為水務(wù)管理增添智慧大腦
——記中國水利水電科學(xué)研究院教授桑學(xué)鋒

謝更好

隨著經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，用水總量呈現(xiàn)不斷變化，水重復(fù)利用的強(qiáng)度和頻度也不斷增加，區(qū)域水資源系統(tǒng)顯著呈現(xiàn)出了復(fù)雜性、動態(tài)性和聯(lián)動性。2013年，聯(lián)合國教科文組織（UNESCO）明確將“促進(jìn)水資源的治理、規(guī)劃、管理、分配和高效利用”作為今后十年國際水文計(jì)劃（IHP-Ⅷ）的第三大戰(zhàn)略計(jì)劃之首。可以看出，開展水資源供需動態(tài)響應(yīng)機(jī)制與模擬方法研究，對于高強(qiáng)度缺水地區(qū)水資源高效利用與科學(xué)調(diào)控具有重要的科學(xué)意義。

面對這些復(fù)雜的情形，應(yīng)該如何開展區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展用水系統(tǒng)與徑流變化的相互作用研究，揭示水資源系統(tǒng)供需動態(tài)響應(yīng)機(jī)制？又該如何構(gòu)建區(qū)域水資源動態(tài)模擬與調(diào)控模型，實(shí)現(xiàn)“徑流-供水-用水-排水”的聯(lián)動模擬與合理調(diào)控呢？

帶著這些問題，記者專訪了中國水利水電科學(xué)研究院水管理室副主任桑學(xué)鋒。多年來，桑學(xué)鋒主要從事水系統(tǒng)模擬、優(yōu)化配置及水資源水環(huán)境綜合規(guī)劃管理、軟件設(shè)備研發(fā)等方面的研究工作。而這項(xiàng)工作的終極目標(biāo)，就是給水務(wù)管理增添智慧大腦。

從結(jié)緣到深耕

談及水資源與水環(huán)境，桑學(xué)鋒有說不完的話題。他介紹，以黃河流域?yàn)槔ǜ鶕?jù)《黃河流域水資源綜合規(guī)劃》2009年），流域地表水可利用量327.9億立方米，現(xiàn)狀流域?qū)嶋H地表供用水量約370億立方米，但入海水量沒有減少。

“從水量平衡上，表明了水資源利用有大量的引出水量，也有相當(dāng)部分水量退回到河道，存在大量重復(fù)利用水量問題；從內(nèi)在機(jī)理上，這說明黃河水資源系統(tǒng)一次性水資源和回歸水等二次型水資源存在一個(gè)聯(lián)動的關(guān)系，河道流量受供水和用水戶排水的聯(lián)合作用，同時(shí)上下游取用水存在動態(tài)響應(yīng)；從科學(xué)模擬上，區(qū)域水資源系統(tǒng)顯著呈現(xiàn)出了復(fù)雜性、動態(tài)性和聯(lián)動性，如何開展水資源動態(tài)變化下適應(yīng)性模擬與調(diào)控，是水資源管理的新挑戰(zhàn)。”桑學(xué)鋒表示。

圍繞水資源開展研究，是桑學(xué)鋒的工作，也是他的樂趣所在，可以說從小時(shí)候就埋下了種子。“我從小就生活在農(nóng)村，當(dāng)時(shí)村里有大河、有水庫，每年下雨的時(shí)候特別開心，好奇山里的泉水能噴幾天，也總是期待這個(gè)泉水能多噴幾天。”桑學(xué)鋒回憶。

1999年，桑學(xué)鋒參加高考，進(jìn)入中國礦業(yè)大學(xué)的環(huán)境科學(xué)專業(yè)，當(dāng)時(shí)學(xué)校要求學(xué)生輔修另外一門專業(yè)。“我的同學(xué)有的學(xué)了工商，有的學(xué)了會計(jì)，而我當(dāng)時(shí)報(bào)的是計(jì)算機(jī)專業(yè)。”桑學(xué)鋒說，這種專業(yè)的交叉對他之后的工作產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。

在蘭州大學(xué)碩士求學(xué)期間，桑學(xué)鋒對塔里木河、吐魯番的地貌結(jié)構(gòu)及黨河流域等干旱的河流規(guī)律有了深刻的認(rèn)識。

