大數據驅動下灌區水資源管理決策支持平臺研究

包志炎，王 萱，魏 杰，邱 雁，陳偉軍

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

我國作為農業大國，在區域水資源配置時，農業與工業、生活、服務業等其他行業部門一起參與用水分配。而國家糧食安全的保障，核心在灌區[1]。尤其在“互聯網+”時代，大數據、云計算、物聯網等新一代信息技術發展迅猛，水資源管理模式不斷革新[2-3]，灌區管理信息化水平不斷提升，特別是國家水資源監控能力建設項目的實施[4]，全國各地水資源感知監測體系不斷完善[5-7]，數據資源日益豐富，基于數據驅動的決策模型得到應用[8-11]，各級業務系統涌現[12-14]，灌區信息化水平得到有效提升；與此同時，灌區信息孤立不共享、業務系統林立不協同、各級分散建設重復投資等問題隨之突顯。當前，浙江省委省政府以“最多跑一次”改革為總牽引，全面部署政府數字化轉型，聚焦業務協同和數據共享，打造數字浙江，推進政府治理體系和治理能力現代化[15]。在政府數字化轉型背景下，聚焦業務協同和數據共享，打造大數據驅動下灌區水資源管理決策支持平臺，有助于解決灌區數據資源“信息孤島”和灌區業務應用“各自為政”等問題，對于提升灌區現代化管理水平具有重要理論與實踐意義。

1 平臺總體目標

匯聚灌區數據資源，建立灌區大數據，將新一代信息技術與灌區核心業務深入融合，構建灌區大腦，打造浙江省統一的灌區水資源管理決策支持平臺。

1.1 跨層級統籌規劃

基于政府角度，堅持浙江省一盤棋，建立統一灌區數據中心，打造灌區水資源管理核心業務模塊，省市縣各級水利主管部門、灌區管理單位工作人員在統一平臺上履職，避免各級各類灌區水資源管理系統分散建設、重復投資。

1.2 跨部門數據共享

灌區水資源管理涉及水利、環保、氣象、經濟、農村農業等不同部門的數據。當前各部門都在各自業務領域建設感知設施，建立部門數據中心。本著集約化建設原則，實現跨部門數據共享，建立定期更新機制，破解信息孤島。在數據共享基礎上，實現部門聯動，業務協同，最大限度發揮平臺效能。

1.3 場景化應用集成

將灌區水資源管理業務場景化，并為各類場景建立數據大屏。數據大屏主題明確，聚焦某一個或相關的多個實際問題，支持按需切換，信息可多層鉆取。平臺建設堅持開放兼容，在統一標準框架下，支持各級水行政管理部門根據自身業務需要，擴展個性化場景應用。

1.4 智能化決策支持

建立灌區數據資源“一數一源，按職維護”的管理機制，確保數據質量。在此基礎上，集成智能決策支持模型，開展多源信息融合和多維度數據挖掘分析，實現應用功能由信息監測、推送展示向科學預測、智能決策轉變，為部門履職提供輔助決策，全面支撐灌區水資源強監管功能。

2 平臺架構

平臺用戶主要面向省市縣各級水利主管部門、灌區管理部門、灌區取水戶以及各類灌區工程設施的運維廠商，相關分析結果可同步推送至其他部門業務系統。采用政府數字化轉型統一的“四橫三縱”技術架構[16]，“四橫”指構建業務應用體系、應用支撐體系、數據資源體系和基礎設施體系，“三縱”是指建立全省統一的灌區信息化建設運維相關政策制度、標準規范和組織保障(見圖1)。

圖1 平臺總體架構

3 關鍵技術

3.1 灌區大數據

在有限的區域水資源條件下，水資源配置既要強調農業用水的基礎性，又要保障區域社會經濟目標實現。灌區不僅需要向農業供水，還要兼顧工業、城鎮生活、服務業甚至生態環境供水。灌區數據資源要同時涵蓋灌區自身數據和灌區所在行政區域相關數據。前者包括灌區基礎數據、工程數據、業務數據、監測數據、空間數據和歷史數據，后者包括區域水源數據、用水數據、社會經濟數據等(見表1)。

表1 地區大數據構成

數據采集和匯聚是實現灌區大數據的前提。根據數據源，灌區數據資源可分為部門采集、行業內共享、行業外共享三類。

3.2 數據共享方法

信息孤島是當前各行業信息化進程中普遍存在的現象。為破除信息孤立不共享的困局，項目組在文獻[16]中基于政府數字化轉型相關理論和方法，提出了一套水利數據資源有效的共享機制。在此基礎上，構建灌區數據資源共享流程。

行業內數據共享應遵循水利部數據資源管理有關要求，統一建立水利數據資源目錄，按預定頻率及時更新，采用系統對接、聯機查詢、在線瀏覽或調用在線服務等方式實現行業內不同層級的數據共享。在操作層面，省級水利信息化部門在政務云統建的水利數據倉，包括業務專題數據倉和公共數據倉，同時研發數據共享交換平臺。

灌區主管部門或管理單位對所需共享數據按規范進行定義，并向省公共數據共享交換平臺進行需求檢索，若數據已歸集，則可通過數據共享接口或批量庫表數據完成共享；若數據未歸集，可通過平臺進行需求提交，省級信息化部門對提交需求描述格式規范性進行審核，審核通過后向數源部門下達數據責任清單；數源部門對數據項及相關要素進行確認，并關聯該資源對應的數據目錄，形成數據提供責任表，并依次進行數據歸集。行業外數據共享應遵循國家、省政府公共數據管理規則，依托省級統建的公共數據共享交換平臺實現。將各部門都要用到的高頻數據進行歸集，建立統一的數據共享機制達到數據重復利用。

