生态流量监管“四预”业务应用探索

刘庆涛 ，蔡思宇 ，沈红霞

（1．水利部信息中心，北京 100053；2．中国水利水电科学研究院，北京 100038）

0 引言

2022 年 2 月 21 日，水利部印发《水利部关于开展数字孪生流域建设先行先试工作的通知》，计划用 2 a 左右时间，在大江大河重点河段、主要支流开展数字孪生流域建设先行先试，在重要水利工程开展数字孪生水利工程建设先行先试[1]。自 5 月18 日以来，水利部网络安全和信息化领导小组办公室（以下简称部网信办）联合各流域管理机构，完成了全部 56 家先行先试单位 94 项任务的数字孪生流域（水利工程）建设先行先试实施方案审核工作[2]，这标志着数字孪生流域建设先行先试工作全面进入实施阶段。此前，部网信办已印发了 4 部数字孪生流域建设系列技术文件和管理办法，即《数字孪生流域建设技术大纲（试行）》《数字孪生水利工程建设技术导则（试行）》《水利业务“四预”基本技术要求（试行）》和《数字孪生流域共建共享管理办法（试行）》等，明确了数字孪生流域建设目标、范围、任务、技术路线、共享成果等。在各单位的先行先试实施方案中，一些单位以生态流量监管业务作为水资源管理与调配业务的重点突破方向，开展生态流量监管业务需求分析、任务目标定位、技术路线分析等。

本研究着重探讨服务支撑生态流量监管全过程“四预”（预报、预警、预演、预案）的数字孪生平台建设技术路线，为数字孪生流域建设先行先试和智慧水利水资源管理与调配业务提供实践参考。

1 生态流量监管总体方案

1.1 生态流量监管现状

河湖生态流量（水量、水位）是维系河流、湖泊等水生态系统的结构和功能红线[3]，是倒逼用水总量控制、效率提高的重要抓手。近年水利部发布了第1～4 批全国重点河湖生态流量控制断面，共计283 个断面，各流域制定了本流域范围内的相关重点河湖断面生态流量红线监管指标，编报了生态流量保障实施方案，确定了生态流量预警方案、管控措施等。但各流域编制的生态流量保障方案中预警等级、阈值指标设置、预警响应措施、调度控制要素等还存在不够规范和统一的情况，与当前数字孪生流域建设提出的“四统一”（统一规划、治理、调度、管理）[4]2要求不相适应。少数流域、省级管理部门开发了生态流量监测预警平台，实现了对部分断面流量（水位）的实时监测、指标告警等功能[5]2，但功能还比较单一，对于生态流量监测预警、统计分析、流量预测、成因分析、调度方案预演、预警响应等全过程管理缺乏服务支撑，还未构建相关流程，以及断面相关水利设施、取水口、取水户的对应关系的知识图谱，生态流量预测能力、调度方案预演等能力还有明显不足。

1.2 业务需求

2022 年 6 月，水利部印发《2022 年推进智慧水利建设水资源管理工作要点》（以下简称工作要点），要求在支撑河湖生态流量监管方面，要利用水利部雨水情、全国省界断面水文水资源监测信息等系统，及时掌握重点河湖生态流量控制断面实时监测和整编数据。要根据生态流量保障实施方案确定的预警阈值，及时进行预警响应，采取会商、约谈、通报等方式，落实水量调度和河道外取水管控措施。工作要点已明确提出支撑河湖生态流量监管业务的需求和数字孪生平台相关建设“四预”能力提升的方向和目标。

为解决当前存在的问题，对标业务需求，在水利部本级先行先试任务中，基于数字孪生平台，选取典型断面实施生态流量监管“四预”业务应用系统建设，以提升服务支撑生态流量监管全过程“四预”能力。

1.3 总体架构设计

按照数字孪生流域总体建设目标、任务，结合水利部对生态流量监管“四预”业务应用需求，基于水利部数字孪生平台，开展数据底板、模型库、知识库建设，提出基于数字孪生平台的生态流量监管“四预”业务应用，总体架构如图1 所示。

