数字水文支撑数字乡村建设及管理模式探讨

吴 逊，郭建强

（1.天津市水文水资源管理中心，天津 300061；2.河北农业大学，河北 保定 071001）

数字水文是智慧水利建设框架的重要组成部分，对流域防洪减灾工作及水资源综合管理工作提供了重要的决策依据及数字底座支持。数字水文的发展也对农业农村经济社会发展的应用实践、数字乡村建设提供了切实有效的数字化应用支撑。数字乡村既是乡村振兴的战略方向，也是建设数字中国的重要内容。为了更好地支持数字乡村建设，保障乡村振兴战略目标的实现，最终实现数字中国的伟大建设目标，数字水文需要不断适应新需求，拓展新业务，转变自身的管理模式，提升管理水平和数字服务能力。

1 数字水文的发展背景

信息系统的发展历程，一般分为信息化和数字化2 个阶段。信息化阶段通过引入计算机系统，将业务流程数字化，使用软硬件系统完成部分业务处理工作，最终实现工作效率的提升。数字化阶段在信息系统发展到一定程度后，通过引入人工智能，对海量业务数据进行自动分析计算，实现业务信息的自我增值和业务流程的自我更新。相对于并不改变业务流程，只是被动完成业务流程的信息化来说，数字化将对业务流程及相关的所有数据进行整合、分析和预警，提出决策并指导行动。换言之，信息化仅影响业务系统，由人来做最终决策，而数字化将影响所有参与业务的人和系统，由系统来驱动人的行动。

自20 世纪80 年代开始，在中央部委、各省的整体规划下，水文信息化工作有计划、有步骤地开展相关系统的建设：从最初的水文数据信息化工作，逐步建立基础的防汛骨干网络、水情信息化系统及基于地理信息系统的水文预报系统，对水文情报预报的核心业务进行信息化改造。依靠防汛网络的大规模基础布设，以水情业务为核心的分布式情报交换系统进入了水文信息化的关键发展阶段——分布式系统建设阶段。在这一阶段水文信息化改造的主要目标是从无到有建立一整套业务系统，覆盖防汛、水文数据处理、水文情报预报等核心业务模块，实现中央与地方之间的水文信息交换、共享和发布。

2 数字水文的发展现状

随着信息化技术手段和系统架构的不断发展，在流域防洪体系和水资源综合管理调配的顶层需求和大数据、人工智能分析等技术的加持下，水文业务系统在现有分布式系统基础上，进一步提升数据获取密度、提高数据解析能力、增强计算能力和人工智能驱动能力，不断提升终端感知能力、预测能力和联动能力。数字水文主要有以下几个发展趋势。

2.1 边缘计算与遥测自感知

边缘计算概念是在云计算基础上提出的，更强调数据处理的及时性和安全性。一般水文遥测设备将采集的数据传输到接收端进行解析处理，接收端根据分析结果对设备下达新的控制指令或将数据转发至上一级参与计算[1]。遥测设备只能以预定的频率采集指定数据，很难对洪峰进行及时捕捉。将边缘计算能力赋予水文遥测设备后，边缘端可以自动计算水位流量变化剧烈程度，形成初步判断，及时下发数据采集指令，迅速调整数据采集策略，从而有效获得第一手水文观测资料。同时，边缘计算结果可以对上下游站点进行协同控制，预先调整下游站点采集配置，“严阵以待”洪峰的到来。边缘计算可以避免海量采集数据“淹没”接收端数据处理平台，提升遥测终端感知能力，对设备进行动态调整，确保有效采集数据。

2.2 5G与多端、多业务联动

伴随5G的普及发展，更大的网络带宽使得更多数据资源和采集终端的接入成为可能。传统水文信息化系统仅依靠自身信息采集、计算能力无法获得准确的预测预报成果，这就需要与其他信息采集设备和数据应用服务进行联动，在终端边缘计算和人工智能计算的基础上，综合多方面信息，获得更为全面、准确的计算结果。例如，引入视频采集终端、气象采集终端等，通过实时分析多端采集数据，及时获得多元化的现场信息，为水文情报预报提供多层次分析依据[2]。

