劉慶濤 ，蔡思宇 ，王 旖 ，沈紅霞 ，王圓圓

（1．水利部信息中心，北京 100053； 2．中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100044； 3．北京金水信息技術(shù)發(fā)展有限公司，北京 100053）

0 引言

生態(tài)流量是指為維系河流、湖泊等水生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，需要保留在河湖內(nèi)符合水質(zhì)要求的流量（水量、水位）及其過程[1]?，F(xiàn)階段河流生態(tài)流量保障不足問題日益凸顯，受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注[2-3]，保障生態(tài)流量不僅是建設(shè)幸福河湖的重要內(nèi)容，更是推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的重要舉措。加強(qiáng)河湖生態(tài)流量管控是維持和保障河湖健康的基礎(chǔ)，事關(guān)河湖健康、生態(tài)文明建設(shè)和高質(zhì)量發(fā)展[4]。

在河湖生態(tài)流量保障方面，國內(nèi)外均進(jìn)行了積極探索，積累了一定經(jīng)驗(yàn)。國外探索如：澳大利亞政府實(shí)施了莫瑞達(dá)令盆地計(jì)劃[5]，開始在大流域尺度開展生態(tài)流量監(jiān)測(cè)管理工作，并采用貝葉斯預(yù)測(cè)模型對(duì)生態(tài)流量進(jìn)行預(yù)測(cè)，取得較大成效；King[6]建議將生態(tài)流量監(jiān)測(cè)納入中央數(shù)據(jù)庫，并逐漸提供查詢服務(wù)；Eric 等[7]研發(fā)了德克薩斯州的生態(tài)流量信息管理系統(tǒng)，將來自學(xué)術(shù)界、流域機(jī)構(gòu)等的可用數(shù)據(jù)集進(jìn)行了整合，并實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)查詢及展示的功能。與國外相比，國內(nèi)生態(tài)流量研究起步較晚，目前，我國已初步建立河湖生態(tài)流量管理法律制度體系，并不斷完善河湖生態(tài)流量管理規(guī)劃和技術(shù)支撐，各地開展的實(shí)踐探索積累了河湖生態(tài)流量保障實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。自 2019年8月水利部和生態(tài)環(huán)境部印發(fā)《關(guān)于加強(qiáng)長江經(jīng)濟(jì)帶小水電站生態(tài)流量監(jiān)管的通知》以來，部分省份開始陸續(xù)建立生態(tài)流量監(jiān)測(cè)軟件平臺(tái)，自動(dòng)接收監(jiān)測(cè)斷面的生態(tài)流量信息[8]。但目前我國生態(tài)流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究仍相對(duì)較少[9]，且已有生態(tài)流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)范圍有限，僅局限于部分河流及水電站[10-11]，缺少針對(duì)全國重點(diǎn)河湖控制斷面生態(tài)流量的監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，不利于對(duì)全國河湖生態(tài)流量現(xiàn)狀的宏觀掌控。此外，以往管理部門對(duì)生態(tài)流量斷面考核主要以流域統(tǒng)計(jì)匯集水位、流量整編數(shù)據(jù)為考核依據(jù)，以月尺度整編數(shù)據(jù)不能保證生態(tài)流量斷面考核的時(shí)效性，對(duì)后續(xù)預(yù)警的時(shí)效性難以保證。因此，亟須建立覆蓋全國重點(diǎn)河湖的生態(tài)流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全國重點(diǎn)河湖控制斷面的生態(tài)流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的收集、整合及預(yù)警，并對(duì)重點(diǎn)河湖生態(tài)流量達(dá)標(biāo)狀況進(jìn)行評(píng)估，精準(zhǔn)掌控各斷面的生態(tài)流量狀況。

