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生态清洁小流域数字化应用场景体系初探

2025-01-13 101 上传者：管理员

摘要：针对生态清洁小流域数字化应用场景的探索是其建设成效评估和成效管养的重要举措,但将其与数字化技术结合,并探讨平台构建应用场景等研究较少。文章以生态清洁小流域建设后的长效管养作为首要目标,结合上海市对生态清洁小流域的划分情况,选取各小流域的主要评价指标,探讨区域感知监测网络的建设要点,分级提出各类型生态清洁小流域的应用场景建设体系。研究结果可为后续数字化平台的实践提供理论依据。

关键词：
可持续性发展
应用场景
感知监测
数字化
生态清洁小流域
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2003年以来,生态清洁小流域的建设理念已逐步推广至全国。其核心要点是通过划分生态修复、综合治理、河湖库周边生态三道防线,根据防线区域内的地貌特点、生态特征推行分区治理,实现区域内水土资源的可持续性保护及利用[1]。北京、上海、江西[2-5]等积极探索并推出相关技术规范、指标体系及评定规范,国内生态清洁小流域完成建设累计已超过4000个,且推行单元化水土流失治理、强化流域可持续性发展的模式已成为当下主流,为当地生态护岸环境的改善提供了可持续性助力[6]。

“十三五”期间,上海市已基本完成中小河道黑臭和消除劣Ⅴ类水体的治理工作,并积极响应水利部生态清洁小流域建设的要求。在“十四五”期间持续发力,上海将其作为新阶段水利高质量发展的重要抓手,全市划分为150个生态清洁小流域,全面推行河湖水系治理、面源污染防治、水土流失综合防治、生态修复、人居环境改善等5大工程措施,目标是2025年完成高品质生态清洁小流域的建设“42+X”个,综合推进环境生态的良性循环。

生态清洁小流域的建设是一项综合性工程,已建生态清洁小流域仍会因外部影响而出现水质情况不稳定、水土流失等问题,单一的工程措施难以满足持续、主动的养护需求。因此,基于生态清洁小流域建设的特点,结合相应效果评价指标,构建生态清洁小流域数据化、可视化感知网络,探索其数字化应用场景强化科技支撑尤为重要。下文以上海市生态清洁小流域划分为基础,探讨各类型生态清洁小流域的绩效考核权重,初步探索其数字化应用场景体系的布局,为生态清洁小流域数字化、智慧化管养体系建设提供参考。

1、生态清洁小流域分类

研究以上海市水务局发布《上海市生态清洁小流域建设总体方案》为总体指导,统筹推动上海市生态清洁小流域的总体布局划分,基于当地行政区划,结合河长制、湖长制的建设成果,城区以区为单元划分,郊区以街道、乡、镇为单位划分,构建150个生态清洁小流域,细化形成治理单元1574个。分类与其在上海市区域主要功能定位相适应:位于江河源头、重要水源地保护区为水源保护型;位于生态保护区、商务区、自贸区为绿色发展型;位于中心城区、郊区新城为都市宜居型;位于城郊具有江南水乡、民俗旅游资源为美丽乡村型,分别根据其特点进行生态清洁小流域建设。

2、主要评价指标

上海市在生态清洁小流域建设治理工作中,已经实现由传统河道政治到流域强化治理的阶段性转变。目前,主要任务在于完善水系网络、激活水体联通、构建河岸防护、优化河道生态及完善水资源调度等,形成4项工作重点。农业面源污染防治层面,采用从“源头”到“农田”到“径流”的全过程控制,实现高标准农田的建设。水土保持监管层面,制定水土保持方案,并结合感知监测技术全面覆盖水土保持区,避免违法违规行为的发生。生态修复层面,以乡村造林、生态廊道、郊野公园建设为主,推进农田林网和“四旁林”建设,强化城市绿色发展。人居环境改善层面,重点打造干净宜居的农村环境,推进居住环境改善及生活设施养护。根据上海市生态清洁小流域建设工作任务的划分,可将评价指标分为水质评价类、水土流失治理评价类、污染控制和治理评价类及水系治理类,并分别细化形成11项指标[7]。评价指标划定,见表1。

3、感知监测网络建设

生态清洁小流域感知监测网络的建立是夯实建设效果并长效保持的重要手段,也是支撑数字化应用场景建设的基础。感知监测设备的选用结合各类型生态清洁小流域的评定指标,关注其工作及成效重点,减少人工检测的参与,以保证采集数据的可靠性制定合理的感知监测建设方案。

结合生态清洁小流域建设应达到控制水土流失、改善河道水质、促进物种恢复及优化人居环境的目标,以《水土保持监测技术规程》的要求为基础,结合先进的监测、观测技术,实现外部气象、区域水质、流域生态现状及水文地貌等影响因素的全方位感知[8]。监测内容及频次,见表2。

