數字水文支撐數字鄉村建設及管理模式探討

吳 遜，郭建強

（1.天津市水文水資源管理中心，天津 300061；2.河北農業大學，河北 保定 071001）

數字水文是智慧水利建設框架的重要組成部分，對流域防洪減災工作及水資源綜合管理工作提供了重要的決策依據及數字底座支持。數字水文的發展也對農業農村經濟社會發展的應用實踐、數字鄉村建設提供了切實有效的數字化應用支撐。數字鄉村既是鄉村振興的戰略方向，也是建設數字中國的重要內容。為了更好地支持數字鄉村建設，保障鄉村振興戰略目標的實現，最終實現數字中國的偉大建設目標，數字水文需要不斷適應新需求，拓展新業務，轉變自身的管理模式，提升管理水平和數字服務能力。

1 數字水文的發展背景

信息系統的發展歷程，一般分為信息化和數字化2 個階段。信息化階段通過引入計算機系統，將業務流程數字化，使用軟硬件系統完成部分業務處理工作，最終實現工作效率的提升。數字化階段在信息系統發展到一定程度后，通過引入人工智能，對海量業務數據進行自動分析計算，實現業務信息的自我增值和業務流程的自我更新。相對于并不改變業務流程，只是被動完成業務流程的信息化來說，數字化將對業務流程及相關的所有數據進行整合、分析和預警，提出決策并指導行動。換言之，信息化僅影響業務系統，由人來做最終決策，而數字化將影響所有參與業務的人和系統，由系統來驅動人的行動。

自20 世紀80 年代開始，在中央部委、各省的整體規劃下，水文信息化工作有計劃、有步驟地開展相關系統的建設：從最初的水文數據信息化工作，逐步建立基礎的防汛骨干網絡、水情信息化系統及基于地理信息系統的水文預報系統，對水文情報預報的核心業務進行信息化改造。依靠防汛網絡的大規模基礎布設，以水情業務為核心的分布式情報交換系統進入了水文信息化的關鍵發展階段——分布式系統建設階段。在這一階段水文信息化改造的主要目標是從無到有建立一整套業務系統，覆蓋防汛、水文數據處理、水文情報預報等核心業務模塊，實現中央與地方之間的水文信息交換、共享和發布。

2 數字水文的發展現狀

隨著信息化技術手段和系統架構的不斷發展，在流域防洪體系和水資源綜合管理調配的頂層需求和大數據、人工智能分析等技術的加持下，水文業務系統在現有分布式系統基礎上，進一步提升數據獲取密度、提高數據解析能力、增強計算能力和人工智能驅動能力，不斷提升終端感知能力、預測能力和聯動能力。數字水文主要有以下幾個發展趨勢。

2.1 邊緣計算與遙測自感知

邊緣計算概念是在云計算基礎上提出的，更強調數據處理的及時性和安全性。一般水文遙測設備將采集的數據傳輸到接收端進行解析處理，接收端根據分析結果對設備下達新的控制指令或將數據轉發至上一級參與計算[1]。遙測設備只能以預定的頻率采集指定數據，很難對洪峰進行及時捕捉。將邊緣計算能力賦予水文遙測設備后，邊緣端可以自動計算水位流量變化劇烈程度，形成初步判斷，及時下發數據采集指令，迅速調整數據采集策略，從而有效獲得第一手水文觀測資料。同時，邊緣計算結果可以對上下游站點進行協同控制，預先調整下游站點采集配置，“嚴陣以待”洪峰的到來。邊緣計算可以避免海量采集數據“淹沒”接收端數據處理平臺，提升遙測終端感知能力，對設備進行動態調整，確保有效采集數據。

2.2 5G與多端、多業務聯動

伴隨5G的普及發展，更大的網絡帶寬使得更多數據資源和采集終端的接入成為可能。傳統水文信息化系統僅依靠自身信息采集、計算能力無法獲得準確的預測預報成果，這就需要與其他信息采集設備和數據應用服務進行聯動，在終端邊緣計算和人工智能計算的基礎上，綜合多方面信息，獲得更為全面、準確的計算結果。例如，引入視頻采集終端、氣象采集終端等，通過實時分析多端采集數據，及時獲得多元化的現場信息，為水文情報預報提供多層次分析依據[2]。