為加強(qiáng)河湖生態(tài)流量水量管理，推進(jìn)水生態(tài)文明建設(shè)，水利部組織各流域管理機(jī)構(gòu)、有關(guān)?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）人民政府水行政主管部門，先后制定了第 1 和 2 批 90 條（個(gè)）重點(diǎn)河湖共計(jì) 166 個(gè)斷面的生態(tài)流量保證目標(biāo)[12]。本研究主要以 2 個(gè)批次的 166 個(gè)重點(diǎn)河湖生態(tài)流量控制斷面為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)及研發(fā)全國重點(diǎn)河湖控制斷面生態(tài)流量監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱生態(tài)流量監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)），完善監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集與整合手段。

1 生態(tài)流量監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 建設(shè)目標(biāo)及原則

生態(tài)流量監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)是：實(shí)現(xiàn)對(duì)生態(tài)流量斷面的基礎(chǔ)信息、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、指標(biāo)值及告警等的綜合展示，并對(duì)生態(tài)流量達(dá)標(biāo)情況進(jìn)行判別，為重點(diǎn)河湖生態(tài)流量管控提供信息支撐。

生態(tài)流量監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)建主要遵循以下原則：

1）數(shù)據(jù)融合原則。實(shí)現(xiàn)雨水情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息、水利部國家水資源監(jiān)控管理信息平臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱國控平臺(tái)）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、水利部一張圖服務(wù)及管理信息 4 類數(shù)據(jù)的融合。

2）需求牽引原則。生態(tài)流量監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)需要滿足水文水資源監(jiān)測(cè)、監(jiān)管及調(diào)度等部門對(duì)生態(tài)流量監(jiān)測(cè)監(jiān)管的需要。

3）適用性及松耦合原則。保證生態(tài)流量監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)具有良好的適用性，且面向接口開發(fā)，使得生態(tài)流量監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)與國控平臺(tái)順利集成。

1.2 總體架構(gòu)

生態(tài)流量監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)主要通過數(shù)據(jù)集成、交換等手段整合現(xiàn)有實(shí)時(shí)雨水情水位和流量等數(shù)據(jù)，對(duì)各斷面生態(tài)流量進(jìn)行展示與告警，技術(shù)架構(gòu)、支撐組件及運(yùn)行環(huán)境均沿用現(xiàn)有國控平臺(tái)已有成果，并將功能界面集成到國控平臺(tái)服務(wù)系統(tǒng)中。生態(tài)流量監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，分為數(shù)據(jù)層、系統(tǒng)層及服務(wù)層，主要依托國控平臺(tái)、一張圖服務(wù)及相關(guān)管理信息，通過數(shù)據(jù)攝取管控組件從雨水情數(shù)據(jù)庫中提取數(shù)據(jù)，并進(jìn)行整合與存儲(chǔ)，可為水文水資源監(jiān)測(cè)、監(jiān)管及水資源調(diào)度提供信息支撐。

1.3 功能設(shè)計(jì)

生態(tài)流量監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)作為重點(diǎn)河湖生態(tài)流量監(jiān)管的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和功能支撐，主要提供數(shù)據(jù)的采集、整合存儲(chǔ)及展示等功能，具體功能如下：

1）將 166 個(gè)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)斷面數(shù)據(jù)納入監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，開發(fā)部署數(shù)據(jù)接收平臺(tái)，通過數(shù)據(jù)交換模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有多種監(jiān)測(cè)設(shè)備水位和流速等異構(gòu)數(shù)據(jù)的自動(dòng)讀取、接收、前置處理。

2）定義統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)庫，支持自動(dòng)和人工導(dǎo)入方式，集中進(jìn)行存儲(chǔ)、入庫。

