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首先生態(tài)流域的理念，生態(tài)流域的提出主要是基于因為水是生態(tài)系統(tǒng)的控制性要素，在整個地球的路面上，路生生態(tài)、水生生態(tài)，只有四類基本的生態(tài)類型，分別是濕地、森林、草原、荒漠，那么水對最多的時候體現(xiàn)為濕地、湖泊、河流，水少了以后變成了森林，森林被水分脅迫就退化為草原，草原被水脅迫，就退化為荒漠，反過來也是一樣，沙漠也好，戈壁也好，不斷地增加供水可以正向演化為草地、森林、濕地，所以說在地球陸地上，不管緯度高低生態(tài)系統(tǒng)第一控制要素是水分，其次是溫度。
舉一個具體的例子，人、水和生態(tài)三者之間的關(guān)系。甘肅省有一個河西走廊，1200多km長，東口有一個河叫石羊河(見圖1)，在仰韶文化的時期，8500年到10000年前的時候，是一個特別大的湖泊，體現(xiàn)為濕地生態(tài)系統(tǒng)，這個湖泊有多大呢?今天的鄱陽湖，現(xiàn)在是2600km2的水面，最高水位的時候，鄱陽湖可以達到4000km2水面，甘肅10000年前的潴野澤到1600km2的水面，水深25m，隨著到西漢的時候有7萬人，唐初的20萬人，唐末40萬人，這時候由于人多了,從濕地大量的飲水灌溉，干旱區(qū)水分蒸發(fā)不再退回到湖里，水分越來越少，到唐初唐末時已經(jīng)變成了森林生態(tài)系統(tǒng)，到了明清時候這個地方增加了100萬人，人多了，干擾了改變了流域水循環(huán)的時空分布，水分的減少脅迫生態(tài)退化，從唐代的森林生態(tài)退化為明清的草原生態(tài)，那么到現(xiàn)在有200萬人，又進一步退化成了荒漠生態(tài)。以至于現(xiàn)在這個地方最后一個湖100km2水面的青土湖，也完全干了，干了以后200萬人要吃飯，要引地下水灌溉，地下水位從1m、2m、30m降到280m，人也活不下去了，現(xiàn)在要生態(tài)移民，要移走40萬人。
這個例子說明人、水、生態(tài)三者之間的關(guān)系，也就是建設(shè)生態(tài)流域、保護綠水青山的初衷。人多了用水，改變了水循環(huán)，改變了水分的時空分布，水分的減少脅迫生態(tài)系統(tǒng)退化，然后減低了承載力反過來威脅人類自身的安全，我們要像愛護眼睛一樣保護生態(tài)和環(huán)境，這個例子不僅是中國有，同時在東亞咸海也是這樣的情況，咸海有6.6萬km2的大淡水湖，短短的38年它是前蘇聯(lián)的一個最主要的農(nóng)副產(chǎn)品的基地，百分之七八十的糧食、棉花、肉類、蔬菜、糖都在咸海流域生產(chǎn)，38年6.6萬km2的咸海只剩一個水底子，專家預(yù)測再有15年，這個速度用下去的，咸海就干涸。就跟羅布泊一樣，羅布泊5000年以前，也有5000km2的水面，所以這一代都是人、水、生態(tài)之間的關(guān)系要協(xié)調(diào)，那么生態(tài)流域的提出，主要是取決于各種水問題的癥結(jié)，無論表現(xiàn)形成如何，都可以歸結(jié)為流域水循環(huán)分項過程，或者伴生過程所導致的失衡的問題，像洪澇事件氣侯變化下自然水循環(huán)演變的失衡，缺水問題是因為自然水循環(huán)和社會水循環(huán)二者之間越來越不協(xié)調(diào)，水污染問題是因為伴隨水循環(huán)水化學過程演變失衡，生態(tài)問題是和水循環(huán)伴生的生態(tài)過程的演變失衡。所以生態(tài)流域的提出是解決人、水協(xié)調(diào)的問題，解決水問題的根本對策，需要充分發(fā)揮流域自然調(diào)節(jié)能力，整體提升流域綜合調(diào)節(jié)性能，以應(yīng)對水循環(huán)機制化的態(tài)勢，需要建設(shè)全流域的綜合服務(wù)功能，保衛(wèi)山水林田湖草生命共同體，讓自然水循環(huán)和社會水循環(huán)越來越協(xié)調(diào)，越來越匹配，需要進行水循環(huán)的過程，水生態(tài)的過程、水化學過程和水沙過程，多過程的耦合調(diào)控，以應(yīng)對不同水問題的交織和疊加。