1）数据底板方面。选取典型断面，融合国家水资源数据库、实时雨水情数据库、水利一张图服务及管理信息等数据[5]2，建设监测预警数据库，实现数据实时共享和动态更新。

2）模型库方面。建设耦合多维多时空尺度来水预报、流量预测的智能算法和模型。

3）知识库方面。构建相关业务流程，以及断面相关水利设施、取水口、取水户的对应关系的知识图谱。

4）业务系统方面。实现重点河湖生态流量断面监测预警、统计分析、流量预测、成因分析、调度方案预演、预警响应等业务功能试点应用，探索形成支撑生态流量预报、预警、预演、预案的模拟分析能力，为区域水资源管理与调配提供精准的决策支持。

2 数字孪生平台建设

2.1 数据底板建设

根据数据资源形态和应用需求，从水利一张图、实时雨水情系统、国家水资源管理系统等，汇集生态流量监管所需的基础、监测、业务管理、地理空间等数据[4]7。

2.1.1 算据建设

算据主要包括基础、监测、业务、地理空间等数据，具体建设内容分析如下：

1）基础数据。从全国雨水情数据库中汇集已上报数据的全国重点河湖生态流量控制断面相关基础信息，典型断面关联的代表性测站、水利工程（设施）、取水口（地表水、地下水）、灌区等的基础信息。基础数据特征属性可参考 SL/T 809—2021《水利对象基础数据库表结构及标识符》相关规定。

2）监测数据。从全国雨水情数据库中汇集已上报数据的全国重点河湖生态流量控制断面，以及典型断面关联的代表性测站、水利工程（设施）、取水口（地表水、地下水）、灌区等的水位，流量，取水量等监测信息。监测数据特征应符合 GB/T 50138—2010《水位观测标准》和 GB 50179—2015《河流流量测验规范》要求。

3）业务数据。主要指生态流量监管业务产生的数据，包括水文气象预报成果、生态流量考核指标、调度控制要素、控制断面保障方案等，主要通过同步相关业务系统数据库、数据共享交换等方式获取相关业务数据。

4）地理空间数据。主要指在全国水利一张图地理空间数据的基础上，通过数据共享交换等方式获取已建的 DEM，DOM，BIM 和水下地形等数据资源。

2.1.2 数据治理

针对监测数据在采集、传输及存储过程中不可避免地出现各类异常值和缺失值的情况，对接入的实时雨水情、国家水资源管理系统的各类监测数据，研发数据清洗整编算法，形成符合数据库统一标准的水文水资源数据产品集，为业务应用提供可靠的数据来源。

1）异常数据识别及处理。水位异常数据常表现为数据跳变、平头数据、定时报不来等情况，采用“阈值判定 + 拉依达准则/箱型图法”的方法[6]，先通过统计分析不同地区、时期的水位/流量变化分布特点确定水位分期分区阈值，进行初步判定，然后通过拉依达准则和箱型图法进行确认。

2）缺失数据插补。数据插补采用分型插补的方式，将缺失时段分为短期（5 d 以下）、中期（5 ～15 d）和长期（15 d 以上），其中：短期插补，采用样条插值法、Stineman 内插法、加权滑动平均值法[7]进行插补；中期插补，采用决策树法，通过建立随机森林回归模型[8]，利用自变量预测因变量，从而插补得到列向量中的缺失值；长期插补，采用基于基准流量的随机模拟方法，通过选取流量基准值、历史同期时段，计算历史同期缺失时段流量相对于基准流量的相对变化率，构建变化率分布，采用随机模拟方法进行抽样，并完成插补流量的计算。

3）实时清洗和整编。提取实时雨水情、水资源等数据库推送的相关监测数据，通过定制定时任务，每天自动进行定时任务计算，形成单点单站的日平均降雨量、水位/流量、蓄水量/下泄量、取用水量（地表/地下、工业/农业/生活）等数据产品。

