基于水聯(lián)網(wǎng)及智慧水利提高水資源效能

1、水利水 電技術(shù) 第 4 4卷 2 0 1 3年 第 1期 基于水聯(lián)網(wǎng)及智慧水利提高水資源效能王忠靜 ，王光謙 ，王建華 ，王 浩 ( I ．清華大學(xué) 水沙科學(xué)與水利水 電工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京1 0 0 0 8 4 ；2 ．中國水利水電科 學(xué)研 究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn) 室，北京1 0 0 0 3 8 )摘 要 ：針 對(duì)水 資 源供 需 系統(tǒng) 的 “ 動(dòng) 態(tài)性 、關(guān)聯(lián) 性 、預(yù) 期 性 、 不確 定性 ” ，以信

2、息技 術(shù) 當(dāng)前 快 速 發(fā)展 和應(yīng) 用的物聯(lián) 網(wǎng)理 論 與技 術(shù) 為基 礎(chǔ) ，提 出了水聯(lián) 網(wǎng)及 智 慧水利概 念 ：其 總體 架構(gòu)是 集物理 水 網(wǎng) 、虛 擬 水網(wǎng)和市場(chǎng)水網(wǎng)一體的現(xiàn)代化水資源 系統(tǒng) ；其核 心特征是 實(shí)時(shí)感知、水信互聯(lián) 、過程跟蹤、智能處 理 ；其關(guān)鍵技 術(shù)是基于云技 術(shù)的監(jiān)測(cè)、計(jì)算和服務(wù) ，基 于多水源高效能的智慧調(diào)度 ，基于多通道優(yōu)拓 撲的精準(zhǔn)投遞；其核心 目 標(biāo) 準(zhǔn)確預(yù)報(bào) 、精準(zhǔn)配送和高效管理 ，全 面提 高水

3、資源效能，促進(jìn)我 國水資源高效利 用 水平 的跨 越 式提 升 。關(guān)鍵詞 ：水聯(lián) 網(wǎng)；智慧水利；水資源效能 中圖分類號(hào) ：T V 2 1 3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí) 碼 ： A文章編號(hào) ：1 0 0 0 — 0 8 6 0 ( 2 0 1 3 ) 0 1 — 0 0 0 1 — 0 6De v e l o p i n gt h ei n t e r n e to fwa t e rt op r o m p twa t e ru t i l i z a

4、t i o ne f f i c i e n c yWA N GZ h o n g j i n g， WA N GG u a n g q i a n， WA N GJ i a n h u a， WA N GH a o( 1 ． S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fH y d r o s c i e n c ca n dE n g i n e e r i n g ， T s i n g h u aU n

5、 i v e r s i t y ， B e i j i n g1 0 0 0 8 4， C h i n a ；2 ． S t a t eK e yL a b o r a t o r y o fS i mu l a t i o na n dR e g u l a t i o no fWa t e rC y c l ei nR i v e rB a s i n ， B e i j i n g1 0 0 0 3 8 ， C h i n a

6、 )Ab s t r a c t ：Ai me da tt h ec h a r a c t e r is t i c so ft h ewa t e rr e s o u r c e ss u p p l ya n dd e ma n ds y s t e m，t h ec o n c e p to fi n t e r n e to fw a t e ra n ds ma r twa t e ri sp r o p o s e dw

7、 h i c hi sb a s e do nt h ef a s td e v e l o p me n ta n da p p l i c a t i o no ft h e o r ya n dt e c h n o l o g yo nt h ei n t e r n e to ft h i n g s ． T h eg e n e r a lf r a me w o r k o fi n t e r n e to fw a t

8、 e ri st h emo d e r n i z e dwa t e rr e s o u r c e ss y s t e m i n t e g r a t e dw i t hp h y s i c a l ，v i r t u a la n dma r k e tn e t w o r ko fw a t e r ． T h ec o r ef u n c t i o n sa r eo n l i n es e n s

9、i n g ，i n t e r c o n n e c t i n go fwa t e ra n di n f o r ma t i o n，p r o c e s st r a c k i n ga n ds ma r th a n d l i n g ． T h ek e yt e c h n i q u e sa r et h ec l o u dt e c h n o l o g yb a s e dmo n i t o r

10、 i n g，c o mp u t i n ga n ds e r v i n g，t h emu l t i—w a t e rr e —s o u r c e sa n dh i g h e re f ic i e n c yb a s e ds ma r tr e g u l a t i o n，t h emu l t i —c h a n n e la n do p t i ma lt o p o l o g y b a s

11、 e dp r e c i s ewa t e rd e l i v e r y ．F i —n a l l y ， t h ep r i m a lo b j e c t i v ei st h ea c c u r a t ep r e d i c t i o n ， p r e c i s ed e l i v e r ya n de f ic i e n tma n a g e m e n to fw a t e rr e s

12、o u r c e s ， i no r d e rt of u l l yi mp r o v et h ee f f i c i e n c yo fwa t e ru t i l i z a t i o na n dp r o mo t et h er a p i d l yp r o c e s so fe f f e c t i v ewa t e rr e s o u r c e su t i l i z a t i o n