2.3 人工智能計算與流域水文預測

隨著海量原始水文監測數據的不斷匯入，水文情報預報工作越來越需要大數據分析和人工智能計算技術的輔助來準確迅速地完成流域水文預測。通過建立遙感影像和激光點云的分類與變化圖斑檢測算法，研發小流域參數區域化方法，可以顯著提高人工智能預測成果的準確性[3]。

2.4 數據驅動與人機交互

數據驅動是在獲得海量水文監測數據后，系統及時將數據組織、整合、提煉出有效信息，并通過訓練、擬合等手段將信息轉化為自動化決策成果。數據驅動不僅僅可以提供更為準確的水文預報成果，提高防汛抗旱響應效率，更可以為水資源綜合管理提供相關決策依據。

3 數字水文支撐數字鄉村建設的新需求

相比于水文業務工作內容，鄉村及“三農”業務涵蓋的內容更寬更廣。為適應這種轉變，需要在應用框架、感知聯動、綜合演算三方面提升自身服務水平，確保數字水文對數字鄉村發展工作起到足夠的支撐作用。

3.1 建立綜合應用服務框架

隨著服務目標的變化，數字水文需要在現有服務框架基礎上進行補充完善，充分利用已建成系統框架，結合新目標進行部分提升改造，規劃打造一套適合數字鄉村發展規劃的綜合應用服務框架，其中將振興鄉村建設作為水文業務除了水資源調配管理、流域防洪目標之外的第3個主要服務目標。

這一框架要具有模塊化、去中心化、高兼容的特性。其中，模塊化是指在應用層面框架內的應用服務是模塊化的，同時框架自身也是模塊化的，可以對外提供服務；去中心化是指將原先“端—中心—端”的數據交互模式轉換為“端—端”的交互模式，提升系統容錯性、抗攻擊性，降低單一節點決策錯誤的影響范圍，增加系統決策相互驗證，提高系統決策準確性；高兼容性是指在統一數據底座標準結構基礎上，盡可能多地容納更多終端、應用、系統，使數字水文應用服務框架具備更強的可擴展性。

3.2 部署可聯動低耦合感知模塊

感知模塊是搭建數字水文框架的基礎，應具備低耦合、可聯動、低成本的特點。其中，低耦合是指單一模塊只具備單一感知功能，對多種感知目標的需求應以多感知端相聯動的方式實現；可聯動是指可以在去中心化系統架構下，感知端根據決策方案調用上下游及周邊感知端的數據，控制調整感知行為策略；低成本是指感知端應具備物理強固性以滿足在惡劣條件下正常運行的要求，同時兼顧較低的建設成本，以實現大范圍、高密度的部署需求。

3.3 整合算力強化演算能力

對現有硬件資源進行深度整合，將計算資源統籌部署為統一的、可容災的、可按需分配的云計算資源，用云算力分布承載需要大量計算資源的流域防洪預報演算、水資源調度綜合推演以及數字鄉村綜合服務。將云算力和邊緣算力進行有效聯動，將現有的單決策中心模式演進為多決策評估、智能決策篩選的智能決策模式，從而提高最終決策的可靠性。

4 數字水文對數字鄉村建設的支撐作用

隨著水文數字化的不斷發展，水文業務形成了一整套較為完整的監測預報體系，在為流域防洪及水資源調配提供業務支撐的基礎上，對業務進行適當調整后，可以為農業農村經濟生產活動在應急管理、智慧管理以及綠色鄉村建設等方面提供支撐。

4.1 助力農村智慧應急管理

4.1.1 支撐農村防汛應急體系建設

數字水文依靠多年來建立的較為成熟的水文預警預報體系，對數字鄉村提供防汛應急體系建設支撐，從水文監測、水文預報及預警等方面對農村生產生活地區進行覆蓋，將流域防洪體系擴展到農村防洪，將四級防洪應急響應體系結合農村發展現狀編制定制化響應預案，進一步豐富防洪體系建設的實質內涵。

4.1.2 支撐農村防汛響應能力建設

依據歷史洪水資料、近年來上游下墊面變化現狀，結合典型洪水預報演算結果，建立農村防洪風險隱患點清單。針對清單進行防汛應急響應預案編制，逐步實現從“一鄉一預案”到“一點一預案”，做到精準定位、提前布局、重點防控。