2.1.3 数据服务

在清洗整编后的数据基础上，形成以下类型数据产品服务：

1）基础类。梳理流域、河道、水库的汇流关系，取用水户与河道的对应关系，基于知识图谱等技术，挖掘各类信息内部的关联关系，形成能够解释和追溯断面流量变化原因的数据产品。

2）监测类。在监测的雨量，河道、水库、堰闸的水情，以及取用水数据的基础上，基于数据清洗整编技术，形成生态流量控制断面及其关联的雨量站、水库、取用水户等长系列日平均降雨量，水位/流量，蓄水量/下泄量，以及取用水量数据产品。

3）数据加工类。以典型区为示范，提供各监测类数据的逐旬/月/年均值、多年日/旬/月均值、特征值分析、生态流量监管月报等数据加工类产品。

4）模型预测类。基于已构建的短期水文预报、中长期径流预报及水动力等模型，动态发布典型断面未来不同日、旬、月尺度的径流预测产品。

2.2 模型库建设

结合生态断面考核要求及实现对生态流量保障方案水量调度预演的需求，水利专业模型建设内容主要包括短期水文预报、中长期径流预报、河道水流演进、需水预测、典型区水量调度等模型建设，并通过模型耦合，在数字空间实现对取用水管理和生态流量监管活动的智慧化模拟。

1）短期水文预报模型。考虑人类活动对天然水循环的影响，建立融合地表取水过程，以及用、耗、排水过程的自然-社会二元水循环的流域分布式水文模型[9]。

2）中长期径流预报模型。根据流域特征和径流来水过程特点，挖掘控制断面流量与各预报因子的相关关系，结合多元线性回归、支持向量回归、神经网络等模型进行滚动预测并集合成最终预测的径流量[10]。

3）河道水流演进模型。考虑沿程各支流汇入，构建水库以下至生态流量断面间的一二维水文水动力模型，模拟不同调度方案下的水流演进过程。

4）需水预测模型。分析历史分区域、行业地表水地下水取用水规律，构建中长期需水预测模型，预测未来不同时间尺度、统计单元的需水量。

5）水量调度模型。在已有水量调配模型库的基础上，充分考虑生态流量保障、区域经济社会供水及水库综合利用目标，构建流域水量调配多目标优化调度模型。

将径流和需水 2 种预测结果输入生态水量调度模型，得到水库长、中、短期下泄量和供水量；将生态水量调度模型的计算结果输入河道水动力模型，得到水量调度方案下的流量演进情况，为生态流量触发监测预警断面的情景推演提供决策支撑。

2.3 知识库建设

采用基于图数据库的知识图谱技术，对流域、河道、水库、监测站网、取用水户等要素进行语义连接，同时结合业务规则、方案和专家经验等信息，建立数据、规则方案于一体的知识数据库。

2.3.1 基于图数据库的生态流量预警知识图谱构建

在传统监测数据库的基础上，搭架图数据库，从传统的二维表扩展到“节点-关系-节点”的三元结构。通过对业务的抽象和梳理，建立“事件-状态-实体”概念模型，将现有水资源管理领域的本体对象、属性、联系等描述以图的方式连接起来，并建立不同事件、状态和实体之间的真实语义关系，从而形成基于图数据库的知识图谱框架。以生态流量预警为核心，以一次完整预警周期为对象，以图谱的形式将一次生态流量预警周期中的各要素关联起来。生态流量预警知识图谱示意图具体如图2 所示。

