为水务管理增添智慧大脑——记中国水利水电科学研究院教授桑学锋

谢更好

随着经济社会发展，用水总量呈现不断变化，水重复利用的强度和频度也不断增加，区域水资源系统显著呈现出了复杂性、动态性和联动性。2013年，联合国教科文组织（UNESCO）明确将“促进水资源的治理、规划、管理、分配和高效利用”作为今后十年国际水文计划（IHP-Ⅷ）的第三大战略计划之首。可以看出，开展水资源供需动态响应机制与模拟方法研究，对于高强度缺水地区水资源高效利用与科学调控具有重要的科学意义。

面对这些复杂的情形，应该如何开展区域经济社会发展用水系统与径流变化的相互作用研究，揭示水资源系统供需动态响应机制？又该如何构建区域水资源动态模拟与调控模型，实现“径流-供水-用水-排水”的联动模拟与合理调控呢？

带着这些问题，记者专访了中国水利水电科学研究院水管理室副主任桑学锋。多年来，桑学锋主要从事水系统模拟、优化配置及水资源水环境综合规划管理、软件设备研发等方面的研究工作。而这项工作的终极目标，就是给水务管理增添智慧大脑。

从结缘到深耕

谈及水资源与水环境，桑学锋有说不完的话题。他介绍，以黄河流域为例（根据《黄河流域水资源综合规划》2009年），流域地表水可利用量327.9亿立方米，现状流域实际地表供用水量约370亿立方米，但入海水量没有减少。

“从水量平衡上，表明了水资源利用有大量的引出水量，也有相当部分水量退回到河道，存在大量重复利用水量问题；从内在机理上，这说明黄河水资源系统一次性水资源和回归水等二次型水资源存在一个联动的关系，河道流量受供水和用水户排水的联合作用，同时上下游取用水存在动态响应；从科学模拟上，区域水资源系统显著呈现出了复杂性、动态性和联动性，如何开展水资源动态变化下适应性模拟与调控，是水资源管理的新挑战。”桑学锋表示。

围绕水资源开展研究，是桑学锋的工作，也是他的乐趣所在，可以说从小时候就埋下了种子。“我从小就生活在农村，当时村里有大河、有水库，每年下雨的时候特别开心，好奇山里的泉水能喷几天，也总是期待这个泉水能多喷几天。”桑学锋回忆。

1999年，桑学锋参加高考，进入中国矿业大学的环境科学专业，当时学校要求学生辅修另外一门专业。“我的同学有的学了工商，有的学了会计，而我当时报的是计算机专业。”桑学锋说，这种专业的交叉对他之后的工作产生了深远的影响。

在兰州大学硕士求学期间，桑学锋对塔里木河、吐鲁番的地貌结构及党河流域等干旱的河流规律有了深刻的认识。

博士阶段，桑学锋师从中国水科院王浩院士，专攻水资源系统模拟与配置。“从西北来到北京，看到所里有那么多的知识体系，周围还有那么多的知名专家，这让对知识如饥似渴的我得到了极大的满足，汲取了很多经验，感谢老师和前辈的指导与培养。”桑学锋回忆。

毕业后，桑学锋来到中国水利水电科学研究院工作，至今已有11年了。近年来，他在水资源调控方面建树颇丰。

在水资源巨系统优化配置方法方面，桑学锋创新研发了基于HF树原理的水资源系统网络拓扑技术、非支配双层遗传水资源配置全局优化方法等核心技术，基于此技术构建出全国水资源调控模拟器，为国家水资源承载力调控及评估提供支撑。

在水资源综合调控方面，他提出“实测—分离—聚合—建模—调控”的水循环时序动态反馈模拟方法，研发水资源循环模拟与水资源配置无缝综合模拟模型（WAS），为实现二元水资源循环模拟与调控提供了新的探索。

如今，作为项目负责人，桑学锋承担50多项国内国际重大项目，先后获省部级科技进步奖一等奖3项、二等奖1项、三等奖1项；山西省水利科技应用推广特等奖1项，山东省、广西壮族自治区水利科技进步奖一等奖3项，《水利学报》优秀论文1篇；目前，已出版专著11部，发明专利15项。

