鄱陽湖數字濕地生態調控智慧管理平臺設計與應用

吳 勰，王振興

(1.中鐵水利水電規劃設計集團有限公司，江西 南昌 330029；2.生態環境部華南環境科學研究所，廣東 廣州 510655)

濕地已成為全球遭受破壞最為嚴重的生態系統之一，并引起國際社會的廣泛關注[1-3]。工農業快速發展導致濕地環境污染、生態退化、功能下降[4-5]。目前我國有60%的湖泊受到不同程度的污染，且其中30%污染非常嚴重。每年約10.4億t工業廢水排入鄱陽湖，威脅濕地生態安全。因此，開展鄱陽湖濕地保護迫在眉睫。

然而，鄱陽湖濕地管理總體上呈零散、粗放的模式。已有的傳統管理平臺[6-7]存在技術集成度低、業務耦合水平差、操作復雜、缺少生態調控管理功能等缺陷[8]。基于前期濕地管理研究成果[9-10]，本研究注重鄱陽湖濕地智慧管理的數字化、網絡化、可視化、智能化[11-12]，綜合運用云計算、三維WebGIS、遙感、水量水質模擬等多種技術手段，開展了水資源管理仿真系統的設計，建立了鄱陽湖濕地水量、水質聯合調度集成模擬模型，開發了鄱陽湖數字濕地生態調控管理平臺，成功應用于3914座水庫、285條堤防、138座水閘、29個供水工程、28個泵站、13個灌區的水利行政主管部門和水利工程管理單位，以期為我國濕地生態系統的科學保護、合理開發和可持續利用提供技術支撐。

1 關鍵技術

1.1 平臺總體架構

平臺基于“五層兩翼”框架設計，架構如圖1所示。“五層”為智慧應用層、應用支撐層、數據層、基礎支撐層、感知層；“兩翼”為信息安全保障體系和標準規范保障體系。

圖1 鄱陽湖數字濕地生態調控智慧管理平臺

感知層采用物聯網技術，通過快速、準確地采集、推送和分析雨量、水位、水質、水量、工情和視頻等各類信息，動態掌握水庫安全情況，構建水利設施安全、水環境、水資源、水生態等的實時感知體系，實現對濕地運行管理過程及時、全面、準確、穩定的監測、監視和監控。

數據層通過對數據資源的全面梳理，物聯網接入子系統整合管理中心及外部相關單位的數據，構建包括基礎庫、監測庫、業務庫及大數據庫等子庫的綜合數據庫，為上層應用提供統一的數據支撐。

應用支撐層基于SOA架構，建設以中間件及輔助決策模型為核心的支撐平臺，管理、監測并協調所有服務請求的開發與運行環境。功能包含地圖服務、統一認證、權限管理、消息管理、流程引擎、表單管理、搜索引擎、決策支持等。

智慧應用層包括數字濕地平臺、濕地智慧管理和濕地智慧調控。數字濕地平臺基于大屏端可視化展示工程概況、運行管理、三維仿真、遠程巡檢和智慧決策等圖層，提供輔助決策的各種信息化手段；濕地智慧管理基于電腦端和移動端分別按綜合首頁、監測監控、智能巡檢、工程管理、資料整編、移動端等提供各類專題應用系統，滿足各種維度的業務需求；濕地智慧調控根據前期和現時的水文、氣象、環境等信息，利用模型分析揭示和預測洪水的發生及其變化過程，主要包括洪水預報、水力調度、洪水演進、風險預警、電子沙盤、生態流量、數字河長等。

1.2 平臺性能設計

采用工業化標準，遵從軟件技術規范的同時，平臺設計還具備如下特點：①穩定高效實用性，支持系統7×24小時穩定運行，關鍵業務系統采用集群系統，避免意外的系統宕機。②通過合理的UI和UE設計實現數據更新及時高效。③數據調用快捷準確，各頁面的響應時間一般應在3秒以內，一般操作響應小于1秒，復雜查詢響應小于3秒，處置方案和分析評估報告生成小于5秒。對較長時間歷史數據的檢索可放寬到分鐘級，一般控制在1分鐘以內。④操作維護簡便，通過頁面合理布局、標準控件，以及避免臃腫的界面設計，實現各類業務功能的簡便操作和維護。所有故障狀態和信息系統均自動記錄和存儲，便于故障分析與應對。對于系統中有關系統配置、運行參數、節目表的修改等，提供直觀、方便的修改界面。⑤數據組織合理，根據日常業務和戰時業務數據及應用特點，針對領導、值班人員、系統管理員等用戶特點，分別對數據進行有針對性的組織及展現。⑥系統的結構要具有很好的擴充性，設計中保證系統結構模塊化，軟件功能可以積木式拼裝等，保證系統的開放性和可擴展性。系統對于未來可能增添的新服務系統、新數據庫、新功能、新用戶都能夠方便接入，系統可以隨著業務的發展而不斷平滑演進。⑦通過當前主流中間件技術、存儲與備份技術、Web Service技術、SOA架構、J2EE架構與XML，可以很好地滿足本系統與各類系統、服務等的有效兼容。

