泉州市水资源综合调度平台设计与应用

郑锦材

（泉州市水利局水利工程质量与技术监督站，福建 泉州 362500）

0 引言

泉州市是福建省三大中心城市之一，北承福建莆田，南接厦门漳州，西毗龙岩三明，东望台湾宝岛，是联合国唯一认定的海上丝绸之路起点，被列入国家“一带一路”倡议的 21 世纪海上丝绸之路先行区[1]。

泉州市境内溪流密布，发源于本市境内且流域面积为 1 000 km2及以上的河流共有 4 条，流域面积为 100 km2以上的河流共有 42 条；流域面积为50 km2及以上河流共有 81 条。其中，晋江、洛阳江为泉州市主要河流。泉州市多年平均水资源总量相对丰富，约为 96.8 亿 m3，但人均水资源量低，约为1 168 m3，仅为全国人均 2 100 m3的 56%、全省人均3 200 m3的 36.5%。特别是地处晋江下游和沿海的泉州市中心城区、晋江、石狮、惠安、泉港等地，人口密集、经济发达，人均水资源量仅为 102～294 m³，属于“绝对贫水区”[2-3]。随着新时期泉州经济社会的飞速发展，供水区需水量持续增长而可供水量增加困难，泉州市生活、工业用水刚性增长与水资源开发利用难度加大的矛盾将进一步加深，如不采取妥善应对解决措施，将会成为泉州市可持续发展和实现新型城镇化的重要制约因素。

经过几十年的建设和积累，泉州市已形成以山美水库为核心的七库连通工程为调蓄龙头，金鸡闸为总枢纽，洛阳江水闸为分枢纽，南、北干渠和一批供水线路为输水通道的大水网格局，主要的供水水源为 2 座大型水库和 18 座中型水库[4]。随着七库连通工程的继续推进、白濑水库和金门供水工程的建设，泉州将基本形成“上蓄下引、河库连通、多源互补、丰枯调剂、环境优美”的现代水网工程体系。如何使工程体系更好地支撑水资源优化配置和保障供给的格局，实现现代水网“系统完备、安全可靠、集约高效、绿色智能、循环通畅、调控有序”的建设目标，泉州需要同步建设以智慧调控为核心的非工程措施支撑体系[5-6]。

泉州市长期以来以山美水库和金鸡闸枢纽组成了相对简单的水资源供配体系，在多年的实践中形成了以专家经验为主的水资源调配业务流程，由于调度对象相对单一，专家经验模式尚能基本满足要求。随着现代水网工程体系的建设完善，泉州将形成多水源联合供给的复杂体系；此外，由于水资源刚性约束体系的推进，用水侧的调配也将日趋复杂和精细。面对新形势，传统的“单库调度+专家经验”模式将难以满足泉州市日趋复杂的供需调配体系要求，必须转向以水资源供需综合调配模型为核心的智能联合调度。

泉州市水利局局机关和局属单位已建和在建的水利信息化业务系统共有 61 个，其中局属单位系统31 个（已整合成 22 个），局机关系统 30 个（已整合成 12 个），信息化成果支撑了 75% 以上的业务管理，同时积累了大量数据资产，涵盖实时、业务、基础数据等，但仍存在各系统单一孤立、数据标准不全、数据质量不一、应用共享不深、地理信息支撑能力不足、业务协同困难、缺乏智能模型辅助决策等问题。因此，迫切需要采用大数据、云计算、人工智能等技术，建设泉州市水资源综合调度平台，提高水资源调配的时效性、科学性和精细化水平，为水利核心业务提供有力支撑。

1 总体架构

泉州市水资源综合调度平台建设的总体架构为“1 + 1 +N”，即依托智慧水利建设体系，构建一个信息资源和应用系统整合的标准化基础平台，开发一个水资源管理与调配系统，并根据泉州水利局相关职责，整合流域现有防洪系统与其他已建和待建的N个业务应用。

平台建设框架体系包括水利感知信息网、智慧水利基座、智能应用和安全保障体系，总体框架能与福建省水利厅智慧水利顶层设计无缝对接。其中，智能应用为融合大屏端（态势掌握和调度指挥）、PC 端（数据汇聚、分析计算、业务集成）、移动端（即时通信和现场数据采集）的集成化应用，实现水系统综合管理，全面支撑全局各项业务协同。泉州市水资源综合调度平台总体框架结构如图1 所示。

