智慧视角下的永定河综合治理与生态修复顶层设计

张 涛 黄 锐 王 妍

(水利部海委水利信息网络中心，天津 300170)

2017年2月，国家发展和改革委员会、水利部、国家林业和草原局联合印发了《永定河综合治理与生态修复总体方案》(以下简称《总体方案》)，在分析评价永定河现状及存在主要问题的基础上，从水资源节约与生态用水配置、河道综合整治与修复、水源涵养与生态建设、水环境治理与保护、水资源监控体系建设和流域综合管理与协同治理机制等方面，提出了重点治理措施，根据流域水资源自然条件和生态状况，按照有限目标、突出重点的原则，坚持“治理、恢复、涵养、提升”相结合，统筹山水林田湖生命共同体，突出水和林两个生态要素，把保障河湖生态用水放在突出位置，加大节水力度，遏制地下水超采，提升水源涵养能力，合理配置外调水，创新协同管理机制，集中利用5～10年时间，逐步恢复永定河生态系统，将永定河打造为贯穿京津冀晋的绿色生态河流廊道，逐步将永定河恢复为“流动的河、绿色的河、清洁的河、安全的河”，促进流域经济社会发展、产业结构转型升级以及区域生态文明建设[1]。

同年，《智慧永定河技术方案》启动编制，对永定河流域水利信息化进行顶层设计，紧密结合永定河综合治理和生态修复工作需要，衔接《总体方案》中各项治理措施和海委、两省两市(山西省、河北省、北京市、天津市)、永定河投资公司的信息化工作。本研究重点以智慧化视角，从透彻感知、网络互联、支撑环境、数据管理、业务应用、保障体系等层面探讨新一代新信息技术与永定河流域核心管理工作的融合应用[2]，以期为河流综合治理与生态修复提供人物交互、科学分析、决策支持等提供支撑，从而实现《总体方案》信息化层面的有利补充和深化提升。

1 现状与需求

《京津冀协同发展规划纲要》明确提出，要推进“六河五湖”生态治理与修复。永定河是“六河五湖”中的重要河流之一，是京津冀区域重要水源涵养区、生态屏障和生态廊道，先行开展永定河综合治理与生态修复，打造绿色生态河流廊道，是京津冀协同发展在生态领域率先实现突破的着力点，对改善区域生态环境具有重要的引领示范作用。

1.1 水资源

永定河山区水资源总量26.61亿m3，人均水资源量276m3，仅为全国人均水资源量的9.8%。近年来，受气候及下垫面变化影响，水资源量呈明显衰减趋势，随着经济社会的发展，地表水开发利用率达到89%，远超国际公认40%的合理开发利用红线；山区浅层地下水实际开采量占可开采量的94%，开采总量接近上限。目前，正在逐步深入实施永定河生态水量调度和节水措施，这些措施是保障永定河生态水量、改善流域水生态环境的重要手段，急需全面监控、精密计算、智能决策的技术手段。

1.2 水安全

永定河是京津冀区域重要的防洪安全屏障。作为全国四大防洪江河之一，实施防洪薄弱环节治理，消除防洪隐患，对京津冀协同发展重大国家战略的实施具有重要意义。需通过防汛抗旱基础监测体系、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，基于全面的基础数据建立相关模型，实现流域内水库群联合调度、旱情预测预警、蓄滞洪区安全运用以及水工程运行的安全管控，逐步实现永定河流域内水安全保障业务的智慧化。

1.3 水环境

永定河现状水功能区主要污染物COD、氨氮年均入河量分别超过纳污能力1.5倍、7.6倍，41个水功能区中只有11个达标，达标率仅26.8%，水质为Ⅴ类和劣Ⅴ类的河长占总河长的52%以上。需要通过加强污染监控，掌握污染特点与规律，构建模型分析纳污能力，提出限排方案，强化污染控制；针对突发水污染事件，汇集多源数据并构建模型组，提供全过程辅助支持技术手段。

1.4 水生态

目前，永定河上游水源涵养能力差，水土流失依然严重，仍有1.5万km2需要治理，生态用水被大量挤占，下游平原河道1996年后完全断流，平均干涸长度140km，局部河段河床沙化，地下水位下降，地面沉降。需要深度管理与挖掘遥感、视频、监测等不同类型、来源的数据，构建专业模型，加强流域水生态环境特别是湿地、平原骨干河道、入海河口等敏感区域以及地下水采补、水土流失等情况的实时监测、预测预警，动态分析模拟变化过程，分析判断影响因素，实现治理效果综合评估和智能化决策，同时，通过生态补偿管理业务应用，为生态补偿管理工作提供支撑。

