王浩院士：智慧水务如何助力生态流域建设？

流域水资源、水生态是给城市排水服务的，生态流域建设好以后，才能把社会水循环的城市单位给水排水做好，相关的议题，对开阔眼界同心协力把老百姓的水解决好很有意义。生态智慧领域建设分两个部分，首先简要介绍一下是生态流域的理念，然后概括的智慧水务怎么助力生态流域的建设。

首先生态流域的理念，生态流域的提出主要是基于因为水是生态系统的控制性要素，在整个地球的路面上，路生生态、水生生态，只有四类基本的生态类型，分别是湿地、森林、草原、荒漠，那么水对最多的时候体现为湿地、湖泊、河流，水少了以后变成了森林，森林被水分胁迫就退化为草原，草原被水胁迫，就退化为荒漠，反过来也是一样，沙漠也好，戈壁也好，不断地增加供水可以正向演化为草地、森林、湿地，所以说在地球陆地上，不管纬度高低生态系统第一控制要素是水分，其次是温度。

举一个具体的例子，人、水和生态三者之间的关系。甘肃省有一个河西走廊，1200多km长，东口有一个河叫石羊河（见图1），在仰韶文化的时期，8500年到10000年前的时候，是一个特别大的湖泊，体现为湿地生态系统，这个湖泊有多大呢？今天的鄱阳湖，现在是2600km2的水面，最高水位的时候，鄱阳湖可以达到4000 km2水面，甘肃10000年前的潴野泽到1600 km2的水面，水深25m，随着到西汉的时候有7万人，唐初的20万人，唐末40万人，这时候由于人多了,从湿地大量的饮水灌溉，干旱区水分蒸发不再退回到湖里，水分越来越少，到唐初唐末时已经变成了森林生态系统，到了明清时候这个地方增加了100万人，人多了，干扰了改变了流域水循环的时空分布，水分的减少胁迫生态退化，从唐代的森林生态退化为明清的草原生态，那么到现在有200万人，又进一步退化成了荒漠生态。以至于现在这个地方最后一个湖100 km2水面的青土湖，也完全干了，干了以后200万人要吃饭，要引地下水灌溉，地下水位从1m、2m、30m降到280m，人也活不下去了，现在要生态移民，要移走40万人。

这个例子说明人、水、生态三者之间的关系，也就是建设生态流域、保护绿水青山的初衷。人多了用水，改变了水循环，改变了水分的时空分布，水分的减少胁迫生态系统退化，然后减低了承载力反过来威胁人类自身的安全，我们要像爱护眼睛一样保护生态和环境，这个例子不仅是中国有，同时在东亚咸海也是这样的情况，咸海有6.6万 km2的大淡水湖，短短的38年它是前苏联的一个最主要的农副产品的基地，百分之七八十的粮食、棉花、肉类、蔬菜、糖都在咸海流域生产，38年6.6万 km2的咸海只剩一个水底子，专家预测再有15年，这个速度用下去的，咸海就干涸。就跟罗布泊一样，罗布泊5000年以前，也有5000 km2的水面，所以这一代都是人、水、生态之间的关系要协调，那么生态流域的提出，主要是取决于各种水问题的症结，无论表现形成如何，都可以归结为流域水循环分项过程，或者伴生过程所导致的失衡的问题，像洪涝事件气侯变化下自然水循环演变的失衡，缺水问题是因为自然水循环和社会水循环二者之间越来越不协调，水污染问题是因为伴随水循环水化学过程演变失衡，生态问题是和水循环伴生的生态过程的演变失衡。所以生态流域的提出是解决人、水协调的问题，解决水问题的根本对策，需要充分发挥流域自然调节能力，整体提升流域综合调节性能，以应对水循环机制化的态势，需要建设全流域的综合服务功能，保卫山水林田湖草生命共同体，让自然水循环和社会水循环越来越协调，越来越匹配，需要进行水循环的过程，水生态的过程、水化学过程和水沙过程，多过程的耦合调控，以应对不同水问题的交织和叠加。

