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王浩院士:智慧水務如何助力生態流域建設?

王浩院士:智慧水務如何助力生態流域建設?

發布日期:2018-08-02 作者: 點擊:

流域水資源、水生態是給城市排水服務的,生態流域建設好以后,才能把社會水循環的城市單位給水排水做好,相關的議題,對開闊眼界同心協力把老百姓的水解決好很有意義。生態智慧領域建設分兩個部分,首先簡要介紹一下是生態流域的理念,然后概括的智慧水務怎么助力生態流域的建設軸流泵廠家


首先生態流域的理念,生態流域的提出主要是基于因為水是生態系統的控制性要素,在整個地球的路面上,路生生態、水生生態,只有四類基本的生態類型,分別是濕地、森林、草原、荒漠,那么水對最多的時候體現為濕地、湖泊、河流,水少了以后變成了森林,森林被水分脅迫就退化為草原,草原被水脅迫,就退化為荒漠,反過來也是一樣,沙漠也好,戈壁也好,不斷地增加供水可以正向演化為草地、森林、濕地,所以說在地球陸地上,不管緯度高低生態系統第一控制要素是水分,其次是溫度。


舉一個具體的例子,人、水和生態三者之間的關系。甘肅省有一個河西走廊,1200多km長,東口有一個河叫石羊河(見圖1),在仰韶文化的時期,8500年到10000年前的時候,是一個特別大的湖泊,體現為濕地生態系統,這個湖泊有多大呢?今天的鄱陽湖,現在是2600km2的水面,最高水位的時候,鄱陽湖可以達到4000km2水面,甘肅10000年前的潴野澤到1600km2的水面,水深25m,隨著到西漢的時候有7萬人,唐初的20萬人,唐末40萬人,這時候由于人多了,從濕地大量的飲水灌溉,干旱區水分蒸發不再退回到湖里,水分越來越少,到唐初唐末時已經變成了森林生態系統,到了明清時候這個地方增加了100萬人,人多了,干擾了改變了流域水循環的時空分布,水分的減少脅迫生態退化,從唐代的森林生態退化為明清的草原生態,那么到現在有200萬人,又進一步退化成了荒漠生態。以至于現在這個地方最后一個湖100km2水面的青土湖,也完全干了,干了以后200萬人要吃飯,要引地下水灌溉,地下水位從1m、2m、30m降到280m,人也活不下去了,現在要生態移民,要移走40萬人。


這個例子說明人、水、生態三者之間的關系,也就是建設生態流域、保護綠水青山的初衷。人多了用水,改變了水循環,改變了水分的時空分布,水分的減少脅迫生態系統退化,然后減低了承載力反過來威脅人類自身的安全,我們要像愛護眼睛一樣保護生態和環境,這個例子不僅是中國有,同時在東亞咸海也是這樣的情況,咸海有6.6萬km2的大淡水湖,短短的38年它是前蘇聯的一個最主要的農副產品的基地,百分之七八十的糧食、棉花、肉類、蔬菜、糖都在咸海流域生產,38年6.6萬km2的咸海只剩一個水底子,專家預測再有15年,這個速度用下去的,咸海就干涸。就跟羅布泊一樣,羅布泊5000年以前,也有5000km2的水面,所以這一代都是人、水、生態之間的關系要協調,那么生態流域的提出,主要是取決于各種水問題的癥結,無論表現形成如何,都可以歸結為流域水循環分項過程,或者伴生過程所導致的失衡的問題,像洪澇事件氣侯變化下自然水循環演變的失衡,缺水問題是因為自然水循環和社會水循環二者之間越來越不協調,水污染問題是因為伴隨水循環水化學過程演變失衡,生態問題是和水循環伴生的生態過程的演變失衡。所以生態流域的提出是解決人、水協調的問題,解決水問題的根本對策,需要充分發揮流域自然調節能力,整體提升流域綜合調節性能,以應對水循環機制化的態勢,需要建設全流域的綜合服務功能,保衛山水林田湖草生命共同體,讓自然水循環和社會水循環越來越協調,越來越匹配,需要進行水循環的過程,水生態的過程、水化學過程和水沙過程,多過程的耦合調控,以應對不同水問題的交織和疊加。


