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河流智慧水环境管理调度系下幸福河

2021/11/05 阅读:

摘 要:水利部颁布的《智慧水利总体方案》将大大提高水利工程的智慧管理水平。以新疆玛纳斯河智慧水环境管理调度系统为例开展研究,分别从智慧化系统的设计原则、结构、建设内容等3个方面,提出开展智慧水环境管理调度系统的总体框架结构和实现方法。通过采集河道水文水质、雨污水管网、污水处理厂和泵闸站运行等数据,整合各类数据形成一个完整的智慧水环境管理调度系统,实现玛纳斯河全线涉水设施控制自动化、管理协同化、决策科学化、服务主动化的目标,发挥玛纳斯河水环境调度管理系统效益,保持玛纳斯河整治的长期成效,打造长治久清的幸福河。

关键词:智慧水利;水环境;管理调度系统;幸福河

0引言

党的十九大明确提出要建设网络强国、数字中国、智慧社会。2019年7月,水利部印发《加快推进智慧水利的指导意见》和《智慧水利总体方案》。2021年3月,李国英部长提出“坚持科技引领和数字赋能,提高水资源智慧管理水平”[1]。智慧水利是智慧社会建设的重要组成部分,是对传统水利信息化的一种升级和扩充[2]。随着快速的城市建设和社会发展,海绵城市、黑臭河流治理、河长制等一系列管理理念目标和措施不断推出,不惜耗费巨资建设大量活水调水、管网截污、生态工程、河道治理等工程措施。在这些工程建设之后,如何对这些建设好的工程进行科学有效的管理并通过优化管理调度发挥工程的最大效益变得尤为关键。习近平总书记在黄河流域生态保护和高质量发展座谈会上的重要讲话中首次提出了幸福河[3]的新概念、新号召、新指向,是人类从征服、改造、破坏自然,向尊重、顺应、保护自然的重大思路转变。幸福河理论内涵应是能够维持自身健康,支撑流域或区域经济社会高质量发展,体现人水和谐,让流域内人民具有安全感、获得感与满意度的河流。幸福河是安澜之河、活力之河、清洁之河、生态之河、文化之河的集合与统称。本研究以新疆玛纳斯河综合整治工程为例开展研究。基于基础感知、大数据、物联网、GIS等技术,设计和构建安全实用、智慧高效的玛纳斯河智慧水环境管理调度系统,为其他河流智慧水环境管理调度系统建设提供借鉴。

1系统设计原则

为充分体现人水和谐,打造幸福河,玛纳斯河智慧水环境管理调度系统建设以玛纳斯河流域水环境业务管理实际需求为导向、业务应用为核心,提升流域水环境管理调度系统的运行效率,实现站、网、河一体化联合运行调度,提高水环境管理的决策水平、调度和应急处理能力,让流域内人民具有安全感、获得感,提高满意度。玛纳斯河智慧水环境管理调度系统通过采集河道水质、雨污水管网、污水处理厂和泵站运行等数据,将各类数据进行有效整合,形成一个完整的智慧水环境管理调度系统。

1.1需求牵引、应用至上

以水环境管理调度业务实际需求为导向,深入开展水利业务需求分析,紧紧围绕解决水资源保护、水环境治理和水行政管理等应用,合理配置、优化整合资源,建立统一的技术支撑体系,开发和建设业务应用系统,降低运维的强度和成本,保障信息安全,在业务应用中发挥效益。

1.2统一规划、统一标准

智慧水环境管理调度系统必须统一规划,从站、网、河一体化运行的需求出发,遵循国家相关信息化标准,按照统一的信息采集、数据整理、数据库建设、系统开发等方面的标准或规范,开展系统建设。

1.3平台共用、信息共享

充分利用现有信息化系统和已建的水利信息基础设施,推进水利信息化体系和智慧水环境调度共享业务平台建设。建立健全资源共享机制,实现平台集中与共享利用,促进信息资源的广泛共享机制。

1.4制度保障、安全可靠

以国家颁布实施的信息化与安全相关法律法规、信息系统等级保护制度为基础,建立与智慧水环境调度系统相适应的规章制度,并通过行政管理手段确保这些制度的全面执行,从物联通信、基础设施、数据共享、业务应用等多维度全方位保障网络安全。

1.5实用先进、发挥效益

作为信息化项目的水环境管理调度系统在设计与实施过程中必须处理好实用与先进的关系[],以实用为前提,科学运用物联网、大数据、人工智能等新一代技术,充分保证玛纳斯河智慧水环境管理调度系统的前瞻性和先进性。系统建成后必须在城市水环境管理业务工作中充分应用,发挥应有的作用。

2系统结构

2.1总体框架

玛纳斯河智慧水环境管理调度系统紧密围绕玛纳斯河水环境管理调度与生态治理等各方面需求,从全局和整体层面进行设计,通过全面感知、高速互联、云化支撑、资源共享、深度挖掘、智能应用及泛在服务的建设实现目标,横向形成感知层、网络层、数据资源层、应用支撑层、业务支撑层、智能应用等6个层次,纵向建立网络安全保障、标准规范2个体系的总体架构。系统总体框架如图1所示。感知层是玛纳斯河智慧水环境管理调度系统建设的基础层,主要综合运用水质监测站、河道水文监测站、源水厂、泵闸监控站、视频监视站点、雨污管网监测站、污水处理厂等全河道流域的水文,水质,水量,气象,环境等多维度的信息感知系统进行自动化采集与存储,经网络层汇聚到数据资源层;在应用支撑层构建玛纳斯河智慧水环境管理调度系统的软硬件资源,并在应用支撑层创建数据中心,实现大范围的数据资源整合;业务支撑层依托玛纳斯河智慧水环境管理调度系统的框架进行开发和应用功能拓展,主要实现数据支撑管理、玛纳斯河一张图、全景数据展现、调度流程管理、综合业务管理等业务应用;智能应用层承担对外的门户,主要包括河道综合监管、水环境保护、水生态治理、水安全保障和对外数据公众服务等,并与日常管理、调度流程、应急指挥、资源管理、智能决策、水务管理及各有关应用系统对接和支撑。