2.3 人工智能计算与流域水文预测

随着海量原始水文监测数据的不断汇入，水文情报预报工作越来越需要大数据分析和人工智能计算技术的辅助来准确迅速地完成流域水文预测。通过建立遥感影像和激光点云的分类与变化图斑检测算法，研发小流域参数区域化方法，可以显著提高人工智能预测成果的准确性[3]。

2.4 数据驱动与人机交互

数据驱动是在获得海量水文监测数据后，系统及时将数据组织、整合、提炼出有效信息，并通过训练、拟合等手段将信息转化为自动化决策成果。数据驱动不仅仅可以提供更为准确的水文预报成果，提高防汛抗旱响应效率，更可以为水资源综合管理提供相关决策依据。

3 数字水文支撑数字乡村建设的新需求

相比于水文业务工作内容，乡村及“三农”业务涵盖的内容更宽更广。为适应这种转变，需要在应用框架、感知联动、综合演算三方面提升自身服务水平，确保数字水文对数字乡村发展工作起到足够的支撑作用。

3.1 建立综合应用服务框架

随着服务目标的变化，数字水文需要在现有服务框架基础上进行补充完善，充分利用已建成系统框架，结合新目标进行部分提升改造，规划打造一套适合数字乡村发展规划的综合应用服务框架，其中将振兴乡村建设作为水文业务除了水资源调配管理、流域防洪目标之外的第3个主要服务目标。

这一框架要具有模块化、去中心化、高兼容的特性。其中，模块化是指在应用层面框架内的应用服务是模块化的，同时框架自身也是模块化的，可以对外提供服务；去中心化是指将原先“端—中心—端”的数据交互模式转换为“端—端”的交互模式，提升系统容错性、抗攻击性，降低单一节点决策错误的影响范围，增加系统决策相互验证，提高系统决策准确性；高兼容性是指在统一数据底座标准结构基础上，尽可能多地容纳更多终端、应用、系统，使数字水文应用服务框架具备更强的可扩展性。

3.2 部署可联动低耦合感知模块

感知模块是搭建数字水文框架的基础，应具备低耦合、可联动、低成本的特点。其中，低耦合是指单一模块只具备单一感知功能，对多种感知目标的需求应以多感知端相联动的方式实现；可联动是指可以在去中心化系统架构下，感知端根据决策方案调用上下游及周边感知端的数据，控制调整感知行为策略；低成本是指感知端应具备物理强固性以满足在恶劣条件下正常运行的要求，同时兼顾较低的建设成本，以实现大范围、高密度的部署需求。

3.3 整合算力强化演算能力

对现有硬件资源进行深度整合，将计算资源统筹部署为统一的、可容灾的、可按需分配的云计算资源，用云算力分布承载需要大量计算资源的流域防洪预报演算、水资源调度综合推演以及数字乡村综合服务。将云算力和边缘算力进行有效联动，将现有的单决策中心模式演进为多决策评估、智能决策筛选的智能决策模式，从而提高最终决策的可靠性。

4 数字水文对数字乡村建设的支撑作用

随着水文数字化的不断发展，水文业务形成了一整套较为完整的监测预报体系，在为流域防洪及水资源调配提供业务支撑的基础上，对业务进行适当调整后，可以为农业农村经济生产活动在应急管理、智慧管理以及绿色乡村建设等方面提供支撑。

4.1 助力农村智慧应急管理

4.1.1 支撑农村防汛应急体系建设

数字水文依靠多年来建立的较为成熟的水文预警预报体系，对数字乡村提供防汛应急体系建设支撑，从水文监测、水文预报及预警等方面对农村生产生活地区进行覆盖，将流域防洪体系扩展到农村防洪，将四级防洪应急响应体系结合农村发展现状编制定制化响应预案，进一步丰富防洪体系建设的实质内涵。

4.1.2 支撑农村防汛响应能力建设

依据历史洪水资料、近年来上游下垫面变化现状，结合典型洪水预报演算结果，建立农村防洪风险隐患点清单。针对清单进行防汛应急响应预案编制，逐步实现从“一乡一预案”到“一点一预案”，做到精准定位、提前布局、重点防控。