那么生態流域建設的科學內涵是什么呢?就是要實現一系列良性的循環,科學內涵概括為3句話,第一是極值性洪澇的海綿化,第二就是水質黑臭清潔化,第三雨水的資源化利用。首先是洪澇的海綿化,洪澇的資源屬性,大量降雨徑流難以排除,導致泛濫和積水,社會屬性是洪澇對生產生活產生影響而致災,因此要減少洪澇災害的影響,核心就是盡可能的延緩洪峰的極值,減少澇水,本質是減少由洪水蓄積給人類帶來的損失,黑臭清潔化主要是水污染的來源,有農業污染、大氣干濕沉降、初雨的沖刷、河流制管網的溢流,這些新的突出的污染,再加上的生活污水、工業廢水,這些點源污染,中國的水污染水生態惡化的現象,是比較嚴重的,減少水污染修復水生態,是生態流域科學內涵第二個重要的方面。第三是雨水的資源化,因為有的國家和中國的南方地區這個問題不突出,但是對中國的廣大北方地區還是很突出的,我國是聯合國在正式報告提到的世界上13個缺水國家之一。第二個是用人均水資源量比較,由高到低,中國排121很靠后的,世界上7350m3/(人˙年)水資源,北京才有多少呢?北京在南水北調中線通水以前,人均才97m3/(人˙年),通水后才145m3/(人˙年),世界上73億人,每人7350m3/(人˙年),像以色列缺水嚴重的國家還有280m3/(人˙年),為了水戰爭了2000多年,最近70年的6次中東戰爭,人均280m3為了控制格蘭高低北部的水源地,全國北水南調的地下水管網系統,把格蘭高低的水送到全國,送到南邊的沙漠邊上,種高附加值的農業,280m3/(人˙年)的水還發生戰爭,所以中國的雨水資源化,對廣大的北方地區很重要,中國的北方的淮河流域、黃河流域、海河流域、遼河流域、松花江流域、內陸河流域,6個流域國土占全國64%,但是水只占全國的19%,最近20年的氣候變化,從19%動態降到16%,所以雨水的資源化也是生態領域第三個科學內涵。


那么生態流域從頂層設計來說,有8個方面的問題:首先是水安全問題,即防洪抗旱、除澇解決老百姓基本生存的問題。第二水資源供需平衡,安全供水水源地的保護,健全的城市管保合格的自來水的標準。第三水環境包括咱們的城市排水、污水處理廠再生管網黑臭水體治理、水質的提升。第四水生態,水里面微生物系統、織物系統、動物系統三大系統相互依存,相互制約形成生生不息的動態平衡的系統。第五水邊景觀,水邊給老百姓創造一個優美場所,給城市加一抹綠色。第六水文化,古代有上善若水,現在有綠水青山,把全民養成節約水、珍惜水、保護水的意識。第七水管理,把過去數字水務變成智慧水務,把防洪、給排水、黑臭河和水土保持等的管理搞好。第八水經濟、水產業,就像巴黎塞納河兩岸1991年被評為聯合國文化遺產,埃菲爾鐵塔、盧浮宮兩邊的游客,把水邊打造成咱們城市的櫥窗,城市的高地,人才高地、產業高地,通過這8個層次建設成一個生態流域,使我國國土大幅度的升值。


任何一個流域都是有三類基本斑塊,整個陸地是水系的單元稱為流域,任何一個流域,不管是一級流域還是八級流域,無非是三類斑塊,一類是山水林草濕地等自然斑塊,一類是農田、水澆地、旱地農田斑塊,再有一類就是城市斑塊,土地利用類型分類有70多類,但是具體概括起來,任何一個流域都有三類,農田斑塊、城市斑塊加自然斑塊,那么自然斑塊里面都是自然水循環,農田斑塊和社會斑塊除了原有的自然水循環以外,還有一套管網系統,農村還有一套渠系系統,這就是社會水循環,農田斑塊和城市斑塊里面情況更為復雜,既有河湖的自然水循環,又有管網的人工水循環,兩個循環疊加問題更加復雜,作為生態流域治理體系來說,自然斑塊需要分散徑流,坦化洪峰,增加地下水的下滲進化水質等,農田斑塊就要減少坡面漫流,減少化肥農藥隨著灌溉排水帶來河流的水污染,保水蓄水把更多的降水轉成有效的蒸發,減少無效的蒸發,城市斑塊治理城市河流,做好海綿城市,把緩釋慢排、凈化、滲滯蓄凈用排這些事情做好,這就是三大斑塊都治理好,生態流域就迎刃而解了。


生態流域要充分吸收經驗,見圖2,例如北京做清潔小流域,過去大寨子的經驗,建設海綿田,在半干旱區,盡可能轉化雨水資源,最近5年住房和城鄉建設部大力推行的海綿城市,這些都是要以流域面為基本單元進行調控,任何一個單元從頂層到底層分成11層。在信息化和人工智能大發展的時代,智慧水務怎樣助力生態流域的建設?


