diào)查，針對(duì)城市小流域建設(shè)區(qū)域內(nèi)動(dòng)植物信息創(chuàng)建預(yù)設(shè)規(guī)則庫(kù)，對(duì)動(dòng)植物外觀、行為等特征使用 AI 模型進(jìn)行特征提取，并內(nèi)置到規(guī)則庫(kù)中，后續(xù)收集到新物種時(shí)需不斷更新。

2）在城市小流域監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)，采用實(shí)時(shí)攝像頭和人工拍攝 2 種采集方式，利用攝像頭獲取的實(shí)時(shí)動(dòng)植物照片和人工拍攝圖片，基于統(tǒng)一接口服務(wù)通過 PC端或 App 端上傳到服務(wù)后臺(tái)，統(tǒng)一存儲(chǔ)文件。

圖4 基于“視頻+AI”技術(shù)的水生態(tài)評(píng)價(jià)技術(shù)路線

3）利用 AI 技術(shù)，對(duì)實(shí)時(shí)上傳的動(dòng)植物信息進(jìn)行特征提取，對(duì)比外觀、行為特征集與規(guī)則庫(kù)，并對(duì)各維度的特征進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，得到各個(gè)特征與特征集的相似度，最終識(shí)別并上傳圖像動(dòng)植物信息。同時(shí)，輔助人工識(shí)別手段，對(duì)于識(shí)別算法得出的相似度低或者無(wú)法匹配目標(biāo)的圖片，自動(dòng)發(fā)送給后臺(tái)管理員進(jìn)行人工識(shí)別處理。

4）根據(jù) AI 技術(shù)識(shí)別的生物種類、數(shù)量等結(jié)果，利用瑪格列夫指數(shù)計(jì)算方法，計(jì)算城市小流域生物多樣性指數(shù)，計(jì)算方式為D=（S-1）/lnN，其中D為瑪格列夫指數(shù)，N為總個(gè)體數(shù)量，S為總物種數(shù)量。

5）將流域不同地點(diǎn)、時(shí)間、情景的水生態(tài)，劃分為優(yōu)，良，中，差，劣等 5 個(gè)等級(jí)，如表 2 所示，實(shí)現(xiàn)基于數(shù)據(jù)算法實(shí)時(shí)、定量計(jì)算結(jié)果的流域水生態(tài)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)。

表2 水生態(tài)等級(jí)劃分

4.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)一匯聚共享

針對(duì)城市小流域業(yè)務(wù)管理分割、信息共享困難的特點(diǎn)，破解傳統(tǒng)業(yè)務(wù)管理的信息孤島現(xiàn)象，以及數(shù)據(jù)不統(tǒng)一、不規(guī)范、不完整等問題，依托市級(jí)、行業(yè)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)等，編制適用于城市小流域統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。將與流域相關(guān)的水務(wù)局、生態(tài)環(huán)境局、氣象局、住房與城鄉(xiāng)建設(shè)局等的基礎(chǔ)和監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通過大數(shù)據(jù)共享平臺(tái)接口進(jìn)行對(duì)接，將流域內(nèi)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的雨量、水情、水質(zhì)等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，與泵站、閥門、閘門等工情數(shù)據(jù)通過物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)接，流域業(yè)務(wù)系統(tǒng)產(chǎn)生的工程運(yùn)行、調(diào)度分析和業(yè)務(wù)管理等數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)內(nèi)的接口對(duì)接，基于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)匯聚共享建立流域數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)統(tǒng)一匯聚共享如圖 5 所示。流域數(shù)據(jù)中心主要分為基礎(chǔ)庫(kù)、監(jiān)測(cè)庫(kù)和業(yè)務(wù)庫(kù)，基礎(chǔ)庫(kù)主要管理江河湖泊、水務(wù)工程、監(jiān)測(cè)站點(diǎn)、污染源等基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)庫(kù)主要管理氣象、水文、水質(zhì)、工況等流域動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，業(yè)務(wù)庫(kù)主要管理流域要素、在線監(jiān)測(cè)、工程運(yùn)行等管理系統(tǒng)，以及水量調(diào)度分析、流域可視化大屏等業(yè)務(wù)系統(tǒng)產(chǎn)生的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

4.3 數(shù)字孿生流域建設(shè)

