包志炎，王 萱，魏 杰，邱 雁，陳偉軍

(1.浙江水利水電學(xué)院，浙江 杭州 310014；2.浙江省水利信息宣傳中心，浙江 杭州 310009；3.杭州錢塘新區(qū)建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 311228)

我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，在區(qū)域水資源配置時(shí)，農(nóng)業(yè)與工業(yè)、生活、服務(wù)業(yè)等其他行業(yè)部門一起參與用水分配。而國(guó)家糧食安全的保障，核心在灌區(qū)[1]。尤其在“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)發(fā)展迅猛，水資源管理模式不斷革新[2-3]，灌區(qū)管理信息化水平不斷提升，特別是國(guó)家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項(xiàng)目的實(shí)施[4]，全國(guó)各地水資源感知監(jiān)測(cè)體系不斷完善[5-7]，數(shù)據(jù)資源日益豐富，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的決策模型得到應(yīng)用[8-11]，各級(jí)業(yè)務(wù)系統(tǒng)涌現(xiàn)[12-14]，灌區(qū)信息化水平得到有效提升；與此同時(shí)，灌區(qū)信息孤立不共享、業(yè)務(wù)系統(tǒng)林立不協(xié)同、各級(jí)分散建設(shè)重復(fù)投資等問(wèn)題隨之突顯。當(dāng)前，浙江省委省政府以“最多跑一次”改革為總牽引，全面部署政府?dāng)?shù)字化轉(zhuǎn)型，聚焦業(yè)務(wù)協(xié)同和數(shù)據(jù)共享，打造數(shù)字浙江，推進(jìn)政府治理體系和治理能力現(xiàn)代化[15]。在政府?dāng)?shù)字化轉(zhuǎn)型背景下，聚焦業(yè)務(wù)協(xié)同和數(shù)據(jù)共享，打造大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下灌區(qū)水資源管理決策支持平臺(tái)，有助于解決灌區(qū)數(shù)據(jù)資源“信息孤島”和灌區(qū)業(yè)務(wù)應(yīng)用“各自為政”等問(wèn)題，對(duì)于提升灌區(qū)現(xiàn)代化管理水平具有重要理論與實(shí)踐意義。

1 平臺(tái)總體目標(biāo)

匯聚灌區(qū)數(shù)據(jù)資源，建立灌區(qū)大數(shù)據(jù)，將新一代信息技術(shù)與灌區(qū)核心業(yè)務(wù)深入融合，構(gòu)建灌區(qū)大腦，打造浙江省統(tǒng)一的灌區(qū)水資源管理決策支持平臺(tái)。

1.1 跨層級(jí)統(tǒng)籌規(guī)劃

基于政府角度，堅(jiān)持浙江省一盤棋，建立統(tǒng)一灌區(qū)數(shù)據(jù)中心，打造灌區(qū)水資源管理核心業(yè)務(wù)模塊，省市縣各級(jí)水利主管部門、灌區(qū)管理單位工作人員在統(tǒng)一平臺(tái)上履職，避免各級(jí)各類灌區(qū)水資源管理系統(tǒng)分散建設(shè)、重復(fù)投資。

1.2 跨部門數(shù)據(jù)共享

灌區(qū)水資源管理涉及水利、環(huán)保、氣象、經(jīng)濟(jì)、農(nóng)村農(nóng)業(yè)等不同部門的數(shù)據(jù)。當(dāng)前各部門都在各自業(yè)務(wù)領(lǐng)域建設(shè)感知設(shè)施，建立部門數(shù)據(jù)中心。本著集約化建設(shè)原則，實(shí)現(xiàn)跨部門數(shù)據(jù)共享，建立定期更新機(jī)制，破解信息孤島。在數(shù)據(jù)共享基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)部門聯(lián)動(dòng)，業(yè)務(wù)協(xié)同，最大限度發(fā)揮平臺(tái)效能。

