“数字巢湖”工程建设实践与展望

万能胜 齐鹏云 熊竹阳 高芮 韩琦 陈堃 段洪涛 赖锡军

摘 要：现代化、信息化、数字化是流域管理的现实需求。针对巢湖流域水安全管理的监管和决策存在的瓶颈问题，提出了“数字巢湖”建设框架，开展了“数字巢湖”工程建设实践：建立了天空地一体化监测体系；开发了服务流域综合管理的时空大数据平台，汇聚水利、环保、国土等多部门数据；研发了流域水量水质、湖泊蓝藻水华预测预警等系列预测预警和决策支持模型；开发了以一张图为基础的系统平台。“数字巢湖”在巢湖流域2020年超历史洪水预报、闸站调度决策支持、污染物总量管理、蓝藻水华应急防控等方面发挥了重要作用，有力地支撑了巢湖治理科学决策，为巢湖治理能力现代化奠定了重要基础。

关键词：数字流域；监测体系；时空大数据；综合治理；巢湖

中图法分类号：TV697                                             文獻标志码：A

1 引言

“数字流域”通过综合应用遥感（RS）、地理信息系统（GIS）、全球定位系统（GPS）、分布式模型和虚拟仿真等现代高新技术[1]，实现全流域信息的数字化映射，支撑流域的综合管理，对流域治理能力现代化建设具有重要意义。我国大江大河流域均陆续开展了数字流域建设实践，如“数字黄河”[2]等。

巢湖是我国第五大淡水湖泊，位于安徽中部，流域总面积1.35万km2，跨合肥、芜湖、六安、马鞍山、安庆等5市17县市区，是安徽省生态文明建设和绿色发展的核心区域。长期以来，巢湖水安全问题突出，是我国重点治理的“三河三湖”之一[3]。治理好巢湖，对长江大保护意义重大。经过几十年的综合治理，巢湖流域的水利工程体系初步建立，水污染综合防治基础设施逐渐完善，水环境质量有了明显好转，但是由于巢湖流域处于工业化、城镇化加速推进期，流域环境条件处于快速变化中，巢湖水安全仍面临着严峻的挑战，亟需提升科学精准治理巢湖的能力，保护好巢湖一湖清水。

近年来，巢湖流域治理投入、治理水平和科学治理理念不断强化。智慧化决策支持作为重要基础能力越来越受重视。2017年5月安徽省委、省政府提出巢湖治理“六个创新”，要求强化信息化、实时化监管，完善技术支撑，把科学治水落到实处，不断提高巢湖治理保护水平。作为信息化能力建设的重要方面“数字巢湖”建设由此提上日程。2018年11月，安徽省政府印发巢湖综合治理攻坚战实施方案，进一步提出要加快“数字巢湖”建设。2019年12月21日，安徽省人大常委员修改的《巢湖流域水污染防治条例》，要求建立信息共享数据库，构建巢湖流域水环境综合信息平台，推动水环境监管信息化、精准化、网格化、规范化，推进数字巢湖建设[4]。2021年8月17日，安徽省委办公厅印发文件《关于深入学习贯彻习近平总书记考察安徽重要讲话批示精神 着力把巢湖打造成合肥最好名片的意见》要求，深化“数字巢湖”建设，完善监测体系，构建巢湖综合治理“智慧大脑”。

基于“十三五”巢湖水专项成果巢湖水质目标管理平台，安徽省巢湖管理局利用环巢湖地区生态保护修复三项工程中《环巢湖水质自动监测及预警系统改扩建工程》项目资金，于2020年启动“数字巢湖”（一期）建设，并于2021年建成投入运行。在建设过程中，结合巢湖流域出现的问题，即时应用于流域防洪保安、污染物总量管理、蓝藻水华应急防控等，取得了良好成效。

2  “数字巢湖”建设思路与框架

2.1 建设目标

“数字巢湖”（一期）建设目标是形成一个以一张图为基础的数字化、智慧化的流域管理决策支持平台，提升流域现代化管理水平，为巢湖流域水安全防控精准发力。通过打通“气象、水文、环保”数据共享通道和“排口、河口、湖口”污染溯源路径，构建“湖泊、干流、支流”地理信息系统和“国控、省控、市控”多级管控断面，建立“自然流域、行政区域、控制单元”综合管控体系和“县级、镇级、村级”分级管理单元，研发“水安全、水环境、生态管理”等多功能应用，实现“水量、水质、水华”一体实时监测和“天空、地上、水下”立体预测预警，初步达到基本“能用”，初步“管用”，部分“好用”；使“数字巢湖”成为流域活地图、工程档案馆和历史数据库；成为动态监视窗、远程观察哨和立体预警机；成为情景模拟器和领导会商室；成为研发工作台和模型工具箱。