4.1.3 开展农村预警预报系统建设

根据数字乡村建设情况，调用数字耕地及住房模型，将水文预报与农村生产生活现状相结合，为防洪调度提供决策评估筛选预案：在面对较小洪水时，及时调度河道排水，避免洪水渗透堤坝，影响农作物安全；在面对较大洪水时，推演洪水对耕地、房屋的淹没影响范围，联合多部门的社会经济数据，推算洪水淹没损失及受灾人口数量，为应急部门调动抢险和保障物资、确保灾民安置工作有序开展提供决策支持。

4.2 支持数字农业智慧管理

4.2.1 综合预测灌溉需求

基于数字水文中水文墒情动态监测成果，结合气象中长期降水、气温预报数据、实时气温、蒸发监测数据，根据各地块农作物对灌溉水量的不同需求及灌溉损耗情况，预测中长期农田灌溉用水需求[4]，为水资源紧缺地区提前调配灌溉水源提供决策依据。同时，可以根据当地水源情况，结合土壤成分资料及农作物用水需求，提出农作物轮种建议，确保水资源及土壤资源能够得到充分利用。

4.2.2 灵活调配保护地下水源

随着地下水综合治理工作的不断推进，城镇地下水资源的开采已有初步治理成果，而对于部分地表水资源稀缺的乡村农业耕种地区往往会采用地下水资源作为农作物灌溉补充水源。虽然南水北调工程有效缓解了北方地区水资源稀缺的现状，但难以解决农业生产缺水问题。这需要进一步推进引调水工作向农业农村发展，同时利用数字水文地下水监测体系加强农业生产用水对地下水源开采的监测，坚持“黄线预警、红线控制”的原则，对水源替换工作提出方向与建议，有效开发和保护地下水资源。

4.2.3 智慧灌溉提高用水效率

在农业用水需求和灌溉水源综合治理工作成果基础上，数字水文结合流域上游来水情况，综合分析区域支流蓄水能力，可以提出将地表水源进行合理分配的策略建议，确保有限水源按需分配给下游地区，确保各区域农业灌溉用水得到充分满足，避免出现上游截留水量过多无法充分利用而下游缺水无水可用的情况。同时，结合中小水库蓄水能力将洪水压力进行合理分摊，在防洪减灾和水资源合理利用之间推算出两者兼顾的最优决策，提升水资源的综合利用效率。

4.3 助力智慧绿色乡村建设

4.3.1 助力水源地、湿地生态保护

数字水文联合生态环境部门、农业农村部门相关应用系统，通过地表水水源地、地下水水源地及湿地水文监测，实时监控水位流量变化，动态分析湿地水域面积与储水量等数据，结合水质监测数据，建立湿地、水源地水生态预警机制。根据湿地禽类生活习性及环境监测数据，精准预测禽类迁徙路径和时间，为湿地生态恢复和健康发展提供量化分析依据。

4.3.2 提升作物施肥效率

基于对农田灌溉基础资料的了解，在灌区下游河道设置点位对水质实施实时监测，对农业面源污染负荷、单位国土面积和单位地表径流污染负荷与水质参数进行相关性分析，通过数字水文综合分析平台对水质污染物进行标定和反向溯源，推算上游作物施肥效率，检测是否有超量施肥情况，向绿色乡村监控平台推送消息，从而避免因过量施肥导致水体受到污染。

4.3.3 监控黑臭水体运动

数字水文与大地遥感数据相结合，对现有乡村黑臭水体进行精准勾画，建立黑臭水体基础库。利用数字水文预测系统，结合黑臭水体污染源与人口密度的正相关性以及水体面积与污染程度之间的负相关性，推演河道水流对黑臭水体的影响如扩散范围、对水质产生的叠加影响等，为乡村黑臭水体有效控制提供预测信息。

5 数字水文管理模式的转变

在数字乡村应用实践的基础上，数字水文要进一步调整管理思路，转变管理模式，尤其在管理能力、管理效率和安全运行保障等方面需要加强。

5.1 转变服务目标，带动服务能力提升

随着服务对象和服务目标的转变，要进一步拓展数字水文服务乡村的业务能力和优势。

（1）提升数据解释能力。对于数字乡村建设，水文数据需要演化出更丰富的解释含义，来和乡村生产生活实际情况相结合。例如，对水位的解释需要在洪水警戒水位、保障水位等预警值的基础上，扩展出河堤淹没警戒水位、河堤渗透风险指数、田间地块淹没风险指数等更贴近作物耕种和农村生活的参考数值。