1.3 場(chǎng)景化應(yīng)用集成

將灌區(qū)水資源管理業(yè)務(wù)場(chǎng)景化，并為各類場(chǎng)景建立數(shù)據(jù)大屏。數(shù)據(jù)大屏主題明確，聚焦某一個(gè)或相關(guān)的多個(gè)實(shí)際問(wèn)題，支持按需切換，信息可多層鉆取。平臺(tái)建設(shè)堅(jiān)持開(kāi)放兼容，在統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)框架下，支持各級(jí)水行政管理部門根據(jù)自身業(yè)務(wù)需要，擴(kuò)展個(gè)性化場(chǎng)景應(yīng)用。

1.4 智能化決策支持

建立灌區(qū)數(shù)據(jù)資源“一數(shù)一源，按職維護(hù)”的管理機(jī)制，確保數(shù)據(jù)質(zhì)量。在此基礎(chǔ)上，集成智能決策支持模型，開(kāi)展多源信息融合和多維度數(shù)據(jù)挖掘分析，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用功能由信息監(jiān)測(cè)、推送展示向科學(xué)預(yù)測(cè)、智能決策轉(zhuǎn)變，為部門履職提供輔助決策，全面支撐灌區(qū)水資源強(qiáng)監(jiān)管功能。

2 平臺(tái)架構(gòu)

平臺(tái)用戶主要面向省市縣各級(jí)水利主管部門、灌區(qū)管理部門、灌區(qū)取水戶以及各類灌區(qū)工程設(shè)施的運(yùn)維廠商，相關(guān)分析結(jié)果可同步推送至其他部門業(yè)務(wù)系統(tǒng)。采用政府?dāng)?shù)字化轉(zhuǎn)型統(tǒng)一的“四橫三縱”技術(shù)架構(gòu)[16]，“四橫”指構(gòu)建業(yè)務(wù)應(yīng)用體系、應(yīng)用支撐體系、數(shù)據(jù)資源體系和基礎(chǔ)設(shè)施體系，“三縱”是指建立全省統(tǒng)一的灌區(qū)信息化建設(shè)運(yùn)維相關(guān)政策制度、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和組織保障(見(jiàn)圖1)。

圖1 平臺(tái)總體架構(gòu)

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 灌區(qū)大數(shù)據(jù)

在有限的區(qū)域水資源條件下，水資源配置既要強(qiáng)調(diào)農(nóng)業(yè)用水的基礎(chǔ)性，又要保障區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。灌區(qū)不僅需要向農(nóng)業(yè)供水，還要兼顧工業(yè)、城鎮(zhèn)生活、服務(wù)業(yè)甚至生態(tài)環(huán)境供水。灌區(qū)數(shù)據(jù)資源要同時(shí)涵蓋灌區(qū)自身數(shù)據(jù)和灌區(qū)所在行政區(qū)域相關(guān)數(shù)據(jù)。前者包括灌區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、工程數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，后者包括區(qū)域水源數(shù)據(jù)、用水?dāng)?shù)據(jù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)等(見(jiàn)表1)。

表1 地區(qū)大數(shù)據(jù)構(gòu)成

數(shù)據(jù)采集和匯聚是實(shí)現(xiàn)灌區(qū)大數(shù)據(jù)的前提。根據(jù)數(shù)據(jù)源，灌區(qū)數(shù)據(jù)資源可分為部門采集、行業(yè)內(nèi)共享、行業(yè)外共享三類。

3.2 數(shù)據(jù)共享方法

信息孤島是當(dāng)前各行業(yè)信息化進(jìn)程中普遍存在的現(xiàn)象。為破除信息孤立不共享的困局，項(xiàng)目組在文獻(xiàn)[16]中基于政府?dāng)?shù)字化轉(zhuǎn)型相關(guān)理論和方法，提出了一套水利數(shù)據(jù)資源有效的共享機(jī)制。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建灌區(qū)數(shù)據(jù)資源共享流程。

