智慧水务在朝阳区水系连通工程中应用设计初探

王昕然 金宝光 崔伊彤

(北京市朝阳区水务局,北京 100025)

1 项目背景

1.1 朝阳区水系连通工程概况

北京市朝阳区地处北京市东部平原区,区内河流属于海河流域北运河水系,全部为平原区高度人工控制的城市河流[1-2]。流经朝阳区的区级以上河流共38条,为了使区域内河网水资源配置更加科学,水资源利用更加合理,河湖连通更加顺畅,水环境更加优美,提升水资源统筹调配能力、防洪除涝减灾能力、水生态保护修复能力和应急保障能力,朝阳区实施了朝阳区水系连通建设工程,构建北小河、朝阳公园湖、高碑店湖、窑洼湖4个水源调配中心,通过建设调水泵站、节制闸等方式实现以现有骨干河道为框架,采取引、调、自流等方式,使全域骨干河道物理连通,实现流域相济、地表水网“互连互通”的目标。朝阳区水系闸坝布置见图1。

图1 朝阳区水系闸坝布置

1.2 朝阳区智慧水务项目建设概况

智慧水务是指通过信息化、物联网、大数据、数字孪生、AR等技术手段,对水务工作全链条进行智能化、自动化管理和系统优化的一种新的管理模式[3]。为满足朝阳水务工作的业务需求,朝阳区开展了智慧水务相关工作,将“取供用排”数据汇聚到市级平台,建设了前端感知设备(如智能摄像头、远传流量计和非接触式水文设备等)、闸坝运行远程控制设备(如PLC控制系统等),通过数据整合汇聚气象、雨量、取供用排水等数据,依托互联网、5G、AR、数字孪生等技术,搭建了朝阳区智慧水务管理平台基础底座。

朝阳水系连通工程建成后,河流间水资源调度面临着多目标协同调度、工作规范性等问题[4],一方面需要智慧水务系统实现闸坝远程控制,另一方面需要智慧水务系统前端感知设备、一维水动力模型、算法算力等高质量地保障工程效益。基于上述需要,本文初步探讨了智慧水务在水系连通工程中的应用内容和模块展示指标,结合智慧水务系统平台中其他业务板块,可为河流日常管理中的水生态保护与修复、河流水资源调度、河流汛期调度等工作提供数据支撑。

2 智慧水务系统中水系连通工程相关内容的设计

研究智慧水务在朝阳水系连通工程中的应用内容,首先要研究水系连通工程的内涵和指标体系[5]。朝阳水系连通工程建设目标是提升水资源统筹调配能力、防洪除涝减灾能力、水生态保护修复能力和应急保障能力,工程内涵体现在河系水资源调度、防汛、水生态3个方面,本文将围绕水资源调度、防汛调度、水生态和应急保障4个建设目标展开智慧水务系统功能设计工作。

2.1 水资源调度、防汛调度与应急保障功能设计

朝阳水系连通工程运行工况分为汛期和非汛期两种调度工况。汛期控制指标是河道水位不淹没雨水口,非汛期控制指标是保障各河流的生态流量且不淹没亲水步道。为方便用户使用,两种调度工况对应设计智慧水务平台水资源调度、防汛调度两个板块内容。为了能准确快速地计算出不同边界条件下河道水位情况,需要构建河流一维水动力模型搭载在智慧水务平台上,运用智慧水务系统的算力,在软件界面展示河流纵断面水位,同时可结合前端感知设备实时回传的数据展示当前河流纵断面水位。通过远程控制功能对闸坝泵站运行进行自动控制。

应急保障功能是指通过水系连通工程对需要输水或排水的河流进行水资源调度,在智慧水务系统中,设置每条河流的报警阈值,使用水位、流量、智能摄像头等设备回传数据,经系统对数据进行分析,超出阈值的数据将自动触发河流报警功能,数据也将成为一维水动力模型的边界条件,驱动模型运算,在智慧水务系统中输出闸坝泵站运行调度方案。智慧水务系统与水系连通工程中闸坝泵站调度逻辑关系见图2。

图2 智慧水务系统与水系连通工程中闸坝泵站调度逻辑关系

2.2 水生态板块设计

2.2.1 板块总体目标

河流水生态完整性要素包括水文情势时空变异性、河湖生境空间异质性、河湖水系连通性、适宜的水体理化特性以及生物多样性[6]5项。河流作为廊道,可为各生态节点输送物质流、物种流和信息流[7],实施水系连通工程是进行城市河流水生态保护与修复的重要措施,水系连通工程的河湖水资源生态调度是恢复高度人工控制的城市河流生态节律、水文节律的基本工具。以往,河流水文节律中生态基流等数据、标志水系连通特性的水系连通度等指标都需要复杂的计算才能获得[8]。因此本文生态板块总体目标为利用智慧水务系统构建河流水生态模块,模块设计以水生态学科知识为基础,将“水生态五要素”具化在智慧水务系统中可监测、可查看的指标中,并加以展示。

