滄州“數(shù)字水利”信息化建設(shè)思路探討

劉長征，武中強(qiáng)，耿海菊，房學(xué)英

(1.河北省滄州市水利科學(xué)研究所，河北 滄州061000;2.河北海河工程技術(shù)有限公司，河北 滄州 061001;3.河北省通信建設(shè)有限公司，河北石家莊050021)

滄州地處河北東部平原、九河下梢、海河流域下游，屬海河流域黑龍港水系。自史以來，滄州水旱災(zāi)害十分嚴(yán)重，交替發(fā)生，歷史上旱則赤地千里，澇則一片汪洋。平均1.68年就有一次較大范圍的旱災(zāi)。河北省的5條國家級必保堤防，滄州就占了3條。境內(nèi)的大清河、子牙河、漳衛(wèi)南運(yùn)河三大河系承擔(dān)著海河流域50%的面積的泄洪任務(wù)，是河北中南部地區(qū)洪瀝水下泄的總閘門，又是保衛(wèi)京津的南大門。加之境內(nèi)有千畝以上易澇洼地103個，成災(zāi)率在40% ～60%。滄州是全國嚴(yán)重缺水的地區(qū)之一，全市水資源總量12.64億 m3，人均水資源占有量192 m3，僅相當(dāng)于全國平均水平的8%。

1 “數(shù)字水利”的內(nèi)涵

“數(shù)字水利”是借助計算機(jī)等信息設(shè)備、全數(shù)字?jǐn)z影測量、遙測、遙感(RS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)等現(xiàn)代化信息手段及傳統(tǒng)手段采集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過微波、超短波、光纜、衛(wèi)星等快捷傳輸方式，對地區(qū)的自然、經(jīng)濟(jì)、社會等要素構(gòu)建一體化的數(shù)字集成平臺和虛擬環(huán)境，在這一平臺和環(huán)境中，以功能強(qiáng)大的系統(tǒng)軟件與數(shù)學(xué)模型對水利治理開發(fā)和管理的各種方案進(jìn)行模擬、分析和研究，并在可視化的條件下提供決策支持，增強(qiáng)水利工作決策的科學(xué)性和預(yù)見性。通俗地講，“數(shù)字水利”就是把水利裝進(jìn)我們的計算機(jī)，從而可方便地模擬、分析、研究水利的自然現(xiàn)象，探索其內(nèi)在規(guī)律，為水利治理、開發(fā)和管理的各種方案決策提供科學(xué)技術(shù)支持。

2 “數(shù)字水利”的現(xiàn)狀分析

近年來，滄州的“數(shù)字水利”基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)有了一定的成績，為提高水利現(xiàn)代化建設(shè)提供了有利的基礎(chǔ)，但應(yīng)用發(fā)展速度較緩慢，軟硬件設(shè)施相對落后，并存在不少亟待解決的問題。一是對信息化的認(rèn)識在一個時期相對不到位，缺乏緊迫感，沒有形成統(tǒng)一指揮和建設(shè)的機(jī)制，缺乏統(tǒng)一的規(guī)劃和明確的發(fā)展目標(biāo)，缺乏全局建設(shè)的有序性。二是水利信息化投入不足。信息基礎(chǔ)設(shè)施十分薄弱，信息源開發(fā)嚴(yán)重不足，信息采集和傳輸手段普遍落后，至今還沒有形成覆蓋全市水務(wù)行業(yè)的信息網(wǎng)絡(luò)。涉及國計民生的防洪抗旱、水資源管理、水質(zhì)監(jiān)測、水土保持等重要領(lǐng)域，都沒有形成全市范圍的應(yīng)用系統(tǒng)。三是滄州市的水利公用信息平臺還未建成，難以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通和信息的大規(guī)模集成。四是規(guī)劃和管理水平不能適應(yīng)信息化的需要。另外，信息化隊伍的綜合素質(zhì)也有待于進(jìn)一步提高，需建立、健全專門的職能部門負(fù)責(zé)統(tǒng)一管理“數(shù)字水利”建設(shè)工作，滄州的“數(shù)字水利”建設(shè)及應(yīng)用水平仍處于起步階段。