2.2 建设思路

紧密结合巢湖水安全、水环境、水生态管控需求，以“能用、管用、好用”为实施路径，项目建设遵循“三监测、一控制；三结合，两管理”的思路（见图1），采取自上而下，两手抓的模式，研发“数字巢湖”平台。

“三监测”为水质、水量、水华监测。通过开展流域的水质、水量和全湖范围的蓝藻水华监测，为污染物总量的实时监控、预测预警提供数据支持和模型计算基础支撑。

“一控制”为流域污染物总量控制。通过对流域污染物总量监测（或模拟），围绕实现河湖水质目标制定减排方案，采用湖（河）长制考核、一级保护区考核和生态补偿等管理手段，实现全流域污染物总量综合管控。

“三结合”为从湖体、农村型和城市型流域三个方面相结合，分区域提出治理目标、路径和措施。对于巢湖本体，整合卫星遥感、无人机监测、视频监控、浮标监测、人工巡测和数值模拟等手段，构建“天—空—地”立体监测框架，集成各类模型，实现巢湖蓝藻水华和主要水质参数的精细化模拟与实时预测预警。对于农村河流，实行网格化、精细化管理，通过水质水量模拟推算，找出污染物的主要来源，以便于流域细化、确定控制单位、找到控制元素，明确责任单位和责任人，以确定流域治理方式方法。对于城市河流，开展自然属性的产汇流和社会属性供排水（污）监测，实施管网溯源分析，研究城市排口污染来源，探索城市河流面源污染管控路径。

“两管理”是围绕湖（河）长制管理和一级保护区管理两个手段，通过静态展现、动态管理、常态跟踪、量化考核，为落实巢湖污染物总量控制的目标管理、任务督办和绩效考核提供抓手，为巢湖保护治理工作的落实提供有效支撑。

2.3 总体框架

构建“一网一图一平台三体系N应用”总体框架（见图2），保留充分的扩展性。主要包含：①建设完善巢湖流域天空地一体综合监测网络；②多部门融合，以图管湖，实现一张图的流域综合管理；③建设云数据中心，包括计算、存储、网络等硬件资源及系统软件资源等；④建设三体系，包括标准体系、运维体系、安全体系；⑤基于一张图设计若干应用模块，包含水质、水量、污染物总量、蓝藻水华监测预警及预报、农村流域面源网格化管理、湖（河）长制管理、一级保护区管理等，根据业务应用模块的不同功能，开发功能应用。

3  “数字巢湖”（一期）主要内容

3.1 建立流域多要素监测体系

一是打通部门壁垒，汇聚地理国情、气象、水文、水质等多方数据。接入3个卫星源、73个视频监控（环湖43个站点、湖区20个、河道断面监控10个）、332个水质监测站点、222个气象站点、138个雨量站和992个水文/水位站数据。二是针对已有监测体系增建必要监测站点。包含98个水质自动站（数据已接入数字巢湖）、46个水文/水位站。初步实现流域的水雨情、水环境和蓝藻水华的综合监测，建立卫星（遥感）、视频和水质水量监测为一体的立体监测网络（见图3），提升巢湖流域水安全管理的日常和应急监控能力。

3.2 构建时空大数据平台

一是制定一套数据标准。结合相关标准规范，建立具有流域特色的水利、水文、水质、气象、国情、市政等部门数据标准。二是开展数据整编分析。基于数据标准和管理需求，系统梳理整编国土、气象、水利和生态环境等部门基础和监测数据。三是构建人口、经济、水利、水文、水质、气象、国情、市政等多要素数据库，实现历史数据和实时数据的入库。四是搭建一个数据平台。构建数据接入、数据资源、目录管理、数据治理、资产管理和信息共享等6个平台，用于数据资源互联互通互享（见图4）。

目前平台已接入10个数据源的数据，建立动态更新接入任务416条，编制数据标准化处理脚本79条，维护数据标准字典111张，元数据4.12万个。建立标准基础目录194个，标准部门目录212个，上传资源4238个。

