刘庆涛 ，蔡思宇 ，王 旖 ，沈红霞 ，王圆圆

（1．水利部信息中心，北京 100053； 2．中国水利水电科学研究院，北京 100044； 3．北京金水信息技术发展有限公司，北京 100053）

0 引言

生态流量是指为维系河流、湖泊等水生态系统的结构和功能，需要保留在河湖内符合水质要求的流量（水量、水位）及其过程[1]。现阶段河流生态流量保障不足问题日益凸显，受到社会各界的广泛关注[2-3]，保障生态流量不仅是建设幸福河湖的重要内容，更是推进生态文明建设的重要举措。加强河湖生态流量管控是维持和保障河湖健康的基础，事关河湖健康、生态文明建设和高质量发展[4]。

在河湖生态流量保障方面，国内外均进行了积极探索，积累了一定经验。国外探索如：澳大利亚政府实施了莫瑞达令盆地计划[5]，开始在大流域尺度开展生态流量监测管理工作，并采用贝叶斯预测模型对生态流量进行预测，取得较大成效；King[6]建议将生态流量监测纳入中央数据库，并逐渐提供查询服务；Eric 等[7]研发了德克萨斯州的生态流量信息管理系统，将来自学术界、流域机构等的可用数据集进行了整合，并实现了数据查询及展示的功能。与国外相比，国内生态流量研究起步较晚，目前，我国已初步建立河湖生态流量管理法律制度体系，并不断完善河湖生态流量管理规划和技术支撑，各地开展的实践探索积累了河湖生态流量保障实践经验。自 2019年8月水利部和生态环境部印发《关于加强长江经济带小水电站生态流量监管的通知》以来，部分省份开始陆续建立生态流量监测软件平台，自动接收监测断面的生态流量信息[8]。但目前我国生态流量监测系统研究仍相对较少[9]，且已有生态流量监测系统的监测范围有限，仅局限于部分河流及水电站[10-11]，缺少针对全国重点河湖控制断面生态流量的监测预警系统，不利于对全国河湖生态流量现状的宏观掌控。此外，以往管理部门对生态流量断面考核主要以流域统计汇集水位、流量整编数据为考核依据，以月尺度整编数据不能保证生态流量断面考核的时效性，对后续预警的时效性难以保证。因此，亟须建立覆盖全国重点河湖的生态流量实时监测预警系统，实现全国重点河湖控制断面的生态流量实时监测数据的收集、整合及预警，并对重点河湖生态流量达标状况进行评估，精准掌控各断面的生态流量状况。

为加强河湖生态流量水量管理，推进水生态文明建设，水利部组织各流域管理机构、有关省（自治区、直辖市）人民政府水行政主管部门，先后制定了第 1 和 2 批 90 条（个）重点河湖共计 166 个断面的生态流量保证目标[12]。本研究主要以 2 个批次的 166 个重点河湖生态流量控制断面为研究对象，设计及研发全国重点河湖控制断面生态流量监测预警系统（以下简称生态流量监测预警系统），完善监测数据采集与整合手段。

1 生态流量监测预警系统设计

1.1 建设目标及原则

生态流量监测预警系统的建设目标是：实现对生态流量断面的基础信息、监测数据、指标值及告警等的综合展示，并对生态流量达标情况进行判别，为重点河湖生态流量管控提供信息支撑。

生态流量监测预警系统构建主要遵循以下原则：

1）数据融合原则。实现雨水情监测数据信息、水利部国家水资源监控管理信息平台（以下简称国控平台）监测数据、水利部一张图服务及管理信息 4 类数据的融合。

2）需求牵引原则。生态流量监测预警系统建设需要满足水文水资源监测、监管及调度等部门对生态流量监测监管的需要。

3）适用性及松耦合原则。保证生态流量监测预警系统具有良好的适用性，且面向接口开发，使得生态流量监测预警系统与国控平台顺利集成。

1.2 总体架构

生态流量监测预警系统主要通过数据集成、交换等手段整合现有实时雨水情水位和流量等数据，对各断面生态流量进行展示与告警，技术架构、支撑组件及运行环境均沿用现有国控平台已有成果，并将功能界面集成到国控平台服务系统中。生态流量监测预警系统具体结构如图 1 所示，分为数据层、系统层及服务层，主要依托国控平台、一张图服务及相关管理信息，通过数据摄取管控组件从雨水情数据库中提取数据，并进行整合与存储，可为水文水资源监测、监管及水资源调度提供信息支撑。