3 滄州“數(shù)字水利”構(gòu)筑

進(jìn)入新世紀(jì)以來，滄州的水矛盾仍十分突出，洪水威脅是滄州的心腹之患，干旱和水資源嚴(yán)重匱乏制約著經(jīng)濟(jì)發(fā)展。滄州“數(shù)字水利”是聯(lián)接水利行業(yè)和信息技術(shù)，立足于為可持續(xù)發(fā)展水利提供先進(jìn)的技術(shù)支持，為水利行業(yè)的全面技術(shù)升級提供完整的解決方案，著眼于可持續(xù)發(fā)展這一新的治水思路基本理念涉及的專業(yè)知識和技術(shù)極其廣泛，內(nèi)涵十分豐富。滄州“數(shù)字水利”過程至少應(yīng)包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲及處理系統(tǒng)、數(shù)學(xué)模擬系統(tǒng)和決策支持系統(tǒng)等環(huán)節(jié)。其關(guān)鍵技術(shù)主要包括:計算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、3S技術(shù)(遙感、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng))、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)學(xué)模擬技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、CAD/CAM技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)等。

3.1 防汛減災(zāi)信息系統(tǒng)

防汛減災(zāi)是“數(shù)字水利”建設(shè)的首要目標(biāo)，防汛減災(zāi)信息系統(tǒng)即綜合運(yùn)用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、遠(yuǎn)程自動遙測技術(shù)、3S技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)值預(yù)報技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)實現(xiàn)防汛信息的自動采集、傳輸、處理、存儲、查詢和集成，做到信息傳遞及時、洪水預(yù)報準(zhǔn)確、調(diào)度指揮優(yōu)化、防汛管理可視，為現(xiàn)代防汛指揮提供強(qiáng)大的決策支持。

3.1.1 降雨預(yù)報

降雨預(yù)報精度的高低，預(yù)見期的長短，是防汛決策最關(guān)鍵的依據(jù)?，F(xiàn)在，遙測、遙感與衛(wèi)星技術(shù)已飛速發(fā)展起來，并在氣象水文預(yù)報上發(fā)揮了重要作用，它大量提供了過去不可能獲得的水文信息，使得我們有條件提高降雨預(yù)報的精度，同時，也完全有條件延長降雨的預(yù)見期。

3.1.2 洪水預(yù)報

目前，洪水預(yù)報主要采取三種方法:第一種是降雨徑流相關(guān)法，第二種是洪峰流量相關(guān)法，第三種是利用洪水預(yù)報模型預(yù)報。應(yīng)該說，在預(yù)報的方法上不存在困難，難就難在對流域產(chǎn)匯流規(guī)律的認(rèn)識和把握上。滄州的主要暴雨洪水來源區(qū)是上游河流和豐水期的本地大氣降水，滄州屬干旱半干旱地區(qū)，下墊面條件極其復(fù)雜，近年來由于人類活動加劇，下墊面條件始終處于不斷的變化之中，因此，一定要下大力氣弄清流域內(nèi)下墊面條件，及時掌握其不斷變化的新情況，通過衛(wèi)星獲取高質(zhì)量的影像，配合遙感(RS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)平臺，對下墊面數(shù)據(jù)進(jìn)行立體管理。

3.1.3 防洪工程聯(lián)合調(diào)度

根據(jù)洪水預(yù)報結(jié)果，可對水庫、河流、堤防在計算機(jī)上進(jìn)行多方案模擬調(diào)度運(yùn)用，從中選擇最優(yōu)方案，科學(xué)地確定各水庫對某種洪水的防洪運(yùn)用次序及蓄洪量在各水庫之間的分配，以充分發(fā)揮各級水庫、河流的防洪作用。