图 1 泉州市水资源综合调度平台总体框架结构组成图

2 技术架构

泉州市水资源综合调度平台采用 B/S 分层技术架构，由数据层、知识层、服务层、应用层组成。数据层运用了实时数据采集，数据的分布式存储、备份、共享交换、数治理和质量管理等相关技术，实现海量多源异构数据的汇集处理、集成整合、关联分析、共享交换与存储索引。知识层构建了水量核算、来水预报、需水预测、供需配置等一系列水资源调度专业数据模型算法，以智慧化模拟赋能精准化决策。服务层采用 SOA 结构的统一服务总线进行交互，为上层业务应用提供基础运行框架和公共服务支持，包括 GIS 服务、工作流引擎、报表引擎、日志管理等。应用层集成平台各大核心业务应用，实现水资源调度各项业务的计算分析与处理。

为满足国家网络信息安全战略“自主可控、安全可靠”的根本要求，平台采用 Java 作为开发工具，部署 JDK 8 的开发环境，同时基于国产化适配原则选择了承载应用系统所需的软件资源，支撑大数据的标准化存储与管理、平台开发运行及安全防范。

3 水利感知信息网

在现有水利监测站网的基础上，围绕水利九大业务和水利监督工作，利用地面站点、卫星、雷达、无人机、高清视频等多种监测手段，以及4G/5G、互联专网等通信手段，完善全域覆盖的泉州市天空地一体化水利感知网。构建智慧水利的智能感知体系，动态监测、实时采集水利感知对象的业务特征和事件信息，形成物联传感、监测观测数据，以及视频解析数据和分析信息。经过基础加工处理后，对数据进行分级分类并通过现有高速网络进入水利数据仓库，基于泉州市电子政务云实现水利数据资源的汇集与服务，为水利基座提供内容全面、质量可靠的感知大数据。

4 智慧水利基座

4.1 水利数据仓库

水利数据仓库建设依托泉州市政务云平台，打通泉州市水利局内部信息化系统数据壁垒，连通与福建省水利厅、气象、国土等外部信息资源的共享交换，在统一的数据资源体系下设计泉州市水利数据资源目录，构建统一管理的分布式数据平台、水利统一服务管理平台和水利数据仓库驾驶舱，实现水利信息资源的融合与治理。水利数据仓库架构如图 2 所示。

图 2 水利数据仓库架构图

水利数据仓库通过“汇、通、管、用、评”5 个环节，对数据进行全过程、多维度的管理。在汇聚阶段，打通网络、连接“烟囱系统”，接入市级业务、区级部门、行业共享、物联感知、互联网抓取等的数据。在贯通阶段，通过统一标准、深度治理，实现全面融合。在管理阶段，对数据资源进行全量化管理。在应用阶段，利用数据形成的各类标签，多维度为各类人员提供服务。最终建立评价体系，针对前 4 个阶段均开展监控和评价。

4.2 智慧使能平台

水资源调配需实现预报、预警、预演、预案，其核心是建设科学合理高效的数学模拟系统，实现水资源调配的智慧化[7]。智慧使能平台利用模型、工具，围绕数据挖掘、知识运用、业务建模、融合分析、规则应用等进行视觉，数据与决策智能的开发与能力输出，例如水资源评估、需水分析、调配模型、预案流程等，形成业务支撑、服务支持、辅助决策、综合运维方面的公共服务，从而支撑上层的智能应用。

4.2.1 大水网水资源调配模型

泉州市大水网水资源调配模型为泉州市水利局开展全市层面的水资源调配提供支撑，包括水量核算、来水预报、需水预测、供需配置、水库闸坝群模拟调度和水库闸坝群优化调度等模型，总体架构如图 3 所示。

图 3 泉州市大水网水资源调配模型体系架构

水量核算模型负责提供泉州市水资源量核算方法，可用于确定泉州市降水量、地表水资源量（包括水库蓄水量），并支撑供需配置、水库闸坝群模拟调度和水库闸坝群优化调度模型的开发。来水预报模型负责提供泉州市主要控制断面不同时间尺度的来水预报，包括中长期预报和未来 3 d 短期预报。来水预报成果可为水库闸坝群优化调度模型提供计算边界条件。

