宁波市推进河网水资源智能化调度的思路与探索

陈 洁

（宁波市水资源信息管理中心，浙江 宁波 315000）

0 引言

随着经济的发展和人口的日益增长，水资源、水环境承载负担过重成为新的常态，2013 年以来，以治污水为首的“五水共治”战略决策深入推进，宁波市各级政府采取了多种措施不断加大水环境治理和水资源保护力度，河网水环境有了很大程度改善。但是，传统的经济发展方式带来的污染排放与水资源、水环境承载力之间的矛盾仍十分突出，2018 年，宁波市县控及以上监测断面水质总体呈Ⅳ～Ⅴ 类[1]，水体污染事件时有发生。2019 年，宁波市全域水环境治理“控源”“截污”“生态提升”3 项行动提上议程，提出通过 3～5 a 的时间，宁波市域河道水质控制断面达到或优于 Ⅲ 类标准的比例达到 100%[2]。宁波市积极推进清水环通工程，挖掘水源潜力，改善河网水动力条件，探索河网水量行进路径，一系列工程措施的推动亟须通过智能化管理手段对河网水资源进行合理配置。

宁波市是全国首批智慧水利先行先试地级区域之一[3]，宁波市智慧水利的发展与创新需要寻找落脚点。宁波市水利信息化经过多年努力，已基本形成感知体系、业务应用、环境保障“三位一体”的发展模式，在水旱灾害防御、水利工程综合管理等方面搭建起较为完备的模型及系统[4]，在水质、水量方面监测点位覆盖面亦日趋完善，但在水资源智能化管理方面则较为薄弱，缺乏河网水资源智能化调度手段。因此，现阶段开展河网水资源智能化调度的思路及实现路径探讨，对于及时获知实时的水账和水流的来龙去脉，形成优化的水资源配置方式，构建高效的水资源调度格局，是十分迫切且必要的。

1 水资源智能化管理实践成果

经过多年努力，宁波市基本建成覆盖全市范围的水雨情信息采集系统，并针对水资源业务管理建设了多个系统，如宁波市河道调水、实时取水监测、水资源公报信息等管理系统。这些业务系统的建设为水资源业务管理提供了信息化手段，初步实现了业务管理在线化。

1）宁波市实时取水监测系统。为及时掌握河道各取水口（引水口）的取水信息，满足取水口管理和水资源配置的需求，宁波市水利局已经建设完成实时取水监测系统，主要提供取水点的实时监测及历史取水数据查询。

2）宁波市水资源公报信息管理系统。为整合梳理水资源相关数据资源，实现系统化、在线化、科学化的水资源公报编制与信息管理，建设水资源公报信息管理系统，为落实最严格水资源管理、提升公共信息服务能力提供更全面的技术支撑。

3）宁波市河道调水管理系统。结合宁波市境内外引调水的实际需求，构建宁波市区河道调水管理系统，提供调水实时监控、统计报表查询等基本功能，为宁波市境外引调水管理提供信息化管理手段。

然而，现有的数据资源和业务系统分布较散，现有数据利用率不高，在河网水资源智能化调度方面的探索较为有限，缺乏一定的水资源调度决策能力，在宁波市大力推进河网水环境治理的契机下，有必要考虑河网水资源智能化调度实现手段。

2 河网水资源智能化调度的思路探索和实现路径

在宁波市“1 + 1 + 1 + 2”的智慧水利总体框架下，针对中心城区范围搭建河网水量水质联合调度系统，按照业务流程可以划分为监测—模拟—调度—执行 4 个环节，现有的信息化基础能够在这 4 个环节中起到优化、实时、直观、有效的作用。

2.1 监测方面

宁波市已在水雨情、工情、河道取水监测方面建设了较为完备的基础感知体系，感知能力逐年提升。具体建设情况如下[5]：

1）水雨情监测方面。全市共建成各类水文自动监测站 970 处，其中：有雨量监测功能的自动监测站为 581 处，雨量监测密度达到 17 km2/站；水位站有 650 处，覆盖水库、主要平原河网及重要区域。

2）工情及自动化方面。已有 34 座大中型水库、63 座大中型水闸、24 座大中型泵站，建设完成了工情自动化监测体系；已有 17 座大中型水库、37 座大中小型水闸、18 座大中小型泵站，建设完成了工程自动化控制体系，为水资源调度提供了坚实的基础。

3）水质水量监测方面。已建有流量监测点32 处，基本覆盖市区三江干流和骨干排涝河道主要排水口；建有河道 5 万 m3以上取水实时监测点253 个；市区河道建有 8 个水质测站。

下一步通过结合国家水资源监控能力建设，与环保部门的数据共享开放，以及宁波市中心城区水域调查结果，对中心城区范围内的水资源取用水量及水质情况进行实时监测，为掌握水资源的空间分布及取用水状况打下基础。

2.2 模拟方面

根据宁波市中心城区河网水系特征，以及水利工程对水体实际控制情况，确定项目研究范围，构建宁波市中心城区水量水质模型。水量水质模型主要包括以下模型：

1）水量计算模型。近几年，宁波市通过建设洪水风险应用及管理系统，已建立较为完备的河道水流数值模拟模型，如宁波地表产汇流、一维平原河网等模型，可以为本研究中有关水量计算模型需要用到的产汇流计算和平原河网模型提供计算结果和模型基础。同时，全市水域调查项目的成果及每年清淤工程得到的河道断面实测数据，将不断完善、细化研究范围内的平原河网模型，提高模型计算精度。