那么生態(tài)流域建設(shè)的科學內(nèi)涵是什么呢?就是要實現(xiàn)一系列良性的循環(huán)，科學內(nèi)涵概括為3句話，第一是極值性洪澇的海綿化，第二就是水質(zhì)黑臭清潔化，第三雨水的資源化利用。首先是洪澇的海綿化，洪澇的資源屬性，大量降雨徑流難以排除，導致泛濫和積水，社會屬性是洪澇對生產(chǎn)生活產(chǎn)生影響而致災(zāi)，因此要減少洪澇災(zāi)害的影響，核心就是盡可能的延緩洪峰的極值，減少澇水，本質(zhì)是減少由洪水蓄積給人類帶來的損失，黑臭清潔化主要是水污染的來源，有農(nóng)業(yè)污染、大氣干濕沉降、初雨的沖刷、河流制管網(wǎng)的溢流，這些新的突出的污染，再加上的生活污水、工業(yè)廢水，這些點源污染，中國的水污染水生態(tài)惡化的現(xiàn)象，是比較嚴重的，減少水污染修復水生態(tài)，是生態(tài)流域科學內(nèi)涵第二個重要的方面。第三是雨水的資源化，因為有的國家和中國的南方地區(qū)這個問題不突出，但是對中國的廣大北方地區(qū)還是很突出的，我國是聯(lián)合國在正式報告提到的世界上13個缺水國家之一。第二個是用人均水資源量比較，由高到低，中國排121很靠后的，世界上7350m3/(人˙年)水資源，北京才有多少呢?北京在南水北調(diào)中線通水以前，人均才97m3/(人˙年)，通水后才145m3/(人˙年)，世界上73億人，每人7350m3/(人˙年)，像以色列缺水嚴重的國家還有280m3/(人˙年)，為了水戰(zhàn)爭了2000多年，最近70年的6次中東戰(zhàn)爭，人均280m3為了控制格蘭高低北部的水源地，全國北水南調(diào)的地下水管網(wǎng)系統(tǒng)，把格蘭高低的水送到全國，送到南邊的沙漠邊上，種高附加值的農(nóng)業(yè)，280m3/(人˙年)的水還發(fā)生戰(zhàn)爭，所以中國的雨水資源化，對廣大的北方地區(qū)很重要，中國的北方的淮河流域、黃河流域、海河流域、遼河流域、松花江流域、內(nèi)陸河流域，6個流域國土占全國64%，但是水只占全國的19%，最近20年的氣候變化，從19%動態(tài)降到16%，所以雨水的資源化也是生態(tài)領(lǐng)域第三個科學內(nèi)涵。
那么生態(tài)流域從頂層設(shè)計來說，有8個方面的問題：首先是水安全問題，即防洪抗旱、除澇解決老百姓基本生存的問題。第二水資源供需平衡，安全供水水源地的保護，健全的城市管保合格的自來水的標準。第三水環(huán)境包括咱們的城市排水、污水處理廠再生管網(wǎng)黑臭水體治理、水質(zhì)的提升。第四水生態(tài)，水里面微生物系統(tǒng)、織物系統(tǒng)、動物系統(tǒng)三大系統(tǒng)相互依存，相互制約形成生生不息的動態(tài)平衡的系統(tǒng)。第五水邊景觀，水邊給老百姓創(chuàng)造一個優(yōu)美場所，給城市加一抹綠色。第六水文化，古代有上善若水，現(xiàn)在有綠水青山，把全民養(yǎng)成節(jié)約水、珍惜水、保護水的意識。第七水管理，把過去數(shù)字水務(wù)變成智慧水務(wù)，把防洪、給排水、黑臭河和水土保持等的管理搞好。第八水經(jīng)濟、水產(chǎn)業(yè)，就像巴黎塞納河兩岸1991年被評為聯(lián)合國文化遺產(chǎn)，埃菲爾鐵塔、盧浮宮兩邊的游客，把水邊打造成咱們城市的櫥窗，城市的高地，人才高地、產(chǎn)業(yè)高地，通過這8個層次建設(shè)成一個生態(tài)流域，使我國國土大幅度的升值。
