成波 王培 李志军 李红清

摘 要：针对长江流域生态流量信息化管理水平较低的现状，利用全方位的数据感知、高性能的计算分析、全过程的应用服务和多形式的可视化展现等关键技术，探讨了长江流域生态流量管理服务平台的建设，为生态流量监督管理提供数据支撑与决策支持，对智慧水利建设和长江大保护具有实际意义。

关键词：生态流量;长江流域;管理服务平台;信息化

中圖法分类号：TV213.4;X143                              文献标志码：A

长江是我国重要的生态功能区，流域内生态系统类型多样，具有水源涵养、水土保持、生物多样性维护等重要功能[1]。长江也是我国重要的战略水源地，集洪水调蓄、供水、灌溉、航运等功能于一体，是支撑我国经济社会可持续发展的重要基础[2-3]。

党的十八大以来，习近平总书记高度重视长江流域生态环境的治理与保护，强调要把修复长江生态环境摆在压倒性位置，共抓大保护、不搞大开发，让母亲河永葆生机活力[4]。随着《中华人民共和国长江保护法》《四川省沱江流域水环境保护条例》《湖北省清江流域水生态环境保护条例》等法律法规的制定和颁布，以及《长江经济带生态环境保护规划》《长江保护修复攻坚战行动计划》《长江流域水生态环境保护与修复行动方案及三年行动计划（2018—2020年）》等文件相继印发实施，长江流域开展了大量生态环境保护修复工作，长江生态环境明显改善，但形势依然严峻，距离国家对生态文明建设和人民对优质水资源、健康水生态、宜居水环境的需求仍有差距[3，5-6]。水环境方面，目前长江流域水质状况总体良好，部分支流水质较差，湖泊水体富营养化程度整体较为严重[7-8];水生态方面，水库群建设和工程调水造成水生生境破碎化，鱼类资源数量减少，同时造成中下游湖泊、湿地面积大量萎缩，生物多样性降低[9-10];生态水量方面，局部河段水电开发建设密度大，引水式电站不能保障生态流量下泄，坝下河段出现减（脱）水现象[6，11]。

加强生态流量监督管理，保障河湖生态流量，对保护和改善长江流域生态环境具有重要意义，是关系到建设安澜、绿色、和谐、美丽长江的重大战略问题。

生态流量监督管理的成效关键在于管理服务平台的建设。现阶段，长江流域生态流量信息化管理水平较低，亟需开展长江流域生态流量管理服务平台的建设，形成完整的生态流量监测监控体系，为生态流量监督管理与突发事件应急响应提供数据与技术支持。

1  生态流量管理服务平台建设思路、目标与总架构

平台建设应用物联网、云计算、大数据等信息技术，实现长江流域生态流量全方位的数据感知、高性能的计算分析、全过程的应用服务和多形式的可视展现，为主管部门科学决策提供技术支撑。长江流域生态流量管理服务平台架构如图1所示，包括感知层、平台层、应用层和展现层。感知层是利用各种物联网观测技术实现长江流域生态流量监测监控全覆盖，为平台提供全面、可靠的数据支撑，是生态流量管理服务平台的基础;平台层是基于云计算技术建立的分布式数据存储中心，同时集成算法模型库对感知层获取的生态流量数据进行计算分析等处理，是生态流量管理服务平台高效运行的关键;应用服务层是平台的核心部分，从生态流量管控目标的确定、生态流量保障程度的评估、生态流量预警体系的构建和生态流量的调度调控四个方面实现生态流量全过程的管理;可视化展现层是以大屏显示系统、PC机和移动终端等多种形式为用户提供浏览和互操作，直观、清晰地反映出长江流域生态流量状况。

2  关键技术研究

2.1  全方位的数据感知

由于长江流域生态流量管理涉及范围广、工作量大，传统的水资源调查方法和动态监测技术耗时长、费用高[12]，难以满足其同步监测、及时性和自动化的需求，亟需从不同尺度构建全方位的数据感知，为生态流量管理服务提供有力支撑。

在小尺度上，以控制断面为基本单元建设在线监测设施，对控制断面的流量、水位等信息进行采集。生态流量控制断面分为两类：一类为重要水利水电工程坝下生态流量控制断面，即工程控制断面;一类为流域综合规划提出的生态基流控制断面，即规划控制断面。

2.1.1  工程控制断面监测

工程控制断面通常布设于建成的水库及水电站，用来监测工程运行调度过程中最小下泄流量的满足程度。工程控制断面的生态流量管控要求是在流域约束性指标的基础上，充分考虑工程下游河段生态、生活、景观等各类用水，综合确定工程最小下泄流量要求。