2.2业务架构

围绕玛纳斯河综合治理,促进全流域高质量发展,让玛纳斯河成为造福人民的幸福河这一目标,以强监管为主导思想,准确把握“需求牵引、应用至上”的业务需求,遵循“分工明确、数据共享、业务协同”[5]的思路,构建以综合监管作为核心,以水环境保护、水生态修复、水安全保障等业务为支撑,兼顾政务、公共服务等工作内容,服务于监控分析、决策处置、反馈评估全过程的业务架构,系统业务架构如图2所示。在综合监管的统一协调下,采用多方向业务管理的模式,对玛纳斯河状况进行全方位管理,综合运用多源信息,及时识别问题并启动相关业务深入分析处理,全面强化监管力度;积极应对玛纳斯河在水资源、水环境、水生态、水灾害等方面存在的具体问题。统筹各项工作内容,加强业务协同,对各业务提出的需求、方案等进行综合分析和协调处置,落实监管责任,提升监管效能。通过资源整合挖掘和流程优化完善等方式,扩大服务范围,完善服务内容,改进服务模式,提升管理能力与公共服务水平。

3系统建设内容

玛纳斯河智慧水环境管理调度系统从方便操作、易于使用方面考虑,采用B/S模式开发。系统采用分布式组件结构,低耦合的软件系统结构布局,可应用于多种硬件平台和操作系统。各应用端的子系统通过数据云平台提供的接口获取现场数据及运维情况。终端用户通过PC或者移动客户端访问这些业务子系统,主要功能子系统如图3所示。

3.1智能感知子系统

通过水位、雨量、流量、水质、气象、视频等信息在线监测采集的方式,并将沿河的取水口、闸站、污水管网、溢流口、污水处理厂、排涝站等设施监测监控功能统一起来,形成一个涵盖站、网、河的智能监控网络。完善信息采集,提供实时、准确、有效的监测数据,构建玛纳斯河智慧水环境智能感知网。

3.2一张图子系统

一张图子系统基于GIS地图、测站监测及遥感影像等多源水利数据整合技术,实现各类信息一体化管理与展示[6],实现信息在不同图层间的交叉索引查询与分析,为用户提供可视的便捷应用。该子系统是在玛纳斯河GIS地图的基础上叠加与河道相关的取水口、泵闸站、生活污水、雨污管网、排污企业、沿河水利设施等数据,完善数据展示内容,实现数据多维度查询,集成各类相关信息,使不同用户在同一张图上实现各自的浏览与查询需求。

3.3水环境综合调度子系统

水环境综合调度子系统基于水质与水动力耦合模型,针对河道突发水污染事件或水质超标情况,通过气象预报、雨水调蓄池、钢坝和闸泵调度等一系列措施进行计算,从而得到未来时间段内下游河道某一断面处水质、流量、水位等特征值的预期变化情况。根据河流对污染物的容纳阈值对未来该断面水质水量数据进行量化评估。针对不同的泵、闸、调蓄池和污水处理厂运行方案制定运行调度方案并评估方案的预期效果。

3.4决策支持子系统

决策支持子系统的主要功能是对玛纳斯河水环境情况进行分析和决策。决策支持子系统在综合考虑环境、水文、气象、社会、经济等各类因素影响的基础上,结合数据信息和相关专家意见、标准规范、政策法规等依据,对玛纳斯河水环境进行综合评估,最终形成玛纳斯河水环境优化管理的分析成果,产生辅助决策报告。还可将分析决策的成果生成报告或以多媒体报警信号的形式输出,以便为决策部门进行水资源配置和调度提供参考。

3.5调度评价子系统

调度评价子系统主要对调度方案和工作执行结果做后评价。一方面,对调度方案制定的合理性进行评价,发现调度方案的不足,进一步完善调度方案;另一方面,评价工作人员的执行成效,实现对人员的监督管理,保障任务执行的及时性、正确性,对玛纳斯河水环境管理调度提供技术支撑和有效的保障。

3.6移动客户端

App移动客户端App采用简便易操作的布局和功能设计,用户可以在手机或平板电脑上实现对各应用模块的访问定制,方便用户随时随地操作查询。

结语

玛纳斯河智慧水环境管理调度系统的建设,目前解决了源头如何调水,流域内如何配水,对已建污水处理系统如何有效监测和合理调度,防止流域污染等关键问题。加强玛纳斯河流域的生态保护治理,改善人民群众生活,探索打造一条幸福河。由于项目规模和经费的限制,部分规划设计的功能,如水生态评估预测、地下水动态分析、河道纳污能力模型构建、涉水事件舆情预测分析等功能[7]暂时还未实现。按照李国英部长提出的打造数字孪生流域,实现“预报、预警、预演、预案”功能[]的智慧水利建设要求还有一定的差距,需要在今后的设计和实践中逐步探索和完善。

作者:蔡诸江 任庆海 蔡馨怡 单位:新疆玛纳斯河流域管理局水利管理中心 水利部南京水利水文自动化研究所 水利部水文水资源监控工程技术研究中心

河流智慧水环境管理调度系下幸福河

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