3）實(shí)現(xiàn)成果集中展示、查詢，以及對(duì)設(shè)定生態(tài)流量進(jìn)行預(yù)警等功能。展示功能可以分為以下 3 種：a．?dāng)嗝嫔鷳B(tài)監(jiān)測(cè)綜合展示。可以通過 GIS 地圖展示全國生態(tài)斷面的水位及流量監(jiān)測(cè)站群分布、流域生態(tài)流量監(jiān)測(cè)情況等，并采用不同的圖標(biāo)或顏色設(shè)計(jì)區(qū)分監(jiān)測(cè)、預(yù)警狀態(tài)等，綜合展示界面如圖 2 所示。b．?dāng)嗝嫔鷳B(tài)監(jiān)測(cè)主題展示。主要以 1 個(gè)指定的生態(tài)斷面為主題，從斷面基本信息、生態(tài)流量指標(biāo)值、監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)情況、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息、成因分析、流量預(yù)測(cè)等角度展示此斷面的詳細(xì)情況，并實(shí)現(xiàn)特定時(shí)間段內(nèi)監(jiān)測(cè)信息的查詢、數(shù)據(jù)導(dǎo)出等功能。c．其他監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的接入展示。包括省界及分配方案控制等斷面數(shù)據(jù)的接入展示。

圖2 生態(tài)流量監(jiān)測(cè)綜合展示

2 生態(tài)流量監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)開發(fā)

為實(shí)現(xiàn)與國控平臺(tái)的完整兼容，生態(tài)流量監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)采用與國控平臺(tái)一致的技術(shù)架構(gòu)，并針對(duì)功能、數(shù)據(jù)上的特殊要求，對(duì)開發(fā)技術(shù)組件進(jìn)行擴(kuò)充，擴(kuò)充后主要技術(shù)組件構(gòu)成如圖 3 所示。

圖3 生態(tài)流量監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)組件構(gòu)成

2.2 數(shù)據(jù)集成及處理

生態(tài)流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)主要來源于水利部實(shí)時(shí)雨水情數(shù)據(jù)庫，采用 ETL 程序每日定時(shí)抽取并依據(jù) SL 323—2011《實(shí)時(shí)雨水情數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)與標(biāo)識(shí)符》，SZY 301—2017《基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)及標(biāo)識(shí)符》和 SZY 302—2013《監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)及標(biāo)識(shí)符》進(jìn)行擴(kuò)展設(shè)計(jì)，整合雙方數(shù)據(jù)庫格式標(biāo)準(zhǔn)，將數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ)于國控平臺(tái)數(shù)據(jù)庫中。

具體數(shù)據(jù)內(nèi)容包括：

1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)?；A(chǔ)數(shù)據(jù)包括河流、流域、斷面、水文測(cè)站的基礎(chǔ)信息，以及生態(tài)流量控制目標(biāo)等。

2）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包括河流水情（水位、流量）、湖庫水情（庫上水位、入庫流量、出庫流量、蓄水量）、河流水情均值（日均水位、流量）、湖庫水情均值（日均庫上水位、入庫和出庫流量）。

3）空間數(shù)據(jù)?？臻g數(shù)據(jù)包括基礎(chǔ)要素、流域、河流、斷面、測(cè)站等空間數(shù)據(jù)。

4）指標(biāo)值及閾值。指標(biāo)值根據(jù)《第一批重點(diǎn)河湖生態(tài)流量保障目標(biāo)》（水資管函〔2020〕43 號(hào)）和《第二批重點(diǎn)河湖生態(tài)流量保障目標(biāo)（試行）》（水資管〔2020〕285 號(hào)）中確定的 166 個(gè)斷面的生態(tài)流量目標(biāo)確定。閾值根據(jù)《河湖生態(tài)流量監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)指南（試行）》（辦水文〔2021〕138 號(hào)）中對(duì)生態(tài)流量預(yù)警響應(yīng)性監(jiān)測(cè)規(guī)定確定，具體預(yù)警閾值等級(jí)劃分如表 1 所示。

表1 預(yù)警閾值等級(jí)劃分

生態(tài)流量監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)主要采用 3 級(jí)預(yù)警模式，為突出預(yù)警等級(jí)，將中間級(jí)預(yù)警顏色由黃色替換為橙色，同時(shí)將正常情況設(shè)置為綠色。