1.3 功能设计

生态流量监测预警系统作为重点河湖生态流量监管的数据基础和功能支撑，主要提供数据的采集、整合存储及展示等功能，具体功能如下：

1）将 166 个重点监测断面数据纳入监测系统，开发部署数据接收平台，通过数据交换模块，实现对现有多种监测设备水位和流速等异构数据的自动读取、接收、前置处理。

2）定义统一的数据格式和数据库，支持自动和人工导入方式，集中进行存储、入库。

3）实现成果集中展示、查询，以及对设定生态流量进行预警等功能。展示功能可以分为以下 3 种：a．断面生态监测综合展示。可以通过 GIS 地图展示全国生态断面的水位及流量监测站群分布、流域生态流量监测情况等，并采用不同的图标或颜色设计区分监测、预警状态等，综合展示界面如图 2 所示。b．断面生态监测主题展示。主要以 1 个指定的生态断面为主题，从断面基本信息、生态流量指标值、监测统计情况、实时监测信息、成因分析、流量预测等角度展示此断面的详细情况，并实现特定时间段内监测信息的查询、数据导出等功能。c．其他监测数据的接入展示。包括省界及分配方案控制等断面数据的接入展示。

图2 生态流量监测综合展示

2 生态流量监测预警系统开发及应用

2.1 系统开发

为实现与国控平台的完整兼容，生态流量监测预警系统采用与国控平台一致的技术架构，并针对功能、数据上的特殊要求，对开发技术组件进行扩充，扩充后主要技术组件构成如图 3 所示。

图3 生态流量监测预警系统开发技术组件构成

2.2 数据集成及处理

生态流量监测数据主要来源于水利部实时雨水情数据库，采用 ETL 程序每日定时抽取并依据 SL 323—2011《实时雨水情数据库表结构与标识符》，SZY 301—2017《基础数据库表结构及标识符》和 SZY 302—2013《监测数据库表结构及标识符》进行扩展设计，整合双方数据库格式标准，将数据统一存储于国控平台数据库中。

具体数据内容包括：

1）基础数据。基础数据包括河流、流域、断面、水文测站的基础信息，以及生态流量控制目标等。

2）监测数据。监测数据包括河流水情（水位、流量）、湖库水情（库上水位、入库流量、出库流量、蓄水量）、河流水情均值（日均水位、流量）、湖库水情均值（日均库上水位、入库和出库流量）。

3）空间数据。空间数据包括基础要素、流域、河流、断面、测站等空间数据。

4）指标值及阈值。指标值根据《第一批重点河湖生态流量保障目标》（水资管函〔2020〕43 号）和《第二批重点河湖生态流量保障目标（试行）》（水资管〔2020〕285 号）中确定的 166 个断面的生态流量目标确定。阈值根据《河湖生态流量监测预警技术指南（试行）》（办水文〔2021〕138 号）中对生态流量预警响应性监测规定确定，具体预警阈值等级划分如表 1 所示。

表1 预警阈值等级划分

生态流量监测预警系统主要采用 3 级预警模式，为突出预警等级，将中间级预警颜色由黄色替换为橙色，同时将正常情况设置为绿色。

生态流量监测预警系统需要大量水文水资源数据作为支撑，由于数据获取渠道不同、监测系统存在误差等原因，数据测量精度及质量存在差别，需进行数据检验及整编，剔除异常值，异常值分析采用均方差及箱式图分析方法。此外，由于测站变迁、入流条件改变等，存在水文系列较短或者监测不全等情况[13]，因此利用拉格朗日法对数据进行插补延长。

2.3 系统应用

2.3.1 情况统计

按照 2 批重点河湖生态流量保障目标，全国应监测 90 条（个）重点河湖的 166 个断面，截至 2021年8月，生态流量监测预警系统已经实现 104 个监测断面的生态流量在线监测，占比为 62.7%。未接入国控平台系统的断面有 62 个，包括松花江区 8 个，辽河区 8 个，海河区 6 个，黄河区 4 个，淮河区10 个，长江区 20 个，东南区 3 个，珠江区 3 个。

