永定河智慧化水资源监控与调度系统建设关键技术

袁 军，张 瑞

（水利部海河水利委员会，300170，天津）

《永定河综合治理与生态修复总体方案》（以下简称《总体方案》）提出要建设智慧永定河，率先实施永定河智慧化水资源监控与调度系统建设，为保障河流生态水量，实施流域水资源统一调度提供科学决策。因此，按照《总体方案》提出的要求，构建永定河智慧化水资源监控与调度系统，以提升流域水资源管控能力、促进智慧永定河建设。

一、系统架构和主要功能

1.系统架构

永定河智慧化水资源监控与调度系统建设突出对感知信息的应用，以监测体系和数据永定河平台为基础，以利用模型提供分析计算支撑的业务系统为核心，以安全体系为保障，形成系统总体框架（见图1）。聚焦《总体方案》提出的“监督、监控、评价、评估、调度、预警”6项核心功能，将视频监控、遥感监测、三维仿真、基础设施云、大数据、专业模型等新一代信息技术与水利业务深度融合，为永定河综合治理与生态修复工作提供技术支撑。

2.系统功能

（1）信息全景展示

依托三维仿真影像、平面地图、概化图三种模式，提供覆盖全流域的信息全景展示平台。对永定河地理环境、自然资源、河流水系、水资源、水生态环境、水利工程及经济社会状况等要素集中展示，整合监测、属性、视频、业务等数据，全方位、多视角、递进式地展示各类水利对象的信息，实现点、线、面信息综合检索和“一站式”信息服务。

（2）实时优化的水资源调度决策和调度全过程管理

图1 系统框架

预测来水形势，统筹本地水、外调水、再生水等多种水源，优先保障生活用水与河道内基本生态用水，兼顾工农业用水需求，综合运用各种工程措施，制定调度计划；调度过程中，实时监视重要断面水量变化和工程运行，监督生态水量目标实现情况，滚动预测来水，实时优化调度方案；调度完成后，分析调度执行情况和实施效果，实现调度监督考核和水量测算，支撑流域生态水量统一调度管理。

（3）多层次多角度的治理效果评估

分析评价永定河流域水资源、水环境、水生态状况变化，判断治理目标实现情况，评估《总体方案》实施效果。特别是对农业节水这一重要措施和评估难点，系统提供节水效果和节水潜力分析评估功能。在效果评估的基础上，分析判别水生态环境修复关键影响因子，指导治理措施的落实和优化，为修复治理工作部署提供决策依据。

（4）基于遥感数据的耗水分析和灌溉管理分析

利用遥感数据分析流域水库蓄水量和中下游河段水面变化，基于耗水管理理念，对照不同水平年的耗水控制目标，实现流域内人类活动的可耗水量、可支撑的农业最大规模等内容分析，并针对灌区灌溉管理，提供灌区作物耗水过程、灌溉用水效率和作物水分生产效率分析等功能，通过变化过程分析和不同地区、灌区间对比，分析评价灌区节水水平和先进的地区、灌区，促进流域用水管理水平提高和水资源的高效利用。

（5）公众服务

利用微信公众号发布永定河治理工程进展等信息，提供信息交互平台，加强信息公开，促进公众参与；同时，针对农业用水比重大、节水任务重的实际情况，利用APP 为农户提供灌溉建议，提升公共服务能力，促进农户主动节水意愿的提高。

二、系统特点和优势

1.全覆盖全要素的监测体系

利用覆盖全流域、重点监测永定河干支流重要控制断面、省界断面、水功能区、重要水利枢纽、大中型灌区的800 余个站点，采集水量、水质、水生态、工情、灌区取水、入河排污、气象、地下水水位等8类监测信息。

在补水工程、省界断面、干流重要断面、重要支流汇入断面及重要水利工程等位置，布设视频监视点，实时掌握水利工程运行情况、现场河道水体变化情况、沿线输水动态、水头位置及周边环境，并结合智能识别技术采集水位和闸门开度等数据，进行辅助观测。

充分发挥遥感监测范围广、信息量大等优势，定期采集流域土地覆被、种植结构、水体变化、蒸散发和生物量等关键参数，用于分析流域水量平衡变化过程、灌区节水改造效果。

2.数据资源的全面汇集共享

利用以海委为流域节点、以流域内各省级水行政主管部门和永定河流域投资有限公司为分节点的数据共享系统，从各级水利部门、气象、生态环境等部门及互联网全方位获取涉水信息，实现各相关行业之间、系统内和已建系统之间的互联互通和数据共享，一方面通过跨区域、跨部门、全方位的信息汇集，满足系统运行需要，另一方面根据各单位的业务需求，实现系统掌握的数据资源共享，使数据发挥更大效益。

3.基于在线模型的实时调度决策

将大数据分析、多目标优化、模糊逻辑评价、敏感性分析等方法及分布式水文模型、遥感水文模型、区域宏观经济投入产出模型、水质预测模型等进行有机耦合，形成以大数据智能分析为驱动的永定河水资源动态评价与生态水量实时调度模型，支持系统功能实现。

同时，为保障各断面生态水量满足目标要求，模型利用动态反馈机制，基于实时数据驱动进行在线滚动计算，实现调度方案的动态调整和实时优化。

4.三维技术支持下的精细化管理

利用测绘与地理信息技术，建设覆盖全流域的三维仿真数字场景，实现海量空间数据管理和多尺度三维场景无缝衔接。利用流域数字场景和河道精细数字场景，真实再现流域和骨干河道的地形地貌特征；利用水库、水闸、补水工程等31 处重点水利工程实景模型，逼真展现工程空间布局和外部结构；利用册田水库、三家店拦河闸2 处工程BIM 模型，实现工程信息全数字化。

三维仿真数字场景提供交互式三维可视化操作平台，支持场景浏览、信息查询展示、空间定位量算、调度方案动态模拟等功能，实现流域状况的全景展示、调度执行过程和实施效果的直观演示及水利工程信息的精细管理。

三、结 语

永定河智慧化水资源监控与调度系统以多要素、全方位的监测数据为基础，实现信息资源汇集共享和综合应用；以生态水量为首要考虑因素提供调度方案制定、实时优化和评估等功能，为流域水资源统一管理和决策提供依据；利用模型实时大体量数据计算，分析流域复杂水网中水资源“从哪来、可利用量、谁在用、可调度量”等，研判流域水资源、水生态环境动态变化，提高流域水资源调控能力，服务于《总体方案》实施阶段目标考核、效果评估以及治理达效后监督监控预警，对提升水资源保障能力、推动流域综合治理、促进区域互动合作和协同管理、维护永定河河流生命健康具有重要意义。

同时，系统仍将积极探索新技术在水利业务中的应用，遵循智慧永定河建设框架，为智慧流域的建设奠定基础。随着生态水量调度和流域治理的全面推进，系统可进一步扩展和完善，如利用人工智能技术优化调度方案、优化关键影响因子筛选方案、完善感知技术等。同时，也可充分利用系统建设成果，在水旱灾害防御、水土流失治理等业务方向开发新的功能，为永定河智慧化管理提供支撑服务。