生態(tài)流量監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)需要大量水文水資源數(shù)據(jù)作為支撐，由于數(shù)據(jù)獲取渠道不同、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在誤差等原因，數(shù)據(jù)測(cè)量精度及質(zhì)量存在差別，需進(jìn)行數(shù)據(jù)檢驗(yàn)及整編，剔除異常值，異常值分析采用均方差及箱式圖分析方法。此外，由于測(cè)站變遷、入流條件改變等，存在水文系列較短或者監(jiān)測(cè)不全等情況[13]，因此利用拉格朗日法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)延長。

2.3 系統(tǒng)應(yīng)用

2.3.1 情況統(tǒng)計(jì)

按照 2 批重點(diǎn)河湖生態(tài)流量保障目標(biāo)，全國應(yīng)監(jiān)測(cè) 90 條（個(gè)）重點(diǎn)河湖的 166 個(gè)斷面，截至 2021年8月，生態(tài)流量監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn) 104 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的生態(tài)流量在線監(jiān)測(cè)，占比為 62.7%。未接入國控平臺(tái)系統(tǒng)的斷面有 62 個(gè)，包括松花江區(qū) 8 個(gè)，遼河區(qū) 8 個(gè)，海河區(qū) 6 個(gè)，黃河區(qū) 4 個(gè)，淮河區(qū)10 個(gè)，長江區(qū) 20 個(gè)，東南區(qū) 3 個(gè)，珠江區(qū) 3 個(gè)。

2021年6月全國共計(jì)監(jiān)測(cè) 3 185 次（監(jiān)測(cè)次數(shù) =監(jiān)測(cè)站數(shù)×監(jiān)測(cè)天數(shù)），其中：滿足生態(tài)基流控制指標(biāo)的監(jiān)測(cè)次數(shù)共計(jì) 3 063 次，占比為 96.2%，比 5月同期增加 1.9%；未滿足生態(tài)基流控制指標(biāo)的監(jiān)測(cè)次數(shù)為 122 次，分別為遼河區(qū) 4 次，黃河區(qū) 17 次，淮河區(qū) 1 次，長江區(qū) 46 次，東南諸河區(qū) 1 次，珠江區(qū) 53 次。

2.3.2 應(yīng)用分析

以珠江流域東江干流的龍川斷面為例進(jìn)行應(yīng)用分析：

1）斷面生態(tài)流量監(jiān)測(cè)。自 2021年1月1日始，截至 8月4日，龍川斷面流量正常測(cè)量天數(shù)為196 d，預(yù)警天數(shù)（橙色及紅色預(yù)警）為 18 d，超標(biāo)天數(shù)為 2 d，整體差于 2020年同期。

自 2021年6月以來，65 d 內(nèi)龍川斷面紅色預(yù)警天數(shù)為 2 d，橙色預(yù)警天數(shù)為 1 d，藍(lán)色預(yù)警天數(shù)為 11 d，總計(jì) 14 d，各類預(yù)警總天數(shù)占比達(dá)到 21.5%，各預(yù)警情況均差于 2020年同期。6月以來龍川斷面流量過程線如圖 4 所示。2021年8月3日龍川斷面日均流量為 95.96 m3/s，遠(yuǎn)高于該控制斷面生態(tài)基流目標(biāo)值 35 m3/s，達(dá)到該斷面生態(tài)基流保障控制要求。

圖4 龍川斷面流量過程線

2）斷面生態(tài)成因分析。生態(tài)流量監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)可對(duì)斷面生態(tài)成因進(jìn)行分析，主要包括相關(guān)斷面的區(qū)間取用水、降水等的展示與分析。

東江干流上游地表水取用水量統(tǒng)計(jì)情況如圖 5 所示，通過分析可知：2021年以來，東江上游秋香江口以上區(qū)域地表水取用水總量為 2.77 億 m3，比 2020年同期下降 34.5%；自 6月起，地表水取用水量開始大幅增加，7月地表水取用水量高達(dá) 6 596.52 萬 m3，大量取用地表水加劇了該流域河流的生態(tài)流量保障所面臨的嚴(yán)峻形勢(shì)。

