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健康水循环系统助力洱海保护 --耦合机理模型、机器学习和优化算法的大理海东健康水循环智能调度系统

202116日,央视《焦点访谈》栏目对云南省大理洱海的保护治理工作进行了深入报道,其中介绍了大理海东新区在充分利用再生水、实现水资源循环利用、促进洱海东岸从石漠化荒山向绿水青山转变取得的阶段性成果。支撑海东新区每天再生水和雨水等水资源调度分配决策的,是大理海东健康水循环智能管理(调度)系统北京英特-南京智水团队是大理海东健康水循环智能管理(调度)系统的承建单位现在我们就一起去探访一下这个系统的大脑,深入了解一下它都有哪些过人之处吧。



健康水循环理念


水是支撑生态环境系统可持续发展的基础条件和控制性要素。水资源的循环运转包括土壤-植被-大气界面的自然水文循环过程以及与人类活动有关的社会循环过程,而后者通过水资源利用和污染负荷排放,对前者产生负面影响。如果社会水循环过程的负面影响超过了自然水循环系统的自净和修复能力,则会引起流域水系统结构与功能退化、承载力减弱、水生态环境失稳等一系列严重的后果。

健康水循环的概念早在10年前就已经提出,其理念是指充分尊重水的自然运动规律,合理科学地使用水资源,对污水实施再生净化,使上游地区的用水循环不影响下游水域的水体功能、社会循环不损害自然循环的客观规律,从而维系或恢复城市乃至流域的良好水环境,实现水资源的可持续利用。相关理念在2015年国务院颁布的国家“水十条”中也明确指出:促进再生水回用,完善再生水利用设施,工业生产、城市绿化、道路清扫、车辆冲洗、建筑施工以及生态景观等用水,要优先使用再生水



虽然健康水循环理念早已提出,但是由于社会-自然二元水循环过程中的动态性、不确定性、非线性、高维、多要素耦合联动等特征,涉及到气象、水文、监测、规划、数学模型模拟、复杂系统优化、不确定性分析、信息化等多个交叉学科的专业技术,因此健康水循环长期以来只停留在理念上,无法真正落地。因此,在大理海东健康水循环系统建成之前,国内都没有实际的落地案例。

 

海东健康水循环系统的关键科学问题


海东新区紧邻洱海,在数平方公里的范围内海拔落差超过200米,年内降雨量分布不均,蒸发量远大于降雨量。如果按照传统的城市开发建设模式,将形成旱季缺水、雨季快排、抽清排污的用水格局,对洱海的水生态环境保护带来压力。依托云南省海绵城市试点建设,海东新区建设了一系列雨水调蓄池、湿地公园和再生水高位水池,以及遍布全区的雨水管网、污水管网和再生水管网等配套设施。根据健康水循环理念,雨水调蓄池在雨季收集雨水,用于非降雨日的灌溉和城市杂用需求;新区的生活污水输送至污水处理厂进行净化处理,达标排放的再生水经加压泵站输送至片区内的高位水池,用于边坡绿地的灌溉。把传统的水资源“取水-输水-用户-排放”的单向开放型流动,转变为“节制地取水-输水-用户-再生水/雨水-用水”的反馈式循环流程,实现分质供水、优水优用、循环净化的管理目标,最大化对洱海水资源和水环境的保护。


从实现水资源健康循环的角度,需要定量回答一系列科学问题:1新区每天的生活用水量和再生水产生量有多少?2)新区内不同片区的边坡绿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,使再生水能够最大程度满足各个片区的灌溉需求?4)对于一场降雨,新区内不同雨水调蓄池的来水量有多少?5)如何开展中水和雨水调蓄池的优化调度,在确保防洪安全的同时,最大化中水和雨水回用量并使外排入洱海的水量最小?

 

大理海东健康水循环智能管理(调度)计算引擎研发


为系统回答海东健康水循环系统的一系列调度决策问题,北京英特-南京智水团队研发构建了海东新区健康水循环智能管理(调度)计算引擎,通过6个耦合联动的模型组件,实现对新区再生水产生量、生态需水量、雨水径流量等的模拟预测,并通过多目标优化算法和机器学习/强化学习算法分别开展再生水和雨水的优化调度,实现水资源在新区的最大程度循环利用。

海东新区健康水循环智能管理(调度)计算引擎模型体系

序号

模型名称

实现功能

1

海东新区降雨-径流模型

基于SWMM模型模拟新区各子汇水区的降雨-径流过程及进行短期雨水径流预测

2

新区社会用水和再生水来水预测模型

基于人工神经网络和贝叶斯方法预测新区未来短期的社会用水量和再生水产生量

3

新区绿地与边坡绿地生态需水模型

基于Inteliway-SS3D模型求解三维地表水-地下水模型和生态需水模型,预测新区各高位水池和雨水调蓄池服务片区的绿地每日生态需水量

基于Inteliway-RESP模型利用有限体积法求解二维边坡地表水与土壤湿度模型,预测各个边坡的生态需水量。

4

雨水调蓄池联合优化调度模型

基于URB算法和雨水调蓄池连续动态模拟模型对新区的雨水调蓄池开展联合优化调度分析,最大化雨水回用率和防洪安全水平

5

再生水高位水池优化调度模型

基于强化学习算法、调蓄池连续模拟模型等对新区的系列高位水池开展再生水水量分配优化调度,使再生水弃水量最小,且各高位水池服务片区内的生态需水量能够最大化得到满足

6

健康水循环系统调度策略效益评估模型

基于强化学习算法对海东新区的雨水和再生水优化调度策略持续进行优化提升


以海东新区健康水循环智能管理(调度)系统计算引擎为内核,北京英特-南京智水团队联合上海磅礴信息科技有限公司开发了海东健康水循环智能管理(调度)系统信息化平台。平台能够根据未来3天的天气预报数据,结合人口规模、节假日、连续非降雨天数等信息,驱动新区生活用水和再生水量预测模型和边坡绿地生态需水模型,预测未来短期的再生水来水量和各高位水池及雨水调蓄池服务片区的边坡绿地灌溉需水量,驱动再生水优化模块开展高位水池间的再生水水量优化分配;平台能够根据未来短期的降雨预报数据预测各子汇水区的地表径流量以及各个雨水调蓄池的来水量,并驱动雨水调蓄池优化模块开展雨水调蓄池的联合优化调度。



系统运行


大理海东健康水循环智能管理(调度)系统自上线运行以来,每天自动获取海东新区未来3天的天气预报数据,驱动模型体系开展计算,生成当天的再生水和雨水调度方案,指导一线操作人员开展调度操作,有效支撑了新区水资源的调度决策,发挥了良好的生态效益。相关建设和应用成果不但得到了业主单位大理海东开发管理委员会的高度认可,也受到了国家科技部、国家住建部、国家生态环境部、中国环境报、以及省、州等各级有关部门的广泛关注与肯定。