流域水資源實時監(jiān)控管理系統(tǒng)研究

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【摘要】根據(jù)我國流域水文水資源特點和供用水特征，基于目前流域所面臨的水資源短缺和污染問題，需要研究和開發(fā)流域水資源實時監(jiān)控管理系統(tǒng)。其重點應(yīng)放在現(xiàn)有監(jiān)測站點的調(diào)整與完善，水庫運行規(guī)則、技術(shù)參數(shù)的校核與調(diào)整，洪水資源調(diào)控與地下水人工回灌，污水處理回用與生態(tài)環(huán)境需水量，防洪與興利統(tǒng)一調(diào)度，地表水與地下水資源聯(lián)合運用管理等技術(shù)研究，以及水資源實時調(diào)度管理方案付諸實施后效益與風險分析、系統(tǒng)的標準化等方面。

【關(guān)鍵詞】水資源 實時監(jiān)測 實時評價 實時預(yù)報 實時管理 實時調(diào)度

1概況

由于我國獨特的自然地理條件和復(fù)雜的水文水資源特點，決定了我國的水資源問題比較復(fù)雜，雖然各流域經(jīng)過四、五十年大規(guī)模的水利工程建設(shè)，取得了巨大成就，但水資源短缺和污染問題，不僅沒有得到根本性的解決，還有日益嚴峻的趨勢。為了更有效地解決或緩解所面臨的“水少、水臟”問題，需要深入地分析現(xiàn)狀下墊面條件下的流域水循環(huán)規(guī)律和地表水與地下水之間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系，通過研究流域水資源實時監(jiān)控管理的基礎(chǔ)理論和技術(shù)方法，開發(fā)和建設(shè)流域水資源實時監(jiān)控管理系統(tǒng)，以充分利用和挖掘現(xiàn)有水利工程的內(nèi)部潛力與整體綜合優(yōu)勢，確保流域水資源的合理開發(fā)和高效利用，有力地支持社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。

2系統(tǒng)的構(gòu)成與技術(shù)關(guān)鍵

研制流域水資源實時監(jiān)控管理系統(tǒng)的主要目的是，以水利信息化促進水利現(xiàn)代化，以水利現(xiàn)代化保障水資源的可持續(xù)利用，并以水資源的可持續(xù)利用來支撐社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。該系統(tǒng)是以水資源實時監(jiān)測系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以現(xiàn)代通信和計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為手段，以水資源優(yōu)化調(diào)度和地表水、地下水、污水處理回用、海水（微咸水）及外調(diào)水的聯(lián)合高效利用為核心，追求節(jié)水、防污、提高水資源利用效率和最終實現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用為目標，通過水資源信息的實時采集、傳輸、模型分析，及時提供水資源決策方案，并快速給出方案實施情況的后評估結(jié)果等，以確保實現(xiàn)水資源的統(tǒng)一、動態(tài)和科學(xué)管理，做到防洪與興利、地表水與地下水、當?shù)厮c外調(diào)水、水質(zhì)與水量、優(yōu)質(zhì)水與劣質(zhì)水之間聯(lián)合調(diào)度與管理，確保水資源與社會經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境之間的協(xié)調(diào)發(fā)展，以支撐社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。

流域水資源實時監(jiān)控管理系統(tǒng)是一種動態(tài)的交互式計算機輔助決策系統(tǒng)，由水資源實時監(jiān)測、實時評價、實時預(yù)報、實時管理、實時調(diào)度、決策會商、控制和后評估子系統(tǒng)所組成，是基于可持續(xù)發(fā)展的思想，根據(jù)現(xiàn)代水文水資源科學(xué)的有關(guān)理論，利用當代先進的系統(tǒng)分析、人工智能、計算機、多媒體及網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，通過有關(guān)專業(yè)模型計算、分析和知識推理、判斷等，為決策者提供流域水資源實時管理、調(diào)度方案，并允許決策者或?qū)＜腋鶕?jù)自己的智慧、知識、經(jīng)驗、偏好和決策風格等進行定性分析與判斷，直接干預(yù)方案生成及評價整個決策過程。

根據(jù)流域水文水資源特點和供用水特征，基于目前流域所面臨的水資源短缺和水環(huán)境惡化問題，研究和開發(fā)流域水資源實時監(jiān)控管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)的技術(shù)關(guān)鍵主要包括：

