北方地区智慧流域业务应用建设构想

周 蕴，丁 瑶，张亚玲

（天津市龙网科技发展有限公司，天津 300181）

0 引言

随着我国治水工作重点的转变，新形势对水利信息化建设提出了新的要求。水利部组织开展《智慧水利总体方案》编制工作，以保障防洪、供水、粮食、经济、生态和国家的安全为向导，围绕水利中心工作，加快推进水治理体系和治理能力现代化[1]12,77，指导全国智慧水利建设。

智慧流域是智慧水利的重要组成部分，智慧流域建设将新一代信息技术运用于流域管理工作中，有助于提高管理能力和工作水平。我国地域辽阔，不同流域的气候地理环境差异较大，业务各有侧重，智慧流域建设特别是其业务应用建设需紧密贴合流域自然地理特点和业务重点安排建设内容，本研究针对北方地区水问题特征，提出智慧流域业务应用建设思路、需求及重点内容，为北方地区智慧流域建设提供参考。

1 北方地区流域水问题特征分析

我国北方地区普遍存在水资源短缺现象，近年来，人类活动引起的流域下垫面变化、工农业的快速发展及其他经济社会活动进一步导致了水质污染、水生态破坏、水灾害频发等问题。

1.1 水资源短缺，利用结构不合理

降水少，蒸发大，且水资源时空分布不均，径流年内、年际变化大，大部分地区水资源严重短缺，人均水资源占有量低。农业用水比重大且用水结构不合理，特别是灌溉用水量大，模式粗放，效率低下；生态环境用水严重不足。

1.2 水资源供需矛盾突出

由于水资源总量缺乏、时空分布不均衡，水资源的控制和利用难度大，加之部分河道缺乏调蓄工程、来水蓄水不协调、开发与利用无序等因素致使水资源供需矛盾突出[2]。特别在地下水开发利用方面，华北平原超采严重，松嫩平原、辽河平原、西北内陆盆地的部分区域也普遍存在超采问题。

1.3 水旱灾害频发

在洪灾方面，夏季降水集中，径流变化大，易发生暴雨洪水；在高纬度地区，初冬初春可能发生凌汛；因河流泥沙含量高，造成水库河道淤积，给防洪调度带来难度。在旱灾方面，西北地区常年干旱，东北华北易发生春旱、初夏旱，甚至形成春夏连旱，对农业生产影响严重。

1.4 水生态环境恶化

由于水资源承载能力较弱，加之气候原因和人类活动影响，导致水生态环境恶化，部分地区水污染严重，还出现了河湖水面萎缩、地下水漏斗、地面沉降、海水入侵、水土流失等问题；同时由于河道长期干旱，对水土资源的无序开发利用，部分区域存在较为严重的河湖水域侵占现象。

2 业务应用建设思路

北方地区智慧流域业务应用从流域整体角度考虑，运用智慧手段，紧抓 3 个方面重点：

1）北方。以支撑流域强监管为目标，围绕北方地区流域在水问题方面的特点，确定需开展建设的重点业务应用方向，选取适宜的技术方法和解决方案。

2）流域。将流域作为一个整体，综合考虑上下游、干支流、左右岸的关系，考虑不同时间尺度水问题的变化规律，考虑自然和人文地理等不同要素间的相互影响；同时把握好流域和区域管理的区别，处理好智慧流域和区域建设的侧重点和相互关系。

3）智慧。以满足流域管理实际业务需求为目标，以先进的信息化技术为手段，建设具备自主分析和学习能力的信息化支撑体系，针对不同应用场景和业务对象，提供灵活、自动、快捷的技术支持。

3 建设需求

目前，我国水利信息化建设已具备了一定基础，但新一代信息技术应用还处于初级阶段，智慧化的业务应用功能尚未充分实现[3]，特别是在水利行业监管和分析决策方面，急需信息化技术提供支持。为此，梳理北方地区流域管理各业务方向对信息化建设的主要需求。

3.1 水资源管理

面向水资源短缺的实际情况和节水优先要求，需要加强监控行政区界断面、外调水、干支流重要控制断面的水量变化及取用水情况，构建分析模拟方法，完善水资源评价、配置、调度和评估考核等功能；提供不同区域、行业用水情况分析对比、用水总量和效率分析评估功能，为考核、审批，以及指导、协调各地方取用水提供依据。特别是针对农业灌区用水节水需要提供监控、分析和灌溉方案制定等功能。