需水预测模型负责预测泉州市各供水区未来不同时段的用水需求，包括刚性、优先和一般需求。需求预测成果可为供需配置模型的构建及水资源调配目标的制定提供基础和依据。供需配置模型负责模拟计算确定性来水条件下各供水区内的取用水过程和各供水区之间的水量交换过程，可支撑水库闸坝群模拟和优化调度模型的开发。

水库闸坝群模拟调度模型负责模拟泉州市山美、白濑、惠女等大中型水库，以及金鸡闸、洛阳桥闸及供水水网格局，可用于量化不同来水情况下各供水区缺水情况，分析提出大中型水库及主要水闸联合调度的原则及建议。水库闸坝群优化调度模型则在上述其他模型构建的基础上，优化制定以山美/惠女/白濑水库枯季补水、金鸡闸/洛阳桥闸调配为核心的泉州市水资源调配方案集。

4.2.2 重点工程水资源调配模型

水资源调配各重点工程作为泉州大水网“纲、目、结”体系中彼此链接、密不可分的模块，在全市大水网水资源调配模型建设的基础上，进一步研发各重点工程的水资源调配模型，包括七库连通工程联合调度、金鸡枢纽水资源调配、中心城区联排联调和山美灌区输配水等模型，为各工程管理局开展所辖范围内更精细的水资源调配提供支撑。

4.3 技术支撑平台

技术支撑平台是水利应用的综合集成环境，提供统一的门户展示、组织架构、指挥调度、数据共享和支撑服务等大量应用基础组件与公共服务能力，打造一个互联互通、业务协同、信息共享的标准化基础平台。并通过建设水利一张图，为泉州智慧水利应用提供地理信息平台和空间展示框架。

1）统一协同门户。将各类智能应用、数据资源和网络资源集成到一个信息管理平台之上，在政务内网和外网、移动互联网分别建立统一的门户，实现单点登录、内容聚合和个性化定制等，使用户通过单一的入口安全地访问水利信息化共享体系内部全部信息与应用，为用户集中获取水利信息提供渠道，并为用户集中处理各类应用提供统一窗口，从而达到一站式导航的共享应用目标。

2）水利一张图。水利一张图建设实现对泉州水利基础空间地理信息、水利业务空间地理信息等数据的及时、持续和有效更新，可为各类涉水业务应用提供权威、现势、安全的一体化共享服务支撑。通过模块化的开发，可实现核心业务要素的轻应用服务，适配不同风格、端的调用。

5 水资源调配智能应用

在水利基座的支撑下，融合和挖掘分析各类信息资源，全面掌握江河湖库综合信息，动态监测评估河湖实时状况，实现水资源管理、水情预报、水资源配置、河湖监管的精细化和精准化，以及防汛抗旱等重点应用的智慧化，基于水利基座的业务支撑、服务支持、辅助决策和综合运维能力，推动政府监管精细化、江河调度协同化、工程运行自动化、应急处置实时化，推进水利管理现代化水平的大幅跃升。

泉州市水资源综合调度平台智能应用采用“1 +N”体系，即开发 1 个水资源联合调配平台，并融合N个水利业务应用，总体架构如图 4 所示。

图 4 智能应用架构图

5.1 水资源联合调配

为优化提升泉州市“上蓄下引、河库连通”的现代水网工程体系的水资源承载能力，建设覆盖泉州全市水资源供配体系的水资源联合调配智能应用，汇集涉水大数据，提升分析调配模型智能水平，建成功能完备的水资源业务应用体系、科学智能的调度决策体系，支撑形成水资源开发利用管控、全流程业务联动的现代化业务运转模式，通过数字赋能为泉州现代水网体系实现“多源互补、丰枯调剂、环境优美”提供有力支撑与强力驱动。其核心任务可划分为基于在线监测的水资源总量及可供水量动态评价、取用水及生态流量动态监管、水资源供需情势预报预警、水资源供需调配预演及预案决策四大方面。

1）基于在线监测的水资源总量及可供水量动态评价。实时监控全市的雨水情和主要水源工程的蓄水情况，研发基于多源在线监测数据的水资源及可供水量动态评价算法，实现监测和多时段评价的业务协同。研发水资源监管研判的在线分析模型算法，全面掌握全市水资源水质水量的时空分布，强化重要水源地和引（调）水工程关键节点水量、水质等信息全天候，全方位，全时段的掌控，提升对水资源供给变化情势的动态掌控与风险应对水平。