數(shù)字孿生流域建設(shè)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)主要內(nèi)容包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理、后臺(tái)數(shù)據(jù)接口程序、地圖服務(wù)發(fā)布管理與數(shù)據(jù)孿生流域，技術(shù)邏輯如圖 6所示。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理主要將數(shù)據(jù)資源中心的基礎(chǔ)庫(kù)、監(jiān)測(cè)庫(kù)、專題庫(kù)數(shù)據(jù)基于空間關(guān)聯(lián)進(jìn)行融合，形成時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)，從而將流域內(nèi)的基礎(chǔ)地理、水務(wù)、環(huán)保和工程等空間數(shù)據(jù)實(shí)體對(duì)象進(jìn)行信息整合，利用對(duì)象及其屬性、關(guān)系進(jìn)行建模，并通過統(tǒng)一的編碼體系，使空間屬性與基礎(chǔ)、業(yè)務(wù)、關(guān)系、時(shí)間等屬性進(jìn)行關(guān)聯(lián)，建設(shè)與實(shí)體流域一一映射的數(shù)字孿生流域。

4.4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)安全管理

城市小流域管理涉及水情、水質(zhì)、視頻等物聯(lián)感知設(shè)備，以及泵站、閘門等自動(dòng)化設(shè)備，因此網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)既要考慮監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理的功能性需求，又要考慮工控設(shè)備的安全性需求。根據(jù)城市小流域管理的特點(diǎn)，分別搭建政務(wù)網(wǎng)和專用等 2 套數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，如圖 7 所示。政務(wù)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)主要滿足水情、水質(zhì)、視頻等監(jiān)測(cè)站點(diǎn)及數(shù)據(jù)的查看需求，掌握流域總體及典型站點(diǎn)的監(jiān)測(cè)指標(biāo)變化趨勢(shì)、同期對(duì)比、污染指標(biāo)和問題溯源，滿足管理人員對(duì)環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確掌握，以及對(duì)相關(guān)工程措施的評(píng)估和決策。專網(wǎng)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)除了滿足政務(wù)網(wǎng)的管理需求，還增加了對(duì)閘門、泵站、閥門等設(shè)施設(shè)備 SCADA（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制）系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)獲取，結(jié)合水動(dòng)力水質(zhì)模型實(shí)現(xiàn)對(duì)未來(lái)水安全、水環(huán)境、水生態(tài)的趨勢(shì)預(yù)測(cè)，支撐水量調(diào)度分析系統(tǒng)面對(duì)不同情形時(shí)的調(diào)度決策；此外還可集成對(duì)閘門、泵站、閥門等設(shè)施設(shè)備的自動(dòng)化控制，實(shí)現(xiàn)在特定場(chǎng)景下的遠(yuǎn)程控制調(diào)度功能。

圖5 數(shù)據(jù)統(tǒng)一匯聚共享

圖6 數(shù)字孿生流域建設(shè)技術(shù)邏輯

圖7 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)

5 應(yīng)用案例及建設(shè)成效

成都市某小流域面積為 75 km2，流域內(nèi)有 24 條河道，總長(zhǎng)為 140 km，涉及 1 個(gè)污水處理廠、5 個(gè)生態(tài)閘和 4 個(gè)調(diào)蓄池。智慧管控目標(biāo)主要包括：1）實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)信息的有效應(yīng)用，利用水量、水質(zhì)、視頻等監(jiān)測(cè)設(shè)備和閘門自控系統(tǒng)對(duì)流域各涉水要素進(jìn)行監(jiān)測(cè)；2）在統(tǒng)一數(shù)據(jù)中心和地圖的基礎(chǔ)上，構(gòu)建流域廠網(wǎng)河一體化監(jiān)測(cè)、控制、調(diào)度和管理體系，實(shí)現(xiàn)下游考核斷面水質(zhì)、防洪安全和生態(tài)基流的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

在監(jiān)測(cè)管理方面，為滿足流域廠網(wǎng)河一體化監(jiān)測(cè)體系的實(shí)際需求，布設(shè)監(jiān)測(cè)結(jié)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要分為水位、水質(zhì)、雨量、視頻和閘站工況監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)流域范圍內(nèi)水情、水質(zhì)、水生態(tài)和工況的信息采集，全面掌握流域?qū)崟r(shí)狀態(tài)。為實(shí)現(xiàn)對(duì)流域水生態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)評(píng)估，在 6 處濕地公園分別安裝水上、水下攝像機(jī)，同時(shí)基于公眾平臺(tái)、攝影協(xié)會(huì)活動(dòng)照片收集，以及后臺(tái) AI算法對(duì)流域內(nèi)動(dòng)植物進(jìn)行動(dòng)態(tài)識(shí)別。監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)錄入流域內(nèi) 1 000 多類常見生物物種特征信息，準(zhǔn)確度達(dá)到 90% 以上，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)植物種類、數(shù)量的動(dòng)態(tài)評(píng)估和生物多樣性智能計(jì)算，從而利用生物多樣性對(duì)流域水生態(tài)狀況進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)。