3.2 水生态修复

围绕“清四乱”等工作的要求，需要及时掌握水生态空间变化情况，提供支持巡查、处置、评估等工作的管理平台。通过分析多种类型、来源的数据，科学评判流域水系的健康状况，预测其变化趋势及治理措施的实施效果。针对湿地、河口等生态敏感区等引起的生态问题，需要着重进行现状监控、趋势预测和影响因素分析，为制定保护措施提供依据。

3.3 水环境保护

依据水资源保护职能要求，需要加强污染监控，分析污染特点与规律；围绕污染总量控制要求，提供限排方案辅助制定功能。针对突发水污染事件，提供处置决策依据和全过程管理工具。

3.4 水灾害防御

通过防汛抗旱、水工程运行监测体系信息集成，掌握流域内防汛抗旱减灾、水工程安全运行基本情况，进一步提高模型的计算精度，扩大运用场景，实现流域内汛情旱情预测预警、水库群联合调度、蓄滞洪区安全运用及水工程运行的安全管控，提高决策和管理的精细化和智慧化程度。

3.5 政务服务

需要构建政务信息的交互和业务流程协同处理平台，对政务工作提供规范、高效的支持手段，提高政务服务工作效率和水平。

3.6 公共服务

面向不同的公共服务对象，需要有针对性地提供信息资源和数据资料，提供行政审批等事务的便利化处理手段；通过加强舆情分析和构建公众交流平台，提升水利公共服务水平。

3.7 综合监管

针对各业务在数据、业务、平台等方面缺少共享与互动的现状，需要构建综合性的业务应用，集成多方面的涉水数据，及时发现、综合分析出现的问题，分配、协调各业务应用之间的工作，实现智慧化联动应用与分析决策。

4 重点业务应用

北方地区智慧流域遵循智慧水利总体框架[1]17-23，从全局和整体层面进行框架搭建，形成 “四横两纵”的总体架构，主要包括感知体系、信息网络、流域大脑、业务应用、安全体系、协同管理机制等部分，具体内容如图 1 所示。

其中，业务应用建设以强监管为主导思想，在汇集多源数据的基础上，充分运用流域大脑提供的分析计算能力及公共基础服务支撑，加强信息融合和智能分析应用，构建“1 + 4 + 2”智能业务应用体系，如图 2 所示。“1”以综合监管为核心，提供跨业务、区域的信息展示和工作协同，实现综合性的监督管理和分析处置；“4”针对北方地区流域重点业务，在水资源管理、水生态修复、水环境保护、水灾害防御 4 个方面，提供信息服务及分析、评价、预测、决策工具和成果支持[4-5]；“2”指政务和公共服务，分别面向水利行业和社会公众需求，提供更为广泛和智能化的信息支持及便捷的流程服务。

图 1 北方地区智慧流域总体框架图

图 2 北方地区智慧流域“1 + 4 + 2”智能业务应用体系示意图

业务应用突出体现智慧水利在北方和流域方面的特点：1）考虑北方地区的气候特点和水问题特征，开发有北方特色的应用功能，如精细化调度方案制定、低温条件下的工程安全运用监控分析、凌汛和旱情等情况的监视预测等；2）从流域整体的角度，考虑不同地区和不同业务之间的相互影响，如水资源调度方案制定，不仅考虑各地区、行业用水需求，还要考虑防洪、清泥沙、保生态等多业务目标需求及工程安全状况，因此，构建业务应用之间的关联，将相关数据、需求及分析结果传递至水资源管理业务应用以供制定调水方案，并通过综合监管判别调水方案与其它业务需求、分析结果之间的协调性，从而实现资源共享及业务协同。

4.1 综合监管

4.1.1 信息全息展示和异常情况处置

面向全流域快速汇集数据，全面掌握流域涉水信息，实现信息智慧化联动展示，依托模型云、算法库、知识库等技术基础，及时发现问题，启动、协调相关业务深入分析处理，监督执行情况，实现监管方案的结果跟踪、综合比对与分析评价，全面强化监管力度，落实监管责任。