3.3 場景化應用設計

根據水利部印發的水利業務需求分析報告，梳理灌區水資源管理核心業務，形成水資源監測、水資源預測、水資源調度、水資源效益分析、設施異常研判等五類場景化智能應用。

3.3.1 灌區水資源監測

通過構建天空地一體化的監測體系，對取水行為進行監管，對水資源管理過程中可能出現的異常情形進行預判。水資源監測典型應用場景：(1)通過各取水監測點在線數據，計算各取水戶在某時段的累計取水量，對過慢或過快的取水行為作出及時提醒；(2)對于以水庫為水源的灌區，開展水庫供水能力分析，以近期氣象預報信息、水庫水位等在線數據為輸入，對其可供水量進行在線計算；(3)通過采集取水許可證信息，對即將到期的用戶發出提醒，已過期的取水戶發出超期警告；(4)通過監測水質數據，對污染水源、高礦化度水源進行異常預警；(5)通過對比用水定額和累計用水量，對超額超量用水行為進行監管，對表征違規取水行為的數據結果直接推送給相關執法部門，實現業務協同。

3.3.2 灌區水資源預測

灌區可供水量和需水量的有效預測是實現水資源優化配置的基礎。水資源預測典型應用場景：(1)分析歷年灌區降雨、氣溫、地形、徑流量和產流系數等因子與來水量之間的相關性，以當年數據為輸入，預測灌區可供水量；(2)分析歷年灌區人口、GDP、水價、用水定額等社會經濟因素，以及作物種植結構、灌溉面積、灌溉系數等農業發展因素與需水量之間的相關性，以當年數據為輸入，實現對需水量進行預測；(3)在灌區的某一發展水平年某一時段供水量和需水量預測的基礎上，對各部門供水量和需水量平衡關系進行分析。

3.3.3 灌區水資源配置

制定科學合理的水資源配置方案，為灌區水資源調度提供依據。水資源配置典型應用場景：(1)以灌區所在區域社會經濟效益最大化為目標，在有限水資源總量條件下，分析農業、工業、生活、生態等不同領域歷史用水數據與效益之間的相關性，為編制行業間水資配置方案提供依據；(2)一個灌區往往種植多種農作物，同一作物在不同生長期對水量需求不同，同一時間段不同作物對水量的敏感程度不同。以灌區內農作物經濟效益最大化為目標，在有限水資源總量條件下，分析往年作物種植結構、作物生長不同階段需水量、作物產量、市場價格與效益之間的相關性，編制農作物間水資源配置方案、合理安排灌區種植結構。

3.3.4 灌區用水效益分析

在有限的水資源條件下，開展用水效益分析顯得尤其重要。典型應用場景：(1)圍繞水資源開發利用、用水效率、水功能區限制納污等三條紅線，基于灌區專題數據倉，盡可能減少人工填報，開展最嚴水資源考核評價以及節水型灌區評價；(2)灌區相關規劃和建設項目節水評價，論證取用水的必要性、可行性，分析節水指標的先進性，評估節水措施的實效性；(3)通過計算全省灌區用水效率、農田灌溉水有效利用系數、高效節水灌溉面積率，分析灌區所在行政區域萬元GDP用水量、萬元工業增加值用水量、人均生活用水量、城市公共供水管網漏損率等情況，全方位、多維度掌握用水效益。

3.3.5 灌區設施異常研判

(1)通過分析監測數據的上報率、完整率和及時率，當出現數據上報異?；蛏蠄髷祿|量不高的狀況時進行智能報警；(2)通過監測電量、功率等參數，對太陽能板電源設施老化引起供電不足的異常情況發出警報；(3)對閘門開啟關閉狀態進行監測，開度異常的情況進行研判。各類異常結果直接推送技術人員或監測設備廠商及時修復。

3.4 智能化決策支持

各類場景化應用離不開智能化決策模型的支撐。根據灌區管理履職需要和數據資源特點，構建統計分析、專業計算、規劃優化、系統模擬、智能算法、大數據分析等六類決策模型。針對各類場景化應用需要，可以使用一類或多類數據，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 應用案例

2019年以來，項目組在國家水資源監控能力建設浙江項目取得階段性成果的基礎上，建立灌區水資源專題數據倉，搭建了省水利數據共享交換平臺，對大數據驅動下灌區水資源管理決策支持原型系統關鍵技術進行了實踐驗證?；谡赵?，匯聚灌區數據資源，建立灌區水資源專題數據倉，全省55個灌區、335個農業灌溉用水在線監測點，209處國家重要水功能區水質監測點以及532個非農取用水戶、779個取水監測點的實時數據接入，實現年取水5萬m3以上取水戶計量監控，省內192座大中型水庫水位數據的全覆蓋；同時匯聚了近30年來涉及氣候、降雨、水資源管理等方面的防汛防臺、災害、水污染事件數據，以及同期社會經濟統計、氣象、農業等數據。浙江省水利數據共享交換平臺支持18 950個水利系統用戶可在線申請灌區數據行業內共享?；谝陨瞎矓祿蚕斫粨Q平臺，實現了灌區數據資源與生態環境廳、應急管理廳的行業外共享。在場景化應用方面，灌區水資源管理決策支持平臺通過歷史數據的趨勢分析，實現灌區年來需水量預測；通過監測數據的專業在線計算，實現水庫供水能力實時分析；通過數據挖掘，實現省內區域行業間配水特征提取和灌區配水方案相似性匹配。