2 内 涵

智慧永定河是永定河流域水利信息化建设和现代化管理相结合的通俗易懂的一种表达，以永定河水利管理精细化、决策科学化、调度协同化、服务社会化为出发点，永定河综合治理与生态修复需求为导向，以水管理单元为对象，应用云计算、物联网、大数据、智慧感知、移动互联网等最新信息技术，从空间结构、时间过程、特征属性和客观规律4方面对永定河流域进行全息化描述，以面向问题和面向对象的组织方式，采用业务系统、专业模型和对象参数相分离的构件化方式，实现永定河流域水事活动描述全息化、水利控制工程监控自动化和辅助决策科学化，为实现永定河的综合治理和现代化管理提供技术支撑，实现智慧永定河“透彻感知、全面互联、深度融合、广泛共享、智能应用、泛在服务”[3]的总体目标，是永定河生态廊道修复和河流现代化管理的重要标志。

智慧永定河=数字永定河+人工智能(AI，Artificial Intelligence)技术+管理机制创新(MI，Management Innovation)。数字永定河是以永定河流域为对象，应用遥感(RS)、数据收集系统(DCS)、全球定位系统(GPS)、地理信息系统(GIS)、网络和多媒体技术、现代通信等科技手段，对永定河流域的资源、环境、社会、经济等各个复杂系统的数字化、数字整合、虚拟仿真的信息集成应用系统，并提供决策支持的可视化表现；人工智能是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学，人工智能技术包括机器学习、深度学习、人机交互、自然语言、机器视觉等多个领域在内的信息新技术；管理机制创新是运用现代科技手段唤醒传统水利管理机制，推动数据资源和新技术在生态治理、政府管理、民生服务领域的应用，促进管理机制向生态型、民生型的智能化转型。

3 总体框架设计

从全局和整体层面进行设计，横向形成感知层、网络层、永定河大脑、应用层4个层次，纵向形成网络安全保障体系、协同管理体系两个体系的总体架构，见图1。江河湖泊、水利工程、水利管理活动以及其他各类信息，经过水利感知系统和传输网络汇聚到永定河云，形成数据资源池。通过对池中数据进行整理形成数据资源目录，实现统一的数据管理与服务环境，基于标准的应用使能和应用支撑平台设计，为水利大脑提供业务支撑、服务支持、服务决策与综合运维的基础能力，实现上层智能应用，推动水利领域各类业务的智慧化运行，服务水的精细管理[4]。

4 分项设计

4.1 感知网设计

围绕永定河流域的水利业务需求和水利监督工作要求，利用物联网传感器、视频图像捕捉、遥感、无人机等技术提升综合感知能力，建成覆盖永定河全流域277条河流，包含气象、水文、工情、墒情、灾情、水质、水生态、水土保持、地下水以及社会经济信息在内的空天地一体化永定河感知网，包括基础感知网构建、动态感知能力提升和购置数据汇集平台建设等内容，为永定河流域水事活动提供基础、准确、可靠的数据源。

4.2 永定河大脑设计

按照水利信息资源整合“五统一”的总体要求，永定河水利大脑由“一云一池三平台”构成，包括永定河云、数据资源池、信息资源平台、应用支撑平台和智慧使能平台。

永定河云整合各类基础计算、存储、网络、机房环境等资源，通过云管平台提供云IaaS(基础设施即服务)能力，为用户提供弹性、可定义、按需分配、特性丰富的云化资源。

数据资源池主要存储空间、基础、监测、业务、多媒体、元数据及互联网数据等各类数据资源，并提供数据资源交换共享服务,提供云DaaS(数据即服务)能力。

信息资源交换服务平台、应用支撑平台和智慧使能平台共同组成支撑层，提供云PaaS(平台即服务)和部分云SaaS(软件即服务)能力，实现计算、存储、网络等资源的弹性分配，统一运维，实现永定河流域水利行业、其他行业和互联网数据的归集、治理、共享和开放[5]。

4.3 数据架构设计

数据架构是描述数据在永定河相关单位内部及之间全生命周期管理的流程、参与流程的功能组件以及它们之间的相互关系。围绕业务应用数据和大数据，按照数据汇集、数据治理、数据存储、数据共享、数据应用的流程逐级流转(见图2)。通过数据调度、数据监控、元数据管理、数据质量、数据标准，保障了数据生命力。基于永定河云数据中心和分布式计算、存储和管理技术，支撑大数据管理和应用。水利业务应用数据和大数据通过数据资源池的全域数据采集、标准规范数据架构、深度萃取数据价值、统一数据资产管理和统一主题式服务，形成对业务应用和管理决策过程的支持。