行業(yè)內(nèi)數(shù)據(jù)共享應(yīng)遵循水利部數(shù)據(jù)資源管理有關(guān)要求，統(tǒng)一建立水利數(shù)據(jù)資源目錄，按預(yù)定頻率及時(shí)更新，采用系統(tǒng)對(duì)接、聯(lián)機(jī)查詢、在線瀏覽或調(diào)用在線服務(wù)等方式實(shí)現(xiàn)行業(yè)內(nèi)不同層級(jí)的數(shù)據(jù)共享。在操作層面，省級(jí)水利信息化部門在政務(wù)云統(tǒng)建的水利數(shù)據(jù)倉(cāng)，包括業(yè)務(wù)專題數(shù)據(jù)倉(cāng)和公共數(shù)據(jù)倉(cāng)，同時(shí)研發(fā)數(shù)據(jù)共享交換平臺(tái)。

灌區(qū)主管部門或管理單位對(duì)所需共享數(shù)據(jù)按規(guī)范進(jìn)行定義，并向省公共數(shù)據(jù)共享交換平臺(tái)進(jìn)行需求檢索，若數(shù)據(jù)已歸集，則可通過(guò)數(shù)據(jù)共享接口或批量庫(kù)表數(shù)據(jù)完成共享；若數(shù)據(jù)未歸集，可通過(guò)平臺(tái)進(jìn)行需求提交，省級(jí)信息化部門對(duì)提交需求描述格式規(guī)范性進(jìn)行審核，審核通過(guò)后向數(shù)源部門下達(dá)數(shù)據(jù)責(zé)任清單；數(shù)源部門對(duì)數(shù)據(jù)項(xiàng)及相關(guān)要素進(jìn)行確認(rèn)，并關(guān)聯(lián)該資源對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)目錄，形成數(shù)據(jù)提供責(zé)任表，并依次進(jìn)行數(shù)據(jù)歸集。行業(yè)外數(shù)據(jù)共享應(yīng)遵循國(guó)家、省政府公共數(shù)據(jù)管理規(guī)則，依托省級(jí)統(tǒng)建的公共數(shù)據(jù)共享交換平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。將各部門都要用到的高頻數(shù)據(jù)進(jìn)行歸集，建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)共享機(jī)制達(dá)到數(shù)據(jù)重復(fù)利用。

3.3 場(chǎng)景化應(yīng)用設(shè)計(jì)

根據(jù)水利部印發(fā)的水利業(yè)務(wù)需求分析報(bào)告，梳理灌區(qū)水資源管理核心業(yè)務(wù)，形成水資源監(jiān)測(cè)、水資源預(yù)測(cè)、水資源調(diào)度、水資源效益分析、設(shè)施異常研判等五類場(chǎng)景化智能應(yīng)用。

3.3.1 灌區(qū)水資源監(jiān)測(cè)

通過(guò)構(gòu)建天空地一體化的監(jiān)測(cè)體系，對(duì)取水行為進(jìn)行監(jiān)管，對(duì)水資源管理過(guò)程中可能出現(xiàn)的異常情形進(jìn)行預(yù)判。水資源監(jiān)測(cè)典型應(yīng)用場(chǎng)景：(1)通過(guò)各取水監(jiān)測(cè)點(diǎn)在線數(shù)據(jù)，計(jì)算各取水戶在某時(shí)段的累計(jì)取水量，對(duì)過(guò)慢或過(guò)快的取水行為作出及時(shí)提醒；(2)對(duì)于以水庫(kù)為水源的灌區(qū)，開(kāi)展水庫(kù)供水能力分析，以近期氣象預(yù)報(bào)信息、水庫(kù)水位等在線數(shù)據(jù)為輸入，對(duì)其可供水量進(jìn)行在線計(jì)算；(3)通過(guò)采集取水許可證信息，對(duì)即將到期的用戶發(fā)出提醒，已過(guò)期的取水戶發(fā)出超期警告；(4)通過(guò)監(jiān)測(cè)水質(zhì)數(shù)據(jù)，對(duì)污染水源、高礦化度水源進(jìn)行異常預(yù)警；(5)通過(guò)對(duì)比用水定額和累計(jì)用水量，對(duì)超額超量用水行為進(jìn)行監(jiān)管，對(duì)表征違規(guī)取水行為的數(shù)據(jù)結(jié)果直接推送給相關(guān)執(zhí)法部門，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)協(xié)同。

