建设国家智能水网工程提升我国水安全保障能力

匡尚富，王建华

（中国水利水电科学研究院，100038，北京）

水安全是经济社会运行发展的基础性安全之一。在传统社会，水安全关乎民族生存和国家兴亡；在现代社会，水安全是人类文明可持续发展的核心要件。受水资源自然禀赋和经济社会发展压力双重影响，我国水安全问题日益突出，2011年西南地区特大干旱、2012 年北京“7·21”特大暴雨灾害、2013年山西苯胺泄漏污染等重大水安全事件均是区域水安全问题的典型反映。可以预见，在全球气候变化的背景下，受城镇化、工业化及人口增加的驱动，我国水安全保障面临的挑战还将进一步加大。依托科技创新，探索国家水安全的系统性解决方案，提升水安全保障能力，是我国当前及今后一个时期水利工作的重大任务。

一、我国当前水安全情势简述

1.水安全内涵解析

水安全是水科学研究的核心命题，自2000年斯德哥尔摩世界水论坛之后，许多研究者针对水安全的定义、科学内涵及表征指数做了更加深入的研究和阐述。水安全实质上是满足目标主体水需求及避免目标主体水威胁的状态与能力，即水资源开发利用状态和水安全保障能力的统一。将水安全的内涵具化到当前现实中，水安全保障的目标包括经济社会和生态环境在内的双系统主体。实现水安全就是要以水利保障经济社会的持续发展，维系生态环境的健康稳定，避免经济社会和生态环境受到洪水、缺水、水污染、水土流失等水害影响。

水安全的外延范畴可以分为直接性水安全和间接性水安全。其中防洪安全、供水安全、生态安全与水直接相关，可归为直接安全，而粮食安全、经济安全以及其他安全则是由水安全衍生出的，可称之为间接安全，如供水安全通过向农业供水促进粮食安全，通过向工业供水保障经济安全，共同为国家安全提供支撑。2011年中央1号文件提出了防洪安全、供水安全、生态安全、粮食安全、经济安全和国家安全等6个水安全相关概念。与经济社会系统和生态环境系统这两大目标主体直接相关，则是对水安全的统一概括。

2.我国当前水安全概况

新中国成立后，党和政府始终高度重视水利工作。尤其是改革开放以来，我国水利建设取得举世瞩目的巨大成就。随着水利工程大量兴建和水管理能力不断加强，国家水安全保障能力和水平不断提升。但与全面建成小康社会、建设水生态文明和实现社会主义现代化的要求相比，水安全保障仍面临诸多问题和威胁，在防洪、供水和生态等领域均有突出体现。

①防洪安全方面，主要江河中下游已形成较完备的防洪体系，但中小河流防洪和城市内涝治理依然是薄弱环节，应对极端灾害和突发事件的能力亟待加强。

②供水安全方面，我国供水能力发展基本和工业化、城镇化进程相匹配，但整体上仍具有紧平衡低水平特征，局部供水安全问题突出。

③水生态安全方面，随着经济发展方式的转型，水对生态环境的支撑作用不断增强，但局部水环境恶化趋势仍未得到遏制，局部地下水超采和水土流失问题依然十分严重。

从总体情势来看，我国水安全呈现出整体形势依然十分严峻、威胁因子多元、突发事件频发、极端灾害增多，这将给未来防洪和供水安全带来更大压力。

二、水安全保障路径及智能水网定位分析

系统解决我国复杂的水安全问题，改善当前严峻的水安全形势，提升国家水安全保障能力，其核心任务在于科学解析水安全保障的构成部件，明晰国家水安全保障能力的实现途径，构建具有系统性和可操作性的水安全问题集成解决方案和依托载体。

1.水安全保障要件分析

（1）灵敏感知是水安全保障的先决条件

灵敏感知是指自然-社会二元水循环的各个过程状态及未来演变趋势可被水管理者通过技术手段所全面掌握，是应对当前水安全问题所呈现的破坏突发性和成因系统性态势的重要策略。全面的信息掌控是保证水安全保障决策和管理科学性、精准性的基础前提。所谓灵敏感知包含以下三层含义：一是信息感知范围的全面性，既包括对水循环通量特征因子的反映，又包括对荷载水流运动的物理实体和周边环境的静态特征和动态趋势的感知；二是信息感知的高效性，既体现在信息收集和传输的高效率也体现在感知活动的低损耗和可持续性；三是信息感知的准确性，即感知活动是对系统状态及未来可能发展方向的真实反映和有效预测。