目前，工程控制断面建设的生态流量自动监测系统主要包括以下3种类型：①流量测量法，在生态流量专用泄放通道安装流量计，直接获取下泄流量值，典型的有锦屏二级水电站[13];②流速测量法，在监测断面上布设雷达流速仪探头，测量水流表面流速，利用流速仪比测率定断面水面流速系数，推求断面流量，如黄河玛尔挡水电站[14];③水位测量法，在监测断面建设水位自动监测设施，通过断面水位—流量关系将实时测定水位数据换算为实时流量，在金沙江鲁地拉水电站得到应用[13，15]。

2.1.2  规划控制断面监测

规划控制断面的生态流量管控要求是维持流域基本生态功能的底线，是水资源开发利用的约束性指标。规划控制断面一般位于已建水文测站处，利用水文测站的流量数据来分析其生态基流的保障程度。

在大尺度上，以河湖流域为单元，利用高分辨率遥感影像数据、无人机巡查，结合近地面相机和视频监测系统，实现对河湖流域生态流量的监测。通过定性、定量的评价方法，分析河湖流域整体的生态流量保障程度。

2.2  高性能的计算分析

考虑到生态流量监管数据分散、缺乏集成共享、数据综合运用水平较低且深度分析能力不足等问题，基于云计算技术将数据存储中心和算法模型库集成耦合化，实现生态流量高性能的计算分析。

2.2.1  数据存储中心

数据存储中心利用云计算技术实现生态流量数据的存储管理与更新。从控制断面到河湖流域的不同维度，从地方部门到流域机构的不同视角，在全流域内建设一体化的数据存储中心，推进资源信息整合，实现流域和区域间、行业和政府间、水利部门和环保部门间的数据共享，形成一套从上而下、一体化、全覆盖的管理体系。

2.2.2  算法模型库

算法模型库提供大量的处理算法和数学模型，用于生态流量的计算分析。在生态流量的管理服务过程中，将生态流量管控目标的确定算法（常见的包括Tennant法[16]、7Q10法[17]、R2-CROSS法[18]、湿周法[19]）、生态流量保障程度的评估算法（典型的有日平均流量达标率）、生态流量预警模型以及生态流量调度模型集成化，形成一个能够动态加载用户自定义算法的模型库。

2.3  全过程的应用服务

从生态流量管控目标的确定，到计算生态流量保障程度，同时构建生态流量预警体系，最后快速、准确地做出生态流量调度调控，实现全过程的应用服务（如图2所示），为长江流域生态流量監督管理提供强有力的技术支撑。其中，生态流量管控目标是基础，生态流量保障程度是支撑，生态流量预警体系是关键，生态流量调度调控是核心，各个环节彼此关联、相互约束，形成生态流量监督管理不断调整优化的全过程。

2.3.1  生态流量管控目标

生态流量管控目标的确定是生态流量监督管理的基本前提。为确定生态流量管控目标，政府管理部门出台了一系列技术导则和标准规范：2010年，水利部发布《河湖生态需水评估导则（试行）》（SL/Z

479—2010），为河湖生态需水量的评估提供指导;2014年，水利部发布《河湖生态环境需水计算规范》（SL/Z 712—2014），给出了河湖生态环境需水计算的规范要求;2016年，国家能源局发布《水电工程生态流量计算规范》（NB/T 35091—2016），目的是合理确定水电工程的下泄生态流量。同时，国内外学者也开展了大量研究工作，提出了许多生态需水的确定方法[20]，主要包括：①水文学法，利用历史水文数据给出最小生态流量的推荐值，典型的有Tennant法[16]、7Q10法[17];②水力学法，通过建立流量与河道的水力参数、形态参数间的关系来量化河道内生态需水，常用的包括R2-CROSS法[18]、湿周法[19];③生态水力学法，考虑河流水深、流速等水力生境参数及急流、缓流等水力形态参数评估河流生境状况，计算河流的水生生态基流[21];④生境模拟法，基于水生生物适宜生境栖息条件，构建流量与生境面积的响应关系，计算河流生态需水，如IFIM法[22-23]。

在充分收集调查流域内河流水文特征和生物多样性及其适宜生境特点的基础上，统筹考虑不同水期水资源禀赋条件、保护目标需求，兼顾协调上下游的可行性，选择适宜的方法科学确定生态流量管控要求。此外，各管理部门分别出台了与生态流量有关的标准规范、管理条例，给出了不同的确定方法和管理要求，导致不同部门对同一生态流量管控目标存在不一致的情况，需要平衡协调形成统一的管控要求，为生态流量的监督管理奠定基础。