智慧水務的目標是充分利用新一帶的信息技術,深入挖掘和廣泛運用水務信息資源,通過水務信息的采集、傳輸、存儲、處理服務,全面提升水務管理的效率和效益,智慧水務的5個特征是智慧水務更全面的感知,更主動的服務,更科學的決策,更主動的控制,更及時的應對。


那么更全面的感知不僅要立足于自來水廠本身,不光粗格柵、細格柵、氣浮、沉淀、沙濾、碳濾、加藥等,而是要從自然水循環、社會水循環的構架下不斷地增加工程積木。自然水循環有四大過程:大氣過程、地表過程、土壤過程、地下過程;社會水循環從取水到治水到自來水管網到用戶終端,再到用戶的排水,到污水處理廠,污水處理以后,再生水廠的提升,再生水的分配,再利用,所以從自然水循環,社會水循環,二元水循環的角度,全面考慮自己的單位在整個構架里面的作用。對自然水循環來說,調控的要點是減少極值性,如植樹造林,每增加1%的概率就可以減少7%~8%的洪峰流量,提高1%~2%枯水流量,但也要損失1%左右的水資源總量就是要淡化過程,同時加強和生產力布局的匹配性,這是自然水循環的調控。


社會水循環的調控主要圍繞兩點,一是更高效的用水,盡量少用自然水循環里面取得水平,高效利用、循環利用,一水多用、分治利用,從而少從自然水循環取水,把更多的水留給自然,留給生態,人類社會自律式的發展,另外一個方面就是用水后排水污染,所以減少向自然水循環里面排放人工污染,這就是社會水循環總體調控的兩個要點,自來水廠、污水處理廠都是奔著這個目標來營造水生態文明建設。


更主動的服務,過去模型、公式都是人指令它做什么,今后系統要主動地提醒人,主動地推送,更主動地服務,而不是被動接受人的指令。更科學的決策包括這個智能的感知、仿真、診斷、預警、調度、處理、控制,智能化也包括兩個方面,一是傳統的教科書上的公式模型做出一套推斷,這些人的知識交給機器,另外一方面要大數據、物聯網,搞人工智能沒有樣本這樣逐步的自學習,讓自己發現知識挖掘知識,通過大數據和傳統模型互相交驗互相把關,使決策更客觀更科學,見圖3。


模型系統做流域,智能診斷,但現在有的系統都事后向決策者報告,今后的系統是要提前量、早預知、早預警,這樣的系統更高級,主動發現問題智能診斷。


智能預報包括對自然水循環和社會水循環的各要素,從短期、臨近期逐漸向中期長期做一些預測和展望,屬性除了傳統的水量和水質以外,要增加效率、各種微生物重金屬這方面的內容軸流泵廠家。


智慧水務的核心引擎,見圖4,基于自然社會二元水循環的動態范式構建流域二元水循環及時伴生的過程綜合模型,通過尺度的轉換和耦合集成實現對流域二元水循環及其伴生的水環境、水生態三大系統全方位的耦合模擬。


智慧水務的目標是要突破傳統的模式,體現現在水工業的風范,建立具有高展示度,高集成性高智慧化的綜合平臺,形成水務數據、水工業數據中心,展示中心、監控中心、調度中心和管理中心,見圖5。


管理主要基于全流域、全區域、全城市、全項目區的管理,信息全掌握,展示也要立體,基于GIS、精密地形的基礎上,調配是一個全過程,不是拘泥于一個環境,一個側面,預警也對遠期、中期、臨期當前期這些進行全方位的預警,控制要全自動,輸出也要全方位,既有向社會老百姓公布的信息,也有向青少年做科普信息,也有向決策者做建議方案的信息,也專業人員提供的信息,不同用戶信息會給出不同的推送。


這是智慧水務的架構,從感知—網絡層—應用—決策—反饋—評估—后評估的功能總體架構,是水循環的全過程立體檢測系統,空、天、地、網(見圖6)。舉個例子,城市大馬路上不起眼的井蓋,現在有很多人研究,為什么呢?井蓋處于地面和地下的交界面,向下可以感知地下管網,看暴雨的時候河流制的溢流情況,噴出的水柱多高,水質怎么樣。向上,地面上下雨時候可以看積水時間和深度,幾十個井蓋可以測積水范圍。最小的城市也有一萬個井蓋,所以這樣就形成了大數據,把地面、地下信息交互,立體感知系統要結合自己的工作,將井下水位、路面積水等設備集成在井蓋中,這是智能井蓋的工作。


自動控制體系、工業互聯的理念和智慧水務的架構,制造工廠完全是自控,從激光精度的加工到零件的運輸裝配,到貨架的自動提取,到運輸車輛的無人導航,這就是未來制造業,向智能化方面發展,主動創新把工業互聯理念和智慧水務架構結合起來。最后,智慧水務建設的成果體現在6個“一”上,“一張網,一張圖、一中心,一平臺,一本帳,一標準”,具體就是統一,不要形成數據孤島、信息孤島,不要形成互相矛盾的信息,有一個內核引擎的大數據關聯,關聯出來的大數據,互相協調和互相補充。


( 本文根據王浩院士在“第八屆中國水業院士論壇”上的發言整理而成,未經本人審閱。)


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