博士階段，桑學(xué)鋒師從中國水科院王浩院士，專攻水資源系統(tǒng)模擬與配置。“從西北來到北京，看到所里有那么多的知識體系，周圍還有那么多的知名專家，這讓對知識如饑似渴的我得到了極大的滿足，汲取了很多經(jīng)驗(yàn)，感謝老師和前輩的指導(dǎo)與培養(yǎng)。”桑學(xué)鋒回憶。

畢業(yè)后，桑學(xué)鋒來到中國水利水電科學(xué)研究院工作，至今已有11年了。近年來，他在水資源調(diào)控方面建樹頗豐。

在水資源巨系統(tǒng)優(yōu)化配置方法方面，桑學(xué)鋒創(chuàng)新研發(fā)了基于HF樹原理的水資源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼夹g(shù)、非支配雙層遺傳水資源配置全局優(yōu)化方法等核心技術(shù)，基于此技術(shù)構(gòu)建出全國水資源調(diào)控模擬器，為國家水資源承載力調(diào)控及評估提供支撐。

在水資源綜合調(diào)控方面，他提出“實(shí)測—分離—聚合—建模—調(diào)控”的水循環(huán)時(shí)序動態(tài)反饋模擬方法，研發(fā)水資源循環(huán)模擬與水資源配置無縫綜合模擬模型（WAS），為實(shí)現(xiàn)二元水資源循環(huán)模擬與調(diào)控提供了新的探索。

如今，作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，桑學(xué)鋒承擔(dān)50多項(xiàng)國內(nèi)國際重大項(xiàng)目，先后獲省部級科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)3項(xiàng)、二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、三等獎(jiǎng)1項(xiàng)；山西省水利科技應(yīng)用推廣特等獎(jiǎng)1項(xiàng)，山東省、廣西壯族自治區(qū)水利科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)3項(xiàng)，《水利學(xué)報(bào)》優(yōu)秀論文1篇；目前，已出版專著11部，發(fā)明專利15項(xiàng)。

從ET到GWAS的水資源管理

耗水（ET）管理是國際上最新的水資源管理理念，桑學(xué)鋒介紹，ET管理是以區(qū)域耗水為總控，以取水控制和用水管理為手段，實(shí)現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會和生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展為目標(biāo)，這與傳統(tǒng)的節(jié)水管理是有區(qū)別的。

2010年，作為技術(shù)負(fù)責(zé)人，桑學(xué)鋒在《GEF海河項(xiàng)目天津市水資源與水環(huán)境綜合管理規(guī)劃》中，提出了基于ET控制的用水總量控制及定額管理定量閾值，以及區(qū)域水資源高效利用的耗水管理模式和適應(yīng)性對策。通過項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用，桑學(xué)鋒進(jìn)一步拓展了傳統(tǒng)水資源管理的理念和方法，從識別經(jīng)濟(jì)社會用水與河道流量動態(tài)響應(yīng)的關(guān)鍵因子入手，研究經(jīng)濟(jì)社會用排水動態(tài)變化對徑流影響關(guān)系和作用機(jī)制。這些研究結(jié)果已為缺水地區(qū)實(shí)施最嚴(yán)格水資源管理提供了技術(shù)支持。

2012年，在“甘肅慶陽市水資源綜合規(guī)劃”項(xiàng)目中，桑學(xué)鋒和團(tuán)隊(duì)針對馬蓮河苦咸水特點(diǎn)，提出“技術(shù)研發(fā)—中試實(shí)踐—擴(kuò)大生產(chǎn)”的開發(fā)利用模式，突破內(nèi)陸河流的高礦化度、高含沙、流量波動大、水溫變化大、原水和尾水調(diào)蓄難等難題，并進(jìn)行了為期12個(gè)月的中試，優(yōu)化了技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)了實(shí)踐落實(shí)和應(yīng)用。

也正是基于這些實(shí)打?qū)嵉捻?xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，桑學(xué)鋒和團(tuán)隊(duì)在水資源所近30年配置理論方法和實(shí)踐應(yīng)用基礎(chǔ)上，開發(fā)形成了完全具有知識產(chǎn)權(quán)的水資源通用配置與模擬軟件（General Water Allocation and Simulation Model, GWAS）。