圖5 取用水統(tǒng)計(jì)情況

龍川斷面降水情況如圖 6 所示，通過分析可知：2021年1—7月降水總量為 595.5 mm，比 2020年同期減少 32.3%；各月降水量呈現(xiàn)波動(dòng)中上升，6月降水達(dá)到最高，為 162.5 mm，但相對(duì) 2020年同期整體較少。由于 2021年降水較 2020年偏少，河流天然來水也較少，因此不利于河流生態(tài)流量的保障。

圖6 降水情況

綜合珠江流域取用水量及降水情況，取用水量的增加及天然來水減少，對(duì)河流生態(tài)流量保障造成了不利影響。

3）斷面流量預(yù)報(bào)。對(duì)斷面流量過程進(jìn)行預(yù)報(bào)可為相關(guān)管理及調(diào)度部門提供參考，從而及時(shí)做出響應(yīng)。龍川斷面流量預(yù)報(bào)過程線如圖 7 所示，預(yù)計(jì)該斷面未來生態(tài)流量呈先增后減趨勢(shì)，但整體超過該斷面生態(tài)流量保障目標(biāo)，生態(tài)流量可以得到保障，無需采取特別措施。

圖7 龍川斷面未來 7 d 生態(tài)流量預(yù)報(bào)過程線

3 結(jié)語

本研究設(shè)計(jì)和研發(fā)了全國重點(diǎn)河湖控制斷面生態(tài)流量監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)斷面生態(tài)流量的監(jiān)測(cè)及預(yù)警等功能，并以龍川斷面為例，對(duì)生態(tài)流量監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)介紹。生態(tài)流量監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)有利于水利相關(guān)部門有效掌握全國河湖生態(tài)流量狀態(tài)，對(duì)生態(tài)流量監(jiān)管具有重要意義。

為加強(qiáng)生態(tài)流量監(jiān)測(cè)預(yù)警工作，建議今后在以下方面進(jìn)行完善：

1）進(jìn)一步完善生態(tài)流量監(jiān)測(cè)站網(wǎng)，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)站網(wǎng)建設(shè)，尤其是跨行政區(qū)界的市界、縣界站點(diǎn)，保證到 2022年實(shí)現(xiàn) 477 條重點(diǎn)河湖生態(tài)流量目標(biāo)確定[14]，2025年保證重點(diǎn)河湖生態(tài)流量達(dá)標(biāo)率達(dá)到90% 以上[15]；此外，各流域組織流域片內(nèi)生態(tài)流量斷面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，應(yīng)及時(shí)與水情信息交換系統(tǒng)進(jìn)行匯交。

2）提高生態(tài)流量監(jiān)測(cè)現(xiàn)代化水平，加強(qiáng)跨界和生態(tài)流量管控等斷面的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和改造，提高水位、流量等測(cè)報(bào)自動(dòng)化水平，提升新技術(shù)、新儀器推廣應(yīng)用力度，提高流量測(cè)驗(yàn)精度。

3）建立健全生態(tài)流量不達(dá)標(biāo)斷面的通報(bào)機(jī)制，各單位要依托全國統(tǒng)一的生態(tài)流量監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)，進(jìn)一步加強(qiáng)水資源監(jiān)測(cè)，提高信息報(bào)送質(zhì)量和時(shí)效，做好水資源監(jiān)測(cè)與分析評(píng)價(jià)的各類信息通報(bào)編制的保障工作。

4）除水位、流量等傳統(tǒng)水文監(jiān)測(cè)要素外，未來生態(tài)流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還應(yīng)根據(jù)生態(tài)保護(hù)對(duì)象的特定需求，納入水質(zhì)、水生態(tài)、水生生物生境等監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步完善生態(tài)流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。