智慧視角下的永定河綜合治理與生態修復頂層設計

張 濤 黃 銳 王 妍

(水利部海委水利信息網絡中心，天津 300170)

2017年2月，國家發展和改革委員會、水利部、國家林業和草原局聯合印發了《永定河綜合治理與生態修復總體方案》(以下簡稱《總體方案》)，在分析評價永定河現狀及存在主要問題的基礎上，從水資源節約與生態用水配置、河道綜合整治與修復、水源涵養與生態建設、水環境治理與保護、水資源監控體系建設和流域綜合管理與協同治理機制等方面，提出了重點治理措施，根據流域水資源自然條件和生態狀況，按照有限目標、突出重點的原則，堅持“治理、恢復、涵養、提升”相結合，統籌山水林田湖生命共同體，突出水和林兩個生態要素，把保障河湖生態用水放在突出位置，加大節水力度，遏制地下水超采，提升水源涵養能力，合理配置外調水，創新協同管理機制，集中利用5～10年時間，逐步恢復永定河生態系統，將永定河打造為貫穿京津冀晉的綠色生態河流廊道，逐步將永定河恢復為“流動的河、綠色的河、清潔的河、安全的河”，促進流域經濟社會發展、產業結構轉型升級以及區域生態文明建設[1]。

同年，《智慧永定河技術方案》啟動編制，對永定河流域水利信息化進行頂層設計，緊密結合永定河綜合治理和生態修復工作需要，銜接《總體方案》中各項治理措施和海委、兩省兩市(山西省、河北省、北京市、天津市)、永定河投資公司的信息化工作。本研究重點以智慧化視角，從透徹感知、網絡互聯、支撐環境、數據管理、業務應用、保障體系等層面探討新一代新信息技術與永定河流域核心管理工作的融合應用[2]，以期為河流綜合治理與生態修復提供人物交互、科學分析、決策支持等提供支撐，從而實現《總體方案》信息化層面的有利補充和深化提升。

1 現狀與需求

《京津冀協同發展規劃綱要》明確提出，要推進“六河五湖”生態治理與修復。永定河是“六河五湖”中的重要河流之一，是京津冀區域重要水源涵養區、生態屏障和生態廊道，先行開展永定河綜合治理與生態修復，打造綠色生態河流廊道，是京津冀協同發展在生態領域率先實現突破的著力點，對改善區域生態環境具有重要的引領示范作用。

1.1 水資源

永定河山區水資源總量26.61億m3，人均水資源量276m3，僅為全國人均水資源量的9.8%。近年來，受氣候及下墊面變化影響，水資源量呈明顯衰減趨勢，隨著經濟社會的發展，地表水開發利用率達到89%，遠超國際公認40%的合理開發利用紅線；山區淺層地下水實際開采量占可開采量的94%，開采總量接近上限。目前，正在逐步深入實施永定河生態水量調度和節水措施，這些措施是保障永定河生態水量、改善流域水生態環境的重要手段，急需全面監控、精密計算、智能決策的技術手段。

1.2 水安全

永定河是京津冀區域重要的防洪安全屏障。作為全國四大防洪江河之一，實施防洪薄弱環節治理，消除防洪隱患，對京津冀協同發展重大國家戰略的實施具有重要意義。需通過防汛抗旱基礎監測體系、水工程運行監測體系信息集成，掌握流域內防汛抗旱減災、水工程安全運行基本情況，基于全面的基礎數據建立相關模型，實現流域內水庫群聯合調度、旱情預測預警、蓄滯洪區安全運用以及水工程運行的安全管控，逐步實現永定河流域內水安全保障業務的智慧化。

1.3 水環境

永定河現狀水功能區主要污染物COD、氨氮年均入河量分別超過納污能力1.5倍、7.6倍，41個水功能區中只有11個達標，達標率僅26.8%，水質為Ⅴ類和劣Ⅴ類的河長占總河長的52%以上。需要通過加強污染監控，掌握污染特點與規律，構建模型分析納污能力，提出限排方案，強化污染控制；針對突發水污染事件，匯集多源數據并構建模型組，提供全過程輔助支持技術手段。

1.4 水生態

目前，永定河上游水源涵養能力差，水土流失依然嚴重，仍有1.5萬km2需要治理，生態用水被大量擠占，下游平原河道1996年后完全斷流，平均干涸長度140km，局部河段河床沙化，地下水位下降，地面沉降。需要深度管理與挖掘遙感、視頻、監測等不同類型、來源的數據，構建專業模型，加強流域水生態環境特別是濕地、平原骨干河道、入海河口等敏感區域以及地下水采補、水土流失等情況的實時監測、預測預警，動態分析模擬變化過程，分析判斷影響因素，實現治理效果綜合評估和智能化決策，同時，通過生態補償管理業務應用，為生態補償管理工作提供支撐。