4.1.3 開展農村預警預報系統建設

根據數字鄉村建設情況，調用數字耕地及住房模型，將水文預報與農村生產生活現狀相結合，為防洪調度提供決策評估篩選預案：在面對較小洪水時，及時調度河道排水，避免洪水滲透堤壩，影響農作物安全；在面對較大洪水時，推演洪水對耕地、房屋的淹沒影響范圍，聯合多部門的社會經濟數據，推算洪水淹沒損失及受災人口數量，為應急部門調動搶險和保障物資、確保災民安置工作有序開展提供決策支持。

4.2 支持數字農業智慧管理

4.2.1 綜合預測灌溉需求

基于數字水文中水文墑情動態監測成果，結合氣象中長期降水、氣溫預報數據、實時氣溫、蒸發監測數據，根據各地塊農作物對灌溉水量的不同需求及灌溉損耗情況，預測中長期農田灌溉用水需求[4]，為水資源緊缺地區提前調配灌溉水源提供決策依據。同時，可以根據當地水源情況，結合土壤成分資料及農作物用水需求，提出農作物輪種建議，確保水資源及土壤資源能夠得到充分利用。

4.2.2 靈活調配保護地下水源

隨著地下水綜合治理工作的不斷推進，城鎮地下水資源的開采已有初步治理成果，而對于部分地表水資源稀缺的鄉村農業耕種地區往往會采用地下水資源作為農作物灌溉補充水源。雖然南水北調工程有效緩解了北方地區水資源稀缺的現狀，但難以解決農業生產缺水問題。這需要進一步推進引調水工作向農業農村發展，同時利用數字水文地下水監測體系加強農業生產用水對地下水源開采的監測，堅持“黃線預警、紅線控制”的原則，對水源替換工作提出方向與建議，有效開發和保護地下水資源。

4.2.3 智慧灌溉提高用水效率

在農業用水需求和灌溉水源綜合治理工作成果基礎上，數字水文結合流域上游來水情況，綜合分析區域支流蓄水能力，可以提出將地表水源進行合理分配的策略建議，確保有限水源按需分配給下游地區，確保各區域農業灌溉用水得到充分滿足，避免出現上游截留水量過多無法充分利用而下游缺水無水可用的情況。同時，結合中小水庫蓄水能力將洪水壓力進行合理分攤，在防洪減災和水資源合理利用之間推算出兩者兼顧的最優決策，提升水資源的綜合利用效率。

4.3 助力智慧綠色鄉村建設

4.3.1 助力水源地、濕地生態保護

數字水文聯合生態環境部門、農業農村部門相關應用系統，通過地表水水源地、地下水水源地及濕地水文監測，實時監控水位流量變化，動態分析濕地水域面積與儲水量等數據，結合水質監測數據，建立濕地、水源地水生態預警機制。根據濕地禽類生活習性及環境監測數據，精準預測禽類遷徙路徑和時間，為濕地生態恢復和健康發展提供量化分析依據。

4.3.2 提升作物施肥效率

基于對農田灌溉基礎資料的了解，在灌區下游河道設置點位對水質實施實時監測，對農業面源污染負荷、單位國土面積和單位地表徑流污染負荷與水質參數進行相關性分析，通過數字水文綜合分析平臺對水質污染物進行標定和反向溯源，推算上游作物施肥效率，檢測是否有超量施肥情況，向綠色鄉村監控平臺推送消息，從而避免因過量施肥導致水體受到污染。

4.3.3 監控黑臭水體運動

數字水文與大地遙感數據相結合，對現有鄉村黑臭水體進行精準勾畫，建立黑臭水體基礎庫。利用數字水文預測系統，結合黑臭水體污染源與人口密度的正相關性以及水體面積與污染程度之間的負相關性，推演河道水流對黑臭水體的影響如擴散范圍、對水質產生的疊加影響等，為鄉村黑臭水體有效控制提供預測信息。

5 數字水文管理模式的轉變

在數字鄉村應用實踐的基礎上，數字水文要進一步調整管理思路，轉變管理模式，尤其在管理能力、管理效率和安全運行保障等方面需要加強。

5.1 轉變服務目標，帶動服務能力提升

隨著服務對象和服務目標的轉變，要進一步拓展數字水文服務鄉村的業務能力和優勢。

（1）提升數據解釋能力。對于數字鄉村建設，水文數據需要演化出更豐富的解釋含義，來和鄉村生產生活實際情況相結合。例如，對水位的解釋需要在洪水警戒水位、保障水位等預警值的基礎上，擴展出河堤淹沒警戒水位、河堤滲透風險指數、田間地塊淹沒風險指數等更貼近作物耕種和農村生活的參考數值。