4.1.2 业务协同

针对各业务、区域提出的需求，根据所涉及的相关业务，进行综合分析、协调处置和智能决策，构建服务于流域综合管理的协同支撑，提升监管效能。

4.2 水资源管理

4.2.1 水资源动态监控评价

实现水资源实时监控，利用水资源评价模型，按不同时间和空间尺度分析评价流域水资源状况和开发利用现状。

4.2.2 水资源优化配置

协调多水源供水、多目标用水之间的关系，针对北方地区生态环境用水严重不足的情况，在优先保障河道内基本生态和居民生活用水的基础上，统筹考虑各方面用水需求，对多水源进行联合配置。

4.2.3 水资源联合调度管理

利用气象预报和实时监测数据，掌握径流变化，预测来水情况，综合考虑流域内各水利工程的调度能力、效果和用水需求，生成精细化动态联合调度方案。

在调度方案执行过程中，实时监控关键断面过水量、工程运用状况、引水取水情况，判断生态基流等控制指标达标情况，结合滚动计算的来水预测结果，实现方案的实时修正。对历史调度方案执行效果进行分析，逐步建立方案智能优选方法，实现方案优选。在调度方案执行结束后，测算水量分配情况，进行调度评估考核。

在北方地区调水过程中，重点关注因低温冰冻对引调水造成的影响，根据气象、径流等监测数据及对结冰情况的观测，对比历史类似情况记录，分析预测冰的生成演变和输移及对调水的影响，模拟冰情生消演变的全过程，优选除冰方案，以此为基础对调水方案进行调整。

4.2.4 取水节水管理

实时监控取用水情况，按水源、区域、行业不同尺度分析用水情况，结合用水总量控制指标、取水许可、用水计划和定额等相关指标，实现异常情况报警。实现用水效率和节水水平分析，为相关考核、审批工作提供依据。结合水资源优化配置结果，提供取用水总量控制指标建议方案，协调地表水、地下水、外调水开发利用。

针对北方地区农业灌溉用水特点，以灌区为管理重点，利用地面和遥感监测技术，掌握气象、墒情、水源条件及灌溉过程，分析灌区用水节水状况，利用模型预测来水、分析用水需求、模拟灌溉方案、评估节水措施效益，结合闸门远程控制等技术，实现灌区精细化灌溉。

4.3 水生态修复

4.3.1 水生态分析评价

利用遥感、视频及人工智能识别等技术，结合舆情感知、问题上报、监督检查等多源信息，及时掌握水生态空间变化，加强对水生态破坏行为的监管，构建涵盖问题识别、问题上报、受理处置、反馈监督等各环节业务的闭环工作平台，并提供巡查管理、现场调度、绩效考核等辅助功能，加强河湖水域岸线空间管控。

建立水生态评价指标体系，利用实测数据定量测算、动态评估流域水系健康状况，通过预测不同情形下水生态变化，判别关键影响因子，为生态修复措施制定、评估和优化提供依据。

以水库湿地、骨干河道、河口等水生态敏感区域为关注重点，掌握具体关注对象的水生态状况，建立关注对象与上下游及周边环境的关联，分析评估要素之间相互影响，支持治理措施的制定、优选和调整。

4.3.2 地下水保护

以浅层地下水为主要监控目标，兼顾已开发利用的深层地下水，加强超采区和水源地、外调水受水区、海水入侵区等重点地区地下水监控，掌握地下水开采、回补及水质状况，掌握地面沉降、地下水埋藏位置及水资源量变化。利用地下水数值模拟分析方法，预测地下水变化情况，掌握降雨、开采、生态补水、海水倒灌等因素对地下水的影响。

4.3.3 水土保持

划分业务管理最小单元，实现流域水土流失综合治理、水土保持预防监督、水土保持监测管理等业务信息的采集编辑，检索浏览，统计分析，输出调用的智能化一体化联动管理。

加大土壤侵蚀定量模型研究力度，分析上下游、山区与平原、城市与乡镇水蚀风蚀的动态变化，掌握径流泥沙的运动与沉积情况，加强水土流失预测预报和分析评价，实现水土流失安全预警。