2 內 涵

智慧永定河是永定河流域水利信息化建設和現代化管理相結合的通俗易懂的一種表達，以永定河水利管理精細化、決策科學化、調度協同化、服務社會化為出發點，永定河綜合治理與生態修復需求為導向，以水管理單元為對象，應用云計算、物聯網、大數據、智慧感知、移動互聯網等最新信息技術，從空間結構、時間過程、特征屬性和客觀規律4方面對永定河流域進行全息化描述，以面向問題和面向對象的組織方式，采用業務系統、專業模型和對象參數相分離的構件化方式，實現永定河流域水事活動描述全息化、水利控制工程監控自動化和輔助決策科學化，為實現永定河的綜合治理和現代化管理提供技術支撐，實現智慧永定河“透徹感知、全面互聯、深度融合、廣泛共享、智能應用、泛在服務”[3]的總體目標，是永定河生態廊道修復和河流現代化管理的重要標志。

智慧永定河=數字永定河+人工智能(AI，Artificial Intelligence)技術+管理機制創新(MI，Management Innovation)。數字永定河是以永定河流域為對象，應用遙感(RS)、數據收集系統(DCS)、全球定位系統(GPS)、地理信息系統(GIS)、網絡和多媒體技術、現代通信等科技手段，對永定河流域的資源、環境、社會、經濟等各個復雜系統的數字化、數字整合、虛擬仿真的信息集成應用系統，并提供決策支持的可視化表現；人工智能是研究、開發用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術及應用系統的一門新的技術科學，人工智能技術包括機器學習、深度學習、人機交互、自然語言、機器視覺等多個領域在內的信息新技術；管理機制創新是運用現代科技手段喚醒傳統水利管理機制，推動數據資源和新技術在生態治理、政府管理、民生服務領域的應用，促進管理機制向生態型、民生型的智能化轉型。

3 總體框架設計

從全局和整體層面進行設計，橫向形成感知層、網絡層、永定河大腦、應用層4個層次，縱向形成網絡安全保障體系、協同管理體系兩個體系的總體架構，見圖1。江河湖泊、水利工程、水利管理活動以及其他各類信息，經過水利感知系統和傳輸網絡匯聚到永定河云，形成數據資源池。通過對池中數據進行整理形成數據資源目錄，實現統一的數據管理與服務環境，基于標準的應用使能和應用支撐平臺設計，為水利大腦提供業務支撐、服務支持、服務決策與綜合運維的基礎能力，實現上層智能應用，推動水利領域各類業務的智慧化運行，服務水的精細管理[4]。

4 分項設計

4.1 感知網設計

圍繞永定河流域的水利業務需求和水利監督工作要求，利用物聯網傳感器、視頻圖像捕捉、遙感、無人機等技術提升綜合感知能力，建成覆蓋永定河全流域277條河流，包含氣象、水文、工情、墑情、災情、水質、水生態、水土保持、地下水以及社會經濟信息在內的空天地一體化永定河感知網，包括基礎感知網構建、動態感知能力提升和購置數據匯集平臺建設等內容，為永定河流域水事活動提供基礎、準確、可靠的數據源。

4.2 永定河大腦設計

按照水利信息資源整合“五統一”的總體要求，永定河水利大腦由“一云一池三平臺”構成，包括永定河云、數據資源池、信息資源平臺、應用支撐平臺和智慧使能平臺。

永定河云整合各類基礎計算、存儲、網絡、機房環境等資源，通過云管平臺提供云IaaS(基礎設施即服務)能力，為用戶提供彈性、可定義、按需分配、特性豐富的云化資源。

數據資源池主要存儲空間、基礎、監測、業務、多媒體、元數據及互聯網數據等各類數據資源，并提供數據資源交換共享服務,提供云DaaS(數據即服務)能力。

信息資源交換服務平臺、應用支撐平臺和智慧使能平臺共同組成支撐層，提供云PaaS(平臺即服務)和部分云SaaS(軟件即服務)能力，實現計算、存儲、網絡等資源的彈性分配，統一運維，實現永定河流域水利行業、其他行業和互聯網數據的歸集、治理、共享和開放[5]。

4.3 數據架構設計

數據架構是描述數據在永定河相關單位內部及之間全生命周期管理的流程、參與流程的功能組件以及它們之間的相互關系。圍繞業務應用數據和大數據，按照數據匯集、數據治理、數據存儲、數據共享、數據應用的流程逐級流轉(見圖2)。通過數據調度、數據監控、元數據管理、數據質量、數據標準，保障了數據生命力?；谟蓝ê釉茢祿行暮头植际接嬎?、存儲和管理技術，支撐大數據管理和應用。水利業務應用數據和大數據通過數據資源池的全域數據采集、標準規范數據架構、深度萃取數據價值、統一數據資產管理和統一主題式服務，形成對業務應用和管理決策過程的支持。