2.3.2  生态流量保障程度

生态流量保障程度的评估是生态流量监督管理的重要支撑。从小尺度到大尺度，选取合适的评估因子，分析生态流量保障程度。

针对单一的控制断面，采用日平均流量达标率进行评价，即控制断面日平均流量达到生态流量管控目标的天数占评价时段总天数的百分比[24]：

针对全局的河流湖泊，通过解译多时相、高分辨率的遥感影像，提取丰水期、枯水期的水体信息，并划分丰枯水体覆盖率等级，从而评估河湖整体的生态流量保障程度[25]。

2.3.3  生态流量预警体系

生态流量预警体系的构建是生态流量监督管理的核心关键。综合水资源、水环境预警体系的研究现状[26-27]，长江流域生态流量预警体系的构建包括：①选取重点区域，筛选出生态环境敏感、生态功能重要且生态流量保障程度偏低的区域，并对这些区域进行重点防控;②确定预警指标，预警指标要能反映生态流量的状态变化，有效提高预警效率;③划分预警等级，合理划分预警等级，并设置各级别的上下限值，即可浮动的阈值范围;④建立预警模型，以生态流量在区域或流域尺度上的变化机制为基础，研究生态流量预警模型的建立。

合理设置生态流量预警级别及其对应阈值，建立生态流量预警模型并及时发布预警信息时，形成生态流量预警体系，从事后监管转变为事前预警，有效提升长江流域生态流量的实时预警能力。当突发事件发生预警提醒，重点围绕疑似断面或流域进行核查，快速调度监测数据，提供生态流量异常溯源功能，以便后续进行生态流量调度响应。

2.3.4  生态流量调度调控

生态流量调度调控是生态流量监督管理的有效举措。现阶段，从大型梯级水利工程到小水电站的生态流量调度调控，长江流域开展了大量实践工作来保障流域河湖生态需水。2011年以来，针对大型水利工程建设对鱼类自然繁殖带来的不利影响，在长江上中游和汉江持续开展了水库群梯级联合生态调度试验，以营造促进鱼类产卵繁殖的适宜生态流量过程[28-30]。2016年以来，为应对小水电生态环境突出问题对长江大保护的影响，水利部会同其他部委出台一系列文件，明确要求完善小水电站生态流量泄放设施，推动小水电站开展生态调度运行[31-33]。

早期的调度实践多是从水量调节、水质改善、泥沙调控和生态系统保护等方面构建单因子的生态调度模型，很难满足河流生态环境的动态需求[34-35]。现阶段，亟需建立多目标综合的生态调度模型，为生态流量调度调控提供技术支撑，实现河流生态系统质量和稳定性的提升。

2.4  多形式的可视化展现

为了使生态流量的变化趋势更直观、更容易被理解，有助于生态流量的监督管理，还需要满足与生态流量有关的可视化展现需求。可视化展现是平台为用户提供浏览和互操作的人机交互界面，通过大屏显示系统、PC机和移动终端等多种形式直观、清晰、流畅地反映出长江流域生态流量状况。除了水位、流量的远程实时监测和视频实时场景监控外，还需要具有数据统计分析模块，对各控制断面水位流量等数据提供展示、自动统计整编与导出功能[36]。

3  结语

生态流量监督管理的成效关键在于管理服务平台的建设。本文重点阐述了全方位的数据感知、高性能的计算分析、全过程的应用服务和多形式的可视展现等关键技术，实现从生态流量管控目标的确定、生态流量保障程度的评估、生态流量预警体系的构建到生态流量的调度调控的全过程监督管理。后续需要进一步在长江流域开展生态流量的监控布点，实现管理服务平台的构建，为长江流域生态流量监督管理提供信息化的技术支撑。

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Discussion on the Construction of Ecological Flow Management Service Platform in the Yangtze River Basin

CHENG Bo WANG Pei LI Zhijun Li Hongqing

（Changjiang Water Resources Protection Institute，Wuhan 430051，China）

Abstract：Strengthening the supervision and management of ecological flow and ensuring the ecological flow of rivers and lakes is of great significance to protecting and improving the ecological environment of the Yangtze River Basin. In view of the low level of information management of ecological flow in the Yangtze River Basin，this paper discussed the construction of ecological flow management service platform in the Yangtze River Basin from key technologies such as comprehensive data perception，high-performance computing analysis，full-process application services and multiple forms of visual presentation，and provided data and technical support for the supervision and management of ecological，，which is of practical significance to the construction of smart water conservancy and the protection of the Yangtze River.

Key words：ecological flow;Yangtze River Basin;management service platform;informatization

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