（1）水資源監(jiān)測網(wǎng)的調(diào)整和完善，河流納污能力及其環(huán)境容量，水庫或水庫群運行規(guī)則、技術(shù)參數(shù)的校核與調(diào)整，洪水資源調(diào)控、污水處理回用與地下水人工回灌，污水總量控制與生態(tài)環(huán)境需水量，防洪與興利統(tǒng)一調(diào)度，地表水與地下水資源聯(lián)合運用管理等研究，以及水資源實時調(diào)度管理方案付諸實施后效益與風險分析、系統(tǒng)的標準化等。

（2）該系統(tǒng)由龐大而復(fù)雜的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、模型數(shù)據(jù)庫、結(jié)果數(shù)據(jù)庫、專業(yè)模型庫和知識庫等組成。其特點是系統(tǒng)規(guī)模龐大、處理的數(shù)據(jù)信息量大，模型運算復(fù)雜以及數(shù)據(jù)傳輸接口多，如何實現(xiàn)信息存儲、加工、傳輸?shù)膶I(yè)化管理，是一個技術(shù)難點。流域的水價政策及水權(quán)分配問題，也是影響流域水資源合理開發(fā)和高效利用以及實時、統(tǒng)一管理的關(guān)鍵。

（3）如何建立和完善與現(xiàn)代水資源管理要求相適應(yīng)的組織機構(gòu)和高效、精干的執(zhí)法隊伍，以及如何制定科學(xué)的流域水資源管理規(guī)章制度、有關(guān)政策和法規(guī)條例等，以保障流域水資源實時管理、調(diào)度方案的付諸實施，指導(dǎo)流域水資源開發(fā)利用和保護。

3系統(tǒng)的主要功能

流域水資源實時監(jiān)控管理系統(tǒng)的主要功能包括：水資源（及水質(zhì)）的實時監(jiān)測、評價、預(yù)報和決策支持（實時預(yù)報、管理及調(diào)度）以及控制、后評估等（如圖1）。

圖1 流域水資源實時監(jiān)控管理系統(tǒng)的功能框圖

3.1水資源實時監(jiān)測

水資源實時監(jiān)測內(nèi)容主要包括水情、水質(zhì)、旱情以及其他信息等。在現(xiàn)有監(jiān)測站網(wǎng)的基礎(chǔ)上，建立和完善統(tǒng)一的水資源（包括大氣降水、地表水、土壤水與地下水）動態(tài)監(jiān)測（站點）網(wǎng)或監(jiān)測系統(tǒng)（包括雨量、蒸發(fā)、徑流、水位、水質(zhì)、水溫、墑情等監(jiān)測站點），以及各取水口取水量、開采機井抽水量等監(jiān)測網(wǎng)，各監(jiān)測網(wǎng)或系統(tǒng)之間互通有無、資料共享，為水資源的合理開發(fā)、高效利用和有效保護及時快速、準確地提供完備的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)資料。

（1）雨量觀測。目前采用的雨量觀測手段主要是普通自記和人工觀測，為了達到實時監(jiān)測的目的，需要適時更新現(xiàn)有的觀測設(shè)備，裝配翻斗式雨量計并配備固態(tài)存儲器等，使雨量觀測工作方式更新為無人值守，有人看護的觀測方式，實現(xiàn)雨量信息的自動采集及傳遞。

（2）水位觀測。水位觀測分為地表水和地下水兩種，地表水多指河流水位和水庫水位等，而地下水就單指地下水位。

①對于基本水尺在橋梁上（或附近有公路橋）的水位觀測，特別是含沙量較大的站，建議采用氣介質(zhì)超聲波水位計，再采用有線或無線方式將水位信息傳輸?shù)秸痉俊?/p>

②對于山區(qū)性河流，或斷面穩(wěn)定，含沙量較小的水位觀測，采用測井式水位觀測，裝配浮子式或壓力式水位計，通過有線或無線方式將水位信息傳輸?shù)秸痉俊?/p>

③水庫站一般有自記井，只對其重新裝配浮子式或壓力式水位計，通過有線或無線方式將水位信息傳輸?shù)秸痉?/p>

④地下水位監(jiān)測目前主要分為手工測繩和自動監(jiān)測儀兩種。自動監(jiān)測儀主要通過固態(tài)存儲、電話網(wǎng)傳輸、手機網(wǎng)傳輸和電臺傳輸?shù)确绞綄崟r監(jiān)測到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行恼尽?/p>

