長江流域生態流量管理服務平臺建設探討

成波 王培 李志軍 李紅清

摘 要：針對長江流域生態流量信息化管理水平較低的現狀，利用全方位的數據感知、高性能的計算分析、全過程的應用服務和多形式的可視化展現等關鍵技術，探討了長江流域生態流量管理服務平臺的建設，為生態流量監督管理提供數據支撐與決策支持，對智慧水利建設和長江大保護具有實際意義。

關鍵詞：生態流量;長江流域;管理服務平臺;信息化

中圖法分類號：TV213.4;X143? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

長江是我國重要的生態功能區，流域內生態系統類型多樣，具有水源涵養、水土保持、生物多樣性維護等重要功能[1]。長江也是我國重要的戰略水源地，集洪水調蓄、供水、灌溉、航運等功能于一體，是支撐我國經濟社會可持續發展的重要基礎[2-3]。

黨的十八大以來，習近平總書記高度重視長江流域生態環境的治理與保護，強調要把修復長江生態環境擺在壓倒性位置，共抓大保護、不搞大開發，讓母親河永葆生機活力[4]。隨著《中華人民共和國長江保護法》《四川省沱江流域水環境保護條例》《湖北省清江流域水生態環境保護條例》等法律法規的制定和頒布，以及《長江經濟帶生態環境保護規劃》《長江保護修復攻堅戰行動計劃》《長江流域水生態環境保護與修復行動方案及三年行動計劃（2018—2020年）》等文件相繼印發實施，長江流域開展了大量生態環境保護修復工作，長江生態環境明顯改善，但形勢依然嚴峻，距離國家對生態文明建設和人民對優質水資源、健康水生態、宜居水環境的需求仍有差距[3，5-6]。水環境方面，目前長江流域水質狀況總體良好，部分支流水質較差，湖泊水體富營養化程度整體較為嚴重[7-8];水生態方面，水庫群建設和工程調水造成水生生境破碎化，魚類資源數量減少，同時造成中下游湖泊、濕地面積大量萎縮，生物多樣性降低[9-10];生態水量方面，局部河段水電開發建設密度大，引水式電站不能保障生態流量下泄，壩下河段出現減（脫）水現象[6，11]。

加強生態流量監督管理，保障河湖生態流量，對保護和改善長江流域生態環境具有重要意義，是關系到建設安瀾、綠色、和諧、美麗長江的重大戰略問題。

生態流量監督管理的成效關鍵在于管理服務平臺的建設?，F階段，長江流域生態流量信息化管理水平較低，亟需開展長江流域生態流量管理服務平臺的建設，形成完整的生態流量監測監控體系，為生態流量監督管理與突發事件應急響應提供數據與技術支持。

1? 生態流量管理服務平臺建設思路、目標與總架構

平臺建設應用物聯網、云計算、大數據等信息技術，實現長江流域生態流量全方位的數據感知、高性能的計算分析、全過程的應用服務和多形式的可視展現，為主管部門科學決策提供技術支撐。長江流域生態流量管理服務平臺架構如圖1所示，包括感知層、平臺層、應用層和展現層。感知層是利用各種物聯網觀測技術實現長江流域生態流量監測監控全覆蓋，為平臺提供全面、可靠的數據支撐，是生態流量管理服務平臺的基礎;平臺層是基于云計算技術建立的分布式數據存儲中心，同時集成算法模型庫對感知層獲取的生態流量數據進行計算分析等處理，是生態流量管理服務平臺高效運行的關鍵;應用服務層是平臺的核心部分，從生態流量管控目標的確定、生態流量保障程度的評估、生態流量預警體系的構建和生態流量的調度調控四個方面實現生態流量全過程的管理;可視化展現層是以大屏顯示系統、PC機和移動終端等多種形式為用戶提供瀏覽和互操作，直觀、清晰地反映出長江流域生態流量狀況。

2? 關鍵技術研究

2.1? 全方位的數據感知

由于長江流域生態流量管理涉及范圍廣、工作量大，傳統的水資源調查方法和動態監測技術耗時長、費用高[12]，難以滿足其同步監測、及時性和自動化的需求，亟需從不同尺度構建全方位的數據感知，為生態流量管理服務提供有力支撐。

在小尺度上，以控制斷面為基本單元建設在線監測設施，對控制斷面的流量、水位等信息進行采集。生態流量控制斷面分為兩類：一類為重要水利水電工程壩下生態流量控制斷面，即工程控制斷面;一類為流域綜合規劃提出的生態基流控制斷面，即規劃控制斷面。

2.1.1? 工程控制斷面監測

工程控制斷面通常布設于建成的水庫及水電站，用來監測工程運行調度過程中最小下泄流量的滿足程度。工程控制斷面的生態流量管控要求是在流域約束性指標的基礎上，充分考慮工程下游河段生態、生活、景觀等各類用水，綜合確定工程最小下泄流量要求。