13、l e v e li no u rc o un t r y．Ke ywo r d s：I n t e r n e to fwa t e r ；S ma r twa t e r ；W a t e ru t i l i z a t i o ne f f i c i e n c y我國人 口基數(shù)大、人均水量不足世界平均的 1 ／ 3 ，時(shí)空分布嚴(yán)重不 均 ，“ 水臟 、水 渾 、水多 、水少” 問題 突 出 ，構(gòu) 成 了我 國水 資 源 基

14、本 情 勢(shì)l l - z ] 。近 年 來 ，隨著我國社會(huì) 經(jīng)濟(jì) 的快速發(fā)展 ，水資源供需矛 盾 日益加劇 ，極端水 文氣象 事件 的頻繁發(fā)生 ，更加 劇 了我 國水 安全 、糧 食 安全 及生 態(tài) 環(huán)境 安 全 的情 勢(shì) - 4 ] 。2 0 1 1 年 中央一號(hào)文件從全局充分 明確 了新 時(shí)期水利發(fā)展戰(zhàn)略定位 ，強(qiáng)調(diào)水是生命之源 、生 產(chǎn) 之要 、生態(tài)之基 。中央水 利工 作會(huì) 議及 2 0 1 2年 國 Wa t e rRe s

15、o u r c e sa n d Hy d r o po w e rEn g i n e e r i n gV o 1 ． 4 4No ． 1務(wù) 院三 號(hào) 文件 ，進(jìn) 一步 強(qiáng) 調(diào) 了水利 在 現(xiàn)代 農(nóng)業(yè) 建 設(shè) 、經(jīng)濟(jì)社會(huì) 發(fā)展 和生態(tài) 環(huán)境 改善 中的重要地 位 ，對(duì)加快水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè) 、加強(qiáng)農(nóng) 田水利等薄弱環(huán) 收稿 日期 ： 2 0 1 2 — 1 2 ． 0 3基金項(xiàng) 目：國家 自然科學(xué)基金 ( 9 1 1 2 5 0 1 8

16、 ，5 1 2 7 9 0 7 6 ) ；科技部 國際合 作( 2 0 1 0 D F A 2 1 7 5 0 ) 。作者簡(jiǎn)介 ：王忠靜 ( 1 9 6 3 一 ) ，男 ，教授 ，主要從事水資源規(guī) 劃與管理 研究 。提供 了可能。1 ． 2智 慧水 利 智慧水利 ( s m a r tw a t e r ) 是水聯(lián) 網(wǎng)的另一種表達(dá) ，其更加通俗 ，更加易懂 ，更有號(hào)召力。后文中將水聯(lián) 網(wǎng)與智慧水利視為一體 ，互為代表。1 ． 3 水

17、資源效 能 水資源效能( w a t e ru t i l i z a t i o ne f f i c i e n c y ) 是對(duì) 水資 源利用效率 ( w a t e ru t i l i z a t i o nr a t e ) 與水資源生產(chǎn)效 益 ( w a t e rp r o d u c t i v i t y ) 的綜合表達(dá) ，是包含 了水資 源開 發(fā)本身的內(nèi)涵效率和水資源利用的外延效率 。水資源利用效率與通常所 說 的

18、水資源 開發(fā)利用 率 、渠 道 系 數(shù) 、渠 系 利 用 ( 效 ) 率 、灌 溉 水 利 用 ( 效 ) 率 、供水管 網(wǎng)損失率等概念屬 同一個(gè)范疇 ，代 表著水資源開發(fā) 、輸送及直接利用工程 和設(shè) 施本身 的內(nèi)涵效率 。如我 國實(shí)施最嚴(yán)格水資 源管理 制度 中設(shè)定的灌溉水 利用系數(shù) 在 2 0 3 0年要達(dá) 到 0 ． 6 0 ，指 的就是水利工程本身 的效 率。一般情況 下 ，水資源 利用效率有上 限且 小 于 1 ( 或 1 0

19、 0 ％ ) 。只有水 資源 開發(fā)利用率在極 端情況下 可能大 于 1 ，而通 常表征 這一 區(qū)域水資源開發(fā)利用進(jìn)入 超載狀態(tài)。水 資源生 產(chǎn)效率與通常所說 的水資源效 益 、單方 水產(chǎn) 出、單 方水 G D P和水資源生產(chǎn)力等同屬一個(gè)范疇 ，代表著 水資源在參與經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)活動(dòng) 中的乘 數(shù)效率。如我 國實(shí)施最嚴(yán)格水資源管理制度中設(shè)定的萬元 G D P用水 2 0 3 0 年要降到 4 0I T I 。 ，指的就是各 行各業(yè)利用水 資 源所

