王浩院士：智慧水务如何助力生态流域建设？

时间：2018-08-02 来源：给水排水 作者：王浩

任何一个流域都是有三类基本斑块，整个陆地是水系的单元称为流域，任何一个流域，不管是一级流域还是八级流域，无非是三类斑块，一类是山水林草湿地等自然斑块，一类是农田、水浇地、旱地农田斑块，再有一类就是城市斑块，土地利用类型分类有70多类，但是具体概括起来，任何一个流域都有三类，农田斑块、城市斑块加自然斑块，那么自然斑块里面都是自然水循环，农田斑块和社会斑块除了原有的自然水循环以外，还有一套管网系统，农村还有一套渠系系统，这就是社会水循环，农田斑块和城市斑块里面情况更为复杂，既有河湖的自然水循环，又有管网的人工水循环，两个循环叠加问题更加复杂，作为生态流域治理体系来说，自然斑块需要分散径流，坦化洪峰，增加地下水的下渗进化水质等，农田斑块就要减少坡面漫流，减少化肥农药随着灌溉排水带来河流的水污染，保水蓄水把更多的降水转成有效的蒸发，减少无效的蒸发，城市斑块治理城市河流，做好海绵城市，把缓释慢排、净化、渗滞蓄净用排这些事情做好，这就是三大斑块都治理好，生态流域就迎刃而解了。

生态流域要充分吸收经验，见图2，例如北京做清洁小流域，过去大寨子的经验，建设海绵田，在半干旱区，尽可能转化雨水资源，最近5年住房和城乡建设部大力推行的海绵城市，这些都是要以流域面为基本单元进行调控，任何一个单元从顶层到底层分成11层。在信息化和人工智能大发展的时代，智慧水务怎样助力生态流域的建设？

智慧水务的目标是充分利用新一带的信息技术，深入挖掘和广泛运用水务信息资源，通过水务信息的采集、传输、存储、处理服务，全面提升水务管理的效率和效益，智慧水务的5个特征是智慧水务更全面的感知，更主动的服务，更科学的决策，更主动的控制，更及时的应对。

那么更全面的感知不仅要立足于自来水厂本身，不光粗格栅、细格栅、气浮、沉淀、沙滤、碳滤、加药等，而是要从自然水循环、社会水循环的构架下不断地增加工程积木。自然水循环有四大过程：大气过程、地表过程、土壤过程、地下过程；社会水循环从取水到治水到自来水管网到用户终端，再到用户的排水，到污水处理厂，污水处理以后，再生水厂的提升，再生水的分配，再利用，所以从自然水循环，社会水循环，二元水循环的角度，全面考虑自己的单位在整个构架里面的作用。对自然水循环来说，调控的要点是减少极值性，如植树造林，每增加1%的概率就可以减少7%~8%的洪峰流量，提高1%~2%枯水流量，但也要损失1%左右的水资源总量就是要淡化过程，同时加强和生产力布局的匹配性，这是自然水循环的调控。

社会水循环的调控主要围绕两点，一是更高效的用水，尽量少用自然水循环里面取得水平，高效利用、循环利用，一水多用、分治利用，从而少从自然水循环取水，把更多的水留给自然，留给生态，人类社会自律式的发展，另外一个方面就是用水后排水污染，所以减少向自然水循环里面排放人工污染，这就是社会水循环总体调控的两个要点，自来水厂、污水处理厂都是奔着这个目标来营造水生态文明建设。

更主动的服务，过去模型、公式都是人指令它做什么，今后系统要主动地提醒人，主动地推送，更主动地服务，而不是被动接受人的指令。更科学的决策包括这个智能的感知、仿真、诊断、预警、调度、处理、控制，智能化也包括两个方面，一是传统的教科书上的公式模型做出一套推断，这些人的知识交给机器，另外一方面要大数据、物联网，搞人工智能没有样本这样逐步的自学习，让自己发现知识挖掘知识，通过大数据和传统模型互相交验互相把关，使决策更客观更科学，见图3。

模型系统做流域，智能诊断，但现在有的系统都事后向决策者报告，今后的系统是要提前量、早预知、早预警，这样的系统更高级，主动发现问题智能诊断。

智能预报包括对自然水循环和社会水循环的各要素，从短期、临近期逐渐向中期长期做一些预测和展望，属性除了传统的水量和水质以外，要增加效率、各种微生物重金属这方面的内容。

智慧水务的核心引擎，见图4，基于自然社会二元水循环的动态范式构建流域二元水循环及时伴生的过程综合模型，通过尺度的转换和耦合集成实现对流域二元水循环及其伴生的水环境、水生态三大系统全方位的耦合模拟。

智慧水务的目标是要突破传统的模式，体现现在水工业的风范，建立具有高展示度，高集成性高智慧化的综合平台，形成水务数据、水工业数据中心，展示中心、监控中心、调度中心和管理中心，见图5。

管理主要基于全流域、全区域、全城市、全项目区的管理，信息全掌握，展示也要立体，基于GIS、精密地形的基础上，调配是一个全过程，不是拘泥于一个环境，一个侧面，预警也对远期、中期、临期当前期这些进行全方位的预警，控制要全自动，输出也要全方位，既有向社会老百姓公布的信息，也有向青少年做科普信息，也有向决策者做建议方案的信息，也专业人员提供的信息，不同用户信息会给出不同的推送。

这是智慧水务的架构，从感知—网络层—应用—决策—反馈—评估—后评估的功能总体架构，是水循环的全过程立体检测系统，空、天、地、网（见图6）。举个例子，城市大马路上不起眼的井盖，现在有很多人研究，为什么呢？井盖处于地面和地下的交界面，向下可以感知地下管网，看暴雨的时候河流制的溢流情况，喷出的水柱多高，水质怎么样。向上，地面上下雨时候可以看积水时间和深度，几十个井盖可以测积水范围。最小的城市也有一万个井盖，所以这样就形成了大数据，把地面、地下信息交互，立体感知系统要结合自己的工作，将井下水位、路面积水等设备集成在井盖中，这是智能井盖的工作。

自动控制体系、工业互联的理念和智慧水务的架构，制造工厂完全是自控，从激光精度的加工到零件的运输装配，到货架的自动提取，到运输车辆的无人导航，这就是未来制造业，向智能化方面发展，主动创新把工业互联理念和智慧水务架构结合起来。最后，智慧水务建设的成果体现在6个“一”上，“一张网，一张图、一中心，一平台，一本帐，一标准”，具体就是统一，不要形成数据孤岛、信息孤岛，不要形成互相矛盾的信息，有一个内核引擎的大数据关联，关联出来的大数据，互相协调和互相补充。 （ 本文根据王浩院士在“第八届中国水业院士论坛”上的发言整理而成，未经本人审阅。）

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