總之，水位監(jiān)測，建議均裝配與雨量結(jié)合的水位雨量固態(tài)存儲器，裝配具有記錄、傳輸、存儲、分析等功能的自動監(jiān)測系統(tǒng)，最終實現(xiàn)水位遙測自記，自動測報等功能。

（3）流量測驗：在各中心站配備不同形式的橋測車及先進的儀器設(shè)備，開展橋測及周圍地區(qū)的巡測；纜道及船測站，對現(xiàn)有設(shè)施設(shè)備進行更新改造，實現(xiàn)水文纜道程控自動化，配備機船，配備先進的測驗儀器設(shè)備，全面提高流量測驗的精度，充分滿足防汛、抗旱和水資源統(tǒng)一調(diào)配的需要。對水庫站現(xiàn)有的水文纜道進行維修、改造，實現(xiàn)水文纜道的程控自動化，保證流量測驗的精度要求。

（4）取水口及灌區(qū)流量觀測：對水庫各取水口分明渠和管道兩種，水位主要采用超聲波自記水位計，流量測驗分不同情況，選擇適用的測流設(shè)備。而灌區(qū)的水位觀測主要采用超聲波自記水位計等，流量采取不定期電波流速儀率定方式，用水位～流量關(guān)系線推求徑流量。

（5）機井開采量實時觀測：地下水開采機井抽水量的觀測，目前一般只有一些機井安裝了水表，大部分機井均未安裝水表。為了能準確取得地下水實際開采量的數(shù)據(jù)，掌握準確的地下水開采量，需要逐步或有重點地在地下水開采機井上安裝水表。

（6）水質(zhì)實時監(jiān)測：水質(zhì)污染具有理化成分復(fù)雜、多樣和點多面廣的特點，不僅受污染源的大小和數(shù)量影響，而且還受汛期洪水、降雨的影響。由于多種因素導(dǎo)致的綜合結(jié)果，水質(zhì)參數(shù)在成分和時空上的變化非常復(fù)雜。傳統(tǒng)的人工現(xiàn)場水樣采集、化驗方式周期太長，難以及時、準確地反映水質(zhì)變化的性質(zhì)和過程，所以水資源的開發(fā)利用和保護等工作得不到有效監(jiān)控與科學(xué)的管理。水質(zhì)實時監(jiān)測就是采用水質(zhì)自動監(jiān)測儀器、遠程傳輸設(shè)備、在線監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理軟件，實現(xiàn)對水質(zhì)參數(shù)的連續(xù)采集、分析、存儲，并在監(jiān)測指標超過污染標準時，發(fā)出警報，做出污染類型分析等。

（7）墑情實時監(jiān)測：主要針對大中型灌區(qū)的土壤墑情進行實時監(jiān)測，為適時、適量的節(jié)水高效灌溉提供信息支持。并在條件許可的情況下，探討利用遙感技術(shù)實時預(yù)報土壤墑情（中小尺度上）的可能性，即利用實時遙感信息，根據(jù)大中型灌區(qū)土壤墑情的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過與遙感解譯模型進行聯(lián)接和耦合計算，實時提供整個流域不同灌區(qū)的土壤墑情，為流域節(jié)水高效農(nóng)業(yè)的健康發(fā)展提供可靠的依據(jù)。

3.2 水資源實時評價

水資源實時評價主要是指在時段初對上一時段的水資源數(shù)量、質(zhì)量及其時空分布特征，以及水資源開發(fā)利用狀況等進行實時分析和評價，確定水資源及其開發(fā)利用形勢和存在的問題等。

（1）水資源數(shù)量實時評價：根據(jù)雨量、河川徑流、地下水位等實時監(jiān)測資料等，通過與歷史同期的對比分析，確定和評價水資源數(shù)量及豐枯形勢等。

（2）水資源質(zhì)量實時評價：根據(jù)實測的河流、水庫、引水渠的水質(zhì)實時觀測和地下水質(zhì)實時監(jiān)測資料等，通過與歷史同期的對比分析，確定地表水和地下水的水質(zhì)狀況及污染態(tài)勢。其主要評價內(nèi)容包括：污染程度、范圍及主要污染物，水資源質(zhì)量，重要河流污染負荷及削減量等。