20、產(chǎn)生的外延效率 。對(duì)于一個(gè)流域或區(qū)域乃至國家，水資源是一項(xiàng)基 礎(chǔ)資源 ，其服務(wù) 目標(biāo)是多重的，從生活、生產(chǎn)到生態(tài) 的各個(gè)方面。在不同的經(jīng)濟(jì)社會(huì)活動(dòng)領(lǐng)域、不 同的時(shí) 間空間尺度 、 不 同的 自然環(huán)境背景下 ，水資源發(fā)揮的 作用及效率各有側(cè)重 ，各有所長(zhǎng)。單一的水資源利用 效率和水資源生產(chǎn)效益就顯得不足，水資源效能因此 而生 。目 前 ，水資源效能尚未形成單一的指標(biāo) ，而是一 個(gè)指標(biāo)體系。如 ，在以農(nóng)業(yè)用水為主的流域尺度 ，可 用灌溉水利

21、用系數(shù)和萬元 G D P耗( 用 ) 水量代表 。提 高水資源效能 ，既代表著提高灌溉水利用效率 ，也代 表著降低萬元 G D P的耗 ( 用 ) 水量。其 他情況類似 ，此 處 不再展 開 。1 ． 4 水聯(lián) 網(wǎng)及智 慧水 利架構(gòu) 水聯(lián)網(wǎng)及智慧水利不同于現(xiàn)有水信息系統(tǒng) ，它以 水 的守恒量為主體 ，直觀追蹤和監(jiān)控水循環(huán)和水利用 的全過程。通過水信息的實(shí)時(shí)在線和智能處理 ，支撐 水資源供需關(guān)系的精確預(yù)報(bào)和風(fēng)險(xiǎn)控制 ，從而實(shí)現(xiàn)水 水利水電

22、技術(shù) 第 4 4卷 2 0 1 3年第 1期 王忠靜， 等∥基于水聯(lián)網(wǎng)及智慧水利提高水資源效能 資源的精細(xì)配送 和高效管理 。水聯(lián) 網(wǎng)及智 慧水 利架 構(gòu) ，包括物理水 網(wǎng)( 現(xiàn)實(shí)的河湖連通及供用水通道系 統(tǒng) ) 、虛擬水 網(wǎng) ( 物理水循環(huán)通路及其邊界 的信 息化 表達(dá)) 和市場(chǎng)水 網(wǎng)( 水資源供需 的市場(chǎng)信息 、優(yōu)化 調(diào) 配機(jī)制及交互反饋) ?？傮w上 ，水聯(lián)網(wǎng)及智慧水利與物聯(lián)網(wǎng)具有結(jié)構(gòu)和 功能的相似性 ，借鑒物聯(lián)網(wǎng)的經(jīng)驗(yàn) ，可建立水

23、聯(lián)網(wǎng)及 智慧水利平 臺(tái)的總框架。物理水 網(wǎng)的建設(shè) ，與我國長(zhǎng) 期以往的跨流域 、流域規(guī)劃、工程規(guī)劃及工程實(shí)踐相 符 ，已經(jīng)有諸多寶貴的經(jīng)驗(yàn)，有章可循 ，此處不再贅 述 。后文僅概要描述虛擬水網(wǎng)和市場(chǎng)水網(wǎng)。虛擬水網(wǎng)是構(gòu)建面向?qū)ο蟮乃h(huán)通路及其邊界 的信息模型和信息服務(wù) ，包括了大氣模式中不同時(shí)空 分辨率單元的嵌套融合方法及其與地表交界面的數(shù)據(jù) 交換模式 ，流域中不同土壤地貌和土地利用類型下的 水文及水文地質(zhì)模型建模方法 ，大江大河 、水

24、庫湖泊 等水體及其邊界的表達(dá)方法 ，農(nóng)業(yè)灌區(qū)水循環(huán)通路及 其邊界的表達(dá)方法 ，城市水循環(huán)的通路及其參數(shù)化方 法等。市場(chǎng)水網(wǎng)上在上述基礎(chǔ)上 ，建立和提供水循環(huán)中各類水需求和供給的信息服務(wù)。包括用水戶與供水者 之間、用水戶與用水 戶之間 、供水者與供水者之間 ，以及用水戶 、供水者和市場(chǎng)間的聯(lián)系 ，使參與水資源 開發(fā) 與利 用各個(gè)環(huán)節(jié) 的相關(guān)者 ，對(duì)需水 、儲(chǔ)水 、配 水 、供水 、輸水 ，以及水量 、水質(zhì)、水價(jià) 、水時(shí)間等 信息清楚掌握

25、，在水聯(lián)網(wǎng)云計(jì)算云服務(wù)支持下 ，做出供用水最佳選擇 。概括而言，水聯(lián) 網(wǎng)和智慧水利，就是基于監(jiān)測(cè)水 循環(huán)狀態(tài)和用水過程的實(shí)時(shí)在線的前端傳感器，實(shí)現(xiàn) “ 實(shí)時(shí)感 知” ；基于 We b 2 ． 0的水信息實(shí)時(shí)采集傳輸 ，保障“ 水信互聯(lián)” ；基于拉格朗 日描述的水信息表達(dá) ，“ 過程跟蹤” 各種水 的賦存形式 ( 如大氣水 、河 湖水 、土壤水 、地下水 、植被水 、工程蓄存水 、工業(yè)用水 、農(nóng)業(yè)用水 、 城市用水等) ；基于市場(chǎng)決策與拓