从ET到GWAS的水资源管理

耗水（ET）管理是国际上最新的水资源管理理念，桑学锋介绍，ET管理是以区域耗水为总控，以取水控制和用水管理为手段，实现区域经济社会和生态环境协调发展为目标，这与传统的节水管理是有区别的。

2010年，作为技术负责人，桑学锋在《GEF海河项目天津市水资源与水环境综合管理规划》中，提出了基于ET控制的用水总量控制及定额管理定量阈值，以及区域水资源高效利用的耗水管理模式和适应性对策。通过项目的实际应用，桑学锋进一步拓展了传统水资源管理的理念和方法，从识别经济社会用水与河道流量动态响应的关键因子入手，研究经济社会用排水动态变化对径流影响关系和作用机制。这些研究结果已为缺水地区实施最严格水资源管理提供了技术支持。

2012年，在“甘肃庆阳市水资源综合规划”项目中，桑学锋和团队针对马莲河苦咸水特点，提出“技术研发—中试实践—扩大生产”的开发利用模式，突破内陆河流的高矿化度、高含沙、流量波动大、水温变化大、原水和尾水调蓄难等难题，并进行了为期12个月的中试，优化了技术方案，实现了实践落实和应用。

也正是基于这些实打实的项目经验，桑学锋和团队在水资源所近30年配置理论方法和实践应用基础上，开发形成了完全具有知识产权的水资源通用配置与模拟软件（General Water Allocation and Simulation Model, GWAS）。

GWAS不仅创新了模型单元层次化自适应剖分方法，自主研发了基于精英策略并协遗传算法，还攻克了超大配置建模存储技术。通过应用GWAS，可以实现水资源评价、水资源配置、规划与管理决策分析；此外，还能掌握人类活动影响下的水资源变化，并做适应性调控。

“水资源配置是水资源管理中核心技术，而软件能潜移默化地影响其用户对水资源问题的认识和分析方法。但是多年之前，我们国内没有一个通用化的配置模型软件，反而是众多国外知名模型占据了我国水资源规划管理方面的软件市场。要突破国外产品的控制，就必须自主创新。此时，我们需要一个代表作。”桑学锋道出研发初衷。

如今，水资源通用配置与模拟软件（GWAS）已通过全国水利先进实用技术推广名录及工信部软件产品登记测试，获GWAS商标授权1项，并入选2019年全国水利先进实用技术重点推广指导目录。全国范围内覆盖产-学-研单位用户下载1330余次，实现了极高的应用价值。

从物联网到人机交互的智慧调度

未来，水源供水调度需求将越来越多样，工况将越来越复杂、影响调度的数据要素越来越繁多，调度难度也将越来越大，人工调度面临难以有效保障的现实，智能辅助、智慧调度的需求已越来越迫切。

甘肃马莲河现场分析

GWAS作为华为智慧水务供水调配系统平台的核心驱动，在深圳、江西等地得到了推广应用。“为适应复杂的工况和工作的难度，在《深圳市水源供水智慧调度系统实施方案》中，我们根据‘感知—响应—决策—指令—动作—评价’的逻辑思路，分步构建水源供水调度系统，先实现‘智能辅助’，再达到‘智慧调度’，做到一次规划、持续完善提升，逐步演进达到预期目标。”

“水利信息化是智慧水务的基础，水利信息化再往上升一级就是智慧水务，但智慧水务不仅要有这些信息，还需要有一些模型方法的决策。这之后，实现计算机代替大脑、人工辅助智能决策的系统，才是智慧水务系统的终极想法。”桑学锋介绍，该项目将通过整合，形成从源头到用户“全链条、全流程、全要素”一个系统，最终能够达到“随时随地、应需而动”的智慧调度目标。而实现这个目标，则需要各种先进技术的耦合：采用物联网技术，为业务应用提供数据支撑，实现智能感知；构建基础设施，为智慧水务提供信息传输通道、安全基础设施运行环境；依托水务大数据，服务数据存储、管理和使用，模型服务以大数据作为模型输入，为业务应用提供决策支撑；应用层业务提供智慧调度、智慧管理、智慧服务三大平台，展示层包括多种人机交互展示方式。

“未来两年，这个智慧水务的系统就会部署到现在水务局的调度大厅。”提及研究方向的未来发展，桑学锋信心满满。