任何一個流域都是有三類基本斑塊，整個陸地是水系的單元稱為流域，任何一個流域，不管是一級流域還是八級流域，無非是三類斑塊，一類是山水林草濕地等自然斑塊，一類是農(nóng)田、水澆地、旱地農(nóng)田斑塊，再有一類就是城市斑塊，土地利用類型分類有70多類，但是具體概括起來，任何一個流域都有三類，農(nóng)田斑塊、城市斑塊加自然斑塊，那么自然斑塊里面都是自然水循環(huán)，農(nóng)田斑塊和社會斑塊除了原有的自然水循環(huán)以外，還有一套管網(wǎng)系統(tǒng)，農(nóng)村還有一套渠系系統(tǒng)，這就是社會水循環(huán)，農(nóng)田斑塊和城市斑塊里面情況更為復雜，既有河湖的自然水循環(huán)，又有管網(wǎng)的人工水循環(huán)，兩個循環(huán)疊加問題更加復雜，作為生態(tài)流域治理體系來說，自然斑塊需要分散徑流，坦化洪峰，增加地下水的下滲進化水質(zhì)等，農(nóng)田斑塊就要減少坡面漫流，減少化肥農(nóng)藥隨著灌溉排水帶來河流的水污染，保水蓄水把更多的降水轉(zhuǎn)成有效的蒸發(fā)，減少無效的蒸發(fā)，城市斑塊治理城市河流，做好海綿城市，把緩釋慢排、凈化、滲滯蓄凈用排這些事情做好，這就是三大斑塊都治理好，生態(tài)流域就迎刃而解了。
生態(tài)流域要充分吸收經(jīng)驗，見圖2，例如北京做清潔小流域，過去大寨子的經(jīng)驗，建設(shè)海綿田，在半干旱區(qū)，盡可能轉(zhuǎn)化雨水資源，最近5年住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部大力推行的海綿城市，這些都是要以流域面為基本單元進行調(diào)控，任何一個單元從頂層到底層分成11層。在信息化和人工智能大發(fā)展的時代，智慧水務(wù)怎樣助力生態(tài)流域的建設(shè)?
智慧水務(wù)的目標是充分利用新一帶的信息技術(shù)，深入挖掘和廣泛運用水務(wù)信息資源，通過水務(wù)信息的采集、傳輸、存儲、處理服務(wù)，全面提升水務(wù)管理的效率和效益，智慧水務(wù)的5個特征是智慧水務(wù)更全面的感知，更主動的服務(wù)，更科學的決策，更主動的控制，更及時的應(yīng)對。
那么更全面的感知不僅要立足于自來水廠本身，不光粗格柵、細格柵、氣浮、沉淀、沙濾、碳濾、加藥等，而是要從自然水循環(huán)、社會水循環(huán)的構(gòu)架下不斷地增加工程積木。自然水循環(huán)有四大過程：大氣過程、地表過程、土壤過程、地下過程;社會水循環(huán)從取水到治水到自來水管網(wǎng)到用戶終端，再到用戶的排水，到污水處理廠，污水處理以后，再生水廠的提升，再生水的分配，再利用，所以從自然水循環(huán)，社會水循環(huán)，二元水循環(huán)的角度，全面考慮自己的單位在整個構(gòu)架里面的作用。對自然水循環(huán)來說，調(diào)控的要點是減少極值性，如植樹造林，每增加1%的概率就可以減少7%~8%的洪峰流量，提高1%~2%枯水流量，但也要損失1%左右的水資源總量就是要淡化過程，同時加強和生產(chǎn)力布局的匹配性，這是自然水循環(huán)的調(diào)控。
社會水循環(huán)的調(diào)控主要圍繞兩點，一是更高效的用水，盡量少用自然水循環(huán)里面取得水平，高效利用、循環(huán)利用，一水多用、分治利用，從而少從自然水循環(huán)取水，把更多的水留給自然，留給生態(tài)，人類社會自律式的發(fā)展，另外一個方面就是用水后排水污染，所以減少向自然水循環(huán)里面排放人工污染，這就是社會水循環(huán)總體調(diào)控的兩個要點，自來水廠、污水處理廠都是奔著這個目標來營造水生態(tài)文明建設(shè)。
