王浩院士：智慧水務(wù)如何助力生態(tài)流域建設(shè)？

時(shí)間：2018-08-02 來源：給水排水 作者：王浩

任何一個(gè)流域都是有三類基本斑塊，整個(gè)陸地是水系的單元稱為流域，任何一個(gè)流域，不管是一級(jí)流域還是八級(jí)流域，無非是三類斑塊，一類是山水林草濕地等自然斑塊，一類是農(nóng)田、水澆地、旱地農(nóng)田斑塊，再有一類就是城市斑塊，土地利用類型分類有70多類，但是具體概括起來，任何一個(gè)流域都有三類，農(nóng)田斑塊、城市斑塊加自然斑塊，那么自然斑塊里面都是自然水循環(huán)，農(nóng)田斑塊和社會(huì)斑塊除了原有的自然水循環(huán)以外，還有一套管網(wǎng)系統(tǒng)，農(nóng)村還有一套渠系系統(tǒng)，這就是社會(huì)水循環(huán)，農(nóng)田斑塊和城市斑塊里面情況更為復(fù)雜，既有河湖的自然水循環(huán)，又有管網(wǎng)的人工水循環(huán)，兩個(gè)循環(huán)疊加問題更加復(fù)雜，作為生態(tài)流域治理體系來說，自然斑塊需要分散徑流，坦化洪峰，增加地下水的下滲進(jìn)化水質(zhì)等，農(nóng)田斑塊就要減少坡面漫流，減少化肥農(nóng)藥隨著灌溉排水帶來河流的水污染，保水蓄水把更多的降水轉(zhuǎn)成有效的蒸發(fā)，減少無效的蒸發(fā)，城市斑塊治理城市河流，做好海綿城市，把緩釋慢排、凈化、滲滯蓄凈用排這些事情做好，這就是三大斑塊都治理好，生態(tài)流域就迎刃而解了。

生態(tài)流域要充分吸收經(jīng)驗(yàn)，見圖2，例如北京做清潔小流域，過去大寨子的經(jīng)驗(yàn)，建設(shè)海綿田，在半干旱區(qū)，盡可能轉(zhuǎn)化雨水資源，最近5年住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部大力推行的海綿城市，這些都是要以流域面為基本單元進(jìn)行調(diào)控，任何一個(gè)單元從頂層到底層分成11層。在信息化和人工智能大發(fā)展的時(shí)代，智慧水務(wù)怎樣助力生態(tài)流域的建設(shè)？

智慧水務(wù)的目標(biāo)是充分利用新一帶的信息技術(shù)，深入挖掘和廣泛運(yùn)用水務(wù)信息資源，通過水務(wù)信息的采集、傳輸、存儲(chǔ)、處理服務(wù)，全面提升水務(wù)管理的效率和效益，智慧水務(wù)的5個(gè)特征是智慧水務(wù)更全面的感知，更主動(dòng)的服務(wù)，更科學(xué)的決策，更主動(dòng)的控制，更及時(shí)的應(yīng)對(duì)。

那么更全面的感知不僅要立足于自來水廠本身，不光粗格柵、細(xì)格柵、氣浮、沉淀、沙濾、碳濾、加藥等，而是要從自然水循環(huán)、社會(huì)水循環(huán)的構(gòu)架下不斷地增加工程積木。自然水循環(huán)有四大過程：大氣過程、地表過程、土壤過程、地下過程；社會(huì)水循環(huán)從取水到治水到自來水管網(wǎng)到用戶終端，再到用戶的排水，到污水處理廠，污水處理以后，再生水廠的提升，再生水的分配，再利用，所以從自然水循環(huán)，社會(huì)水循環(huán)，二元水循環(huán)的角度，全面考慮自己的單位在整個(gè)構(gòu)架里面的作用。對(duì)自然水循環(huán)來說，調(diào)控的要點(diǎn)是減少極值性，如植樹造林，每增加1%的概率就可以減少7%~8%的洪峰流量，提高1%~2%枯水流量，但也要損失1%左右的水資源總量就是要淡化過程，同時(shí)加強(qiáng)和生產(chǎn)力布局的匹配性，這是自然水循環(huán)的調(diào)控。

社會(huì)水循環(huán)的調(diào)控主要圍繞兩點(diǎn)，一是更高效的用水，盡量少用自然水循環(huán)里面取得水平，高效利用、循環(huán)利用，一水多用、分治利用，從而少從自然水循環(huán)取水，把更多的水留給自然，留給生態(tài)，人類社會(huì)自律式的發(fā)展，另外一個(gè)方面就是用水后排水污染，所以減少向自然水循環(huán)里面排放人工污染，這就是社會(huì)水循環(huán)總體調(diào)控的兩個(gè)要點(diǎn)，自來水廠、污水處理廠都是奔著這個(gè)目標(biāo)來營造水生態(tài)文明建設(shè)。