在水量調(diào)度管理方面，針對(duì)流域特點(diǎn)重點(diǎn)構(gòu)建廠網(wǎng)河一體化調(diào)度的常規(guī)和應(yīng)急調(diào)度，其中應(yīng)急調(diào)度主要應(yīng)對(duì)水質(zhì)污染、河道缺水、洪澇災(zāi)害等場(chǎng)景，開展以下 2 類調(diào)度：

1）生態(tài)補(bǔ)水調(diào)度。該小流域的水環(huán)境和水生態(tài)質(zhì)量受河道水質(zhì)、上游來(lái)水、水質(zhì)凈化廠出水、地表徑流等綜合影響，污染來(lái)源及特征較為復(fù)雜，流域主要補(bǔ)水水源為水質(zhì)凈化廠再生水和上游來(lái)水。從流域一體化調(diào)度出發(fā)，主要實(shí)現(xiàn)：a.應(yīng)急水質(zhì)污染應(yīng)急換水，基于在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及仿真模型，進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水調(diào)水方案預(yù)演，滿足下游考核斷面水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)要求。b.生態(tài)和景觀需水補(bǔ)水，當(dāng)河道、塘庫(kù)水位低于設(shè)置值時(shí)，通過再生水或上游閘門開度控制的調(diào)水方案預(yù)演，保障生態(tài)和景觀需水的水位要求。

2）防洪控水調(diào)度。該小流域受上游河道及閘門影響，當(dāng)上游洪澇災(zāi)害較為嚴(yán)重且區(qū)域內(nèi)有內(nèi)澇發(fā)生時(shí)，通過調(diào)蓄池分洪及提前泄洪，保障區(qū)域水安全。主要實(shí)現(xiàn)：a.內(nèi)河預(yù)報(bào)預(yù)警。分析流域特征，校核水文參數(shù)，接入氣象預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，開展雨洪預(yù)報(bào)和預(yù)警。b.外河洪峰管控。利用片區(qū)河道及塘庫(kù)進(jìn)行洪水調(diào)蓄，并根據(jù)片區(qū)內(nèi)部河道負(fù)載情況，優(yōu)化分洪調(diào)度，在確?？刂坪樗L(fēng)險(xiǎn)的前提下分擔(dān)行洪壓力。

構(gòu)建以流域管理公司為主體的城市小流域管理機(jī)制，實(shí)現(xiàn)流域全要素匯聚和水安全、水環(huán)境、水生態(tài)等多目標(biāo)的協(xié)同管理，創(chuàng)新性探索基于“視頻+AI”技術(shù)的水生態(tài)監(jiān)測(cè)手段，保障了在不同降雨情景下流域管理目標(biāo)協(xié)同，即晴天關(guān)注景觀生態(tài)補(bǔ)水，雨天實(shí)現(xiàn)污染不下河，污水全收集，收集全處理，處理全達(dá)標(biāo)，確保考核斷面水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，防洪排澇早預(yù)報(bào)、早分洪泄洪，確保流域水安全。

6 結(jié)語(yǔ)

圍繞小流域涉水要素統(tǒng)籌、多目標(biāo)協(xié)同和長(zhǎng)效管控需求，本研究提出基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生、自動(dòng)化等信息技術(shù)的城市小流域智慧管控技術(shù)體系，主要包括面向多目標(biāo)管理需求的采集感知體系、基于統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)中心、流域全要素統(tǒng)一管理的數(shù)字孿生地圖，以及滿足多種降雨場(chǎng)景的流域“四預(yù)”調(diào)度分析系統(tǒng)，創(chuàng)新性提出了基于“視頻+AI”的水生態(tài)質(zhì)量實(shí)時(shí)定量評(píng)估方法，提出利用數(shù)據(jù)統(tǒng)一匯聚共享、數(shù)字孿生技術(shù)和數(shù)據(jù)安全管理方法解決流域業(yè)務(wù)管理難的問題，同時(shí)基于成都某小流域搭建了面向多目標(biāo)協(xié)同管理的廠網(wǎng)河一體化智慧管理平臺(tái)，有效支撐了流域水質(zhì)、水生態(tài)、水安全達(dá)標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了城市小流域智慧管控技術(shù)的理論與實(shí)踐研究。