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治理工作進行了深入報道，其中介紹了大理海東新區在充分利用再生水、實現水資源循環利用、促進洱海東岸從石漠化荒山向綠水青山轉變取得的階段性成果。支撐海東新區每天再生水和雨水等水資源調度分配決策的，是大理海東健康水循環智能管理（調度）系統，北京英特-南京智水團隊是大理海東健康水循環智能管理（調度）系統的承建單位。現在我們就一起去探訪一下這個系統的大腦，深入了解一下它都有哪些過人之處吧。

健康水循環理念

水是支撐生態環境系統可持續發展的基礎條件和控制性要素。水資源的循環運轉包括土壤-植被-大氣界面的自然水文循環過程以及與人類活動有關的社會循環過程，而后者通過水資源利用和污染負荷排放，對前者產生負面影響。如果社會水循環過程的負面影響超過了自然水循環系統的自凈和修復能力，則會引起流域水系統結構與功能退化、承載力減弱、水生態環境失穩等一系列嚴重的后果。

健康水循環的概念早在10年前就已經提出，其理念是指充分尊重水的自然運動規律，合理科學地使用水資源，對污水實施再生凈化，使上游地區的用水循環不影響下游水域的水體功能、社會循環不損害自然循環的客觀規律，從而維系或恢復城市乃至流域的良好水環境，實現水資源的可持續利用。相關理念在2015年國務院頒布的國家“水十條”中也明確指出：促進再生水回用，完善再生水利用設施，工業生產、城市綠化、道路清掃、車輛沖洗、建筑施工以及生態景觀等用水，要優先使用再生水。

雖然健康水循環理念早已提出，但是由于社會-自然二元水循環過程中的動態性、不確定性、非線性、高維、多要素耦合聯動等特征，涉及到氣象、水文、監測、規劃、數學模型模擬、復雜系統優化、不確定性分析、信息化等多個交叉學科的專業技術，因此健康水循環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系統建成之前，國內都沒有實際的落地案例。

 

海東健康水循環系統的關鍵科學問題

海東新區緊鄰洱海，在數平方公里的范圍內海拔落差超過200米，年內降雨量分布不均，蒸發量遠大于降雨量。如果按照傳統的城市開發建設模式，將形成“旱季缺水、雨季快排、抽清排污”的用水格局，對洱海的水生態環境保護帶來壓力。依托云南省海綿城市試點建設，海東新區建設了一系列雨水調蓄池、濕地公園和再生水高位水池，以及遍布全區的雨水管網、污水管網和再生水管網等配套設施。根據健康水循環理念，雨水調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；新區的生活污水輸送至污水處理廠進行凈化處理，達標排放的再生水經加壓泵站輸送至片區內的高位水池，用于邊坡綠地的灌溉。把傳統的水資源“取水-輸水-用戶-排放”的單向開放型流動，轉變為“節制地取水-輸水-用戶-再生水/雨水-用水”的反饋式循環流程，實現“分質供水、優水優用、循環凈化”的管理目標，最大化對洱海水資源和水環境的保護。

從實現水資源健康循環的角度，需要定量回答一系列科學問題：1）新區每天的生活用水量和再生水產生量有多少？2）新區內不同片區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的灌溉需求？4）對于一場降雨，新區內不同雨水調蓄池的來水量有多少？5）如何開展中水和雨水調蓄池的優化調度，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智能管理（調度）計算引擎研發

為系統回答海東健康水循環系統的一系列調度決策問題，北京英特-南京智水團隊研發構建了海東新區健康水循環智能管理（調度）計算引擎，通過6個耦合聯動的模型組件，實現對新區再生水產生量、生態需水量、雨水徑流量等的模擬預測，并通過多目標優化算法和機器學習/強化學習算法分別開展再生水和雨水的優化調度，實現水資源在新區的最大程度循環利用。

海東新區健康水循環智能管理（調度）計算引擎模型體系

序號	模型名稱	實現功能
1	海東新區降雨-徑流模型	基于SWMM模型模擬新區各子匯水區的降雨-徑流過程及進行短期雨水徑流預測
2	新區社會用水和再生水來水預測模型	基于人工神經網絡和貝葉斯方法預測新區未來短期的社會用水量和再生水產生量
3	新區綠地與邊坡綠地生態需水模型	基于Inteliway-SS3D模型求解三維地表水-地下水模型和生態需水模型，預測新區各高位水池和雨水調蓄池服務片區的綠地每日生態需水量 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，預測各個邊坡的生態需水量。
4	雨水調蓄池聯合優化調度模型	基于URB算法和雨水調蓄池連續動態模擬模型對新區的雨水調蓄池開展聯合優化調度分析，最大化雨水回用率和防洪安全水平
5	再生水高位水池優化調度模型	基于強化學習算法、調蓄池連續模擬模型等對新區的系列高位水池開展再生水水量分配優化調度，使再生水棄水量最小，且各高位水池服務片區內的生態需水量能夠最大化得到滿足
6	健康水循環系統調度策略效益評估模型	基于強化學習算法對海東新區的雨水和再生水優化調度策略持續進行優化提升

以海東新區健康水循環智能管理（調度）系統計算引擎為內核，北京英特-南京智水團隊聯合上海磅礴信息科技有限公司開發了海東健康水循環智能管理（調度）系統信息化平臺。平臺能夠根據未來3天的天氣預報數據，結合人口規模、節假日、連續非降雨天數等信息，驅動新區生活用水和再生水量預測模型和邊坡綠地生態需水模型，預測未來短期的再生水來水量和各高位水池及雨水調蓄池服務片區的邊坡綠地灌溉需水量，驅動再生水優化模塊開展高位水池間的再生水水量優化分配；平臺能夠根據未來短期的降雨預報數據預測各子匯水區的地表徑流量以及各個雨水調蓄池的來水量，并驅動雨水調蓄池優化模塊開展雨水調蓄池的聯合優化調度。

系統運行

大理海東健康水循環智能管理（調度）系統自上線運行以來，每天自動獲取海東新區未來3天的天氣預報數據，驅動模型體系開展計算，生成當天的再生水和雨水調度方案，指導一線操作人員開展調度操作，有效支撐了新區水資源的調度決策，發揮了良好的生態效益。相關建設和應用成果不但得到了業主單位大理海東開發管理委員會的高度認可，也受到了國家科技部、國家住建部、國家生態環境部、中國環境報、以及省、州等各級有關部門的廣泛關注與肯定。