图2 生态流量预警知识图谱示意图

具体知识图谱建立流程分析如下：

1）建立预警事件节点，记录该预警发生的时间及级别，并与监测断面关联。若该预警周期上一个周期已发生预警事件，则该预警事件与上一预警事件关联。

2）建立预警时状态节点，并与预警节点和对应实体进行关联。各关联关系分析如下：a．预警（时）-取用水状态关系。记录预警发生时，区域内取用水户的取用水状态与历史状态的变化值和动态度。b．预警（时）-水库状态关系。记录预警发生时，某水库的状态与历史状态的变化值和动态度。c．预警（时）-降雨状态关系。记录预警发生时，某雨量站的状态与历史状态的变化值和动态度。

3）在预警周期过程中，若实施管控措施，则建立管控措施节点，记录措施实施的时间和具体内容，既可以是对取用水的管控，也可以是对水库的管控（如加大下泄流量）。同时，管控措施应与预警事件及取用水户或水库实体关联。

4）在预警周期结束时，建立预警响应后状态节点，并与预警节点和对应实体进行关联。各关联关系分析如下：a．预警（后）-取用水状态关系。记录预警周期结束时，区域内取用水户的取用水状态与预警时状态的变化值和动态度。b．预警（后）-水库状态关系。记录预警周期结束时，某水库的状态与预警时状态的变化值和动态度。c．预警（后）-降雨状态关系。记录预警周期结束时，某雨量站的状态与预警时状态的变化值和动态度。

2.3.2 业务规则库

结合典型断面生态流量保障调度方案中调度规则、常规调度管理、预警响应流程、应急调度方案、河道外用水管控措施，提取历史场景调度指令下达及执行情况数据，形成各类场景的业务规则库。

2.3.3 知识图谱整合

在知识图谱的基础上，采用自顶向下（由专家创建）的方式，将现有业务规则（例如预警后采取的响应措施）、方案和专家经验等整合至知识库中，实现完整的生态流量知识图谱，从而形成丰富的历史场景库，为生态流量预警实时处置和调度决策指令下达提供支撑。

3 生态流量监管业务应用系统建设

3.1 功能模块建设

按照生态流量监管业务需求，建设具有“四预”功能的重点河湖生态流量监测预警与调控保障系统，主要包括监测告警、预测预警、水量调度预演、会商服务等功能模块。通过该系统建设，可以实现断面信息的实时监测和告警；提供典型断面未来不同日、月、年尺度流量过程的预测；构建基于图数据库的生态流量预警知识图谱，实现水量调度预演及方案执行复核功能；对当前生态流量预警发生的成因进行分析，为会商决策提供数据支撑等功能。

3.1.1 监测告警模块

通过接入清洗整编后的数据产品，实现对断面基础信息、监测信息、指标阈值的接入和展示，对断面生态流量触发监测预警情况进行判别及告警；向管理部门、相关流域和省区具体管理人员推送告警信息，告知目前告警状态。具体流程分析如下：

1）通过 GIS 地图展示生态流量控制断面水位及流量监测站群分布、流域生态流量监测情况等，并采用不同的图标或颜色区分监测、告警等状态。

2）对于单个控制断面，从断面基本信息、生态流量指标值、断面实时监测信息、断面监测情况统计等进行可视化展示，并实现特定时间段内监测信息的查询、数据导出等功能。

3）通过实时监测数据与指标值的对比，实现触发监测预警情况判别与告警，及时向管理部门、相关流域和省区具体管理人员推送预警信息，告知目前预警状态；对于红色预警的发生，设置信息发送功能，在 2 h 内通报河流所在流域管理部门。

3.1.2 预测预警模块

通过已构建的水文、水动力、水资源等水利专业模型，对典型断面未来不同时间尺度的来水进行预测。具体流程分析如下：

1）运用已构建的短期水文预报、中长期径流预报、水库调度和河道径流演进等模型，对典型断面未来不同日、月、年尺度的径流进行预测，并结合水情发展变化提前启动预警。

2）评估典型断面径流预测效果，通过构建预报模型全生命周期评价指标体系，对已构建的模型进行优化，提升预测预警服务能力。

3.1.3 水量调度预演模块

实现典型断面生态流量保障调度方案中已明确的生态流量触发监测预警情况下水量调配方案调配过程的概化实时展示，以及水量统计、复核等功能。具体流程分析如下：

1）收集梳理流域、河道、典型断面、雨量站、水利工程（设施）、取水口、取水户等物理实体之间的关联和空间关系，构建基于图数据库的生态流量预警知识图谱；将预警事件与实时监测数据对接，实现对当前生态流量预警发生成因的可视化展示。