3.3 研发多用途数学模型

一是研发流域水量水质数学模型。实现水质、水量（水位）预测及污染物总量模拟与预测应用，及时掌握河湖水质、水量和污染物总量的变化趋势。二是研发蓝藻水华监测预警模型，及时掌握“整个湖区—重点区域—关键位置”三个层次的巢湖蓝藻水华发生状况，借助短期（未来2天，逐时）和长期（未来1周，逐日）预测预警[5]，为蓝藻科学防控提供支撑。三是研发了基于人工智能算法的入湖河流水质预测模型，实现了13条入湖河流未来3天的水质预测预警。

3.4 开发多功能应用系统

开发了基于一张图的水质、水量、污染物总量监测和蓝藻水华监测预警及预报、湖（河）长制管理、一级保护区管理等应用平台（见图5）。初步实现水质、水量、污染物总量（见图6）、蓝藻水华（见图7）等信息及变化趋势的实时掌握；围绕着湖（河）长制管理和一级保护区管理两个手段（见图8），为落实巢湖污染物总量控制的目标管理、任务督办、绩效考核提供抓手，为巢湖保护治理工作的有效落实提供有效支撑。同时，开展了以面源污染精细化管理为导向的农村流域面源和城市面源管理试点建设。农村流域以分区分级网格化管理为路径探索构建面源污染精细管控模式（见图9）。城市面源污染则以排口为最小管理单元，选取滨湖会展中心排口汇水区域，开展城市面源污染管控试点建设。

3.5 建立了健全的支撑体系

一是畅通网络通讯传输。数字巢湖（一期）系统连接政务云平台、安徽省巢湖管理局、巢湖研究院和下辖7闸1站，共计10个站点，基于2条100 M专线，8条20 M专线，为信息的汇集、处理、发布和应用提供传输服务。二是采用多类应用软件，包括GuassDB数据库、超图和操作系统等。三是开发多种应用服务。为满足不同用户在不同场景应用需求，数字巢湖（一期）项目已开发面向管理和技术人员的展示大屏（见图10）和WEB端，以及数字巢湖、湖长制和一级保护区3套独立的APP，面向公众研发了门户网站。

4 建设成效

4.1 实现数据互联互通共享，建立“五统一四共享三分开”机制

项目建成后，实现了流域气象、水利（水文）、生态环境、城乡建设、自然资源等部门静动态监测数据互联互通共享，初步建立了流域信息化“五統一四共享三分开”机制，即信息化建设做到统一规划、统一实施、统一数据标准、统一数据接口、统一规格，实现原始数据共享、模拟数据共享、软件功能共享、平台共享，落实分开建设、分开运维、分开平台。

4.2 初步实现污染“六个识别”，赋能河湖综合治理管控

初步实现巢湖入湖河流污染物的“六个识别”，即污染物总量、污染结构、时空分布、入河贡献、超标指标和责任主体识别，支撑了巢湖入湖污染总量核算和污染溯源，为流域污染物总量科学管控提供数据支撑。

由水质监测断面水质超标信息发现问题，根据断面汇水范围内污染企业、污水处理厂、排口等可能造成水质超标污染源实时监测信息和与河段（监测断面）的拓扑关系，综合分析造成河道断面水质超标的原因和责任主体等。

4.3 应对水旱灾害防御，支撑流域防汛科学决策

利用水量预测模型，可根据精准气象预报分析预测流域主要控制节点最高水位和发生时间，为流域防汛抢险提供决策支撑。根据接入平台的主要枢纽实时运行状态和流量监测及水动力模型，通过模拟分析，提供各闸站枢纽最佳调度方案，为防洪综合调度科学决策提供理论依据。

2020年巢湖流域遭遇百年一遇特大汛情，利用“數字巢湖”水量模型和相关研究成果，在汛期对巢湖未来3天水情进行模拟预报，共预报16期巢湖水情，预测水位与实测水位误差值在-0.04～0.18 m之间（见图11），预测结果为各级领导决策提供了科学依据。2020年8月，开展了巢湖闸等四闸联动和兆河闸分洪调度研究，为关键时期快速精准降低巢湖洪水位提供了科学方案，8—9两月增排水量约12.7亿m3，降低巢湖水位1.6 m，为打赢巢湖防洪“保卫战”发挥了技术支撑作用。

