“數字巢湖”工程建設實踐與展望

萬能勝 齊鵬云 熊竹陽 高芮 韓琦 陳堃 段洪濤 賴錫軍

摘 要：現代化、信息化、數字化是流域管理的現實需求。針對巢湖流域水安全管理的監(jiān)管和決策存在的瓶頸問題，提出了“數字巢湖”建設框架，開展了“數字巢湖”工程建設實踐：建立了天空地一體化監(jiān)測體系；開發(fā)了服務流域綜合管理的時空大數據平臺，匯聚水利、環(huán)保、國土等多部門數據；研發(fā)了流域水量水質、湖泊藍藻水華預測預警等系列預測預警和決策支持模型；開發(fā)了以一張圖為基礎的系統(tǒng)平臺。“數字巢湖”在巢湖流域2020年超歷史洪水預報、閘站調度決策支持、污染物總量管理、藍藻水華應急防控等方面發(fā)揮了重要作用，有力地支撐了巢湖治理科學決策，為巢湖治理能力現代化奠定了重要基礎。

關鍵詞：數字流域；監(jiān)測體系；時空大數據；綜合治理；巢湖

中圖法分類號：TV697? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A

1 引言

“數字流域”通過綜合應用遙感（RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、全球定位系統(tǒng)（GPS）、分布式模型和虛擬仿真等現代高新技術[1]，實現全流域信息的數字化映射，支撐流域的綜合管理，對流域治理能力現代化建設具有重要意義。我國大江大河流域均陸續(xù)開展了數字流域建設實踐，如“數字黃河”[2]等。

巢湖是我國第五大淡水湖泊，位于安徽中部，流域總面積1.35萬km2，跨合肥、蕪湖、六安、馬鞍山、安慶等5市17縣市區(qū)，是安徽省生態(tài)文明建設和綠色發(fā)展的核心區(qū)域。長期以來，巢湖水安全問題突出，是我國重點治理的“三河三湖”之一[3]。治理好巢湖，對長江大保護意義重大。經過幾十年的綜合治理，巢湖流域的水利工程體系初步建立，水污染綜合防治基礎設施逐漸完善，水環(huán)境質量有了明顯好轉，但是由于巢湖流域處于工業(yè)化、城鎮(zhèn)化加速推進期，流域環(huán)境條件處于快速變化中，巢湖水安全仍面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)，亟需提升科學精準治理巢湖的能力，保護好巢湖一湖清水。

近年來，巢湖流域治理投入、治理水平和科學治理理念不斷強化。智慧化決策支持作為重要基礎能力越來越受重視。2017年5月安徽省委、省政府提出巢湖治理“六個創(chuàng)新”，要求強化信息化、實時化監(jiān)管，完善技術支撐，把科學治水落到實處，不斷提高巢湖治理保護水平。作為信息化能力建設的重要方面“數字巢湖”建設由此提上日程。2018年11月，安徽省政府印發(fā)巢湖綜合治理攻堅戰(zhàn)實施方案，進一步提出要加快“數字巢湖”建設。2019年12月21日，安徽省人大常委員修改的《巢湖流域水污染防治條例》，要求建立信息共享數據庫，構建巢湖流域水環(huán)境綜合信息平臺，推動水環(huán)境監(jiān)管信息化、精準化、網格化、規(guī)范化，推進數字巢湖建設[4]。2021年8月17日，安徽省委辦公廳印發(fā)文件《關于深入學習貫徹習近平總書記考察安徽重要講話批示精神 著力把巢湖打造成合肥最好名片的意見》要求，深化“數字巢湖”建設，完善監(jiān)測體系，構建巢湖綜合治理“智慧大腦”。

基于“十三五”巢湖水專項成果巢湖水質目標管理平臺，安徽省巢湖管理局利用環(huán)巢湖地區(qū)生態(tài)保護修復三項工程中《環(huán)巢湖水質自動監(jiān)測及預警系統(tǒng)改擴建工程》項目資金，于2020年啟動“數字巢湖”（一期）建設，并于2021年建成投入運行。在建設過程中，結合巢湖流域出現的問題，即時應用于流域防洪保安、污染物總量管理、藍藻水華應急防控等，取得了良好成效。

