水资源生态断面监测预警技术研究

班友康1    张梦雯2    尚紫波3

摘  要：我国目前水资源存在生态流量保障不足的现象，生态监测预警体系的不完善直接影响水资源管理调配“四预”能力。为了进一步加强水资源生态流量管理，需要通过生态断面监测预警技术，利用流域内降雨蒸散和控制断面径流量来构建综合的水资源临界状态指标，并结合降雨和径流预报，实现水资源生态断面临界状态的预测预警，以提高水资源管理调度的科学性和安全性。

关键词：生态流量；数字孪生；预警；降雨量；警戒值；智慧水利

生态流量是维系河湖生物多样性健康可持续的流量，我国对生态流量的研究起步较晚，相关法律规范和生态流量监测预警网络虽然已经初步建立，但仍存在水资源生态流量保障不足的现象[1]。为了建设幸福河湖和促进生态文明建设，必须提升现有生态流量管控能力，完善现有生态流量监测预警体系。

1  研究背景

目前基于国控水资源平台已经初步实现了全国重点河湖生态流量动态监测、达标预警功能，但功能还比较单一[4]。一方面，目前已实现的断面中长期径流预测预报，但预测精度和预见期还有待提升；另一方面，成因分析模块目前仅在后台数据库中将生态断面与上游雨量站、控制性工程、区间取用水户进行了关联，难以满足数字孪生要求下的数字化场景展示的需求。总的来看，生态流量预测能力、调度方案预演等能力还有明显不足，难以支撑水资源管理调配“四预”能力，无法高效服务生态流量全过程动态监管。

2  生态断面监测预警技术

本研究通过获取到目标环境的生态环境信息和环境指标的警戒值，并采集单位时间内的降雨数据，并对其进行处理，得到危险信号，再对周期时间内的危险信号进行监控，获取到GIS系统上每个生态断面的危险信号以及危险原因，同时建立指标体系数据库，将环境指标的预测数据进行处理得到环境分值，根据生态环境标准，对河流的生态环境断面设置生态等级，从而得到预警信号，将预警信号对应的信息在指标体系数据库中进行查找，得到相似的历史数据信息，同时根据相似的历史数据信息，对目标环境制定对应的解决方案，从而提高对生态断面预警信号故障排查的效率。具体包括以下步骤：

步骤一：先获取到目标环境的生态环境信息，其中目标环境指本系统所监测的水资源生态断面，生态环境信息指目标环境中实际的地理环境数据，将目标环境的生态环境信息通过GIS在地图上进行展示。

获取到目标环境的环境指标的警戒值，环境指标包括生态流量、生态水位、最小下泄水量、断面最小下泄流量、最小流量连续出现的频次、最小水位连续出现的频次，环境指标的警戒值为阈值，其具体数值根据实际情况进行设置。

每隔单位时间对目标环境的降雨数据进行实时采集，单位时间由相关的管理人员进行设置，在本实施例中，单位时间设置有三个时间阶段，分别为每日、每旬和每月，具体的单位时间降雨量指每日降雨量、每旬降雨量和每月降雨量，之后将单位时间内的降雨数据与目标环境的环境指标的实时数据进行结合，得到环境指标的预测数据，将预测数据与对应的警戒值进行对比，当预测数据小于警戒值时，对应生成危险信号，并传输至设备终端，供工作人员进行查看，当预测数据大于等于警戒值时，将不进行任何处理。

步骤二：对周期时间内的危险信号进行监控，获取到GIS上每个生态断面的地理环境数据，同时采集每个周期时间内的危险信号以及对应的危险信号原因，并对其建立环境指标的指标体系数据库，周期时间在本实施例中设置为一个月，其中指标体系数据库由工作人员根据实际生态环境标准进行制定。

步骤三：获取到目标环境的周期时间内的环境指标的预测数据，同时对每个环境指标设置对应的权重占比，将环境指标与对应的权重占比进行相乘，同时将所相乘的结果进行累加，从而得到目标环境在此周期时间内的环境分值Hf。

然后根据生态环境内的标准，对河流的生态断面设置有生态等级，其中生态等级具体包括健康等级、蓝色预警、橙色预警和红色预警，且在本实施例中，健康等级采用绿色信号（对应的RGB色值为150，200，80）进行表示，蓝色预警采用蓝色信号进行表示（对应的RGB色值为0，180，255），橙色预警采用橙色信号进行表示（对应的RGB色值为255，165，0），红色预警采用红色信号进行表示（对应的RGB色值为255，0，0）。

之后将环境分值Hf与每个生态等级的分界值进行对比，当Hf≤X1时，表示此时的目标环境为健康等级，当Hf＞X1时，生成预警信号，具体的当X1＜Hf≤X2时，生成蓝色预警，当X2＜Hf≤X3时，生成橙色预警，当Hf＞X3时，生成红色预警，其中分界值X1、X2、X3分别为阈值，其具体值分别由实际的行业标准进行设置。

步骤四：当环境分值触发预警信号时，先将预警信号传输至设备终端，使工作人员对预警信号进行查看，同时将预警信号对应的实时环境指标在指标体系数据库中进行信息匹配，得到相似度最高的历史数据信息。

将历史数据信息同时传输至工作人员，给工作人员提供重点方向以及对应的调度措施参考，之后工作人员根据历史数据信息对本次预警信号进行成因分析，同时制定相应的解决方案，之后根据对应的解决方案持续跟踪调度的效果，直至目标环境的生态断面的实时环境指标数据恢复正常；最后再将本次预警信号以及对应的解决方案传输至指标体系数据库中，并进行信息存储。

3  技术总结

本研究基于多要素联合判别的中长期水资源量临界预警指标方法，包括定义流域或区域生态保障与防洪安全的水资源临界状态判断条件，建立水资源临界状态判别模型；分别计算临界流量距平和水分距平，利用二者建立反映流域内水资源临界状态的定量化综合指标；依据历史水资源异常事件划分不同等级的水资源状态预警指标；建立中长期水资源临界状态综合指标预测预报机制，实现中长期水资源临界状态的预测预警。通过生态断面监测预警技术，可以利用流域内降雨蒸散和控制断面径流量构建综合的水资源临界状态指标，在此基础上利用降雨和径流预报，实现水资源临界状态的预测预警，提高水资源管理调度的科学性和安全性。

参考文献：

[1] 刘庆涛,蔡思宇,王旖等.重点河湖控制断面生态流量监测预警系统设计及应用[J].水利信息化,2022,(02):

[2] 郑德仁,杨辉斌,苏龙强等.鳌江埭头断面生态流量保障现状与措施研究[J].浙江水利科技,2023,51(05):

[3] 水利部关于印发《数字孪生流域建设技术大纲（试行）》的通知（水信息【2022】147号）.

[4] 周川辰,任庆海,胡勇飞等.国控水资源项目监控系统建设典型问题分析[J].水利信息化,2020,(06):