2021年6月全国共计监测 3 185 次（监测次数 =监测站数×监测天数），其中：满足生态基流控制指标的监测次数共计 3 063 次，占比为 96.2%，比 5月同期增加 1.9%；未满足生态基流控制指标的监测次数为 122 次，分别为辽河区 4 次，黄河区 17 次，淮河区 1 次，长江区 46 次，东南诸河区 1 次，珠江区 53 次。

2.3.2 应用分析

以珠江流域东江干流的龙川断面为例进行应用分析：

1）断面生态流量监测。自 2021年1月1日始，截至 8月4日，龙川断面流量正常测量天数为196 d，预警天数（橙色及红色预警）为 18 d，超标天数为 2 d，整体差于 2020年同期。

自 2021年6月以来，65 d 内龙川断面红色预警天数为 2 d，橙色预警天数为 1 d，蓝色预警天数为 11 d，总计 14 d，各类预警总天数占比达到 21.5%，各预警情况均差于 2020年同期。6月以来龙川断面流量过程线如图 4 所示。2021年8月3日龙川断面日均流量为 95.96 m3/s，远高于该控制断面生态基流目标值 35 m3/s，达到该断面生态基流保障控制要求。

图4 龙川断面流量过程线

2）断面生态成因分析。生态流量监测预警系统可对断面生态成因进行分析，主要包括相关断面的区间取用水、降水等的展示与分析。

东江干流上游地表水取用水量统计情况如图 5 所示，通过分析可知：2021年以来，东江上游秋香江口以上区域地表水取用水总量为 2.77 亿 m3，比 2020年同期下降 34.5%；自 6月起，地表水取用水量开始大幅增加，7月地表水取用水量高达 6 596.52 万 m3，大量取用地表水加剧了该流域河流的生态流量保障所面临的严峻形势。

图5 取用水统计情况

龙川断面降水情况如图 6 所示，通过分析可知：2021年1—7月降水总量为 595.5 mm，比 2020年同期减少 32.3%；各月降水量呈现波动中上升，6月降水达到最高，为 162.5 mm，但相对 2020年同期整体较少。由于 2021年降水较 2020年偏少，河流天然来水也较少，因此不利于河流生态流量的保障。

图6 降水情况

综合珠江流域取用水量及降水情况，取用水量的增加及天然来水减少，对河流生态流量保障造成了不利影响。

3）断面流量预报。对断面流量过程进行预报可为相关管理及调度部门提供参考，从而及时做出响应。龙川断面流量预报过程线如图 7 所示，预计该断面未来生态流量呈先增后减趋势，但整体超过该断面生态流量保障目标，生态流量可以得到保障，无需采取特别措施。

图7 龙川断面未来 7 d 生态流量预报过程线

3 结语

本研究设计和研发了全国重点河湖控制断面生态流量监测预警系统，实现了对断面生态流量的监测及预警等功能，并以龙川断面为例，对生态流量监测预警系统的实际应用进行了详细介绍。生态流量监测预警系统有利于水利相关部门有效掌握全国河湖生态流量状态，对生态流量监管具有重要意义。

为加强生态流量监测预警工作，建议今后在以下方面进行完善：

1）进一步完善生态流量监测站网，加强监测站网建设，尤其是跨行政区界的市界、县界站点，保证到 2022年实现 477 条重点河湖生态流量目标确定[14]，2025年保证重点河湖生态流量达标率达到90% 以上[15]；此外，各流域组织流域片内生态流量断面实时监测数据，应及时与水情信息交换系统进行汇交。

2）提高生态流量监测现代化水平，加强跨界和生态流量管控等断面的基础设施建设和改造，提高水位、流量等测报自动化水平，提升新技术、新仪器推广应用力度，提高流量测验精度。

3）建立健全生态流量不达标断面的通报机制，各单位要依托全国统一的生态流量监测管理平台，进一步加强水资源监测，提高信息报送质量和时效，做好水资源监测与分析评价的各类信息通报编制的保障工作。

4）除水位、流量等传统水文监测要素外，未来生态流量监测系统还应根据生态保护对象的特定需求，纳入水质、水生态、水生生物生境等监测，进一步完善生态流量监测系统。