3.3.2 灌區(qū)水資源預(yù)測(cè)

灌區(qū)可供水量和需水量的有效預(yù)測(cè)是實(shí)現(xiàn)水資源優(yōu)化配置的基礎(chǔ)。水資源預(yù)測(cè)典型應(yīng)用場(chǎng)景：(1)分析歷年灌區(qū)降雨、氣溫、地形、徑流量和產(chǎn)流系數(shù)等因子與來(lái)水量之間的相關(guān)性，以當(dāng)年數(shù)據(jù)為輸入，預(yù)測(cè)灌區(qū)可供水量；(2)分析歷年灌區(qū)人口、GDP、水價(jià)、用水定額等社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素，以及作物種植結(jié)構(gòu)、灌溉面積、灌溉系數(shù)等農(nóng)業(yè)發(fā)展因素與需水量之間的相關(guān)性，以當(dāng)年數(shù)據(jù)為輸入，實(shí)現(xiàn)對(duì)需水量進(jìn)行預(yù)測(cè)；(3)在灌區(qū)的某一發(fā)展水平年某一時(shí)段供水量和需水量預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，對(duì)各部門供水量和需水量平衡關(guān)系進(jìn)行分析。

3.3.3 灌區(qū)水資源配置

制定科學(xué)合理的水資源配置方案，為灌區(qū)水資源調(diào)度提供依據(jù)。水資源配置典型應(yīng)用場(chǎng)景：(1)以灌區(qū)所在區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益最大化為目標(biāo)，在有限水資源總量條件下，分析農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活、生態(tài)等不同領(lǐng)域歷史用水?dāng)?shù)據(jù)與效益之間的相關(guān)性，為編制行業(yè)間水資配置方案提供依據(jù)；(2)一個(gè)灌區(qū)往往種植多種農(nóng)作物，同一作物在不同生長(zhǎng)期對(duì)水量需求不同，同一時(shí)間段不同作物對(duì)水量的敏感程度不同。以灌區(qū)內(nèi)農(nóng)作物經(jīng)濟(jì)效益最大化為目標(biāo)，在有限水資源總量條件下，分析往年作物種植結(jié)構(gòu)、作物生長(zhǎng)不同階段需水量、作物產(chǎn)量、市場(chǎng)價(jià)格與效益之間的相關(guān)性，編制農(nóng)作物間水資源配置方案、合理安排灌區(qū)種植結(jié)構(gòu)。

3.3.4 灌區(qū)用水效益分析

在有限的水資源條件下，開(kāi)展用水效益分析顯得尤其重要。典型應(yīng)用場(chǎng)景：(1)圍繞水資源開(kāi)發(fā)利用、用水效率、水功能區(qū)限制納污等三條紅線，基于灌區(qū)專題數(shù)據(jù)倉(cāng)，盡可能減少人工填報(bào)，開(kāi)展最嚴(yán)水資源考核評(píng)價(jià)以及節(jié)水型灌區(qū)評(píng)價(jià)；(2)灌區(qū)相關(guān)規(guī)劃和建設(shè)項(xiàng)目節(jié)水評(píng)價(jià)，論證取用水的必要性、可行性，分析節(jié)水指標(biāo)的先進(jìn)性，評(píng)估節(jié)水措施的實(shí)效性；(3)通過(guò)計(jì)算全省灌區(qū)用水效率、農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)、高效節(jié)水灌溉面積率，分析灌區(qū)所在行政區(qū)域萬(wàn)元GDP用水量、萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量、人均生活用水量、城市公共供水管網(wǎng)漏損率等情況，全方位、多維度掌握用水效益。