2）水质模型。水质模型是描述水体水质变化规律的模型，即通过数值计算模拟预测与河道水质相关的 BOD，COD 及氨氮等污染物输运规律，用于水体水质的评价、预测[6]。现有的水质数值模型以污染负荷模型为主，对污染物方面的计算按照排放方式分为点源和面源污染，其中：点源污染为通过污水处理厂和排放口，排入水域的工业及城镇生活污染；面源污染为由于降雨引起，从土壤或地面向水体扩散的各种污染物。污染负荷模型从结构上分为产生和处置 2 种模块，产生模块用于计算各种污染源的产生量，处置模块计算污染物经过各个处理单元后的污染负荷入河量。

考虑到实际模拟过程中，由于水质因子的测验误差、点源面源计算误差、水质数值模型精度等无法满足实时水质预警的要求，因此，需要依据实时水质监测数据对模型的计算及预报结果进行校正。目前，环保部门将在全市中心城区河道建设约 200 个实时水质监测点位，下一步将通过数据共享形式，在水质数值模型的初始成果基础上，接入实时水质数据，对模拟出的未来水质预报成果的误差进行校正，以提高水质模拟的精度。

3）生态需水模型。河网作为生态用水系统中重要的环节，满足河道生态用水需求是生态用水调度的最终目标，因此需要根据河道生态环境健康及人居景观要求，采用生态需水模型对河道各个河段的需水量进行预测，预测结果作为制定生态用水调度方案的边界条件。

2.3 调度方面

依靠水量、水质模型分析，建立宁波市中心城区河网水量水质联合调度系统，调度系统的核心在于水量水质联合调度模型的建设。调度模型建设包括 2 个方面，一方面是水量、水质、生态需水模型的耦合，另一方面是调度模型的建立及优化。

生态需水模型提供河道维持生态系统稳定所需要的水资源量[7]，为水量计算模型提供目标范围；水量模型为水质模型提供需要的流速、流量等水动力参数。

在模型耦合基础上，综合考虑调度过程涉及的闸、泵及引调水工程的调度需求，制定目标，用数学目标函数优化方法求解得出最佳的调度方案。河网水资源调度从事态紧急程度上，分为常规和应急 2 种调度；从调度达成的目标上，分为水资源水量、水环境及水生态 3 种调度。目前水质水量模型分析过程智能化程度不高，需要通过人工根据经验预先设定调度方案，人工输入各种边界条件及调度方式，通过模型演算后得出河流态势或流速等结果，主观性较强。

结合机器学习技术的发展，将水循环综合模拟模型扩展成水循环综合模拟-自动调控模型。在边界条件自动获取的水循环综合模拟模型上，从管理需求出发，预先设定好水质、流速、水位等控制目标，通过现有模型二次开发，自动生成调度方案，供决策参考。

水量水质联合调度系统的架构图如图 1 所示。

图 1 宁波市中心城区水量水质联合调度系统架构

水质水量联合调度系统可以完成的计算有以下几方面：

1）实时获知水账。结合河道断面测量数据，及时得到宁波市中心城区范围内的水量动态变化过程及水质情况。同时，在不影响对水资源正常取用的情况下，能够获取水体所能容纳的污染物的量或水体进行自身调节净化并保持良好生态平衡的能力。

2）能够进行评价。通过水质监测收集到的数据可以获知污染物排放情况，从而评价水体的水质情况，按评价指标判断是否满足水质标准和水体所处水功能区要求，综合评价水体的水质状况。同时，根据模型模拟仿真结果，可以统计出水资源公报、年（月）报上水质指标，获取中心城区在不同时空尺度上的水资源数量与质量，对现阶段水资源配置方案和布局的合理性进行评价。

3）能够进行预报预警。结合水雨情预报，在宁波市中心城区开展水资源长、中、短期实时预测，开展水资源调配和水量分配方案的拟定。同时，可以根据水资源各项指标的控制要求，设定一定的目标控制值或范围，当某一监测值或计算值超出范围时，设置系统自动报警功能。

4）进行水环境应急调度。针对突发水污染，通过调度模型分析计算，分析得出最优调水方案，规划最优调水时机及路线，为提升水环境质量提供决策支撑。

2.4 调度执行方面

利用物联网、集群监控、远程自动化控制等现代化技术，宁波市智慧水利二期工程将建立宁波市核心区三江调度运行管理模块，针对宁波市核心区的水闸、泵站，提供调度规则管理、指令下发、指令执行、执行跟踪、成果统计及在线简报生成等功能，为宁波市核心区三江水量调配、防汛排涝提供支撑手段。远期，将加强前端视频感知及分析，利用 BIM 对工程进行模块分解，达到精细化管理的目标。

3 结语

水资源智能化调度是提升水利管理能力现代化的重要手段，宁波市水利局近年来在水资源智能化管理方面的实践表明：智能化技术的应用能够全面掌握水资源“水源地—原水—取水—输水—用水—节水”的从“源头”到“龙头”的基础及监测信息，在提高在线业务分析、水资源科学调度、水利工程精细化管理能力，以及提升抗旱应急响应能力等方面，具有重要意义。后期宁波市将结合水旱灾害防御调度，在多目标智能调度、河流生态修复等方面做进一步探索，推动水资源调度管理向现代化管理模式转变，为水资源的合理配置提供坚实保障。