談河流智慧水環境管理調度系統幸福河范文

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摘　要：水利部頒布的《智慧水利總體方案》將大大提高水利工程的智慧管理水平。以新疆瑪納斯河智慧水環境管理調度系統為例開展研究，分別從智慧化系統的設計原則、結構、建設內容等3個方面，提出開展智慧水環境管理調度系統的總體框架結構和實現方法。通過采集河道水文水質、雨污水管網、污水處理廠和泵閘站運行等數據，整合各類數據形成一個完整的智慧水環境管理調度系統，實現瑪納斯河全線涉水設施控制自動化、管理協同化、決策科學化、服務主動化的目標，發揮瑪納斯河水環境調度管理系統效益，保持瑪納斯河整治的長期成效，打造長治久清的幸福河。

關鍵詞：智慧水利；水環境；管理調度系統；幸福河

0引言

黨的明確提出要建設網絡強國、數字中國、智慧社會。2019年7月，水利部印發《加快推進智慧水利的指導意見》和《智慧水利總體方案》。2021年3月，李國英部長提出“堅持科技引領和數字賦能，提高水資源智慧管理水平”[1]。智慧水利是智慧社會建設的重要組成部分，是對傳統水利信息化的一種升級和擴充[2]。隨著快速的城市建設和社會發展，海綿城市、黑臭河流治理、河長制等一系列管理理念目標和措施不斷推出，不惜耗費巨資建設大量活水調水、管網截污、生態工程、河道治理等工程措施。在這些工程建設之后，如何對這些建設好的工程進行科學有效的管理并通過優化管理調度發揮工程的最大效益變得尤為關鍵。總書記在黃河流域生態保護和高質量發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、保護自然的重大思路轉變。幸福河理論內涵應是能夠維持自身健康，支撐流域或區域經濟社會高質量發展，體現人水和諧，讓流域內人民具有安全感、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、生態之河、文化之河的集合與統稱。本研究以新疆瑪納斯河綜合整治工程為例開展研究。基于基礎感知、大數據、物聯網、GIS等技術，設計和構建安全實用、智慧高效的瑪納斯河智慧水環境管理調度系統，為其他河流智慧水環境管理調度系統建設提供借鑒。

1系統設計原則

為充分體現人水和諧，打造幸福河，瑪納斯河智慧水環境管理調度系統建設以瑪納斯河流域水環境業務管理實際需求為導向、業務應用為核心，提升流域水環境管理調度系統的運行效率，實現站、網、河一體化聯合運行調度，提高水環境管理的決策水平、調度和應急處理能力，讓流域內人民具有安全感、獲得感，提高滿意度。瑪納斯河智慧水環境管理調度系統通過采集河道水質、雨污水管網、污水處理廠和泵站運行等數據，將各類數據進行有效整合，形成一個完整的智慧水環境管理調度系統。

1.1需求牽引、應用至上

以水環境管理調度業務實際需求為導向，深入開展水利業務需求分析，緊緊圍繞解決水資源保護、水環境治理和水行政管理等應用，合理配置、優化整合資源，建立統一的技術支撐體系，開發和建設業務應用系統，降低運維的強度和成本，保障信息安全，在業務應用中發揮效益。

1.2統一規劃、統一標準

智慧水環境管理調度系統必須統一規劃，從站、網、河一體化運行的需求出發，遵循國家相關信息化標準，按照統一的信息采集、數據整理、數據庫建設、系統開發等方面的標準或規范，開展系統建設。

1.3平臺共用、信息共享

充分利用現有信息化系統和已建的水利信息基礎設施，推進水利信息化體系和智慧水環境調度共享業務平臺建設。建立健全資源共享機制，實現平臺集中與共享利用，促進信息資源的廣泛共享機制。

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法律法規、信息系統等級保護制度為基礎，建立與智慧水環境調度系統相適應的規章制度，并通過行政管理手段確保這些制度的全面執行，從物聯通信、基礎設施、數據共享、業務應用等多維度全方位保障網絡安全。

1.5實用先進、發揮效益

作為信息化項目的水環境管理調度系統在設計與實施過程中必須處理好實用與先進的關系[]，以實用為前提，科學運用物聯網、大數據、人工智能等新一代技術，充分保證瑪納斯河智慧水環境管理調度系統的前瞻性和先進性。系統建成后必須在城市水環境管理業務工作中充分應用，發揮應有的作用。

2系統結構

2.1總體框架

瑪納斯河智慧水環境管理調度系統緊密圍繞瑪納斯河水環境管理調度與生態治理等各方面需求，從全局和整體層面進行設計，通過全面感知、高速互聯、云化支撐、資源共享、深度挖掘、智能應用及泛在服務的建設實現目標，橫向形成感知層、網絡層、數據資源層、應用支撐層、業務支撐層、智能應用等6個層次，縱向建立網絡安全保障、標準規范2個體系的總體架構。系統總體框架如圖1所示。感知層是瑪納斯河智慧水環境管理調度系統建設的基礎層，主要綜合運用水質監測站、河道水文監測站、源水廠、泵閘監控站、視頻監視站點、雨污管網監測站、污水處理廠等全河道流域的水文，水質，水量，氣象，環境等多維度的信息感知系統進行自動化采集與存儲，經網絡層匯聚到數據資源層；在應用支撐層構建瑪納斯河智慧水環境管理調度系統的軟硬件資源，并在應用支撐層創建數據中心，實現大范圍的數據資源整合；業務支撐層依托瑪納斯河智慧水環境管理調度系統的框架進行開發和應用功能拓展，主要實現數據支撐管理、瑪納斯河一張圖、全景數據展現、調度流程管理、綜合業務管理等業務應用；智能應用層承擔對外的門戶，主要包括河道綜合監管、水環境保護、水生態治理、水安全保障和對外數據公眾服務等，并與日常管理、調度流程、應急指揮、資源管理、智能決策、水務管理及各有關應用系統對接和支撐。