3.3.5 灌區(qū)設(shè)施異常研判

(1)通過(guò)分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的上報(bào)率、完整率和及時(shí)率，當(dāng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)上報(bào)異?；蛏蠄?bào)數(shù)據(jù)質(zhì)量不高的狀況時(shí)進(jìn)行智能報(bào)警；(2)通過(guò)監(jiān)測(cè)電量、功率等參數(shù)，對(duì)太陽(yáng)能板電源設(shè)施老化引起供電不足的異常情況發(fā)出警報(bào)；(3)對(duì)閘門開(kāi)啟關(guān)閉狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，開(kāi)度異常的情況進(jìn)行研判。各類異常結(jié)果直接推送技術(shù)人員或監(jiān)測(cè)設(shè)備廠商及時(shí)修復(fù)。

3.4 智能化決策支持

各類場(chǎng)景化應(yīng)用離不開(kāi)智能化決策模型的支撐。根據(jù)灌區(qū)管理履職需要和數(shù)據(jù)資源特點(diǎn)，構(gòu)建統(tǒng)計(jì)分析、專業(yè)計(jì)算、規(guī)劃優(yōu)化、系統(tǒng)模擬、智能算法、大數(shù)據(jù)分析等六類決策模型。針對(duì)各類場(chǎng)景化應(yīng)用需要，可以使用一類或多類數(shù)據(jù)，也可以采用一類或多類算法，以管用為原則選擇適合算法。

4 應(yīng)用案例

2019年以來(lái)，項(xiàng)目組在國(guó)家水資源監(jiān)控能力建設(shè)浙江項(xiàng)目取得階段性成果的基礎(chǔ)上，建立灌區(qū)水資源專題數(shù)據(jù)倉(cāng)，搭建了省水利數(shù)據(jù)共享交換平臺(tái)，對(duì)大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下灌區(qū)水資源管理決策支持原型系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了實(shí)踐驗(yàn)證。基于政務(wù)云，匯聚灌區(qū)數(shù)據(jù)資源，建立灌區(qū)水資源專題數(shù)據(jù)倉(cāng)，全省55個(gè)灌區(qū)、335個(gè)農(nóng)業(yè)灌溉用水在線監(jiān)測(cè)點(diǎn)，209處國(guó)家重要水功能區(qū)水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)以及532個(gè)非農(nóng)取用水戶、779個(gè)取水監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接入，實(shí)現(xiàn)年取水5萬(wàn)m3以上取水戶計(jì)量監(jiān)控，省內(nèi)192座大中型水庫(kù)水位數(shù)據(jù)的全覆蓋；同時(shí)匯聚了近30年來(lái)涉及氣候、降雨、水資源管理等方面的防汛防臺(tái)、災(zāi)害、水污染事件數(shù)據(jù)，以及同期社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)、氣象、農(nóng)業(yè)等數(shù)據(jù)。浙江省水利數(shù)據(jù)共享交換平臺(tái)支持18 950個(gè)水利系統(tǒng)用戶可在線申請(qǐng)灌區(qū)數(shù)據(jù)行業(yè)內(nèi)共享?；谝陨瞎矓?shù)據(jù)共享交換平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了灌區(qū)數(shù)據(jù)資源與生態(tài)環(huán)境廳、應(yīng)急管理廳的行業(yè)外共享。在場(chǎng)景化應(yīng)用方面，灌區(qū)水資源管理決策支持平臺(tái)通過(guò)歷史數(shù)據(jù)的趨勢(shì)分析，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)年來(lái)需水量預(yù)測(cè)；通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的專業(yè)在線計(jì)算，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)供水能力實(shí)時(shí)分析；通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘，實(shí)現(xiàn)省內(nèi)區(qū)域行業(yè)間配水特征提取和灌區(qū)配水方案相似性匹配。