图2 智慧永定河数据架构

4.4 基础设施云架构设计

智慧永定河基础设施云采用“三中心、四节点”的总体架构(见图3)，包括海委主中心、主中心同城异址的备份中心和永定河投资公司运营中心3个中心，并在北京、天津、河北、山西4省市水利部门分别建设子节点。借助统一的云管理平台，构建计算资源池、存储资源池和备份资源池，实现资源统一管理和按需服务。同时，可以与公有云或各节点本地政务云相结合，构建混合云架构，实现私有云、公有云及政务云的统一管理、统一运维。

图3 智慧永定河基础设施云架构

4.5 网络架构设计

智慧永定河网络设计采用层次性网络结构，按流域/省市级、地市级、县级、乡镇级4级网络架构，实现流域内自上而下各部门网的互联互通，并实现流域内各省市政府网络互通。

充分利用通信专网资源,结合租用公网链路，在现有永定河流域网络的基础上，通过光纤、4G/5G、卫星传输等有线、无线、近距离、中距离、远距离各种不同的方式进行组网，主要包括水利业务网和水利工控网。水利业务网分为业务骨干网、数据中心网、城域网、部门网、感知通信网和应急通信网，并与水利工控网物理隔离，仅在生产管理区单向连接。智慧永定河网络架构见图4。

图4 智慧永定河网络架构

4.6 业务架构设计

围绕永定河综合治理与生态修复目标，以强监管为主导思想，遵循“分工明确、数据共享、业务协同”的思路，构建以综合监管为核心，支撑永定河流域水资源节约与生态用水配置、河道综合整治与修复、水源涵养与生态建设、水环境治理与保护等重点治理措施，兼顾政务服务、公共服务等工作内容，服务于“监控分析、决策处置、反馈评估”全过程的业务架构(见图5)。

图5 智慧永定河业务架构

通过综合监管，改进单一业务方向的管理模式，对永定河流域状况进行全方位在线监控，综合运用多源信息，及时识别问题并启动相关业务深入分析处理，全面强化监管力度；同时，统筹各项工作内容，加强业务协同，对各业务提出的需求、方案等进行综合分析和协调处置，落实监管责任，提升监管效能。

在综合监管的统一协调下，通过水资源管理、水生态修复、水环境保护、水安全保障等业务，积极应对永定河流域在水资源、水生态、水环境、水灾害等方面存在的具体问题。同时，在政务服务和公共服务方面，通过资源整合挖掘和流程优化完善等方式，扩大服务范围，完善服务内容，改进服务模式，提升流域管理能力与公共服务水平[5]。

4.7 网络安全体系设计

构建覆盖智慧水利综合感知、分析处理和智能应用全过程的网络安全防护体系，主要任务包括永定河大脑、移动互联网、网络边界、园区网、物联网、工控网等主要防护对象的网络安全防御能力提升；建设并完善覆盖海委、两省两市及永定河投资公司、关键信息基础设施运行管理单位的水利统一身份认证服务、统一密码服务，建设3级以上信息系统异地数据备份，关键信息基础设施实现应用级容灾备份；建设网络安全数据采集系统，综合获取多方威胁情报数据并进行数据分析，构建集中安全管理控制平台，实现智能预警、主动防御、高效处置的网络安全能力，保障各类水利业务安全运行。

4.8 协同管理机制设计

协同管理机制包括建设与运维协同管理、数据资源协同管理在内的多方协同管理机制，并构建永定河智慧程度评估指标体系，包含永定河信息感知度、网络连通率、智慧永定河大脑服务程度、业务应用覆盖率、安全保障度、管理有效性等因素，用于分析智慧永定河建设程度，确定优势环节和薄弱环节，有针对性地开展下阶段工作，优化项目建设内容和建设进度安排，促进智慧永定河建设深入推进。

5 结 语

智慧永定河是助力实现永定河综合治理与生态修复目标的重要支撑，也是推动永定河流域综合管理与协同治理机制创新的信息化手段。通过从“数字永定河”到“智慧永定河”的转变，水利信息化支撑着永定河流域水资源节约与生态用水配置、河道综合整治与修复、水源涵养与生态建设、水环境治理与保护等各项业务工作，智慧永定河也将成为永定河流域涉水管理单位管理手段提档升级的重要依据。下一步，还需要根据永定河综合治理与生态修复具体项目的实施，将应用设计进行深化和落地，力促永定河流域从传统流域治理向流域综合治理能力现代化转变。