1.3 數據流程設計

平臺基于三維GIS開發平臺的B/S架構，實現矢量地圖與水利模型數據疊加發布，同時采用支持完備的二次開發接口的新一代Applet技術，實現靈活的行業應用擴展功能。以水資源管理工作流程如圖2所示為例，數據通過各功能模塊、服務器、數據庫管理軟件、GIS平臺、客戶端，實現儲存、更新、傳輸、可視化、空間分析、發布等功能。

圖2 濕地水資源管理工作流程圖

空間數據分矢量和柵格兩種不同形式分別存儲于服務器中。平臺的數據流程圖如圖3所示，展示了主要數據通路及處理的主要階段。

圖3 濕地三維GIS系統數據流程圖

2 功能設計與應用

功能模塊主要包括濕地三維模擬仿真、濕地水量水質調度、濕地生態流量調控、濕地水文預報與災害預警、水利設施安全監測、工程建設運行管理、濕地河長制數字化管理等。

2.1 濕地三維模擬仿真

濕地三維模擬仿真對象為湖區、庫區、河流，以及6794個水庫站、1073個河道站、103個堰閘站、6942個雨量站以及347個流量點、111個閘門點、364個視頻點、2437個圖像點、21個用水戶等。采用3Dmax建模方法，對水庫進行精細三維建模，利用三維建模軟件制作的水利工程仿真模型疊加在三維場景中，使鄱陽湖濕地特征得到形象逼真的展現。

2.2 濕地水量水質調度

濕地在環境中的作用主要是水的凈化、防洪和岸線和生態穩定。以往的濕地水利調度管理偏重于依賴視覺、嗅覺等傳統經驗做法來確定調引水量和調水歷時等因素，本平臺實現水資源、水環境和水生態調度的科學、高效和智能化管理。根據濕地實際需求，以水量、水質聯合監測、模擬為基礎，耦合綜合水質最大改善、防洪程度和綜合缺水最小影響的目標，建立了濕地水量、水質時空分配聯合調度模型。可提供水源地、水質、供用水量、排水量及生態環境等各類相關信息查詢服務，定期向社會公開信息，提供及時準確的在線查詢、預警發布等服務。實現三條紅線控制管理、監測信息服務、水資源信息發布、水資源綜合信息服務、水資源業務管理系統等功能，達到節約水資源、改善水環境質量、恢復水生態功能的目的。

2.3 濕地生態流量調控

根據河段形態、補充水量的總貯水量和調蓄設施的分布及數量等條件，建立符合當地實際情況的生態流量計算與調控補給模型。利用GPS、RS和GIS技術為支撐，組建一個由基礎地理數據、高清衛星影像數據、全方位的水文水資源數據和河道專題數據組成的空間數據庫，通過對濕地內水電站等民生水利工程的水位、水利設施下泄流量、水質等的綜合分析，實現濕地生態流量調控。

2.4 濕地水文預報與災害預警

基于地圖展示區域內雨情監測站點，通過對各點在選定時間段內降雨量、蒸發量進行預測及水位現狀監測，實現對該點位及附近的水文預報與水情監控。通過平臺錄入管理系統可對站點進行錄入，保證監控點位的有效覆蓋。對區域內山洪災害頻發點進行實時監控，包括水位、雨量以及圖像監控，聯動采取預警短信提醒方式，實現對山洪、污染等的災害預警。同時提供水位、雨量、水質應急監測變化統計，作為分析數據支撐，基于水污染突發事件發生和演化具有衍生性、快速擴散性、耦合性以及傳導變異性等特征，構建了鄱陽湖水文預報與災害預警聯合調度模型和突發事件處置中態勢精準預測體系，為濕地生態環境風險的防控提供技術支持。

2.5 濕地河長制數字化管理

濕地河長制數字化管理實現對濕地內河湖總數、河湖長數、巡查次數及情況、督辦任務、社會監督、監測點位數量等的統計，并輔以考核管理機制，在模塊內聯動完成河湖長責任落實的數字化管理。

3 結語

鄱陽湖數字濕地生態調控智慧管理平臺的研究與實踐為濕地水資源、水環境、水生態的精細化管理提供了現代化工具，大大加強了生態環境、水利、自然資源、農業等不同行業相關業務之間的聯系。平臺在行業內的深入實踐與應用，實現了濕地管理中不同行業信息化平臺的無縫銜接，為我國濕地生態系統的環境保護、合理開發和可持續利用提供了技術支撐。平臺在全面體現智慧濕地、智慧流域的技術體系和評價指標，以及在依托衛星遙感應用，結合地面監測手段，逐步建立“天-地”一體化“水利-環保”監測綜合體系等方面存在不足，需進一步深入研究。