分析预测水土保持措施影响，提供水土保持措施方案生成、对比分析和效果预测评估，提供水土保持决策支持。

4.4 水环境保护

4.4.1 水质分析预测

以水功能区、水源地、行政区界、引调水沿线、河口为重点监控水质状况。围绕水质目标和污染物排放总量控制指标，加强污染源监控、分析和风险预警，实现不同来水条件、调水方案、灌溉模式和排污控制措施影响下的水质变化分析预测。分析计算动态纳污能力，围绕污染物总量控制要求，提供限排方案并跟踪分析实施效果。

4.4.2 突发水污染应急处置

整合监测、调查及外行业数据，以风险防控为目标，分析预判潜在风险源和易发生地点，及时识别、跟踪突发水污染事件，利用模型实现污染模拟、风险分析、处置方案推演和优选。遵循“统一决策、协同处置”的思路，构建信息服务、沟通交互、过程记录、信息发布、效果评估、措施分析等服务支撑，提供突发水污染风险预警、影响预测、事件处置、事后评估全过程辅助支持。

4.5 水灾害防御

4.5.1 防汛抗旱

以事件为主线跟踪洪水和干旱事态，打造多维智能分析、水工程联合调度、多目标调度情景模拟、场景式全周期记录的决策支持链条。

针对汛情，实现短时洪水精细预报，结合预报数据，进行动态风险分析，形成防洪形势分析报告，并实现对洪水预报、形势分析、洪水调度等全过程管理。针对北方地区特有的凌汛现象，利用遥感、视频等技术加强监测，掌握冰凌发生发展状况，并为防、蓄、分、排等措施实施提供数据支持。针对旱情，利用气象、水文、墒情等多源信息实现旱情监测，综合分析研判和预警预测。

同时，在调度方案制定过程中，综合考虑防洪、抗旱、清泥沙、保生态等多目标，多任务的调度任务及流域内各水利工程的调度能力，提供联合优化调度方案。

4.5.2 工程建设和安全运行

以水库、堤防、闸坝等水利工程为管理重点，利用三维模型、视频、传感等技术实现工程风险动态感知，实现工程安全状态监控、评估和风险预警；建设工程安全智慧管理平台，实现水利工程建设和运行全周期的安全监管。

4.6 政务服务

围绕资产、项目规划、财务、扶贫、机关事务等行政事务，利用信息融合共享、流程优化再造等手段，促进政务服务的规范化和跨部门的政务协同，对监督检查工作提供全流程支持，促进工作效率提升和质量提高。

4.7 公共服务

4.7.1 信息服务

面向社会公众，提供生产、生活和娱乐等活动所需的与水相关的信息服务，包括灾害事件预警预报、用水节水指导建议等；面向其它行业管理、科研、生产经营等单位，提供数据资料。

4.7.2 事务服务

构建行政审批办理平台，实现行政审批事项的在线办理和信息公开；构建水权交易平台，为地区间、行业间、用水户间开展水权交易提供管理工具，促进水权交易的规范和统一管理。

4.7.3 信息交流

广泛汇集互联网涉水信息，通过大数据智能分析，提取有效信息内容，筛选热点信息，预测舆情发展，归类业务方向，为有效的公共服务工作提供依据。借助公共网络媒介构建信息交流平台，及时了解公众需要，获取公众反馈信息，鼓励公众参与江河湖库监管。

5 结语

主要围绕北方地区流域特点提出业务应用方面的构想。通过北方地区智慧流域业务应用建设，实现三大突破：1）流域管理模式突破，变被动响应为主动应对[1]13，紧抓突出问题，逐步推进至全程监管，同时进一步强化监管力度；2）业务模式突破，由单一业务应用转变为协同联动模式，突出综合监管作用，推进信息共享，加强业务交流和区域协同，统筹协调各项工作；3）服务模式突破，改变水利信息化以面向行业内部为主的服务模式，积极应对社会对水利行业的需求，推进水利工作的重心转变，服务于社会发展。

在实际工作中，还应注意：1）由于不同流域在水问题特点、工作重点、管理模式、信息化基础等方面有所不同，在建设内容方面需有所区别和侧重；2）统筹规划、合理安排项目实施，加强相关单位、项目、工作的沟通协调，加强资源整合共享；3）在规划设计、体制机制、规范制度和技术手段等方面开展相应工作，提供有效的保障措施。

总之，北方地区智慧流域业务应用从服务流域管理全业务角度开展建设，必须牢牢把握北方地区流域特点，突出体现流域管理工作重点，从而有效提升流域管理工作水平。