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2021年1月6日，央視《焦點訪談》欄目對云南省大理洱海的保護(hù)治理工作進(jìn)行了深入報道，其中介紹了大理海東新區(qū)在充分利用再生水、實現(xiàn)水資源循環(huán)利用、促進(jìn)洱海東岸從石漠化荒山向綠水青山轉(zhuǎn)變?nèi)〉玫碾A段性成果。支撐海東新區(qū)每天再生水和雨水等水資源調(diào)度分配決策的，是大理海東健康水循環(huán)智能管理（調(diào)度）系統(tǒng)，北京英特-南京智水團(tuán)隊是大理海東健康水循環(huán)智能管理（調(diào)度）系統(tǒng)的承建單位。現(xiàn)在我們就一起去探訪一下這個系統(tǒng)的大腦，深入了解一下它都有哪些過人之處吧。
健康水循環(huán)理念
水是支撐生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)條件和控制性要素。水資源的循環(huán)運轉(zhuǎn)包括土壤-植被-大氣界面的自然水文循環(huán)過程以及與人類活動有關(guān)的社會循環(huán)過程，而后者通過水資源利用和污染負(fù)荷排放，對前者產(chǎn)生負(fù)面影響。如果社會水循環(huán)過程的負(fù)面影響超過了自然水循環(huán)系統(tǒng)的自凈和修復(fù)能力，則會引起流域水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能退化、承載力減弱、水生態(tài)環(huán)境失穩(wěn)等一系列嚴(yán)重的后果。
健康水循環(huán)的概念早在10年前就已經(jīng)提出，其理念是指充分尊重水的自然運動規(guī)律，合理科學(xué)地使用水資源，對污水實施再生凈化，使上游地區(qū)的用水循環(huán)不影響下游水域的水體功能、社會循環(huán)不損害自然循環(huán)的客觀規(guī)律，從而維系或恢復(fù)城市乃至流域的良好水環(huán)境，實現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用。相關(guān)理念在2015年國務(wù)院頒布的國家“水十條”中也明確指出：促進(jìn)再生水回用，完善再生水利用設(shè)施，工業(yè)生產(chǎn)、城市綠化、道路清掃、車輛沖洗、建筑施工以及生態(tài)景觀等用水，要優(yōu)先使用再生水。
雖然健康水循環(huán)理念早已提出，但是由于社會-自然二元水循環(huán)過程中的動態(tài)性、不確定性、非線性、高維、多要素耦合聯(lián)動等特征，涉及到氣象、水文、監(jiān)測、規(guī)劃、數(shù)學(xué)模型模擬、復(fù)雜系統(tǒng)優(yōu)化、不確定性分析、信息化等多個交叉學(xué)科的專業(yè)技術(shù)，因此健康水循環(huán)長期以來只停留在理念上，無法真正落地。因此，在大理海東健康水循環(huán)系統(tǒng)建成之前，國內(nèi)都沒有實際的落地案例。
海東健康水循環(huán)系統(tǒng)的關(guān)鍵科學(xué)問題
海東新區(qū)緊鄰洱海，在數(shù)平方公里的范圍內(nèi)海拔落差超過200米，年內(nèi)降雨量分布不均，蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降雨量。如果按照傳統(tǒng)的城市開發(fā)建設(shè)模式，將形成“旱季缺水、雨季快排、抽清排污”的用水格局，對洱海的水生態(tài)環(huán)境保護(hù)帶來壓力。依托云南省海綿城市試點建設(shè)，海東新區(qū)建設(shè)了一系列雨水調(diào)蓄池、濕地公園和再生水高位水池，以及遍布全區(qū)的雨水管網(wǎng)、污水管網(wǎng)和再生水管網(wǎng)等配套設(shè)施。根據(jù)健康水循環(huán)理念，雨水調(diào)蓄池在雨季收集雨水，用于非降雨日的灌溉和城市雜用需求；新區(qū)的生活污水輸送至污水處理廠進(jìn)行凈化處理，達(dá)標(biāo)排放的再生水經(jīng)加壓泵站輸送至片區(qū)內(nèi)的高位水池，用于邊坡綠地的灌溉。把傳統(tǒng)的水資源“取水-輸水-用戶-排放”的單向開放型流動，轉(zhuǎn)變?yōu)椤肮?jié)制地取水-輸水-用戶-再生水/雨水-用水”的反饋式循環(huán)流程，實現(xiàn)“分質(zhì)供水、優(yōu)水優(yōu)用、循環(huán)凈化”的管理目標(biāo)，最大化對洱海水資源和水環(huán)境的保護(hù)。
從實現(xiàn)水資源健康循環(huán)的角度，需要定量回答一系列科學(xué)問題：1）新區(qū)每天的生活用水量和再生水產(chǎn)生量有多少？2）新區(qū)內(nèi)不同片區(qū)的邊坡綠地的灌溉需水量是多少？3）如何分配再生水在不同高位水池的水量，使再生水能夠最大程度滿足各個片區(qū)的灌溉需求？4）對于一場降雨，新區(qū)內(nèi)不同雨水調(diào)蓄池的來水量有多少？5）如何開展中水和雨水調(diào)蓄池的優(yōu)化調(diào)度，在確保防洪安全的同時，最大化中水和雨水回用量并使外排入洱海的水量最??？
大理海東健康水循環(huán)智能管理（調(diào)度）計算引擎研發(fā)