2? “數字巢湖”建設思路與框架

2.1 建設目標

“數字巢湖”（一期）建設目標是形成一個以一張圖為基礎的數字化、智慧化的流域管理決策支持平臺，提升流域現代化管理水平，為巢湖流域水安全防控精準發(fā)力。通過打通“氣象、水文、環(huán)?！睌祿蚕硗ǖ篮汀芭趴凇⒑涌?、湖口”污染溯源路徑，構建“湖泊、干流、支流”地理信息系統(tǒng)和“國控、省控、市控”多級管控斷面，建立“自然流域、行政區(qū)域、控制單元”綜合管控體系和“縣級、鎮(zhèn)級、村級”分級管理單元，研發(fā)“水安全、水環(huán)境、生態(tài)管理”等多功能應用，實現“水量、水質、水華”一體實時監(jiān)測和“天空、地上、水下”立體預測預警，初步達到基本“能用”，初步“管用”，部分“好用”；使“數字巢湖”成為流域活地圖、工程檔案館和歷史數據庫；成為動態(tài)監(jiān)視窗、遠程觀察哨和立體預警機；成為情景模擬器和領導會商室；成為研發(fā)工作臺和模型工具箱。

2.2 建設思路

緊密結合巢湖水安全、水環(huán)境、水生態(tài)管控需求，以“能用、管用、好用”為實施路徑，項目建設遵循“三監(jiān)測、一控制；三結合，兩管理”的思路（見圖1），采取自上而下，兩手抓的模式，研發(fā)“數字巢湖”平臺。

“三監(jiān)測”為水質、水量、水華監(jiān)測。通過開展流域的水質、水量和全湖范圍的藍藻水華監(jiān)測，為污染物總量的實時監(jiān)控、預測預警提供數據支持和模型計算基礎支撐。

“一控制”為流域污染物總量控制。通過對流域污染物總量監(jiān)測（或模擬），圍繞實現河湖水質目標制定減排方案，采用湖（河）長制考核、一級保護區(qū)考核和生態(tài)補償等管理手段，實現全流域污染物總量綜合管控。

“三結合”為從湖體、農村型和城市型流域三個方面相結合，分區(qū)域提出治理目標、路徑和措施。對于巢湖本體，整合衛(wèi)星遙感、無人機監(jiān)測、視頻監(jiān)控、浮標監(jiān)測、人工巡測和數值模擬等手段，構建“天—空—地”立體監(jiān)測框架，集成各類模型，實現巢湖藍藻水華和主要水質參數的精細化模擬與實時預測預警。對于農村河流，實行網格化、精細化管理，通過水質水量模擬推算，找出污染物的主要來源，以便于流域細化、確定控制單位、找到控制元素，明確責任單位和責任人，以確定流域治理方式方法。對于城市河流，開展自然屬性的產匯流和社會屬性供排水（污）監(jiān)測，實施管網溯源分析，研究城市排口污染來源，探索城市河流面源污染管控路徑。

“兩管理”是圍繞湖（河）長制管理和一級保護區(qū)管理兩個手段，通過靜態(tài)展現、動態(tài)管理、常態(tài)跟蹤、量化考核，為落實巢湖污染物總量控制的目標管理、任務督辦和績效考核提供抓手，為巢湖保護治理工作的落實提供有效支撐。

2.3 總體框架

構建“一網一圖一平臺三體系N應用”總體框架（見圖2），保留充分的擴展性。主要包含：①建設完善巢湖流域天空地一體綜合監(jiān)測網絡；②多部門融合，以圖管湖，實現一張圖的流域綜合管理；③建設云數據中心，包括計算、存儲、網絡等硬件資源及系統(tǒng)軟件資源等；④建設三體系，包括標準體系、運維體系、安全體系；⑤基于一張圖設計若干應用模塊，包含水質、水量、污染物總量、藍藻水華監(jiān)測預警及預報、農村流域面源網格化管理、湖（河）長制管理、一級保護區(qū)管理等，根據業(yè)務應用模塊的不同功能，開發(fā)功能應用。

3? “數字巢湖”（一期）主要內容

3.1 建立流域多要素監(jiān)測體系

一是打通部門壁壘，匯聚地理國情、氣象、水文、水質等多方數據。接入3個衛(wèi)星源、73個視頻監(jiān)控（環(huán)湖43個站點、湖區(qū)20個、河道斷面監(jiān)控10個）、332個水質監(jiān)測站點、222個氣象站點、138個雨量站和992個水文/水位站數據。二是針對已有監(jiān)測體系增建必要監(jiān)測站點。包含98個水質自動站（數據已接入數字巢湖）、46個水文/水位站。初步實現流域的水雨情、水環(huán)境和藍藻水華的綜合監(jiān)測，建立衛(wèi)星（遙感）、視頻和水質水量監(jiān)測為一體的立體監(jiān)測網絡（見圖3），提升巢湖流域水安全管理的日常和應急監(jiān)控能力。