2.2業務架構

圍繞瑪納斯河綜合治理，促進全流域高質量發展，讓瑪納斯河成為造福人民的幸福河這一目標，以強監管為主導思想，準確把握“需求牽引、應用至上”的業務需求，遵循“分工明確、數據共享、業務協同”[5]的思路，構建以綜合監管作為核心，以水環境保護、水生態修復、水安全保障等業務為支撐，兼顧政務、公共服務等工作內容，服務于監控分析、決策處置、反饋評估全過程的業務架構，系統業務架構如圖2所示。在綜合監管的統一協調下，采用多方向業務管理的模式，對瑪納斯河狀況進行全方位管理，綜合運用多源信息，及時識別問題并啟動相關業務深入分析處理，全面強化監管力度；積極應對瑪納斯河在水資源、水環境、水生態、水災害等方面存在的具體問題。統籌各項工作內容，加強業務協同，對各業務提出的需求、方案等進行綜合分析和協調處置，落實監管責任，提升監管效能。通過資源整合挖掘和流程優化完善等方式，擴大服務范圍，完善服務內容，改進服務模式，提升管理能力與公共服務水平。

3系統建設內容

瑪納斯河智慧水環境管理調度系統從方便操作、易于使用方面考慮，采用B/S模式開發。系統采用分布式組件結構，低耦合的軟件系統結構布局，可應用于多種硬件平臺和操作系統。各應用端的子系統通過數據云平臺提供的接口獲取現場數據及運維情況。終端用戶通過PC或者移動客戶端訪問這些業務子系統，主要功能子系統如圖3所示。

3.1智能感知子系統。通過水位、雨量、流量、水質、氣象、視頻等信息在線監測采集的方式，并將沿河的取水口、閘站、污水管網、溢流口、污水處理廠、排澇站等設施監測監控功能統一起來，形成一個涵蓋站、網、河的智能監控網絡。完善信息采集，提供實時、準確、有效的監測數據，構建瑪納斯河智慧水環境智能感知網。3.2一張圖子系統一張圖子系統基于GIS地圖、測站監測及遙感影像等多源水利數據整合技術，實現各類信息一體化管理與展示[6]，實現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用。該子系統是在瑪納斯河GIS地圖的基礎上疊加與河道相關的取水口、泵閘站、生活污水、雨污管網、排污企業、沿河水利設施等數據，完善數據展示內容，實現數據多維度查詢，集成各類相關信息，使不同用戶在同一張圖上實現各自的瀏覽與查詢需求。

3.3水環境綜合調度子系統。水環境綜合調度子系統基于水質與水動力耦合模型，針對河道突發水污染事件或水質超標情況，通過氣象預報、雨水調蓄池、鋼壩和閘泵調度等一系列措施進行計算，從而得到未來時間段內下游河道某一斷面處水質、流量、水位等特征值的預期變化情況。根據河流對污染物的容納閾值對未來該斷面水質水量數據進行量化評估。針對不同的泵、閘、調蓄池和污水處理廠運行方案制定運行調度方案并評估方案的預期效果。

3.4決策支持子系統。決策支持子系統的主要功能是對瑪納斯河水環境情況進行分析和決策。決策支持子系統在綜合考慮環境、水文、氣象、社會、經濟等各類因素影響的基礎上，結合數據信息和相關專家意見、標準規范、政策法規等依據，對瑪納斯河水環境進行綜合評估，最終形成瑪納斯河水環境優化管理的分析成果，產生輔助決策報告。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，以便為決策部門進行水資源配置和調度提供參考。

3.5調度評價子系統。調度評價子系統主要對調度方案和工作執行結果做后評價。一方面，對調度方案制定的合理性進行評價，發現調度方案的不足，進一步完善調度方案；另一方面，評價工作人員的執行成效，實現對人員的監督管理，保障任務執行的及時性、正確性，對瑪納斯河水環境管理調度提供技術支撐和有效的保障。

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計，用戶可以在手機或平板電腦上實現對各應用模塊的訪問定制，方便用戶隨時隨地操作查詢。

結語

瑪納斯河智慧水環境管理調度系統的建設，目前解決了源頭如何調水，流域內如何配水，對已建污水處理系統如何有效監測和合理調度，防止流域污染等關鍵問題。加強瑪納斯河流域的生態保護治理，改善人民群眾生活，探索打造一條幸福河。由于項目規模和經費的限制，部分規劃設計的功能，如水生態評估預測、地下水動態分析、河道納污能力模型構建、涉水事件輿情預測分析等功能[7]暫時還未實現。按照李國英部長提出的打造數字孿生流域，實現“預報、預警、預演、預案”功能[]的智慧水利建設要求還有一定的差距，需要在今后的設計和實踐中逐步探索和完善。

作者：蔡諸江 任慶海 蔡馨怡 單位：新疆瑪納斯河流域管理局水利管理中心 水利部南京水利水文自動化研究所 水利部水文水資源監控工程技術研究中心