圖2 智慧永定河數據架構

4.4 基礎設施云架構設計

智慧永定河基礎設施云采用“三中心、四節點”的總體架構(見圖3)，包括海委主中心、主中心同城異址的備份中心和永定河投資公司運營中心3個中心，并在北京、天津、河北、山西4省市水利部門分別建設子節點。借助統一的云管理平臺，構建計算資源池、存儲資源池和備份資源池，實現資源統一管理和按需服務。同時，可以與公有云或各節點本地政務云相結合，構建混合云架構，實現私有云、公有云及政務云的統一管理、統一運維。

圖3 智慧永定河基礎設施云架構

4.5 網絡架構設計

智慧永定河網絡設計采用層次性網絡結構，按流域/省市級、地市級、縣級、鄉鎮級4級網絡架構，實現流域內自上而下各部門網的互聯互通，并實現流域內各省市政府網絡互通。

充分利用通信專網資源,結合租用公網鏈路，在現有永定河流域網絡的基礎上，通過光纖、4G/5G、衛星傳輸等有線、無線、近距離、中距離、遠距離各種不同的方式進行組網，主要包括水利業務網和水利工控網。水利業務網分為業務骨干網、數據中心網、城域網、部門網、感知通信網和應急通信網，并與水利工控網物理隔離，僅在生產管理區單向連接。智慧永定河網絡架構見圖4。

圖4 智慧永定河網絡架構

4.6 業務架構設計

圍繞永定河綜合治理與生態修復目標，以強監管為主導思想，遵循“分工明確、數據共享、業務協同”的思路，構建以綜合監管為核心，支撐永定河流域水資源節約與生態用水配置、河道綜合整治與修復、水源涵養與生態建設、水環境治理與保護等重點治理措施，兼顧政務服務、公共服務等工作內容，服務于“監控分析、決策處置、反饋評估”全過程的業務架構(見圖5)。

圖5 智慧永定河業務架構

通過綜合監管，改進單一業務方向的管理模式，對永定河流域狀況進行全方位在線監控，綜合運用多源信息，及時識別問題并啟動相關業務深入分析處理，全面強化監管力度；同時，統籌各項工作內容，加強業務協同，對各業務提出的需求、方案等進行綜合分析和協調處置，落實監管責任，提升監管效能。

在綜合監管的統一協調下，通過水資源管理、水生態修復、水環境保護、水安全保障等業務，積極應對永定河流域在水資源、水生態、水環境、水災害等方面存在的具體問題。同時，在政務服務和公共服務方面，通過資源整合挖掘和流程優化完善等方式，擴大服務范圍，完善服務內容，改進服務模式，提升流域管理能力與公共服務水平[5]。

4.7 網絡安全體系設計

構建覆蓋智慧水利綜合感知、分析處理和智能應用全過程的網絡安全防護體系，主要任務包括永定河大腦、移動互聯網、網絡邊界、園區網、物聯網、工控網等主要防護對象的網絡安全防御能力提升；建設并完善覆蓋海委、兩省兩市及永定河投資公司、關鍵信息基礎設施運行管理單位的水利統一身份認證服務、統一密碼服務，建設3級以上信息系統異地數據備份，關鍵信息基礎設施實現應用級容災備份；建設網絡安全數據采集系統，綜合獲取多方威脅情報數據并進行數據分析，構建集中安全管理控制平臺，實現智能預警、主動防御、高效處置的網絡安全能力，保障各類水利業務安全運行。

4.8 協同管理機制設計

協同管理機制包括建設與運維協同管理、數據資源協同管理在內的多方協同管理機制，并構建永定河智慧程度評估指標體系，包含永定河信息感知度、網絡連通率、智慧永定河大腦服務程度、業務應用覆蓋率、安全保障度、管理有效性等因素，用于分析智慧永定河建設程度，確定優勢環節和薄弱環節，有針對性地開展下階段工作，優化項目建設內容和建設進度安排，促進智慧永定河建設深入推進。

5 結 語

智慧永定河是助力實現永定河綜合治理與生態修復目標的重要支撐，也是推動永定河流域綜合管理與協同治理機制創新的信息化手段。通過從“數字永定河”到“智慧永定河”的轉變，水利信息化支撐著永定河流域水資源節約與生態用水配置、河道綜合整治與修復、水源涵養與生態建設、水環境治理與保護等各項業務工作，智慧永定河也將成為永定河流域涉水管理單位管理手段提檔升級的重要依據。下一步，還需要根據永定河綜合治理與生態修復具體項目的實施，將應用設計進行深化和落地，力促永定河流域從傳統流域治理向流域綜合治理能力現代化轉變。