3.1.4 洪水演進(jìn)

3S和數(shù)字高程模型(DEM)技術(shù)的日漸成熟，傳統(tǒng)的洪水演進(jìn)技術(shù)正在向以下兩個方向發(fā)展:一個是在二維數(shù)字化地形圖上疊加各種水文要素、經(jīng)濟(jì)社會及生態(tài)信息，借助數(shù)字高程模型(DEM)和遙感影像圖形成三維可視化模型，進(jìn)行三維量測和分析模擬。另一個是直接建立三維數(shù)字模型，綜合表達(dá)流域水文要素和各種地理實體的空間分布。有了這樣的洪水演進(jìn)系統(tǒng)，下游灘區(qū)什么時間洪水演進(jìn)到什么地方;哪個地方先淹，哪個地方后淹;哪座控導(dǎo)工程靠溜，哪座控導(dǎo)工程不靠溜;哪段堤防臨水，哪段堤防不臨水等，與防汛有關(guān)的重要信息都可以非常直觀地反映在計算機(jī)的屏幕上，一目了然。

3.2 水量調(diào)度系統(tǒng)

隨著滄州地區(qū)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，水資源的供需矛盾日益尖銳。為了使有限的水利水資源得到科學(xué)合理的分配，必須對水利水量調(diào)度實現(xiàn)現(xiàn)代化。因此，要積極建設(shè)水利水量調(diào)度中心，并使之早日投入使用。

3.2.1 枯水期徑流預(yù)報

枯水期徑流預(yù)報是水量分配的重要依據(jù)。過去，我們較多地注重汛期洪水預(yù)報，而對枯水期的徑流預(yù)報考慮的較少，甚至不曾考慮過。目前，美國國家氣象局組織開發(fā)的“河流水情預(yù)報系統(tǒng)”，可以提供中長期(旬、月、季節(jié))的水情概率預(yù)報，能夠較好地服務(wù)于水資源的管理。歐洲開發(fā)的NASIM降水徑流模型已廣泛應(yīng)用于枯水期的水管理。今后，應(yīng)積極借鑒國際先進(jìn)經(jīng)驗，下大力氣研究水利流域枯水期的徑流預(yù)報，并將其作為“數(shù)字水利”的重要內(nèi)容進(jìn)行建設(shè)。

3.2.2 建立水庫、河口地區(qū)生態(tài)模擬系統(tǒng)

河流下游的河口地區(qū)，生態(tài)系統(tǒng)處在比較原始的狀態(tài)，淡水補(bǔ)給是水庫、河口地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)得以維持的基本前提，也是其生物多樣性的基本保障。應(yīng)將這些地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)字化，通過分析主體生物的繁殖率，以及群體生物的新陳代謝等生態(tài)指標(biāo)對水利淡水補(bǔ)給量的要求，提出不同季節(jié)不同時段水庫補(bǔ)給水、水量入海應(yīng)保持的最小流量和最小徑流量。

3.2.3 水資源實時配置調(diào)配

以計算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為依托，以規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的水資源綜合數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，以水資源供需平衡和優(yōu)化調(diào)度模型為內(nèi)核，實現(xiàn)水資源優(yōu)化配置管理。

通過建立現(xiàn)代化的水資源實時調(diào)配系統(tǒng)來解決。不同行業(yè)之間按照用水保證率進(jìn)行分配，即第一，城市居民生活用水;第二，工業(yè)用水;第三，農(nóng)業(yè)用水。其中，農(nóng)業(yè)是用水大戶，對于農(nóng)業(yè)用水分配，可對每個灌區(qū)的作物種植結(jié)構(gòu)及生育期不同時段作物需水量輸入計算機(jī)，通過遙感遙測手段對灌區(qū)內(nèi)土壤墑情進(jìn)行分析，再根據(jù)每個灌區(qū)控制面積大小等因素作出在各個灌區(qū)引水閘之間的合理分配。