（2）科学决策是水安全保障的核心动力

水安全保障的科学内涵是对二元水循环过程进行有效、健康的调控，因此指导水循环调控活动的水管理决策环节将直接制约国家水安全保障能力水平，科学完备的水管理决策能力是推动国家水安全保障能力提升的核心驱动力。水安全保障科学决策具体体现在以下方面：一是决策的客观性，即在管理决策行为中遵循科学规律，减少非科学因素的主观性扰动；二是决策的系统性，即在管理决策中应将水系统中各环节、各利益对象作为系统整体看待，充分考虑水循环及其伴生系统对调控行为的总体响应；三是决策的高效性，包括决策成果效益的最优化以及决策形成过程的高效率；四是决策的适应性，即面向不同问题、不同基础条件和不同目标采取针对性策略，并重视通过反馈过程对决策进行优化和修正。

（3）有效调控是水安全保障的实现工具

强大的水循环及其伴生过程调控能力是水安全保障最终实现的直观方法，水管理者通过工程和非工程手段改变水循环路径、通量和赋存位置，调节水质、水量和水生态过程，实现水灾害防控、供水保障和生态维护等水安全保障目标。由于人类目前对于大气水和土壤水等非径流性水分调控的能力、程度和范围还相当有限，因此以径流性水资源为基本对象、依托自然-社会二元水循环物理网络系统展开是当前水安全保障有效调控的主要特征，即以水利工程和基础设施建设为主要手段，通过工程建设和运行改变天然水流运动的时空分布，实现水循环调控，达到水安全保障目标。

2.智能水网构成及其定位

智能水网（SWG-Smart Water Grid），是当前智能化信息技术浪潮和全球化水安全紧张局势共同驱动下诞生的新兴概念，是以智能感知为核心的现代信息技术（Smart）、水管理活动（Water）以及系统化基础设施体系建设（Grid）三大热点领域的交集和延伸。智能水网是指以物理水网体系为依托，充分引入以多维智能化为核心的现代前沿信息技术，从而实现水循环调控和水资源管理能力优化的先进水务管理理念和综合性水资源管理平台，见图1。

图1 智能水网的基本概念

基于上述内涵解析，完整的智能水网系统应该包括三个基本组件：由自然河湖水系、人工输配排水网络和水利工程组成的水物理网，由涵盖信息感知—数据传输—动态存储—数据挖掘—决策辅助等全流程的水利信息化软硬件系统构成的水信息网和由各级、各区域/流域水调度管理机构、水调度决策指令传递通道以及决策指令形成机制等构成的水调度网。智能水网是由智能化的水物理网、水信息网和水调度网有机耦合而形成的综合性治水平台，见图2。三网合一是智能水网的重要特征，以水物理网建设统合水利基础设施建设和江河湖泊整治工作，以水信息网建设统合水资源监控保障能力和信息化决策支持系统建设，以水调度网建设统合水管理决策体系和管理模式建设，并通过三网间的信息、指令的交互和传输，实现智能水网整体功能。在智能水网平台下，水事管理者借助水信息网感知和传输体系的支撑，快速、高效、准确地获取关于水流、自然江河和水利工程的实时数据，通过水信息网决策支持系统的强大数据挖掘和模拟分析能力形成决策支持信息；水调度网在信息网决策支持和高速传输能力的辅助下形成调度管理指令并发布；水物理网一方面接受调度网的指令通过水利工程硬件的运行实现水流调控，一方面又将当前状态通过信息网的监控端反馈给调度网以辅助下一周期调度决策的形成。

图2 智能水网结构示意图

智能水网工程是统合水利工程调控能力建设、水利信息化监控保障和智能化决策辅助能力建设以及水管理调度能力和决策体系建设的综合性建设项目和一体化的水管理集成平台。通过水物理网的河湖连通、供水网络和枢纽工程的建设，能够有效提升防洪减灾工程保障水平，增强社会经济系统供水的时空调配能力，优化与恢复水生态生境格局；通过水信息网监控体系和决策辅助系统的建设，可提升水安全保障的整体信息感知水平和管理决策形成环节的科学性以及执行环节的高效性；通过水调度网决策形成机制和执行模式的建设、改革，可以真正实现水安全保障决策的系统性和客观性，增强管理调控流程的完备性和通畅性。综上，通过智能水网工程建设，可以全面实现灵敏感知、科学决策和有效调控等水安全保障能力的三大基本要件，成为国家水安全保障战略实施依托的综合性载体。因此，国家智能水网建设是践行可持续发展治水思路的有效途径，是水利现代化的重要标志，是民生水利的有力抓手，是实施最严格水资源管理的根本保障。