3.2 構建時空大數據平臺

一是制定一套數據標準。結合相關標準規(guī)范，建立具有流域特色的水利、水文、水質、氣象、國情、市政等部門數據標準。二是開展數據整編分析?；跀祿藴屎凸芾硇枨?，系統(tǒng)梳理整編國土、氣象、水利和生態(tài)環(huán)境等部門基礎和監(jiān)測數據。三是構建人口、經濟、水利、水文、水質、氣象、國情、市政等多要素數據庫，實現歷史數據和實時數據的入庫。四是搭建一個數據平臺。構建數據接入、數據資源、目錄管理、數據治理、資產管理和信息共享等6個平臺，用于數據資源互聯互通互享（見圖4）。

目前平臺已接入10個數據源的數據，建立動態(tài)更新接入任務416條，編制數據標準化處理腳本79條，維護數據標準字典111張，元數據4.12萬個。建立標準基礎目錄194個，標準部門目錄212個，上傳資源4238個。

3.3 研發(fā)多用途數學模型

一是研發(fā)流域水量水質數學模型。實現水質、水量（水位）預測及污染物總量模擬與預測應用，及時掌握河湖水質、水量和污染物總量的變化趨勢。二是研發(fā)藍藻水華監(jiān)測預警模型，及時掌握“整個湖區(qū)—重點區(qū)域—關鍵位置”三個層次的巢湖藍藻水華發(fā)生狀況，借助短期（未來2天，逐時）和長期（未來1周，逐日）預測預警[5]，為藍藻科學防控提供支撐。三是研發(fā)了基于人工智能算法的入湖河流水質預測模型，實現了13條入湖河流未來3天的水質預測預警。

3.4 開發(fā)多功能應用系統(tǒng)

開發(fā)了基于一張圖的水質、水量、污染物總量監(jiān)測和藍藻水華監(jiān)測預警及預報、湖（河）長制管理、一級保護區(qū)管理等應用平臺（見圖5）。初步實現水質、水量、污染物總量（見圖6）、藍藻水華（見圖7）等信息及變化趨勢的實時掌握；圍繞著湖（河）長制管理和一級保護區(qū)管理兩個手段（見圖8），為落實巢湖污染物總量控制的目標管理、任務督辦、績效考核提供抓手，為巢湖保護治理工作的有效落實提供有效支撐。同時，開展了以面源污染精細化管理為導向的農村流域面源和城市面源管理試點建設。農村流域以分區(qū)分級網格化管理為路徑探索構建面源污染精細管控模式（見圖9）。城市面源污染則以排口為最小管理單元，選取濱湖會展中心排口匯水區(qū)域，開展城市面源污染管控試點建設。

3.5 建立了健全的支撐體系

一是暢通網絡通訊傳輸。數字巢湖（一期）系統(tǒng)連接政務云平臺、安徽省巢湖管理局、巢湖研究院和下轄7閘1站，共計10個站點，基于2條100 M專線，8條20 M專線，為信息的匯集、處理、發(fā)布和應用提供傳輸服務。二是采用多類應用軟件，包括GuassDB數據庫、超圖和操作系統(tǒng)等。三是開發(fā)多種應用服務。為滿足不同用戶在不同場景應用需求，數字巢湖（一期）項目已開發(fā)面向管理和技術人員的展示大屏（見圖10）和WEB端，以及數字巢湖、湖長制和一級保護區(qū)3套獨立的APP，面向公眾研發(fā)了門戶網站。

4 建設成效

4.1 實現數據互聯互通共享，建立“五統(tǒng)一四共享三分開”機制

項目建成后，實現了流域氣象、水利（水文）、生態(tài)環(huán)境、城鄉(xiāng)建設、自然資源等部門靜動態(tài)監(jiān)測數據互聯互通共享，初步建立了流域信息化“五統(tǒng)一四共享三分開”機制，即信息化建設做到統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一實施、統(tǒng)一數據標準、統(tǒng)一數據接口、統(tǒng)一規(guī)格，實現原始數據共享、模擬數據共享、軟件功能共享、平臺共享，落實分開建設、分開運維、分開平臺。