“流动的河、清洁的河、生态的河”这一河流理念源自永定河综合治理与生态修复工程,结合朝阳区功能定位,河流要更多地实现城市河湖滨水空间水生态服务功能,满足广大市民休闲娱乐的需求,因此设计了“亲水的河、数字的河”两个维度展示游人亲水情况。系统平台设计以上5个维度,通过信息化手段在智慧水务系统中可视化展示朝阳水系连通工程的生态效果。

2.2.2 具体指标

a.“流动的河”,就是要保证河流中的水是流动的,在智慧水务系统平台上要展示河流的流动性和连通性两个指标。河流流速不小于0.1m/s有利于河流水生态保持良好的状况。借助智慧水务项目安装的水文传感器设备,通过水文传感器设备的实时在线监测,设定流速低于0.1m/s的阈值,软件系统将发出告警,并智能推送河流水资源调度方案,在该模块还可以展示河流水系中水文设备回传的水位、流量数据。水系连通评价指标体系一般包括水系形态特征、水系结构连通性和水系水力连通性[9],连通性采用水系连通指数公式[10]计算,通过计算机高速运算的功能,可在智慧水务平台中展示实时更新的水系连通指数。

式中:FS为水系连通指数;S为河网覆盖区域面积;li为河段i的长度;Ki为水系连通性指标取值向量;Wi为指标熵权向量。

b.“清洁的河”,从可见污染物和不可见污染物两方面展开应用设计。可见污染物即肉眼可见的垃圾、漂浮物等物体,通过AI摄像头算法来自动识别漂浮物,并通过系统自动报送信息至相关管理人员处;不可见污染物指河水中化学污染物,如总氮、氨氮、总磷等,导入河流断面的水质数据并进行可视化展示。

c.“生态的河”,设置有水河长和水面面积变化情况等指标,可通过遍布在河流上的316处摄像头和卫星遥感影像,在智慧水务平台上显示有水河长和水面面积变化情况。鸟类作为水生态系统食物链顶端捕食者,可反映出水生态系统的健康程度。水鸟品种、数量的增加,意味着水生态系统生物量的增加、生物多样性的改善。通过摄像头观察水鸟的品种和数量变化,是对水生态系统的宏观观察,可从宏观角度反映河流的生态状况。在“生态的河”部分设置水鸟观察展示模块,捕捉水鸟影像,观察水鸟栖息地情况,是河流水生态调度效果的一种辅助检验手段。

d.“亲水的河”,关注城市河湖滨水空间水生态服务功能的实现,满足市民休闲、娱乐、观赏、体验等多样化需求,设置游河热度这一指标,通过游人热力图的形式在智慧水务平台上展现河流在文化服务方面的生态价值。在该模块通过轮播河流监控实况、河流介绍短片等形式,展示近些年朝阳水生态河流建成后对市民的影响。

e.“数字的河”通过汇聚全部感知设备,构建河流基础数据库,用户可查看河流实况画面、水文信息等数据。

河流生态版块逻辑关系见图3。朝阳区智慧水务平台包含领导驾驶舱、水务“一张图”、取供用排、行政办公等模块,水系连通工程依托智慧水务平台进行管理与调度,在智慧水务平台开发水生态河流模块,通过“一张图”的方式总体展示河流关键数据,通过河流水资源调度模型模拟不同运行调度方案水系连通性指数和水生态指标的变化,通过水系连通性指数判断水系连通工程的利用情况,通过不断变化的水生态指标检验水系连通工程的成效。

图3 河流生态板块逻辑关系

3 结 语

智慧水务系统在朝阳区水系连通工程中的应用是朝阳水务工作全链条智能化、自动化管理和系统优化的重要一环,本文分析了朝阳水系连通工程河系水资源调度、防汛、水生态3方面项目内涵,对此项工作的具体工作内容、软件逻辑架构做出了初步设计。

本文将“水生态五要素”理论进行指标分解,具体设计为“流动的河、清洁的河、生态的河、亲水的河、数字的河”5个软件模块,可通过智慧水务系统动态、实时地展示水生态要素变化情况,为下一步河流生态化管护提供了具体指标。