（3）水資源開發(fā)利用實時評價：通過對各取水口取水量、開采機井抽水量和地下水位等實時監(jiān)測資料，對供用水量進行實時評價，通過與歷史同期的對比分析，實時分析和評價各種水利工程的供水量、不同行業(yè)的實際用水量，供用水結(jié)構(gòu)、節(jié)水水平，水資源開發(fā)利用程度以及當?shù)厮Y源進一步開發(fā)潛力，并實時圈定地下水的開采潛力區(qū)、采補平衡區(qū)和超采區(qū)等。

3.3 水資源實時預(yù)報

水資源實時預(yù)報主要包括來水預(yù)報和需水預(yù)報兩部分，來水預(yù)報又分為水量預(yù)報和水質(zhì)預(yù)報。水量預(yù)報包括地表水資源量預(yù)報和地下水資源量預(yù)報，地表水資源量預(yù)報既可細分為當?shù)厮屯鈦硭òㄒ{(diào)水）預(yù)報，又可分為汛期徑流預(yù)報和枯季（非汛期）徑流預(yù)報。需水預(yù)報分為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活和生態(tài)環(huán)境需水量預(yù)報。

（1）河川徑流量實時預(yù)報。根據(jù)河川徑流的形成機理和產(chǎn)流規(guī)律，將河川徑流量實時預(yù)報分為汛期徑流實時預(yù)報和枯季徑流實時預(yù)報兩種。汛期產(chǎn)匯流機制主要是超滲產(chǎn)流和蓄滿產(chǎn)流、超滲與蓄滿綜合產(chǎn)流模式：而枯季徑流主要是遵循流域的退水規(guī)律。因此，汛期徑流實時預(yù)報模型與枯季徑流實時預(yù)報模型是不同的，需要分別建立預(yù)報模型對汛期徑流量和枯季徑流量進行實時預(yù)報。

（2）地下水資源量實時預(yù)報。首先分析地下水的形成規(guī)律和補給、徑流、排泄條件，以及地下水的賦存規(guī)律；然后根據(jù)抽水試驗等確定含水層的參數(shù)分區(qū)，并利用試驗資料和長觀資料確定有關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)；最后利用均衡法或數(shù)學(xué)模擬模型法，分析和預(yù)報地下水資源量、可開采量及地下水動態(tài)分布。

（3）水質(zhì)實時預(yù)報。利用獲得的實時水質(zhì)監(jiān)測和污染物排放量等信息，通過所建立的水質(zhì)實時預(yù)報模型，實時預(yù)報地下水與地表水水質(zhì)狀況、污染物類型、污染范圍及污染程度，及時提供水資源污染態(tài)勢等信息。

（4）需水量實時預(yù)報。根據(jù)需水量預(yù)報要求，本次將需水門類分為生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生態(tài)環(huán)境等四個一級類，每個一級類可以再分成若干個二級類和三級類。根據(jù)具體情況和需要，還可以再細分為四級類。根據(jù)上述分類方法，可比較容易地合并有關(guān)各需水項，獲得需水量過程。

3.4 水資源實時決策支持

水資源實時決策包括水資源實時預(yù)報、水資源實時管理和調(diào)度，以及決策會商等。

（1）水資源實時預(yù)報。對于水資源實時預(yù)報，尤其是汛期徑流預(yù)報和需水預(yù)報，由于受到諸多非確定性因素的影響比較大，很難準確預(yù)報，因此需要專家的會商支持、吸收和借鑒領(lǐng)域?qū)＜业闹R和經(jīng)驗，以便較準確地預(yù)報和確定未來的來水與需水過程等。

（2）水資源實時管理。利用水資源實時評價和實時預(yù)報結(jié)果等，通過水資源實時管理模型計算，結(jié)合領(lǐng)域?qū)＜一驔Q策者等積累的知識、經(jīng)驗和偏好，分水協(xié)議、水價政策的經(jīng)濟調(diào)節(jié)作用等進行綜合分析，最后提出水資源的實時管理方案，為水資源的合理開發(fā)利用和保護等提供決策依據(jù)，為水行政主管部門科學(xué)地行使其監(jiān)督和管理職能提供支持，以確保水資源的可持續(xù)利用。