目前，工程控制斷面建設的生態流量自動監測系統主要包括以下3種類型：①流量測量法，在生態流量專用泄放通道安裝流量計，直接獲取下泄流量值，典型的有錦屏二級水電站[13];②流速測量法，在監測斷面上布設雷達流速儀探頭，測量水流表面流速，利用流速儀比測率定斷面水面流速系數，推求斷面流量，如黃河瑪爾擋水電站[14];③水位測量法，在監測斷面建設水位自動監測設施，通過斷面水位—流量關系將實時測定水位數據換算為實時流量，在金沙江魯地拉水電站得到應用[13，15]。

2.1.2? 規劃控制斷面監測

規劃控制斷面的生態流量管控要求是維持流域基本生態功能的底線，是水資源開發利用的約束性指標。規劃控制斷面一般位于已建水文測站處，利用水文測站的流量數據來分析其生態基流的保障程度。

在大尺度上，以河湖流域為單元，利用高分辨率遙感影像數據、無人機巡查，結合近地面相機和視頻監測系統，實現對河湖流域生態流量的監測。通過定性、定量的評價方法，分析河湖流域整體的生態流量保障程度。

2.2? 高性能的計算分析

考慮到生態流量監管數據分散、缺乏集成共享、數據綜合運用水平較低且深度分析能力不足等問題，基于云計算技術將數據存儲中心和算法模型庫集成耦合化，實現生態流量高性能的計算分析。

2.2.1? 數據存儲中心

數據存儲中心利用云計算技術實現生態流量數據的存儲管理與更新。從控制斷面到河湖流域的不同維度，從地方部門到流域機構的不同視角，在全流域內建設一體化的數據存儲中心，推進資源信息整合，實現流域和區域間、行業和政府間、水利部門和環保部門間的數據共享，形成一套從上而下、一體化、全覆蓋的管理體系。

2.2.2? 算法模型庫

算法模型庫提供大量的處理算法和數學模型，用于生態流量的計算分析。在生態流量的管理服務過程中，將生態流量管控目標的確定算法（常見的包括Tennant法[16]、7Q10法[17]、R2-CROSS法[18]、濕周法[19]）、生態流量保障程度的評估算法（典型的有日平均流量達標率）、生態流量預警模型以及生態流量調度模型集成化，形成一個能夠動態加載用戶自定義算法的模型庫。

2.3? 全過程的應用服務

從生態流量管控目標的確定，到計算生態流量保障程度，同時構建生態流量預警體系，最后快速、準確地做出生態流量調度調控，實現全過程的應用服務（如圖2所示），為長江流域生態流量監督管理提供強有力的技術支撐。其中，生態流量管控目標是基礎，生態流量保障程度是支撐，生態流量預警體系是關鍵，生態流量調度調控是核心，各個環節彼此關聯、相互約束，形成生態流量監督管理不斷調整優化的全過程。

2.3.1? 生態流量管控目標

生態流量管控目標的確定是生態流量監督管理的基本前提。為確定生態流量管控目標，政府管理部門出臺了一系列技術導則和標準規范：2010年，水利部發布《河湖生態需水評估導則（試行）》（SL/Z

479—2010），為河湖生態需水量的評估提供指導;2014年，水利部發布《河湖生態環境需水計算規范》（SL/Z 712—2014），給出了河湖生態環境需水計算的規范要求;2016年，國家能源局發布《水電工程生態流量計算規范》（NB/T 35091—2016），目的是合理確定水電工程的下泄生態流量。同時，國內外學者也開展了大量研究工作，提出了許多生態需水的確定方法[20]，主要包括：①水文學法，利用歷史水文數據給出最小生態流量的推薦值，典型的有Tennant法[16]、7Q10法[17];②水力學法，通過建立流量與河道的水力參數、形態參數間的關系來量化河道內生態需水，常用的包括R2-CROSS法[18]、濕周法[19];③生態水力學法，考慮河流水深、流速等水力生境參數及急流、緩流等水力形態參數評估河流生境狀況，計算河流的水生生態基流[21];④生境模擬法，基于水生生物適宜生境棲息條件，構建流量與生境面積的響應關系，計算河流生態需水，如IFIM法[22-23]。

在充分收集調查流域內河流水文特征和生物多樣性及其適宜生境特點的基礎上，統籌考慮不同水期水資源稟賦條件、保護目標需求，兼顧協調上下游的可行性，選擇適宜的方法科學確定生態流量管控要求。此外，各管理部門分別出臺了與生態流量有關的標準規范、管理條例，給出了不同的確定方法和管理要求，導致不同部門對同一生態流量管控目標存在不一致的情況，需要平衡協調形成統一的管控要求，為生態流量的監督管理奠定基礎。

