智慧水務在朝陽區水系連通工程中應用設計初探

王昕然 金寶光 崔伊彤

(北京市朝陽區水務局,北京 100025)

1 項目背景

1.1 朝陽區水系連通工程概況

北京市朝陽區地處北京市東部平原區,區內河流屬于海河流域北運河水系,全部為平原區高度人工控制的城市河流[1-2]。流經朝陽區的區級以上河流共38條,為了使區域內河網水資源配置更加科學,水資源利用更加合理,河湖連通更加順暢,水環境更加優美,提升水資源統籌調配能力、防洪除澇減災能力、水生態保護修復能力和應急保障能力,朝陽區實施了朝陽區水系連通建設工程,構建北小河、朝陽公園湖、高碑店湖、窯洼湖4個水源調配中心,通過建設調水泵站、節制閘等方式實現以現有骨干河道為框架,采取引、調、自流等方式,使全域骨干河道物理連通,實現流域相濟、地表水網“互連互通”的目標。朝陽區水系閘壩布置見圖1。

圖1 朝陽區水系閘壩布置

1.2 朝陽區智慧水務項目建設概況

智慧水務是指通過信息化、物聯網、大數據、數字孿生、AR等技術手段,對水務工作全鏈條進行智能化、自動化管理和系統優化的一種新的管理模式[3]。為滿足朝陽水務工作的業務需求,朝陽區開展了智慧水務相關工作,將“取供用排”數據匯聚到市級平臺,建設了前端感知設備(如智能攝像頭、遠傳流量計和非接觸式水文設備等)、閘壩運行遠程控制設備(如PLC控制系統等),通過數據整合匯聚氣象、雨量、取供用排水等數據,依托互聯網、5G、AR、數字孿生等技術,搭建了朝陽區智慧水務管理平臺基礎底座。

朝陽水系連通工程建成后,河流間水資源調度面臨著多目標協同調度、工作規范性等問題[4],一方面需要智慧水務系統實現閘壩遠程控制,另一方面需要智慧水務系統前端感知設備、一維水動力模型、算法算力等高質量地保障工程效益。基于上述需要,本文初步探討了智慧水務在水系連通工程中的應用內容和模塊展示指標,結合智慧水務系統平臺中其他業務板塊,可為河流日常管理中的水生態保護與修復、河流水資源調度、河流汛期調度等工作提供數據支撐。

2 智慧水務系統中水系連通工程相關內容的設計

研究智慧水務在朝陽水系連通工程中的應用內容,首先要研究水系連通工程的內涵和指標體系[5]。朝陽水系連通工程建設目標是提升水資源統籌調配能力、防洪除澇減災能力、水生態保護修復能力和應急保障能力,工程內涵體現在河系水資源調度、防汛、水生態3個方面,本文將圍繞水資源調度、防汛調度、水生態和應急保障4個建設目標展開智慧水務系統功能設計工作。

2.1 水資源調度、防汛調度與應急保障功能設計

朝陽水系連通工程運行工況分為汛期和非汛期兩種調度工況。汛期控制指標是河道水位不淹沒雨水口,非汛期控制指標是保障各河流的生態流量且不淹沒親水步道。為方便用戶使用,兩種調度工況對應設計智慧水務平臺水資源調度、防汛調度兩個板塊內容。為了能準確快速地計算出不同邊界條件下河道水位情況,需要構建河流一維水動力模型搭載在智慧水務平臺上,運用智慧水務系統的算力,在軟件界面展示河流縱斷面水位,同時可結合前端感知設備實時回傳的數據展示當前河流縱斷面水位。通過遠程控制功能對閘壩泵站運行進行自動控制。

應急保障功能是指通過水系連通工程對需要輸水或排水的河流進行水資源調度,在智慧水務系統中,設置每條河流的報警閾值,使用水位、流量、智能攝像頭等設備回傳數據,經系統對數據進行分析,超出閾值的數據將自動觸發河流報警功能,數據也將成為一維水動力模型的邊界條件,驅動模型運算,在智慧水務系統中輸出閘壩泵站運行調度方案。智慧水務系統與水系連通工程中閘壩泵站調度邏輯關系見圖2。

圖2 智慧水務系統與水系連通工程中閘壩泵站調度邏輯關系

2.2 水生態板塊設計

2.2.1 板塊總體目標

河流水生態完整性要素包括水文情勢時空變異性、河湖生境空間異質性、河湖水系連通性、適宜的水體理化特性以及生物多樣性[6]5項。河流作為廊道,可為各生態節點輸送物質流、物種流和信息流[7],實施水系連通工程是進行城市河流水生態保護與修復的重要措施,水系連通工程的河湖水資源生態調度是恢復高度人工控制的城市河流生態節律、水文節律的基本工具。以往,河流水文節律中生態基流等數據、標志水系連通特性的水系連通度等指標都需要復雜的計算才能獲得[8]。因此本文生態板塊總體目標為利用智慧水務系統構建河流水生態模塊,模塊設計以水生態學科知識為基礎,將“水生態五要素”具化在智慧水務系統中可監測、可查看的指標中,并加以展示。