4.4 发挥平台监测预报功能，支撑蓝藻水华防控

结合巢湖蓝藻水华监测和预警的需要，依托地理信息系统技术，建立了巢湖蓝藻水华天空地立体监测预警与模拟平台。该平台自2021年4月起，在每年蓝藻监测期和暴发期以一日两次（上午10点、下午3点）的频次向安徽省巢湖管理局、合肥市生态环境局等单位提供环湖蓝藻视频监控报告；利用EcoLake三维水动力生态模型，进行未来48小时逐时和未来6天逐日水质关键参数和蓝藻水华时空分布数值预报。截至2022年8月底，已累计出具环湖蓝藻视频监控报告536期；已运行超过613期（滚动预测，每日更新）预测预警周报，已按周发布87期，为巢湖蓝藻水华防控，保障供水安全提供了强有力支撑。

5 展望

“数字巢湖”工程（一期）建立了天空地一体化监测体系；开发了服务流域综合管理的时空大数据平台，汇聚了水利、环保、国土等多部门数据；研发了流域水量水质、湖泊蓝藻水华预测预警等系列预测预警和决策支持模型，开发了以一张图为基础的系统平台。展望新时期数字孪生流域的建设需求，面向科学智慧决策能力的形成、从“能用”到“好用”的推进，数字巢湖平台仍需进一步深化建设，做好流域实时感知、数据智能解析、模型优化完善、智慧决策应用等工作，着力打造形成数字孪生流域的巢湖样板。在流域实时感知方面，重点对监测盲区盲点，完善流域多要素多维度的实时动态监测体系。在数据智能解析方面，重点加强数据治理，提升数据质量，深化专业智能挖掘应用，形成知识图谱。在模型优化完善方面，重点细化模型的粒度，提升模拟精度，真正构建支撑智慧决策的数字孪生模型。在智慧决策应用方面，重点加强智慧决策工具开发、优化智慧化决策业务流程，解决数字化决策业务化运用不足问题，加强软硬件基础设施支撑体系建设，保障平台的高效运行。

参考文献：

[1]李纪人，潘世兵，张建立，等.中国数字流域[M].北京：电子工业出版社，2009.

[2]李国英.“数字黄河”工程建设“三步走”发展战略[J].中国水利，2010（1）：14-16，20.

[3]王金南，吴悦颖，李云生.中国重点湖泊水污染防治基本思路[J].环境保护，2009（21）：16-19.

[4]安徽省人大常委会.巢湖流域水污染防治条例[J].安徽省人民政府公报，2020（1）：3-13.

[5]邱银国，段洪涛，万能胜等.巢湖蓝藻水华监测预警与模拟分析平台设计与实践[J].湖泊科学，2022，34（1）：38-48.

Practices and Outlook of Digital Lake Chaohu Development

Wan Nengsheng1，Qi Pengyun1，Xiong Zhuyang1，Gao Rui1，Han Qi1，Chen Kun2，Duan Hongtao3，Lai Xijun3

（1.Chaohu Lake Ecological and Environmental Institute，Anhui Chaohu Management Bureau，Hefei 230601，China；2. Anhui Water Resources and Hydropower Survey，Design and Research Institute Co.，Ltd.，Hefei 231283，China；3. Nanjing Institute of Geography and Limnology，CAS，Nanjing 210008，China）

Abstract：Basin management needs to be modernized，informatized，and digitalized. To tackle the bottlenecks in the supervision and decision-making involved in the water safety management of Chaohu Lake Basin，we propose and put into practice a framework of digital Chaohu Lake construction. The framework consists of establishing a space-sky-ground integrated monitoring system，developing a spatio-temporal big data platform serving the comprehensive management of the basin，gathering data from departments of water conservancy，environmental protection，land and other sections，developing prediction and early warning and decision support models for water quantity and quality of river basins as well as cyanobacteria blooms in lakes，and building a system platform based on a map. The digital Chaohu Lake project has played important roles in the flood forecast in 2020，the decision support for sluice station dispatching，the total amount management of pollutants，and the emergency prevention and control of cyanobacteria blooms，which has strongly supported the scientific decision-making of Chaohu Lake governance and laid an important foundation for modernizing the governance of Chaohu lake.

Key words：digital watershed；monitoring system；big data；comprehensive control；Chaohu Lake