4、数字化应用场景体系探索

生态清洁小流域数字化应用场景探索是持续性的过程,在感知监测网络完善的基础上,应对数据的传输、存储及平台的支撑体系进行完善。目前上海市域已完成了3G/4G/5G网络覆盖,城郊乡、镇等偏远地区可采用WLAN、NB-iot等信号加强手段,市区可根据网络现状部署光纤传输实现数据无损直连,数据的处理、存储、调用及安全措施建议由市电子政务云统一提供。在应用支撑层面充分利用水务局已有建设成果,通过L2级数字孪生流域、L3级数字孪生水利工程底板相结合的方式构建应用场景的可视化底图,融合河湖水质模拟、河网水动力模拟、泥沙动态模拟、产汇流模拟,以及水资源调度模拟等模型资源提供智能化的决策内核,调用知识平台提供的预案库、规则库及历史事件库为管养工作提供可供借鉴的经验及方法

目前,对生态清洁小流域智慧化监管的平台研究较少,多集中在规划设计[9]、数据评价[10]等层面,缺乏对管养效果的长期监管。结合水利部对业务应用的划分的要求,场景体系探索以“四预”建设为导向,对接流域水利设备、设施运行数据,各类型生态清洁小流域数字化应用场景的探索结合小流域特色,形成多层次的场景体系,综合“四预”场景要点内容,形成指标评估及“一张图”总览及成效评估模块,建设包括6点。

表1 上海市生态清洁小流域评价指标划定表

表2 生态清洁小流域监测内容及频次表

(1)预报模块:对接监测/观测数据,抓取监测数据进行展示,结合数据变化趋势判断并预测该指标未来的变化,同步对接预演模块产生的模拟结果进行预测数据修正,以提高预报准确性。

(2)预警模块:内置预警阈值设置功能,结合数据预测及模型预演机制、视频分析模型及GIS空间分析技术,对异常状态即时提供报警信息。

(3)预演模块:结合水利模型资源,构建生态清洁小流域模型网络,利用预报、预警模块提供的数据,进行变化趋势、影响范围的模拟推演,辅助生态清洁小流域防汛、调度等工作决策。

(4)预案模块:结合当地的知识平台、预案库,提供日常、应急情况下的处理预案,与预演应用对接,利用模拟结合及历史经验优化处理预案。

(5)成效评估:结合生态清洁小流域建设成果评价指标,通过数据采集和人工填报两手抓的方式,实现生态清洁小流域建设效果自查,定位建设弱项加以改进,补齐短板以提升生态清洁小流域的环境效益。

(6)“一张图”总览:抓取“四预”及成效评估模块产生的数据,全面掌控生态情节小流域的建设和运行现状,整合提升数字化监管水平。

各类生态情节小流域数字化应用建设内容,见表3。

表3 生态清洁小流域数字化应用场景建设表

5、结语

近年来,国内生态清洁小流域的建设发展迅猛,各省市都逐步推出生态情节小流域的规划和建设计划,但在信息化、数字化等新技术推进建设的层面,国内外均缺乏相应的研究和实践。研究以上海市对生态清洁小流域的建设、规划为基础,参考对建设成效及管养的效果指标,提出了感知监测及应用场景的建设体系。感知监测体系的建设分为水土保持、外部气象、区域水质、流域生态、水文地貌等五大类,分别提出相应的监测指标及监测频率;应用场景建设则分为“四预”和评估管理两部分,分别提出相应的场景建设需求。然而要真正将数字化技术与生态清洁小流域管养相结合,实现管养工作的数字化、可视化呈现,还需要通过不断地探索与实践,以判断是否满足管养和评估的工作要求。因此,未来进一步探索,可考虑2点:探索信息化系统整体架构,分层级讨论生态清洁小流域管理平台的建设结构,结合“云、大、物、数、智”等技术,实现平台从规划到实践;深度结合生态情节小流域的管养工作细化应用场景,结合耕地占补、河岸蓝线、水面保洁、滨河空间等实践,实现系统应用从社会效益到人文关怀的转变。

参考文献:

[1]于子铖,王琦,赵进勇,等.生态清洁小流域三道防线小尺度划分方法研究[J].人民黄河, 2019(7):103-106.

[2]刘可暄,王冬梅,常国梁.北京市密云水库上游小流域规划建设思路探析[J].水利规划与设计, 2020(9):156-159.

[3]陈鸣春.崇明生态清洁小流域建设措施探析[J].水利技术监督, 2024(1):273-275.

[4]陆娴.上海市生态清洁小流域建设中水治理技术集成与应用研究[J].水利技术监督, 2024(1):99-101.

[5]潘峰,袁芳,刘聚涛,等.江西省生态清洁小流域建设实践及对策[J].水利技术监督, 2023(4):59-61.

[6]段义字.新发展理念下的生态清洁旅游型小流域建设实践与思考[J].水利技术监督, 2023(10):82-84.

[7]周奕琦,于文华,戴雅奇,等.小流域生态清洁程度综合评价方法探析[J].水利规划与设计, 2021(1):64-67.

[8]李双喜,龚旭昇,李中强.生态清洁小流域监测及后评价初探[J].人民长江, 2017(12):47-50.

[9]王春玲,王久丽.小流域智能规划系统的研究与应用[J].北京林业大学学报, 1999(5):46-50.

[10]王富贵,曹炜,王娜.小流域监测评价数据共享平台建设[J].水土保持研究, 2008(5):235-239.

基金资助:国家重点研发计划项目(2023YFC3008100);上海市科技计划项目(21DZ1202600); 华东建筑集团股份有限公司应用研究计划项目(23-1类-0030-利);