GWAS不僅創(chuàng)新了模型單元層次化自適應(yīng)剖分方法，自主研發(fā)了基于精英策略并協(xié)遺傳算法，還攻克了超大配置建模存儲技術(shù)。通過應(yīng)用GWAS，可以實(shí)現(xiàn)水資源評價(jià)、水資源配置、規(guī)劃與管理決策分析；此外，還能掌握人類活動影響下的水資源變化，并做適應(yīng)性調(diào)控。

“水資源配置是水資源管理中核心技術(shù)，而軟件能潛移默化地影響其用戶對水資源問題的認(rèn)識和分析方法。但是多年之前，我們國內(nèi)沒有一個(gè)通用化的配置模型軟件，反而是眾多國外知名模型占據(jù)了我國水資源規(guī)劃管理方面的軟件市場。要突破國外產(chǎn)品的控制，就必須自主創(chuàng)新。此時(shí)，我們需要一個(gè)代表作。”桑學(xué)鋒道出研發(fā)初衷。

如今，水資源通用配置與模擬軟件（GWAS）已通過全國水利先進(jìn)實(shí)用技術(shù)推廣名錄及工信部軟件產(chǎn)品登記測試，獲GWAS商標(biāo)授權(quán)1項(xiàng)，并入選2019年全國水利先進(jìn)實(shí)用技術(shù)重點(diǎn)推廣指導(dǎo)目錄。全國范圍內(nèi)覆蓋產(chǎn)-學(xué)-研單位用戶下載1330余次，實(shí)現(xiàn)了極高的應(yīng)用價(jià)值。

從物聯(lián)網(wǎng)到人機(jī)交互的智慧調(diào)度

未來，水源供水調(diào)度需求將越來越多樣，工況將越來越復(fù)雜、影響調(diào)度的數(shù)據(jù)要素越來越繁多，調(diào)度難度也將越來越大，人工調(diào)度面臨難以有效保障的現(xiàn)實(shí)，智能輔助、智慧調(diào)度的需求已越來越迫切。

甘肅馬蓮河現(xiàn)場分析

GWAS作為華為智慧水務(wù)供水調(diào)配系統(tǒng)平臺的核心驅(qū)動，在深圳、江西等地得到了推廣應(yīng)用。“為適應(yīng)復(fù)雜的工況和工作的難度，在《深圳市水源供水智慧調(diào)度系統(tǒng)實(shí)施方案》中，我們根據(jù)‘感知—響應(yīng)—決策—指令—?jiǎng)幼鳌u價(jià)’的邏輯思路，分步構(gòu)建水源供水調(diào)度系統(tǒng)，先實(shí)現(xiàn)‘智能輔助’，再達(dá)到‘智慧調(diào)度’，做到一次規(guī)劃、持續(xù)完善提升，逐步演進(jìn)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。”

“水利信息化是智慧水務(wù)的基礎(chǔ)，水利信息化再往上升一級就是智慧水務(wù)，但智慧水務(wù)不僅要有這些信息，還需要有一些模型方法的決策。這之后，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)代替大腦、人工輔助智能決策的系統(tǒng)，才是智慧水務(wù)系統(tǒng)的終極想法。”桑學(xué)鋒介紹，該項(xiàng)目將通過整合，形成從源頭到用戶“全鏈條、全流程、全要素”一個(gè)系統(tǒng)，最終能夠達(dá)到“隨時(shí)隨地、應(yīng)需而動”的智慧調(diào)度目標(biāo)。而實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，則需要各種先進(jìn)技術(shù)的耦合：采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，為業(yè)務(wù)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐，實(shí)現(xiàn)智能感知；構(gòu)建基礎(chǔ)設(shè)施，為智慧水務(wù)提供信息傳輸通道、安全基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行環(huán)境；依托水務(wù)大數(shù)據(jù)，服務(wù)數(shù)據(jù)存儲、管理和使用，模型服務(wù)以大數(shù)據(jù)作為模型輸入，為業(yè)務(wù)應(yīng)用提供決策支撐；應(yīng)用層業(yè)務(wù)提供智慧調(diào)度、智慧管理、智慧服務(wù)三大平臺，展示層包括多種人機(jī)交互展示方式。

“未來兩年，這個(gè)智慧水務(wù)的系統(tǒng)就會部署到現(xiàn)在水務(wù)局的調(diào)度大廳。”提及研究方向的未來發(fā)展，桑學(xué)鋒信心滿滿。