4.2 初步實現污染“六個識別”，賦能河湖綜合治理管控

初步實現巢湖入湖河流污染物的“六個識別”，即污染物總量、污染結構、時空分布、入河貢獻、超標指標和責任主體識別，支撐了巢湖入湖污染總量核算和污染溯源，為流域污染物總量科學管控提供數據支撐。

由水質監(jiān)測斷面水質超標信息發(fā)現問題，根據斷面匯水范圍內污染企業(yè)、污水處理廠、排口等可能造成水質超標污染源實時監(jiān)測信息和與河段（監(jiān)測斷面）的拓撲關系，綜合分析造成河道斷面水質超標的原因和責任主體等。

4.3 應對水旱災害防御，支撐流域防汛科學決策

利用水量預測模型，可根據精準氣象預報分析預測流域主要控制節(jié)點最高水位和發(fā)生時間，為流域防汛搶險提供決策支撐。根據接入平臺的主要樞紐實時運行狀態(tài)和流量監(jiān)測及水動力模型，通過模擬分析，提供各閘站樞紐最佳調度方案，為防洪綜合調度科學決策提供理論依據。

2020年巢湖流域遭遇百年一遇特大汛情，利用“數字巢湖”水量模型和相關研究成果，在汛期對巢湖未來3天水情進行模擬預報，共預報16期巢湖水情，預測水位與實測水位誤差值在-0.04～0.18 m之間（見圖11），預測結果為各級領導決策提供了科學依據。2020年8月，開展了巢湖閘等四閘聯動和兆河閘分洪調度研究，為關鍵時期快速精準降低巢湖洪水位提供了科學方案，8—9兩月增排水量約12.7億m3，降低巢湖水位1.6 m，為打贏巢湖防洪“保衛(wèi)戰(zhàn)”發(fā)揮了技術支撐作用。

4.4 發(fā)揮平臺監(jiān)測預報功能，支撐藍藻水華防控

結合巢湖藍藻水華監(jiān)測和預警的需要，依托地理信息系統(tǒng)技術，建立了巢湖藍藻水華天空地立體監(jiān)測預警與模擬平臺。該平臺自2021年4月起，在每年藍藻監(jiān)測期和暴發(fā)期以一日兩次（上午10點、下午3點）的頻次向安徽省巢湖管理局、合肥市生態(tài)環(huán)境局等單位提供環(huán)湖藍藻視頻監(jiān)控報告；利用EcoLake三維水動力生態(tài)模型，進行未來48小時逐時和未來6天逐日水質關鍵參數和藍藻水華時空分布數值預報。截至2022年8月底，已累計出具環(huán)湖藍藻視頻監(jiān)控報告536期；已運行超過613期（滾動預測，每日更新）預測預警周報，已按周發(fā)布87期，為巢湖藍藻水華防控，保障供水安全提供了強有力支撐。

5 展望

“數字巢湖”工程（一期）建立了天空地一體化監(jiān)測體系；開發(fā)了服務流域綜合管理的時空大數據平臺，匯聚了水利、環(huán)保、國土等多部門數據；研發(fā)了流域水量水質、湖泊藍藻水華預測預警等系列預測預警和決策支持模型，開發(fā)了以一張圖為基礎的系統(tǒng)平臺。展望新時期數字孿生流域的建設需求，面向科學智慧決策能力的形成、從“能用”到“好用”的推進，數字巢湖平臺仍需進一步深化建設，做好流域實時感知、數據智能解析、模型優(yōu)化完善、智慧決策應用等工作，著力打造形成數字孿生流域的巢湖樣板。在流域實時感知方面，重點對監(jiān)測盲區(qū)盲點，完善流域多要素多維度的實時動態(tài)監(jiān)測體系。在數據智能解析方面，重點加強數據治理，提升數據質量，深化專業(yè)智能挖掘應用，形成知識圖譜。在模型優(yōu)化完善方面，重點細化模型的粒度，提升模擬精度，真正構建支撐智慧決策的數字孿生模型。在智慧決策應用方面，重點加強智慧決策工具開發(fā)、優(yōu)化智慧化決策業(yè)務流程，解決數字化決策業(yè)務化運用不足問題，加強軟硬件基礎設施支撐體系建設，保障平臺的高效運行。

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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