那么生态流域建设的科学内涵是什么呢？就是要实现一系列良性的循环，科学内涵概括为3句话，第一是极值性洪涝的海绵化，第二就是水质黑臭清洁化，第三雨水的资源化利用。首先是洪涝的海绵化，洪涝的资源属性，大量降雨径流难以排除，导致泛滥和积水，社会属性是洪涝对生产生活产生影响而致灾，因此要减少洪涝灾害的影响，核心就是尽可能的延缓洪峰的极值，减少涝水，本质是减少由洪水蓄积给人类带来的损失，黑臭清洁化主要是水污染的来源，有农业污染、大气干湿沉降、初雨的冲刷、河流制管网的溢流，这些新的突出的污染，再加上的生活污水、工业废水，这些点源污染，中国的水污染水生态恶化的现象，是比较严重的，减少水污染修复水生态，是生态流域科学内涵第二个重要的方面。第三是雨水的资源化，因为有的国家和中国的南方地区这个问题不突出，但是对中国的广大北方地区还是很突出的，我国是联合国在正式报告提到的世界上13个缺水国家之一。第二个是用人均水资源量比较，由高到低，中国排121很靠后的，世界上7350m3/（人·年）水资源，北京才有多少呢？北京在南水北调中线通水以前，人均才97 m3/（人·年），通水后才145 m3/（人·年），世界上73亿人，每人7350 m3/（人·年），像以色列缺水严重的国家还有280 m3/（人·年），为了水战争了2000多年，最近70年的6次中东战争，人均280 m3为了控制格兰高低北部的水源地，全国北水南调的地下水管网系统，把格兰高低的水送到全国，送到南边的沙漠边上，种高附加值的农业，280 m3/（人·年）的水还发生战争，所以中国的雨水资源化，对广大的北方地区很重要，中国的北方的淮河流域、黄河流域、海河流域、辽河流域、松花江流域、内陆河流域，6个流域国土占全国64%，但是水只占全国的19%，最近20年的气候变化，从19%动态降到16%，所以雨水的资源化也是生态领域第三个科学内涵。

那么生态流域从顶层设计来说，有8个方面的问题：首先是水安全问题，即防洪抗旱、除涝解决老百姓基本生存的问题。第二水资源供需平衡，安全供水水源地的保护，健全的城市管保合格的自来水的标准。第三水环境包括咱们的城市排水、污水处理厂再生管网黑臭水体治理、水质的提升。第四水生态，水里面微生物系统、织物系统、动物系统三大系统相互依存，相互制约形成生生不息的动态平衡的系统。 第五水边景观，水边给老百姓创造一个优美场所，给城市加一抹绿色。第六水文化，古代有上善若水，现在有绿水青山，把全民养成节约水、珍惜水、保护水的意识。第七水管理，把过去数字水务变成智慧水务，把防洪、给排水、黑臭河和水土保持等的管理搞好。第八水经济、水产业，就像巴黎塞纳河两岸1991年被评为联合国文化遗产，埃菲尔铁塔、卢浮宫两边的游客，把水边打造成咱们城市的橱窗，城市的高地，人才高地、产业高地，通过这8个层次建设成一个生态流域，使我国国土大幅度的升值。

任何一个流域都是有三类基本斑块，整个陆地是水系的单元称为流域，任何一个流域，不管是一级流域还是八级流域，无非是三类斑块，一类是山水林草湿地等自然斑块，一类是农田、水浇地、旱地农田斑块，再有一类就是城市斑块，土地利用类型分类有70多类，但是具体概括起来，任何一个流域都有三类，农田斑块、城市斑块加自然斑块，那么自然斑块里面都是自然水循环，农田斑块和社会斑块除了原有的自然水循环以外，还有一套管网系统，农村还有一套渠系系统，这就是社会水循环，农田斑块和城市斑块里面情况更为复杂，既有河湖的自然水循环，又有管网的人工水循环，两个循环叠加问题更加复杂，作为生态流域治理体系来说，自然斑块需要分散径流，坦化洪峰，增加地下水的下渗进化水质等，农田斑块就要减少坡面漫流，减少化肥农药随着灌溉排水带来河流的水污染，保水蓄水把更多的降水转成有效的蒸发，减少无效的蒸发，城市斑块治理城市河流，做好海绵城市，把缓释慢排、净化、渗滞蓄净用排这些事情做好，这就是三大斑块都治理好，生态流域就迎刃而解了。 

生态流域要充分吸收经验，见图2，例如北京做清洁小流域，过去大寨子的经验，建设海绵田，在半干旱区，尽可能转化雨水资源，最近5年住房和城乡建设部大力推行的海绵城市，这些都是要以流域面为基本单元进行调控，任何一个单元从顶层到底层分成11层。在信息化和人工智能大发展的时代，智慧水务怎样助力生态流域的建设？

智慧水务的目标是充分利用新一带的信息技术，深入挖掘和广泛运用水务信息资源，通过水务信息的采集、传输、存储、处理服务，全面提升水务管理的效率和效益，智慧水务的5个特征是智慧水务更全面的感知，更主动的服务，更科学的决策，更主动的控制，更及时的应对。