3.2.4 引水口門的自動監(jiān)控系統(tǒng)

配水流量的監(jiān)測和控制主要是通過對各引水口門的流量測量來實現(xiàn)的。流量的測量可采用超聲波技術(shù)，對重要的引水口門采用視頻監(jiān)控并逐步推廣到所有的引水口。將攝像頭攝錄的圖像信號通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街醒肟刂剖遥ㄟ^軟件自動掃描現(xiàn)場不同位置攝像頭的圖像，實現(xiàn)自動觸發(fā)報警。

3.2.5 地下水觀測系統(tǒng)

地下水主要賦存在松散巖類孔隙中，而滄州地區(qū)的咸水區(qū)深層淡水，水位埋深大，不能直接接收降雨等補(bǔ)給。滄州連續(xù)多年的干旱，已經(jīng)使缺水地層無法補(bǔ)給水源，但由于工農(nóng)業(yè)用水量的劇增，超量開采有增無減，由于長期超采，導(dǎo)致形成華北地區(qū)最大的“漏斗”群。為實現(xiàn)水利流域水資源的優(yōu)化配置和科學(xué)調(diào)度，對地表水和地下水必須統(tǒng)一考慮，要將采集到的分布在這些地區(qū)地下水觀測井的數(shù)據(jù)信息及時存儲于計算機(jī)數(shù)據(jù)庫，以可視化的形式對地下水位及其變化作出反映。通過構(gòu)造地下水水流測試模型，對區(qū)域水量平衡進(jìn)行分析。

3.3 水環(huán)境綜合治理 水質(zhì)監(jiān)控

綜合運(yùn)用遙感技術(shù)、GIS技術(shù)對衛(wèi)星照片進(jìn)行解譯和信息處理，建立各區(qū)域水土保持動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng);以水質(zhì)站網(wǎng)為依托，以污染源數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，以水量水質(zhì)模擬為核心，以GIS系統(tǒng)作為查詢交互平臺，建立水環(huán)境動態(tài)監(jiān)測管理系統(tǒng)。

在水利干流斷面和主要支流設(shè)置水質(zhì)監(jiān)測斷面，對各斷面水質(zhì)狀況進(jìn)行實時監(jiān)測，并建立實時監(jiān)測數(shù)據(jù)庫。通過構(gòu)造河流中污染物的擴(kuò)散輸移模型，對污染物的擴(kuò)散及輸移進(jìn)行模擬分析，進(jìn)而對河流水質(zhì)狀況及其變化作出預(yù)測，為用水戶特別是為城市居民用水的引水口作出水質(zhì)預(yù)警預(yù)報。

3.4 水土流失治理與監(jiān)測

“數(shù)字水利”建設(shè)要把水土流失治理與監(jiān)測作為其重要內(nèi)容，大力提倡并推廣運(yùn)用3S技術(shù)，通過GPS的準(zhǔn)確定位，借助RS及時獲取水土流失及治理信息，可以對某一小流域或某一區(qū)域的水土流失狀況及治理程度進(jìn)行動態(tài)了解和掌握，同時借助GIS對水土流失治理的經(jīng)濟(jì)、社會及生態(tài)效益作出宏觀評價。

3.5 水利工程運(yùn)行與管理

建立水利控制性水利工程與堤防的運(yùn)行和管理系統(tǒng)。通過遠(yuǎn)程視頻技術(shù)的應(yīng)用，實時了解和掌握水利上重要的水利樞紐工程的運(yùn)行狀況。從規(guī)劃、設(shè)計、施工到運(yùn)行維護(hù)均可采用一系列以計算機(jī)技術(shù)為核心的信息技術(shù)全面提升水利工程運(yùn)行與管理的自動化管理水平。規(guī)劃信息管理系統(tǒng)的建立可以實現(xiàn)滾動規(guī)劃和管理，CAD設(shè)計平臺可以大大提高設(shè)計方案的準(zhǔn)確性和成圖效率，項目管理軟件可以加快項目施工進(jìn)度和節(jié)約成本，水利工程的自動化監(jiān)控可以全面提高工程的運(yùn)行管理水平。