2）在生态流量触发监测预警情况下，通过对控制工程下泄水量的实时监测及展示，复核水量调配方案的执行情况。

3.1.4 会商服务模块

对于保障调度方案无法解决的生态流量不触发监测预警情况，以及其他需要组织会商的紧急事件，提供会商服务功能。具体流程分析如下：

1）针对触发监测预警断面，结合其上游来水、工程蓄水、河道外取用水及控制工程下泄情况等，从实时（过去 7 d）和中长尺度（过去 3～5 个月）2 个层面对告警成因进行分析，为会商提供数据支撑。

2）运用已构建的典型区水量调度模型，实现不同水库调蓄、区间用水压减方案下水量调配过程的情景推演；构建水量调配方案多目标评价指标体系，对多方案进行综合比选，为决策提供数据支撑。

3.2 “四预”业务流程

生态流量监管业务“四预”流程如图3 所示，具体业务功能体现分析如下：

图3 生态流量监管“四预”业务流程图

1）感知。基于国家水资源数据库、实时雨水情数据库、水利一张图服务等，获取气象、雨水情、取用水等信息数据。

2）预报。对获取的监测数据，通过数据清洗整编技术，集成耦合短期水文预报、中长期径流预测等模型，实现典型断面的流量预测。

3）预警。在对关键断面基础和监测信息可视化展示的基础上，实现流域生态水文情势分析，并结合生态流量预警指标和阈值，对断面生态流量触发监测预警情况进行判别及告警。

4）预演。针对预警断面，基于构建的生态流量预警知识图谱和水利专业模型，构建预演场景；结合水量分配方案、调度计划等，对典型断面生态流量保障调度方案进行预演，复核方案的执行情况，并对调度目标无法满足的方案进行优化和调整。

5）预案。构建水量调配方案多目标评价指标体系，对多方案进行综合比选；通过对触发监测预警断面进行成因分析和历史情景推演，为会商决策提供数据支撑。

4 结语

为争取数字孪生流域建设先行先试尽快落地见效，发挥示范引领作用，提高水资源管理与调配业务“四预”能力，由水利部信息中心牵头，依据《智慧水利建设顶层设计》整体部署及《数字孪生流域建设技术大纲》“十六字”总体目标要求，以生态流量管理为水资源管理与调配业务发力点，开展全国统一的重点河湖生态流量监测预警与调控保障系统平台建设，以典型断面为试点，支撑生态流量监管的全过程管理业务，实现生态流量保障调度及水量分配方案模拟，并建立统一的全过程技术标准体系，包括径流预报预测模型等算法和统一规范的业务数据底板。流域机构协调各省、水利工程单位按照统一技术标准，开展本流域相关数字孪生平台及“三算”建设，将监测数据共享汇入国家水资源管理或雨水情等系统，补充构建基础和监测数据底板，通过调用水利部本级平台通用模型或改造相关模型算法，分批逐个断面实现支撑生态流量和水量分配“四预”业务功能。

按照“全国一盘棋”建设思路，由水利部网信办、有关司局统筹推进，探索各流域协同参与的全国重点河湖生态流量监测预警与调控保障系统平台建设模式，既是全国水资源管理与调配业务“四预”能力建设，实现生态流量和水量分配全流程各环节管理的尝试探索，也是数字孪生流域各参建单位协作推进、共建共享体制机制建立和技术成果共享的摸索尝试，将为全面建设数字孪生平台发挥显著的示范引领作用并提供典型经验案例。