3.国内外发展态势

在当前国际范围内，智能水网已被许多国家作为解决其水问题的战略举措。美国通过建设以科罗拉多河和密西西比河连通工程为主干的国家智能水网（NSWG），成功解决了其西部发展受到干旱制约的问题。澳大利亚已先后完成以宽湾智能水网为代表的多项区域智能水网示范工程，并于2012年7月提出建立全国智能水网的初步构想。以色列依托其北水南调的国家智能水网工程，解决了水资源与生产力布局间不匹配的尖锐矛盾。韩国于2012年提出以4年时间完成国家智能水网的顶层设计和关键技术研发。法国、西班牙和荷兰等欧盟国家也均在大力研发和推进智能水网技术和基础设施体系建设。

我国智能水网建设近年得到了蓬勃发展，在国家层面，以南水北调工程为依托，我国已初步形成“四横三纵、南北调配、东西互济”的物理水网骨干体系；以国家防汛抗旱指挥系统和国家水资源监控能力建设为基础，水信息网体系建设也取得阶段成果；以大江大河水资源统一管理与调度为目标，江河水网水资源调配网络不断发展。在流域/区域层面，山东、山西、河北、海南、陕西等省以及太湖流域开展了本区域河湖水系连通等物理水网工程规划和前期建设；以数字黄河及数字长江等数字流域为代表的流域级水信息网建设取得初步成果；面向流域梯级水库多目标优化调度难题，通过科研攻关和管理实践探索，初步形成流域水资源综合管理和调度的技术经验储备。在城市层面，北京、上海、无锡、济南等结合自身基础情况和需求特征，分别开展城市尺度的智慧水网、智慧水务等实践探索，力图将先进的物理网规划和建设理念、海量数据交互管理技术等信息化技术应用于水利设施监控，城市防洪调度，水环境治理以及水资源管理等水务工作，形成具有区域特色的智慧水务或智慧水网解决方案。

三、国家智能水网工程建设的初步构想

1.建设内容

国家智能水网工程，即在国家层面践行智能水网建设模式，面向国家水管理的现实需求和未来格局，进行顶层设计，开展国家尺度的水物理网、水信息网和水调度网的规划建设和系统耦合，提升国家水安全保障能力，实现水安全保障的战略目标。具体内容包括三方面：

（1）开展以河湖水系连通为主要内容的国家水物理网规划和建设，提升与水资源优化配置目标相适应的水资源调配能力

通过江河湖库治理工程、枢纽调蓄工程和蓄滞洪区的合理布局，降低洪涝灾害潜在风险，增强防洪减灾应急处置的工程能力，形成保障国家防洪安全的物理基础。通过优化水源工程结构，建设人工输配水工程体系，提升区域间水资源互调互济能力和区域内水资源开发利用水平，提升抗旱能力，形成保障社会经济供水安全的物理基础。强化水利工程在规划、设计和建设阶段的生态适应性论证，通过建设生态补水工程、重要生态景观修复工程，降低水资源开发利用对生态系统的破坏程度，恢复水生态系统服务功能，形成保障国家生态安全的物理基础。

（2）开展以提高水资源监控能力和智能化辅助决策为核心的国家水信息网规划和建设，提升对自然-社会二元水循环与网络载体信息的感知和预判能力

建设水情、工情智能化监测体系，以增强对潜在水安全风险的预测感知能力，从而在预警环节保障水安全。建设智能化二元水循环模拟和水网工程运行仿真系统，以提高水资源调度决策的系统性和针对性，从而在决策环节保障水安全。建设远程化、自动化、智能化的水利工程运行调控系统建设，以支撑精细化水资源管理和调度模式，从而在执行环节保障水安全。

（3）开展以水循环预报决策和调配控制为核心的水调度网规划和建设，提升水资源多目标科学决策与水循环实时调控能力

按照民生水利、人水和谐等新时期现代治水理念的指导，不断完善洪水风险管理、最严格水资源管理和水生态文明等制度体系，为水资源调度提供顶层制度指导；在水信息网络建设的支撑下，不断提升自然-社会二元水循环模拟和预报能力，夯实水资源调度决策的科学基础；研发和应用复杂水资源系统的防洪、供水、灌溉、发电、航运等多目标分析和决策技术，建设水资源调度决策会商平台，提升复杂水系统的调度能力；大力推进水资源系统调度的控制与执行体系建设，保障调度指令精确和及时实施。