3.6 電子政務(wù)

水利電子政務(wù)的建設(shè)目標(biāo)主要是實現(xiàn)辦公自動化，信息資源化，以大大提高辦公效率和準(zhǔn)確率，同時降低辦公成本。目前，應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和各相關(guān)數(shù)據(jù)庫的建設(shè)，如文檔及檔案資料數(shù)據(jù)庫、科技資料數(shù)據(jù)庫、政策法規(guī)數(shù)據(jù)庫、人事管理數(shù)據(jù)庫、行政管理資料數(shù)據(jù)庫、水利多種經(jīng)營數(shù)據(jù)庫等，在局域網(wǎng)上實現(xiàn)信息交換、信息發(fā)布、信息服務(wù)、視頻會議、決策支持等。

3.6.1 計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是“數(shù)字水利”建設(shè)的基礎(chǔ)性環(huán)節(jié)，滄州水務(wù)系統(tǒng)要建設(shè)三級計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，即第一級為市局機(jī)關(guān)(包括各種管理及指揮中心)，第二級為直屬單位，第三級為各重要信息采集站點(diǎn)。建設(shè)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，不應(yīng)忽視網(wǎng)絡(luò)的安全性問題。

3.6.2 辦公自動化系統(tǒng)

從水利政務(wù)組織機(jī)構(gòu)入手，認(rèn)真分析水利政務(wù)信息流程，以各級水利部門局域網(wǎng)和全國水利廣域網(wǎng)為支撐，在水信息網(wǎng)站建設(shè)的基礎(chǔ)上，全面實現(xiàn)機(jī)關(guān)公文運(yùn)轉(zhuǎn)、防汛、水文、政務(wù)信息傳遞等實現(xiàn)了網(wǎng)上操作，同時實現(xiàn)了對市屬部分重點(diǎn)工程的遠(yuǎn)程監(jiān)控，機(jī)關(guān)辦公和管理基本上做到了規(guī)范化、網(wǎng)絡(luò)化、實時化，工作效率和管理水平明顯提高。建設(shè)、健全水務(wù)局內(nèi)部辦公業(yè)務(wù)網(wǎng)系統(tǒng)，，建立政令上下傳遞快速、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)自動處理、信息網(wǎng)上查詢發(fā)布、辦公界面簡潔方便的辦公自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)水利政務(wù)辦公的自動化平臺。

3.3 門戶網(wǎng)站

建立獨(dú)立、專業(yè)的水務(wù)門戶網(wǎng)站是“數(shù)字水利”建設(shè)的必要條件，是及時發(fā)布信息、交流溝通、確立形象、協(xié)調(diào)聯(lián)動、宣傳水務(wù)工作的窗口，同時也是聯(lián)系群眾的紐帶和橋梁。實現(xiàn)水利信息資源與行業(yè)、社會共享、外界了解滄州水務(wù)特點(diǎn)的重要途徑。

4 結(jié)語

滄州“數(shù)字水利”建設(shè)是一項系統(tǒng)工程，必須緊密結(jié)合新世紀(jì)新時期的治水思路，整體布局、統(tǒng)一規(guī)劃、分步實施、先急后緩、注重實效。在完成水利業(yè)務(wù)的過程中注重運(yùn)用信息技術(shù)以提高工作的水準(zhǔn)，在推進(jìn)“數(shù)字水利”的過程中注重運(yùn)用信息技術(shù)改造傳統(tǒng)水利，以信息化帶動水利行業(yè)，以水利信息化推動水利現(xiàn)代化，發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢，努力實現(xiàn)“數(shù)字水利”的跨越式發(fā)展。

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［2］范玉順.信息化管理戰(zhàn)略與方法.清華大學(xué)出版社.2008.

［3］周宏仁.信息化論人民出版社.2008.

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