鄱阳湖数字湿地生态调控智慧管理平台设计与应用

吴 勰，王振兴

(1.中铁水利水电规划设计集团有限公司，江西 南昌 330029；2.生态环境部华南环境科学研究所，广东 广州 510655)

湿地已成为全球遭受破坏最为严重的生态系统之一，并引起国际社会的广泛关注[1-3]。工农业快速发展导致湿地环境污染、生态退化、功能下降[4-5]。目前我国有60%的湖泊受到不同程度的污染，且其中30%污染非常严重。每年约10.4亿t工业废水排入鄱阳湖，威胁湿地生态安全。因此，开展鄱阳湖湿地保护迫在眉睫。

然而，鄱阳湖湿地管理总体上呈零散、粗放的模式。已有的传统管理平台[6-7]存在技术集成度低、业务耦合水平差、操作复杂、缺少生态调控管理功能等缺陷[8]。基于前期湿地管理研究成果[9-10]，本研究注重鄱阳湖湿地智慧管理的数字化、网络化、可视化、智能化[11-12]，综合运用云计算、三维WebGIS、遥感、水量水质模拟等多种技术手段，开展了水资源管理仿真系统的设计，建立了鄱阳湖湿地水量、水质联合调度集成模拟模型，开发了鄱阳湖数字湿地生态调控管理平台，成功应用于3914座水库、285条堤防、138座水闸、29个供水工程、28个泵站、13个灌区的水利行政主管部门和水利工程管理单位，以期为我国湿地生态系统的科学保护、合理开发和可持续利用提供技术支撑。

1 关键技术

1.1 平台总体架构

平台基于“五层两翼”框架设计，架构如图1所示。“五层”为智慧应用层、应用支撑层、数据层、基础支撑层、感知层；“两翼”为信息安全保障体系和标准规范保障体系。

图1 鄱阳湖数字湿地生态调控智慧管理平台

感知层采用物联网技术，通过快速、准确地采集、推送和分析雨量、水位、水质、水量、工情和视频等各类信息，动态掌握水库安全情况，构建水利设施安全、水环境、水资源、水生态等的实时感知体系，实现对湿地运行管理过程及时、全面、准确、稳定的监测、监视和监控。

数据层通过对数据资源的全面梳理，物联网接入子系统整合管理中心及外部相关单位的数据，构建包括基础库、监测库、业务库及大数据库等子库的综合数据库，为上层应用提供统一的数据支撑。

应用支撑层基于SOA架构，建设以中间件及辅助决策模型为核心的支撑平台，管理、监测并协调所有服务请求的开发与运行环境。功能包含地图服务、统一认证、权限管理、消息管理、流程引擎、表单管理、搜索引擎、决策支持等。

智慧应用层包括数字湿地平台、湿地智慧管理和湿地智慧调控。数字湿地平台基于大屏端可视化展示工程概况、运行管理、三维仿真、远程巡检和智慧决策等图层，提供辅助决策的各种信息化手段；湿地智慧管理基于电脑端和移动端分别按综合首页、监测监控、智能巡检、工程管理、资料整编、移动端等提供各类专题应用系统，满足各种维度的业务需求；湿地智慧调控根据前期和现时的水文、气象、环境等信息，利用模型分析揭示和预测洪水的发生及其变化过程，主要包括洪水预报、水力调度、洪水演进、风险预警、电子沙盘、生态流量、数字河长等。

1.2 平台性能设计

采用工业化标准，遵从软件技术规范的同时，平台设计还具备如下特点：①稳定高效实用性，支持系统7×24小时稳定运行，关键业务系统采用集群系统，避免意外的系统宕机。②通过合理的UI和UE设计实现数据更新及时高效。③数据调用快捷准确，各页面的响应时间一般应在3秒以内，一般操作响应小于1秒，复杂查询响应小于3秒，处置方案和分析评估报告生成小于5秒。对较长时间历史数据的检索可放宽到分钟级，一般控制在1分钟以内。④操作维护简便，通过页面合理布局、标准控件，以及避免臃肿的界面设计，实现各类业务功能的简便操作和维护。所有故障状态和信息系统均自动记录和存储，便于故障分析与应对。对于系统中有关系统配置、运行参数、节目表的修改等，提供直观、方便的修改界面。⑤数据组织合理，根据日常业务和战时业务数据及应用特点，针对领导、值班人员、系统管理员等用户特点，分别对数据进行有针对性的组织及展现。⑥系统的结构要具有很好的扩充性，设计中保证系统结构模块化，软件功能可以积木式拼装等，保证系统的开放性和可扩展性。系统对于未来可能增添的新服务系统、新数据库、新功能、新用户都能够方便接入，系统可以随着业务的发展而不断平滑演进。⑦通过当前主流中间件技术、存储与备份技术、Web Service技术、SOA架构、J2EE架构与XML，可以很好地满足本系统与各类系统、服务等的有效兼容。