2.推进步骤

遵循“整体规划、统一标准、多头并举、分层建设、逐步推进、接口整合”的原则，国家智能水网工程建设过程可大致分为规划准备、区域实证和全面建设三个阶段。

（1）规划准备阶段

主要工作内容包括：逐步推进智能水网工程基础理论研究，开展需求调研、需求分析、基础评价体系建设、规划设计要点等关键问题研究，辨析智能水网工程的科学内涵和构成要件，初步形成较为完善的智能水网理论体系。依据国家智能水网工程前期研究成果，完成国家智能水网工程的总体规划，构建国家智能水网工程的整体框架，提出国家尺度的水物理网、水信息网和水调度网的建设目标、建设内容、工程布局、重点任务、推进模式、保障机制等规划具体内容，形成国家智能水网工程的建设依据文档。

（2）区域实证阶段

主要工作内容是在工程总体规划的指引下，契合现实紧迫需求问题，开展国家智能水网工程的试点建设，储备经验、技术和人员。试点建设可进一步细分为示范点建设和示范区建设。示范点是指在规划框架内，为解决行政区划或区域内某特定问题，开展不完全网建设，即只建设三网中的某一网或某两网。示范区建设是指选择具有代表性的典型流域，开展智能水网工程的三网整体建设和运行评估，为国家智能水网工程的全面展开积累组织与技术经验。

（3）全面建设阶段

按照三网合一的基本思路，参照整体规划，运用经验、技术和人员储备，在全国范围内推进智能水网工程展开，包括全国水资源调配格局的规划与建设，自然-社会二元水循环与水工程信息网络体系建设和主要江河湖泊水资源调度系统建设，并以此为龙头带动智能水网产业的全面形成。

四、国家智能水网建设的科技支撑需求

（1）智能水网工程的基础理论研究

通过开展智能水网的科学内涵和智能化特征解析、智能水网基本结构和概念模型、不同尺度下物理水网连通模式、智能水网工程标准体系和智能水网工程效益评价方法等方面研究，构建智能水网工程建设理论，形成能够指导国家智能水网工程建设和运行的基础理论体系。

（2）智能水网工程规划与技术标准

通过开展物理水网工程规划理论与方法研究，水信息网系统构建和规划方法研究，智能化水调度网的建设方案设计和关键技术等方面的研究，建立水物理网、水信息网和水调度网的规划技术体系，搭建指导三网融合的国家智能水网工程规划平台。

（3）水网智能化监控软硬件技术

通过研究包括水网对象数据建模技术，智能水网监测和站网布局优化技术，基于云架构的水信息存储和数据同化技术，智能化水循环要素和水网设施监控传感器和水网设施智能化控制系统设计等关键技术，为国家智能水网工程监测感知和决策执行的智能化提供软硬件技术解决方案。

（4）水网智能化模拟与仿真技术

通过开展不同尺度自然-社会二元水循环模拟理论和方法研究，流域水循环及其伴生生态与环境过程耦合模拟模型研究，基于数据同化的水循环过程关键参数智能优选技术研究，高性能计算平台和大数据技术支撑下的水网工程模拟、仿真技术和系统平台研究等，为国家智能水网工程的精准化和科学化管理能力的形成提供理论和技术支撑。

（5）水网智能化调度技术和调度系统

重点开展梯级水库群多目标优化调度技术，长距离调水工程的水动力学优化调度技术，面向生态目标的水网工程调度技术，高含沙含盐河流水沙水盐平衡调度技术，水资源实时调度技术与水资源量、质、效多目标调控等技术的研发工作和智能化信息网络支撑下的智能化调度系统设计研究，为国家智能水网工程调度网实现智能化决策提供技术支持。

（6）水网节点工程安全建设与评估技术

主要包括复杂地质条件下水库工程安全设计、建设和监测技术研究，导截流及深厚覆盖层围堰安全控制技术，高水头大流量泄流建筑物工程安全技术，高坝深层抗滑稳定性评估技术，高地震烈度区水利水电工程结构抗震技术，水利水电工程施工重大事故控制及应急救援关键技术，大型水利水电工程安全与健康诊断技术，水电工程智能化监测和安全性动态评估技术等研究内容，着重解决水网节点单体工程建设的技术难题。

国家智能水网工程是先进治水理念、现代科学技术和国家治水实践的有机结合体，工程结构的系统性和技术的智能化，使其成为整体提升我国水安全保障的全局性、战略性和关键性抓手。应面向国家水安全保障的现实亟需，抓紧开展规划前期研究和关键技术攻关，强化工程顶层设计，有步骤有计划地推进国家和区域智能水网工程建设，加速推动水利现代化进程，为全面建设小康社会提供坚实的水安全保障。

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