（2）提升信息發布能力。以往水文業務信息主要對內部發布，很少向公眾發布。在服務數字鄉村建設時，數字水文需要向公眾發布更多的數據信息、分析成果等內容。數字水文需要建立一套簡明易懂的預警提示語言和公眾信息發布流程，用公眾能夠接受的語言和表述方式發布信息。

（3）提升系統迭代能力。數字鄉村建設將是一個長期且持續的過程。為此，需要對數字水文系統框架進行補充強化，對關鍵系統功能進行重構，對系統模塊進行低耦合細分，增強大數據及人工智能分析能力，不斷提高自身系統的可迭代、可擴展及智能性，使其滿足數字鄉村建設需求。

5.2 監管數據生命周期，筑牢安全防線

數據安全是信息系統安全之基，實現這一目標，需要建立數據資源的全生命周期的安全保護。針對采集、存儲、訪問、使用、銷毀等全生命周期內各環節的不同特點，采取有針對性的安全可信防護措施：通過數據治理來確保數據處于有效、合法的狀態；通過建設數據安全治理等相關組織，制定數據安全相關制度規范，構建數據安全技術體系，建設數據安全人才隊伍梯隊等多方面措施完善全生命周期的數據安全治理體系，充分保護關鍵信息數據，保證數據合理合法安全使用[5]。數據安全保護系統的建設工作與數字水文系統框架及功能不斷迭代更新一樣，同樣需要不斷升級和完善。這需要在管理制度、保護能力、管理審計等方面進行不斷完善。

（1）要建立統一規范的數據安全保護管理制度和管理框架。在能夠容納現有信息系統架構的同時，做到向后兼容，使數據安全管理具備不斷自我升級完善的能力。

（2）要開展數據安全基礎設施建設。例如，在數據的采集、存儲、分發環節要采用國產商用密碼安全設備對其進行保護；通過設置數據安全網關，結合大數據平臺、數據中臺、數據倉庫等建立統一數據安全訪問系統。

（3）要開展動態、嚴格的數據使用管理及審計工作。例如，對重要數據的分級分類進行動態識別和保護；提升數據細粒度的訪問控制，對用戶訪問過程進行精細化審計管理；對異常數據訪問量進行預警和攔截等。

5.3 開展部門聯動，共同挖掘數字經濟效益

無論是數字鄉村還是數字城市，其根本驅動源都是數據，由系統監測產生數據，由數據推動行為決策，從而最終產生社會效益和經濟效益。因此，應盡可能地挖掘數據的效益，從而為數字鄉村建設提升經濟效益、發現經濟增長點，實現數字經濟能力的全面提升。要實現這一目標，需要各個部門的數字系統不斷地相互聯合、數據共享甚至是相互交融。

（1）要在相關業務部門之間形成積極有效的系統聯動機制。例如，數字水文在智慧水利的框架內，與數字氣象、數字生態環境治理、智慧自然資源等智慧管理系統共同為數字鄉村建設提供海量數據及實時分析成果，并不斷提升與農業生產生活結合度，以滿足數字鄉村發展需要。

（2）要不斷開發數字鄉村應用場景，提升數字應用效果，擴大應用覆蓋面。數據是系統不斷成長完善的源泉，唯有不斷地使用才能源源不斷產生數據，促使數字鄉村的成長。例如，推進設施農業的數字化轉型，開展數字孿生設施園藝、設施養殖和水產養殖建設。在經驗驅動、感知驅動和知識驅動基礎上，結合數字驅動，最終實現智能驅動，將農業耕作流程數字化，提高智能化管理水平，提升生產效率。

（3）要將城市信息化建設成果反哺數字鄉村建設。將數字化發展成果投入農村生產生活，迅速縮短長期以來城市和農村的二元發展結構產生的差異。數字鄉村建設的發展又將產生新的數字化社會治理方案，為城鄉一體化發展路線提供發展思路，從而為建立數字中國奠定基礎。

6 結語

數字水文是水文業務工作信息化的核心成果，是智慧水利建設框架的重要組成部分。基于數字鄉村對數字水文發展提出的新要求，對數字水文在應急管理、智慧管理及綠色鄉村建設等方面對數字鄉村的支撐作用進行分析。通過對數字水文管理模式進行適當轉變和調整，進一步提升數字水文建設效果，充分發揮其對數字鄉村建設的支撐作用，從而實現鄉村振興整體規劃目標。