更主動(dòng)的服務(wù)，過去模型、公式都是人指令它做什么，今后系統(tǒng)要主動(dòng)地提醒人，主動(dòng)地推送，更主動(dòng)地服務(wù)，而不是被動(dòng)接受人的指令。更科學(xué)的決策包括這個(gè)智能的感知、仿真、診斷、預(yù)警、調(diào)度、處理、控制，智能化也包括兩個(gè)方面，一是傳統(tǒng)的教科書上的公式模型做出一套推斷，這些人的知識(shí)交給機(jī)器，另外一方面要大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)，搞人工智能沒有樣本這樣逐步的自學(xué)習(xí)，讓自己發(fā)現(xiàn)知識(shí)挖掘知識(shí)，通過大數(shù)據(jù)和傳統(tǒng)模型互相交驗(yàn)互相把關(guān)，使決策更客觀更科學(xué)，見圖3。

模型系統(tǒng)做流域，智能診斷，但現(xiàn)在有的系統(tǒng)都事后向決策者報(bào)告，今后的系統(tǒng)是要提前量、早預(yù)知、早預(yù)警，這樣的系統(tǒng)更高級(jí)，主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問題智能診斷。

智能預(yù)報(bào)包括對(duì)自然水循環(huán)和社會(huì)水循環(huán)的各要素，從短期、臨近期逐漸向中期長期做一些預(yù)測(cè)和展望，屬性除了傳統(tǒng)的水量和水質(zhì)以外，要增加效率、各種微生物重金屬這方面的內(nèi)容。

智慧水務(wù)的核心引擎，見圖4，基于自然社會(huì)二元水循環(huán)的動(dòng)態(tài)范式構(gòu)建流域二元水循環(huán)及時(shí)伴生的過程綜合模型，通過尺度的轉(zhuǎn)換和耦合集成實(shí)現(xiàn)對(duì)流域二元水循環(huán)及其伴生的水環(huán)境、水生態(tài)三大系統(tǒng)全方位的耦合模擬。

智慧水務(wù)的目標(biāo)是要突破傳統(tǒng)的模式，體現(xiàn)現(xiàn)在水工業(yè)的風(fēng)范，建立具有高展示度，高集成性高智慧化的綜合平臺(tái)，形成水務(wù)數(shù)據(jù)、水工業(yè)數(shù)據(jù)中心，展示中心、監(jiān)控中心、調(diào)度中心和管理中心，見圖5。

管理主要基于全流域、全區(qū)域、全城市、全項(xiàng)目區(qū)的管理，信息全掌握，展示也要立體，基于GIS、精密地形的基礎(chǔ)上，調(diào)配是一個(gè)全過程，不是拘泥于一個(gè)環(huán)境，一個(gè)側(cè)面，預(yù)警也對(duì)遠(yuǎn)期、中期、臨期當(dāng)前期這些進(jìn)行全方位的預(yù)警，控制要全自動(dòng)，輸出也要全方位，既有向社會(huì)老百姓公布的信息，也有向青少年做科普信息，也有向決策者做建議方案的信息，也專業(yè)人員提供的信息，不同用戶信息會(huì)給出不同的推送。

這是智慧水務(wù)的架構(gòu)，從感知—網(wǎng)絡(luò)層—應(yīng)用—決策—反饋—評(píng)估—后評(píng)估的功能總體架構(gòu)，是水循環(huán)的全過程立體檢測(cè)系統(tǒng)，空、天、地、網(wǎng)（見圖6）。舉個(gè)例子，城市大馬路上不起眼的井蓋，現(xiàn)在有很多人研究，為什么呢？井蓋處于地面和地下的交界面，向下可以感知地下管網(wǎng)，看暴雨的時(shí)候河流制的溢流情況，噴出的水柱多高，水質(zhì)怎么樣。向上，地面上下雨時(shí)候可以看積水時(shí)間和深度，幾十個(gè)井蓋可以測(cè)積水范圍。最小的城市也有一萬個(gè)井蓋，所以這樣就形成了大數(shù)據(jù)，把地面、地下信息交互，立體感知系統(tǒng)要結(jié)合自己的工作，將井下水位、路面積水等設(shè)備集成在井蓋中，這是智能井蓋的工作。

自動(dòng)控制體系、工業(yè)互聯(lián)的理念和智慧水務(wù)的架構(gòu)，制造工廠完全是自控，從激光精度的加工到零件的運(yùn)輸裝配，到貨架的自動(dòng)提取，到運(yùn)輸車輛的無人導(dǎo)航，這就是未來制造業(yè)，向智能化方面發(fā)展，主動(dòng)創(chuàng)新把工業(yè)互聯(lián)理念和智慧水務(wù)架構(gòu)結(jié)合起來。最后，智慧水務(wù)建設(shè)的成果體現(xiàn)在6個(gè)“一”上，“一張網(wǎng)，一張圖、一中心，一平臺(tái)，一本帳，一標(biāo)準(zhǔn)”，具體就是統(tǒng)一，不要形成數(shù)據(jù)孤島、信息孤島，不要形成互相矛盾的信息，有一個(gè)內(nèi)核引擎的大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，關(guān)聯(lián)出來的大數(shù)據(jù)，互相協(xié)調(diào)和互相補(bǔ)充。 （ 本文根據(jù)王浩院士在“第八屆中國水業(yè)院士論壇”上的發(fā)言整理而成，未經(jīng)本人審閱。）

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