更主動的服務(wù)，過去模型、公式都是人指令它做什么，今后系統(tǒng)要主動地提醒人，主動地推送，更主動地服務(wù)，而不是被動接受人的指令。更科學的決策包括這個智能的感知、仿真、診斷、預(yù)警、調(diào)度、處理、控制，智能化也包括兩個方面，一是傳統(tǒng)的教科書上的公式模型做出一套推斷，這些人的知識交給機器，另外一方面要大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)，搞人工智能沒有樣本這樣逐步的自學習，讓自己發(fā)現(xiàn)知識挖掘知識，通過大數(shù)據(jù)和傳統(tǒng)模型互相交驗互相把關(guān)，使決策更客觀更科學，見圖3。
模型系統(tǒng)做流域，智能診斷，但現(xiàn)在有的系統(tǒng)都事后向決策者報告，今后的系統(tǒng)是要提前量、早預(yù)知、早預(yù)警，這樣的系統(tǒng)更高級，主動發(fā)現(xiàn)問題智能診斷。
智能預(yù)報包括對自然水循環(huán)和社會水循環(huán)的各要素，從短期、臨近期逐漸向中期長期做一些預(yù)測和展望，屬性除了傳統(tǒng)的水量和水質(zhì)以外，要增加效率、各種微生物重金屬這方面的內(nèi)容。
智慧水務(wù)的核心引擎，見圖4，基于自然社會二元水循環(huán)的動態(tài)范式構(gòu)建流域二元水循環(huán)及時伴生的過程綜合模型，通過尺度的轉(zhuǎn)換和耦合集成實現(xiàn)對流域二元水循環(huán)及其伴生的水環(huán)境、水生態(tài)三大系統(tǒng)全方位的耦合模擬。
智慧水務(wù)的目標是要突破傳統(tǒng)的模式，體現(xiàn)現(xiàn)在水工業(yè)的風范，建立具有高展示度，高集成性高智慧化的綜合平臺，形成水務(wù)數(shù)據(jù)、水工業(yè)數(shù)據(jù)中心，展示中心、監(jiān)控中心、調(diào)度中心和管理中心，見圖5。
管理主要基于全流域、全區(qū)域、全城市、全項目區(qū)的管理，信息全掌握，展示也要立體，基于GIS、精密地形的基礎(chǔ)上，調(diào)配是一個全過程，不是拘泥于一個環(huán)境，一個側(cè)面，預(yù)警也對遠期、中期、臨期當前期這些進行全方位的預(yù)警，控制要全自動，輸出也要全方位，既有向社會老百姓公布的信息，也有向青少年做科普信息，也有向決策者做建議方案的信息，也專業(yè)人員提供的信息，不同用戶信息會給出不同的推送。
這是智慧水務(wù)的架構(gòu)，從感知—網(wǎng)絡(luò)層—應(yīng)用—決策—反饋—評估—后評估的功能總體架構(gòu)，是水循環(huán)的全過程立體檢測系統(tǒng)，空、天、地、網(wǎng)(見圖6)。舉個例子，城市大馬路上不起眼的井蓋，現(xiàn)在有很多人研究，為什么呢?井蓋處于地面和地下的交界面，向下可以感知地下管網(wǎng)，看暴雨的時候河流制的溢流情況，噴出的水柱多高，水質(zhì)怎么樣。向上，地面上下雨時候可以看積水時間和深度，幾十個井蓋可以測積水范圍。最小的城市也有一萬個井蓋，所以這樣就形成了大數(shù)據(jù)，把地面、地下信息交互，立體感知系統(tǒng)要結(jié)合自己的工作，將井下水位、路面積水等設(shè)備集成在井蓋中，這是智能井蓋的工作。
自動控制體系、工業(yè)互聯(lián)的理念和智慧水務(wù)的架構(gòu)，制造工廠完全是自控，從激光精度的加工到零件的運輸裝配，到貨架的自動提取，到運輸車輛的無人導航，這就是未來制造業(yè)，向智能化方面發(fā)展，主動創(chuàng)新把工業(yè)互聯(lián)理念和智慧水務(wù)架構(gòu)結(jié)合起來。最后，智慧水務(wù)建設(shè)的成果體現(xiàn)在6個“一”上，“一張網(wǎng)，一張圖、一中心，一平臺，一本帳，一標準”，具體就是統(tǒng)一，不要形成數(shù)據(jù)孤島、信息孤島，不要形成互相矛盾的信息，有一個內(nèi)核引擎的大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，關(guān)聯(lián)出來的大數(shù)據(jù)，互相協(xié)調(diào)和互相補充。