（2）提升信息发布能力。以往水文业务信息主要对内部发布，很少向公众发布。在服务数字乡村建设时，数字水文需要向公众发布更多的数据信息、分析成果等内容。数字水文需要建立一套简明易懂的预警提示语言和公众信息发布流程，用公众能够接受的语言和表述方式发布信息。

（3）提升系统迭代能力。数字乡村建设将是一个长期且持续的过程。为此，需要对数字水文系统框架进行补充强化，对关键系统功能进行重构，对系统模块进行低耦合细分，增强大数据及人工智能分析能力，不断提高自身系统的可迭代、可扩展及智能性，使其满足数字乡村建设需求。

5.2 监管数据生命周期，筑牢安全防线

数据安全是信息系统安全之基，实现这一目标，需要建立数据资源的全生命周期的安全保护。针对采集、存储、访问、使用、销毁等全生命周期内各环节的不同特点，采取有针对性的安全可信防护措施：通过数据治理来确保数据处于有效、合法的状态；通过建设数据安全治理等相关组织，制定数据安全相关制度规范，构建数据安全技术体系，建设数据安全人才队伍梯队等多方面措施完善全生命周期的数据安全治理体系，充分保护关键信息数据，保证数据合理合法安全使用[5]。数据安全保护系统的建设工作与数字水文系统框架及功能不断迭代更新一样，同样需要不断升级和完善。这需要在管理制度、保护能力、管理审计等方面进行不断完善。

（1）要建立统一规范的数据安全保护管理制度和管理框架。在能够容纳现有信息系统架构的同时，做到向后兼容，使数据安全管理具备不断自我升级完善的能力。

（2）要开展数据安全基础设施建设。例如，在数据的采集、存储、分发环节要采用国产商用密码安全设备对其进行保护；通过设置数据安全网关，结合大数据平台、数据中台、数据仓库等建立统一数据安全访问系统。

（3）要开展动态、严格的数据使用管理及审计工作。例如，对重要数据的分级分类进行动态识别和保护；提升数据细粒度的访问控制，对用户访问过程进行精细化审计管理；对异常数据访问量进行预警和拦截等。

5.3 开展部门联动，共同挖掘数字经济效益

无论是数字乡村还是数字城市，其根本驱动源都是数据，由系统监测产生数据，由数据推动行为决策，从而最终产生社会效益和经济效益。因此，应尽可能地挖掘数据的效益，从而为数字乡村建设提升经济效益、发现经济增长点，实现数字经济能力的全面提升。要实现这一目标，需要各个部门的数字系统不断地相互联合、数据共享甚至是相互交融。

（1）要在相关业务部门之间形成积极有效的系统联动机制。例如，数字水文在智慧水利的框架内，与数字气象、数字生态环境治理、智慧自然资源等智慧管理系统共同为数字乡村建设提供海量数据及实时分析成果，并不断提升与农业生产生活结合度，以满足数字乡村发展需要。

（2）要不断开发数字乡村应用场景，提升数字应用效果，扩大应用覆盖面。数据是系统不断成长完善的源泉，唯有不断地使用才能源源不断产生数据，促使数字乡村的成长。例如，推进设施农业的数字化转型，开展数字孪生设施园艺、设施养殖和水产养殖建设。在经验驱动、感知驱动和知识驱动基础上，结合数字驱动，最终实现智能驱动，将农业耕作流程数字化，提高智能化管理水平，提升生产效率。

（3）要将城市信息化建设成果反哺数字乡村建设。将数字化发展成果投入农村生产生活，迅速缩短长期以来城市和农村的二元发展结构产生的差异。数字乡村建设的发展又将产生新的数字化社会治理方案，为城乡一体化发展路线提供发展思路，从而为建立数字中国奠定基础。

6 结语

数字水文是水文业务工作信息化的核心成果，是智慧水利建设框架的重要组成部分。基于数字乡村对数字水文发展提出的新要求，对数字水文在应急管理、智慧管理及绿色乡村建设等方面对数字乡村的支撑作用进行分析。通过对数字水文管理模式进行适当转变和调整，进一步提升数字水文建设效果，充分发挥其对数字乡村建设的支撑作用，从而实现乡村振兴整体规划目标。