2.3.2? 生態流量保障程度

生態流量保障程度的評估是生態流量監督管理的重要支撐。從小尺度到大尺度，選取合適的評估因子，分析生態流量保障程度。

針對單一的控制斷面，采用日平均流量達標率進行評價，即控制斷面日平均流量達到生態流量管控目標的天數占評價時段總天數的百分比[24]：

針對全局的河流湖泊，通過解譯多時相、高分辨率的遙感影像，提取豐水期、枯水期的水體信息，并劃分豐枯水體覆蓋率等級，從而評估河湖整體的生態流量保障程度[25]。

2.3.3? 生態流量預警體系

生態流量預警體系的構建是生態流量監督管理的核心關鍵。綜合水資源、水環境預警體系的研究現狀[26-27]，長江流域生態流量預警體系的構建包括：①選取重點區域，篩選出生態環境敏感、生態功能重要且生態流量保障程度偏低的區域，并對這些區域進行重點防控;②確定預警指標，預警指標要能反映生態流量的狀態變化，有效提高預警效率;③劃分預警等級，合理劃分預警等級，并設置各級別的上下限值，即可浮動的閾值范圍;④建立預警模型，以生態流量在區域或流域尺度上的變化機制為基礎，研究生態流量預警模型的建立。

合理設置生態流量預警級別及其對應閾值，建立生態流量預警模型并及時發布預警信息時，形成生態流量預警體系，從事后監管轉變為事前預警，有效提升長江流域生態流量的實時預警能力。當突發事件發生預警提醒，重點圍繞疑似斷面或流域進行核查，快速調度監測數據，提供生態流量異常溯源功能，以便后續進行生態流量調度響應。

2.3.4? 生態流量調度調控

生態流量調度調控是生態流量監督管理的有效舉措?，F階段，從大型梯級水利工程到小水電站的生態流量調度調控，長江流域開展了大量實踐工作來保障流域河湖生態需水。2011年以來，針對大型水利工程建設對魚類自然繁殖帶來的不利影響，在長江上中游和漢江持續開展了水庫群梯級聯合生態調度試驗，以營造促進魚類產卵繁殖的適宜生態流量過程[28-30]。2016年以來，為應對小水電生態環境突出問題對長江大保護的影響，水利部會同其他部委出臺一系列文件，明確要求完善小水電站生態流量泄放設施，推動小水電站開展生態調度運行[31-33]。

早期的調度實踐多是從水量調節、水質改善、泥沙調控和生態系統保護等方面構建單因子的生態調度模型，很難滿足河流生態環境的動態需求[34-35]?，F階段，亟需建立多目標綜合的生態調度模型，為生態流量調度調控提供技術支撐，實現河流生態系統質量和穩定性的提升。

2.4? 多形式的可視化展現

為了使生態流量的變化趨勢更直觀、更容易被理解，有助于生態流量的監督管理，還需要滿足與生態流量有關的可視化展現需求?？梢暬宫F是平臺為用戶提供瀏覽和互操作的人機交互界面，通過大屏顯示系統、PC機和移動終端等多種形式直觀、清晰、流暢地反映出長江流域生態流量狀況。除了水位、流量的遠程實時監測和視頻實時場景監控外，還需要具有數據統計分析模塊，對各控制斷面水位流量等數據提供展示、自動統計整編與導出功能[36]。

3? 結語

生態流量監督管理的成效關鍵在于管理服務平臺的建設。本文重點闡述了全方位的數據感知、高性能的計算分析、全過程的應用服務和多形式的可視展現等關鍵技術，實現從生態流量管控目標的確定、生態流量保障程度的評估、生態流量預警體系的構建到生態流量的調度調控的全過程監督管理。后續需要進一步在長江流域開展生態流量的監控布點，實現管理服務平臺的構建，為長江流域生態流量監督管理提供信息化的技術支撐。

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Discussion on the Construction of Ecological Flow Management Service Platform in the Yangtze River Basin

CHENG Bo WANG Pei LI Zhijun Li Hongqing

（Changjiang Water Resources Protection Institute，Wuhan 430051，China）

Abstract：Strengthening the supervision and management of ecological flow and ensuring the ecological flow of rivers and lakes is of great significance to protecting and improving the ecological environment of the Yangtze River Basin. In view of the low level of information management of ecological flow in the Yangtze River Basin，this paper discussed the construction of ecological flow management service platform in the Yangtze River Basin from key technologies such as comprehensive data perception，high-performance computing analysis，full-process application services and multiple forms of visual presentation，and provided data and technical support for the supervision and management of ecological，，which is of practical significance to the construction of smart water conservancy and the protection of the Yangtze River.

Key words：ecological flow;Yangtze River Basin;management service platform;informatization

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