那么更全面的感知不仅要立足于自来水厂本身，不光粗格栅、细格栅、气浮、沉淀、沙滤、碳滤、加药等，而是要从自然水循环、社会水循环的构架下不断地增加工程积木。自然水循环有四大过程：大气过程、地表过程、土壤过程、地下过程；社会水循环从取水到治水到自来水管网到用户终端，再到用户的排水，到污水处理厂，污水处理以后，再生水厂的提升，再生水的分配，再利用，所以从自然水循环，社会水循环，二元水循环的角度，全面考虑自己的单位在整个构架里面的作用。对自然水循环来说，调控的要点是减少极值性，如植树造林，每增加1%的概率就可以减少7%~8%的洪峰流量，提高1%~2%枯水流量，但也要损失1%左右的水资源总量就是要淡化过程，同时加强和生产力布局的匹配性，这是自然水循环的调控。

社会水循环的调控主要围绕两点，一是更高效的用水，尽量少用自然水循环里面取得水平，高效利用、循环利用，一水多用、分治利用，从而少从自然水循环取水，把更多的水留给自然，留给生态，人类社会自律式的发展，另外一个方面就是用水后排水污染，所以减少向自然水循环里面排放人工污染，这就是社会水循环总体调控的两个要点，自来水厂、污水处理厂都是奔着这个目标来营造水生态文明建设。

更主动的服务，过去模型、公式都是人指令它做什么，今后系统要主动地提醒人，主动地推送，更主动地服务，而不是被动接受人的指令。更科学的决策包括这个智能的感知、仿真、诊断、预警、调度、处理、控制，智能化也包括两个方面，一是传统的教科书上的公式模型做出一套推断，这些人的知识交给机器，另外一方面要大数据、物联网，搞人工智能没有样本这样逐步的自学习，让自己发现知识挖掘知识，通过大数据和传统模型互相交验互相把关，使决策更客观更科学，见图3。

模型系统做流域，智能诊断，但现在有的系统都事后向决策者报告，今后的系统是要提前量、早预知、早预警，这样的系统更高级，主动发现问题智能诊断。

智能预报包括对自然水循环和社会水循环的各要素，从短期、临近期逐渐向中期长期做一些预测和展望，属性除了传统的水量和水质以外，要增加效率、各种微生物重金属这方面的内容。

智慧水务的核心引擎，见图4，基于自然社会二元水循环的动态范式构建流域二元水循环及时伴生的过程综合模型，通过尺度的转换和耦合集成实现对流域二元水循环及其伴生的水环境、水生态三大系统全方位的耦合模拟。

智慧水务的目标是要突破传统的模式，体现现在水工业的风范，建立具有高展示度，高集成性高智慧化的综合平台，形成水务数据、水工业数据中心，展示中心、监控中心、调度中心和管理中心，见图5。

管理主要基于全流域、全区域、全城市、全项目区的管理，信息全掌握，展示也要立体，基于GIS、精密地形的基础上，调配是一个全过程，不是拘泥于一个环境，一个侧面，预警也对远期、中期、临期当前期这些进行全方位的预警，控制要全自动，输出也要全方位，既有向社会老百姓公布的信息，也有向青少年做科普信息，也有向决策者做建议方案的信息，也专业人员提供的信息，不同用户信息会给出不同的推送。

这是智慧水务的架构，从感知—网络层—应用—决策—反馈—评估—后评估的功能总体架构，是水循环的全过程立体检测系统，空、天、地、网（见图6）。举个例子，城市大马路上不起眼的井盖，现在有很多人研究，为什么呢？井盖处于地面和地下的交界面，向下可以感知地下管网，看暴雨的时候河流制的溢流情况，喷出的水柱多高，水质怎么样。向上，地面上下雨时候可以看积水时间和深度，几十个井盖可以测积水范围。最小的城市也有一万个井盖，所以这样就形成了大数据，把地面、地下信息交互，立体感知系统要结合自己的工作，将井下水位、路面积水等设备集成在井盖中，这是智能井盖的工作。

自动控制体系、工业互联的理念和智慧水务的架构，制造工厂完全是自控，从激光精度的加工到零件的运输装配，到货架的自动提取，到运输车辆的无人导航，这就是未来制造业，向智能化方面发展，主动创新把工业互联理念和智慧水务架构结合起来。最后，智慧水务建设的成果体现在6个“一”上，“一张网，一张图、一中心，一平台，一本帐，一标准”，具体就是统一，不要形成数据孤岛、信息孤岛，不要形成互相矛盾的信息，有一个内核引擎的大数据关联，关联出来的大数据，互相协调和互相补充。