“流動的河、清潔的河、生態的河”這一河流理念源自永定河綜合治理與生態修復工程,結合朝陽區功能定位,河流要更多地實現城市河湖濱水空間水生態服務功能,滿足廣大市民休閑娛樂的需求,因此設計了“親水的河、數字的河”兩個維度展示游人親水情況。系統平臺設計以上5個維度,通過信息化手段在智慧水務系統中可視化展示朝陽水系連通工程的生態效果。

2.2.2 具體指標

a.“流動的河”,就是要保證河流中的水是流動的,在智慧水務系統平臺上要展示河流的流動性和連通性兩個指標。河流流速不小于0.1m/s有利于河流水生態保持良好的狀況。借助智慧水務項目安裝的水文傳感器設備,通過水文傳感器設備的實時在線監測,設定流速低于0.1m/s的閾值,軟件系統將發出告警,并智能推送河流水資源調度方案,在該模塊還可以展示河流水系中水文設備回傳的水位、流量數據。水系連通評價指標體系一般包括水系形態特征、水系結構連通性和水系水力連通性[9],連通性采用水系連通指數公式[10]計算,通過計算機高速運算的功能,可在智慧水務平臺中展示實時更新的水系連通指數。

式中:FS為水系連通指數;S為河網覆蓋區域面積;li為河段i的長度;Ki為水系連通性指標取值向量;Wi為指標熵權向量。

b.“清潔的河”,從可見污染物和不可見污染物兩方面展開應用設計。可見污染物即肉眼可見的垃圾、漂浮物等物體,通過AI攝像頭算法來自動識別漂浮物,并通過系統自動報送信息至相關管理人員處;不可見污染物指河水中化學污染物,如總氮、氨氮、總磷等,導入河流斷面的水質數據并進行可視化展示。

c.“生態的河”,設置有水河長和水面面積變化情況等指標,可通過遍布在河流上的316處攝像頭和衛星遙感影像,在智慧水務平臺上顯示有水河長和水面面積變化情況。鳥類作為水生態系統食物鏈頂端捕食者,可反映出水生態系統的健康程度。水鳥品種、數量的增加,意味著水生態系統生物量的增加、生物多樣性的改善。通過攝像頭觀察水鳥的品種和數量變化,是對水生態系統的宏觀觀察,可從宏觀角度反映河流的生態狀況。在“生態的河”部分設置水鳥觀察展示模塊,捕捉水鳥影像,觀察水鳥棲息地情況,是河流水生態調度效果的一種輔助檢驗手段。

d.“親水的河”,關注城市河湖濱水空間水生態服務功能的實現,滿足市民休閑、娛樂、觀賞、體驗等多樣化需求,設置游河熱度這一指標,通過游人熱力圖的形式在智慧水務平臺上展現河流在文化服務方面的生態價值。在該模塊通過輪播河流監控實況、河流介紹短片等形式,展示近些年朝陽水生態河流建成后對市民的影響。

e.“數字的河”通過匯聚全部感知設備,構建河流基礎數據庫,用戶可查看河流實況畫面、水文信息等數據。

河流生態版塊邏輯關系見圖3。朝陽區智慧水務平臺包含領導駕駛艙、水務“一張圖”、取供用排、行政辦公等模塊,水系連通工程依托智慧水務平臺進行管理與調度,在智慧水務平臺開發水生態河流模塊,通過“一張圖”的方式總體展示河流關鍵數據,通過河流水資源調度模型模擬不同運行調度方案水系連通性指數和水生態指標的變化,通過水系連通性指數判斷水系連通工程的利用情況,通過不斷變化的水生態指標檢驗水系連通工程的成效。

圖3 河流生態板塊邏輯關系

3 結 語

智慧水務系統在朝陽區水系連通工程中的應用是朝陽水務工作全鏈條智能化、自動化管理和系統優化的重要一環,本文分析了朝陽水系連通工程河系水資源調度、防汛、水生態3方面項目內涵,對此項工作的具體工作內容、軟件邏輯架構做出了初步設計。

本文將“水生態五要素”理論進行指標分解,具體設計為“流動的河、清潔的河、生態的河、親水的河、數字的河”5個軟件模塊,可通過智慧水務系統動態、實時地展示水生態要素變化情況,為下一步河流生態化管護提供了具體指標。