1.3 数据流程设计

平台基于三维GIS开发平台的B/S架构，实现矢量地图与水利模型数据叠加发布，同时采用支持完备的二次开发接口的新一代Applet技术，实现灵活的行业应用扩展功能。以水资源管理工作流程如图2所示为例，数据通过各功能模块、服务器、数据库管理软件、GIS平台、客户端，实现储存、更新、传输、可视化、空间分析、发布等功能。

图2 湿地水资源管理工作流程图

空间数据分矢量和栅格两种不同形式分别存储于服务器中。平台的数据流程图如图3所示，展示了主要数据通路及处理的主要阶段。

图3 湿地三维GIS系统数据流程图

2 功能设计与应用

功能模块主要包括湿地三维模拟仿真、湿地水量水质调度、湿地生态流量调控、湿地水文预报与灾害预警、水利设施安全监测、工程建设运行管理、湿地河长制数字化管理等。

2.1 湿地三维模拟仿真

湿地三维模拟仿真对象为湖区、库区、河流，以及6794个水库站、1073个河道站、103个堰闸站、6942个雨量站以及347个流量点、111个闸门点、364个视频点、2437个图像点、21个用水户等。采用3Dmax建模方法，对水库进行精细三维建模，利用三维建模软件制作的水利工程仿真模型叠加在三维场景中，使鄱阳湖湿地特征得到形象逼真的展现。

2.2 湿地水量水质调度

湿地在环境中的作用主要是水的净化、防洪和岸线和生态稳定。以往的湿地水利调度管理偏重于依赖视觉、嗅觉等传统经验做法来确定调引水量和调水历时等因素，本平台实现水资源、水环境和水生态调度的科学、高效和智能化管理。根据湿地实际需求，以水量、水质联合监测、模拟为基础，耦合综合水质最大改善、防洪程度和综合缺水最小影响的目标，建立了湿地水量、水质时空分配联合调度模型。可提供水源地、水质、供用水量、排水量及生态环境等各类相关信息查询服务，定期向社会公开信息，提供及时准确的在线查询、预警发布等服务。实现三条红线控制管理、监测信息服务、水资源信息发布、水资源综合信息服务、水资源业务管理系统等功能，达到节约水资源、改善水环境质量、恢复水生态功能的目的。

2.3 湿地生态流量调控

根据河段形态、补充水量的总贮水量和调蓄设施的分布及数量等条件，建立符合当地实际情况的生态流量计算与调控补给模型。利用GPS、RS和GIS技术为支撑，组建一个由基础地理数据、高清卫星影像数据、全方位的水文水资源数据和河道专题数据组成的空间数据库，通过对湿地内水电站等民生水利工程的水位、水利设施下泄流量、水质等的综合分析，实现湿地生态流量调控。

2.4 湿地水文预报与灾害预警

基于地图展示区域内雨情监测站点，通过对各点在选定时间段内降雨量、蒸发量进行预测及水位现状监测，实现对该点位及附近的水文预报与水情监控。通过平台录入管理系统可对站点进行录入，保证监控点位的有效覆盖。对区域内山洪灾害频发点进行实时监控，包括水位、雨量以及图像监控，联动采取预警短信提醒方式，实现对山洪、污染等的灾害预警。同时提供水位、雨量、水质应急监测变化统计，作为分析数据支撑，基于水污染突发事件发生和演化具有衍生性、快速扩散性、耦合性以及传导变异性等特征，构建了鄱阳湖水文预报与灾害预警联合调度模型和突发事件处置中态势精准预测体系，为湿地生态环境风险的防控提供技术支持。

2.5 湿地河长制数字化管理

湿地河长制数字化管理实现对湿地内河湖总数、河湖长数、巡查次数及情况、督办任务、社会监督、监测点位数量等的统计，并辅以考核管理机制，在模块内联动完成河湖长责任落实的数字化管理。

3 结语

鄱阳湖数字湿地生态调控智慧管理平台的研究与实践为湿地水资源、水环境、水生态的精细化管理提供了现代化工具，大大加强了生态环境、水利、自然资源、农业等不同行业相关业务之间的联系。平台在行业内的深入实践与应用，实现了湿地管理中不同行业信息化平台的无缝衔接，为我国湿地生态系统的环境保护、合理开发和可持续利用提供了技术支撑。平台在全面体现智慧湿地、智慧流域的技术体系和评价指标，以及在依托卫星遥感应用，结合地面监测手段，逐步建立“天-地”一体化“水利-环保”监测综合体系等方面存在不足，需进一步深入研究。