為系統(tǒng)回答海東健康水循環(huán)系統(tǒng)的一系列調(diào)度決策問題，北京英特-南京智水團(tuán)隊研發(fā)構(gòu)建了海東新區(qū)健康水循環(huán)智能管理（調(diào)度）計算引擎，通過6個耦合聯(lián)動的模型組件，實現(xiàn)對新區(qū)再生水產(chǎn)生量、生態(tài)需水量、雨水徑流量等的模擬預(yù)測，并通過多目標(biāo)優(yōu)化算法和機(jī)器學(xué)習(xí)/強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法分別開展再生水和雨水的優(yōu)化調(diào)度，實現(xiàn)水資源在新區(qū)的最大程度循環(huán)利用。
海東新區(qū)健康水循環(huán)智能管理（調(diào)度）計算引擎模型體系
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序號 |
模型名稱 |
實現(xiàn)功能 |
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1 |
海東新區(qū)降雨-徑流模型 |
基于SWMM模型模擬新區(qū)各子匯水區(qū)的降雨-徑流過程及進(jìn)行短期雨水徑流預(yù)測 |
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2 |
新區(qū)社會用水和再生水來水預(yù)測模型 |
基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和貝葉斯方法預(yù)測新區(qū)未來短期的社會用水量和再生水產(chǎn)生量 |
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3 |
新區(qū)綠地與邊坡綠地生態(tài)需水模型 |
基于Inteliway-SS3D模型求解三維地表水-地下水模型和生態(tài)需水模型，預(yù)測新區(qū)各高位水池和雨水調(diào)蓄池服務(wù)片區(qū)的綠地每日生態(tài)需水量 基于Inteliway-RESP模型利用有限體積法求解二維邊坡地表水與土壤濕度模型，預(yù)測各個邊坡的生態(tài)需水量。 |
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4 |
雨水調(diào)蓄池聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型 |
基于URB算法和雨水調(diào)蓄池連續(xù)動態(tài)模擬模型對新區(qū)的雨水調(diào)蓄池開展聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度分析，最大化雨水回用率和防洪安全水平 |
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5 |
再生水高位水池優(yōu)化調(diào)度模型 |
基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法、調(diào)蓄池連續(xù)模擬模型等對新區(qū)的系列高位水池開展再生水水量分配優(yōu)化調(diào)度，使再生水棄水量最小，且各高位水池服務(wù)片區(qū)內(nèi)的生態(tài)需水量能夠最大化得到滿足 |
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6 |
健康水循環(huán)系統(tǒng)調(diào)度策略效益評估模型 |
基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法對海東新區(qū)的雨水和再生水優(yōu)化調(diào)度策略持續(xù)進(jìn)行優(yōu)化提升 |
以海東新區(qū)健康水循環(huán)智能管理（調(diào)度）系統(tǒng)計算引擎為內(nèi)核，北京英特-南京智水團(tuán)隊聯(lián)合上海磅礴信息科技有限公司開發(fā)了海東健康水循環(huán)智能管理（調(diào)度）系統(tǒng)信息化平臺。平臺能夠根據(jù)未來3天的天氣預(yù)報數(shù)據(jù)，結(jié)合人口規(guī)模、節(jié)假日、連續(xù)非降雨天數(shù)等信息，驅(qū)動新區(qū)生活用水和再生水量預(yù)測模型和邊坡綠地生態(tài)需水模型，預(yù)測未來短期的再生水來水量和各高位水池及雨水調(diào)蓄池服務(wù)片區(qū)的邊坡綠地灌溉需水量，驅(qū)動再生水優(yōu)化模塊開展高位水池間的再生水水量優(yōu)化分配；平臺能夠根據(jù)未來短期的降雨預(yù)報數(shù)據(jù)預(yù)測各子匯水區(qū)的地表徑流量以及各個雨水調(diào)蓄池的來水量，并驅(qū)動雨水調(diào)蓄池優(yōu)化模塊開展雨水調(diào)蓄池的聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度。
系統(tǒng)運行
大理海東健康水循環(huán)智能管理（調(diào)度）系統(tǒng)自上線運行以來，每天自動獲取海東新區(qū)未來3天的天氣預(yù)報數(shù)據(jù)，驅(qū)動模型體系開展計算，生成當(dāng)天的再生水和雨水調(diào)度方案，指導(dǎo)一線操作人員開展調(diào)度操作，有效支撐了新區(qū)水資源的調(diào)度決策，發(fā)揮了良好的生態(tài)效益。相關(guān)建設(shè)和應(yīng)用成果不但得到了業(yè)主單位大理海東開發(fā)管理委員會的高度認(rèn)可，也受到了國家科技部、國家住建部、國家生態(tài)環(huán)境部、中國環(huán)境報、以及省、州等各級有關(guān)部門的廣泛關(guān)注與肯定。