2）取用水及生态流量动态监管。实时监控已批复水量分配方案的落实，集成各类用水管控指标动态信息，实现用水总量动态评估，支撑晋江流域水量分配及全市用水总量动态监管。构建用水总量、效率控制红线预警，对水资源使用限额做到红线预警。建立重点取水口台账，扩大取用水监管数据应用范围，增强取水口监管能力，实现取水许可在线审批、动态监管和取水口、取用水户、取水许可证管理。实时监控山美水库、金鸡闸等重大水利工程下泄流量，对石砻等重点断面生态流量进行监控和预警。汇集水电站生态流量监测信息，实现生态流量下泄实时监管与分析预警、生态泄放考核等功能。

3）水资源供需情势预报预警。运用人工智能和专业模型技术，构建供水及需水预测模型体系，对未来不同时段的可供水量和用水需求进行短期预报和中长期预测，并进行不同等级的预警。

4）水资源供需调配预演及预案决策。运用大数据和专业模型技术，构建水资源供需平衡分析及调配模型体系，依据水资源总量及可供水量、取用水量、工程设施信息等，根据水资源供需预测，通过行政区、灌区、水资源分区、计算单元等供需平衡计算，结合三条红线用水总量控制要求，按照用户设定规则，按照不同时段、用水户、类别进行水量分配，形成水量调度计划与方案，并下达调度指令和监控调配方案的执行。

5.2 水利业务系统融合

以打造面向智慧水利的数据仓库和集成平台为目标，在标准化平台建设框架下，通过对各水利业务系统的统一门户改造、信息资源整合、业务应用融合和综合管理驾驶舱建设，逐步整合已建水利信息化应用系统，同时为规划待建系统的接入预留应用平台的接口，进行水利业务应用体系的提档升级，支撑泉州市水利局的涉水综合指挥决策。

水系统综合管理驾驶舱以水利部门领导为核心服务对象，以全面、科学的指标体系为导向，以具象、多元的可视化图表为表现形式，为领导层的精准化指挥决策提供落脚点，主要从广度、深度、精度 3 个方面设计：1）汇聚水资源全域信息，梳理构建具有泉州本地化特色的水资源评价指标体系。2）聚焦风险管控，不断提升水利风险管控的精细化水平和预报预警能力。聚焦水资源管理重点事件，强化预报、预警、预演、预案 4 项措施。3）推动流程再造，利用信息化手段赋能基层管理，建立水资源调度在线审批的工作流程，动态跟踪水资源趋势预警，完成水资源监测、预警通知、调度指挥的全过程精细化管理。通过水系统综合管理驾驶舱的建设，实现水资源综合调度的态势全面掌握、趋势智能预判、事件闭环处置。

6 结语

泉州市水利局依据“大系统设计、分系统建设、模块化链接”的基本原则，通过信息资源整合、感知体系完善、智慧基座建设与应用融合升级，覆盖全市江河水系、水利工程设施体系、水利管理运行体系与水利数据资源体系，打造了面向智慧水利的水资源综合调度平台，为水资源调配工作提供“四预”功能支撑，辅助水资源刚性约束与严格管理制度的落实，保障新时期水资源供需平衡。总体来看，建设泉州市水资源综合调度平台，是国家有要求、地方有需求，完全符合智慧水利建设“需求牵引、应用至上”的总体目标要求。

基于大水网工程体系与水资源综合调度平台非工程措施体系的建设与应用，泉州市的水资源承载能力从以下 3 个方面得到了进一步的优化提升：1）通过“多源互补、蓄丰补枯”的科学联合调度有效挖掘了大中型水库的供水潜力，增加可供水量；2）优化了全市各供水区的水资源配置格局，增强区域的水情测报与水资源智能调控能力；3）提高了全市供水安全保障水平，满足泉州市经济社会发展和实现新型城镇化的用水增长需求。利用数字赋能显著提高水利现代化管理水平，达到数字化场景、智慧化模拟、精准化决策，将支撑泉州市破解新时期新形势下发展过程中面临的水资源制约问题，推动数字泉州和智慧城市大脑的建设，助力经济行稳致远、社会安定和谐。