（3）水資源實時優(yōu)化調(diào)度。通過前面制定的年度內(nèi)水資源管理方案，確定水資源優(yōu)化調(diào)度的規(guī)則和依據(jù)；根據(jù)各時段水資源的豐枯情況和污染態(tài)勢，通過建立水資源優(yōu)化調(diào)度模型，確定水資源實時調(diào)度方案。

（4）水資源決策會商。決策會商是指通過對實時、歷史和預(yù)報、管理與調(diào)度的各類信息進行重組和加工處理，為討論和分析水資源的豐枯形勢和污染態(tài)勢，以及最終確定水資源實時管理和調(diào)度方案提供全面的支持。根據(jù)利用水資源實時管理模型和調(diào)度模型確定的若干管理、調(diào)度方案，以及提供的每一種方案的綜合效益分析結(jié)果，領(lǐng)導(dǎo)決策層和領(lǐng)域?qū)＜?，通過全面分析對比和協(xié)商、討論，如認為其中一個方案合適則選擇之，并付諸實施。如認為必須進一步做新的方案，則通過水資源實時管理、調(diào)度系統(tǒng)，計算和提出新的管理、調(diào)度預(yù)案，供決策者對新老方案進行對比和選擇。

總之，在面臨重大的水資源決策時，決策會商機制顯得非常重要，有關(guān)利益沖突的各方，可以根據(jù)所提供的各種預(yù)案，包括水資源實時預(yù)報方案、實時管理預(yù)案和實時調(diào)度預(yù)案，分析其優(yōu)劣，進行協(xié)商，確定能為有關(guān)各方所接受的方案。

3.5　遠程自動控制

控制可分為手工控制和自動控制、半自動控制等，主要是對重要的取水口和開采機井、引水閘門等的控制。根據(jù)需要和可能，有重點和有選擇地建立一些遠程自動控制系統(tǒng)是必要的，也是將來的一種發(fā)展方向。

3.6　監(jiān)控管理后評估

為了不斷改進和完善系統(tǒng)的各項功能，需要對系統(tǒng)的重點功能進行后評估。主要內(nèi)容包括：針對水資源實時調(diào)度、管理方案的合理性、實施效果以及預(yù)報方案的準確性、控制情況等進行評估，重點分析導(dǎo)致調(diào)度、管理方案不合理和效益不好、預(yù)報不準確的原因等。

最后，將研制的有關(guān)部分內(nèi)容和功能模塊進行集成，最終建立一套較完整的基于GIS的水資源實時監(jiān)控管理系統(tǒng)，并進行試運行；通過系統(tǒng)的試運行不斷進行修改和完善，最后正式交付使用，并保證系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行。

4　結(jié)束語

我國經(jīng)過四五十年的不懈努力，無論在水利工程建設(shè)、水資源科學(xué)研究，還是在計算機、水文監(jiān)測、通訊與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和水資源管理體制、政策法規(guī)建設(shè)等方面，均取得了巨大成就。隨著我國社會經(jīng)濟的高速發(fā)展和城市化進程的不斷加快，水資源短缺和水污染問題已經(jīng)越來越成為制約我國社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的瓶頸，引起了我國各級政府的高度重視和社會各界的廣泛關(guān)注。因此，水利部在新世紀來臨之際調(diào)整了治水思路，提出了“資源水利、現(xiàn)代水利和可持續(xù)發(fā)展水利”的概念，要求把水資源開發(fā)利用與社會經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護緊密結(jié)合起來進行統(tǒng)籌規(guī)劃與綜合考慮，在重視水資源開發(fā)、利用、治理的同時，更加注重水資源的合理配置、節(jié)約和保護，切實改變過去“重建設(shè)、輕管理”的做法，要在重視工程措施的同時，特別強調(diào)和重視非工程措施，強調(diào)科學(xué)管理。相信隨著國家經(jīng)濟實力的進一步增強和投資的不斷加大，我國流域水資源實時監(jiān)控管理系統(tǒng)一定會在兩個省級（遼寧省和江蘇?。┖腿齻€流域級（海河流域、黃河流域和太湖流域）試點、示范工作的帶動下，逐步得到推廣和完善，為我國水資源優(yōu)化配置和科學(xué)管理真正提供一個強有力的工作平臺。

參考文獻

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