基于GIS的城市水資源動(dòng)態(tài)管理應(yīng)用研究
——以臺(tái)州市為例

林金雙，朱文俊

(臺(tái)州市地理信息測(cè)繪中心有限公司，浙江 臺(tái)州 318000)

臺(tái)州市地處浙江省中部沿海，依山面海，東瀕東海，地勢(shì)由西向東傾斜，西北山脈連綿，東南丘陵緩延，平原灘涂寬廣，河道縱橫，屬中亞熱帶季風(fēng)區(qū)，四季分明，雨水充沛。臺(tái)州市水資源的特點(diǎn)是時(shí)空分布不均衡，空間上一般西北部山區(qū)多，東南沿海少；時(shí)間上年內(nèi)分配不均，受季風(fēng)氣候影響，降水大部分集中在4～10月。按照人口計(jì)算，人均擁有水資源量1 700 m3，低于全省人均水資源量2 000 m3，屬于中度缺水[1]。2016年，臺(tái)州市出臺(tái)的《臺(tái)州市“十三五”水利發(fā)展規(guī)劃》明確提出了推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+水利”的行動(dòng)，大力推進(jìn)智慧水利和水利工程信息化建設(shè)，強(qiáng)化物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)四大技術(shù)在水資源管理中的應(yīng)用，加快建設(shè)水資源信息管理平臺(tái)，以水利信息化帶動(dòng)水利現(xiàn)代化[2]。本文利用GIS技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算和通信技術(shù)，對(duì)臺(tái)州市水資源調(diào)研后，構(gòu)建了水資源大數(shù)據(jù)庫(kù)，搭建了水資源信息管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)水資源從供給、利用、應(yīng)急、排放的全過(guò)程管理和監(jiān)測(cè)，提高了水資源開(kāi)發(fā)、利用、配置、節(jié)約和保護(hù)全方位科學(xué)的管理水平[3]。

1 總體思路設(shè)計(jì)

1.1 研究目標(biāo)

1.1.1 構(gòu)建以“一張圖”管理城市水資源的動(dòng)態(tài)管理模式

目前臺(tái)州市已有相應(yīng)的水資源信息化管理平臺(tái)，但是隨著近年來(lái)技術(shù)的進(jìn)步和城市規(guī)模的擴(kuò)大，水資源管理的方式較為落后，缺少以地圖作為基礎(chǔ)底圖，集成城市水資源空間數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，對(duì)城市水資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理的信息化平臺(tái)。因此，本文采用以1:5 000電子地圖和遙感影像數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)為底圖，在統(tǒng)一的坐標(biāo)系下，集成城市水資源空間數(shù)據(jù)，形成城市水資源管理“一張圖”。在“一張圖”的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市水資源的管理和監(jiān)測(cè)。

1.1.2 構(gòu)建城市水資源大數(shù)據(jù)庫(kù)

通過(guò)對(duì)城市水源地?cái)?shù)據(jù)、地下水?dāng)?shù)據(jù)、地表水?dāng)?shù)據(jù)、供水?dāng)?shù)據(jù)、排污口數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等進(jìn)行梳理和處理，將數(shù)據(jù)進(jìn)行空間化，掛接到“一張圖”上，建立圖與水資源數(shù)據(jù)之間聯(lián)系，形成城市水資源大數(shù)據(jù)庫(kù)。

1.1.3 搭建城市水資源信息管理平臺(tái)

搭建一套集展示、預(yù)警、輔助和決策為一體的城市水資源信息管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)城市統(tǒng)一的水資源實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和管理的平臺(tái)[4]，提高城市水資源的開(kāi)發(fā)、利用、配置、節(jié)約和保護(hù)水平。

1.2 平臺(tái)框架設(shè)計(jì)

平臺(tái)采用面向服務(wù)的SOA架構(gòu)，可根據(jù)需求通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)松散耦合的粗粒度應(yīng)用組件進(jìn)行分布式部署、組合和使用[5]。平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)包括五大部分：軟硬件支撐層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層和用戶(hù)層[6]。平臺(tái)框架設(shè)計(jì)示意圖如圖1所示。

軟硬件支撐層提供整個(gè)平臺(tái)運(yùn)行所需的存儲(chǔ)設(shè)施、服務(wù)器設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、安全設(shè)施、操作系統(tǒng)、GIS軟件等，并且在云環(huán)境下實(shí)現(xiàn)硬件虛擬化、存儲(chǔ)虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化和防火墻安全保護(hù)等；數(shù)據(jù)層是在統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)下管理城市水資源的空間數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，構(gòu)建了城市水資源大數(shù)據(jù)庫(kù)，為城市水資源應(yīng)用及輔助決策提供詳實(shí)、可靠的數(shù)據(jù)支撐；服務(wù)層是SOA架構(gòu)的基礎(chǔ)，平臺(tái)可直接調(diào)用安全認(rèn)證服務(wù)、規(guī)則運(yùn)算服務(wù)、消息引擎、地理信息服務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)以及權(quán)限管理服務(wù)等；應(yīng)用層是平臺(tái)的“一張圖”展示窗口，包括水資源實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管理、水資源水源工程管理、水資源地下水管理、水資源征費(fèi)管理、水資源節(jié)約管理、水資源保護(hù)、水資源應(yīng)急管理以及運(yùn)維管理等；用戶(hù)層是平臺(tái)的使用人員，主要包括水資源管理部門(mén)、水資源工程建設(shè)單位、水資源取水大戶(hù)以及公眾等。平臺(tái)架構(gòu)兩側(cè)是運(yùn)行和保障機(jī)制，包括城市水資源管理辦法、水資源規(guī)范體系、保障體系、信息安全體系。

2 城市水資源大數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)

2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)內(nèi)容

根據(jù)水資源信息管理平臺(tái)建設(shè)的目標(biāo)，對(duì)平臺(tái)涉及的數(shù)據(jù)進(jìn)行了全面的梳理和分析，總體上分為空間大數(shù)據(jù)和屬性大數(shù)據(jù)[7]。空間大數(shù)據(jù)包括基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、水資源空間數(shù)據(jù)、水資源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等，如：1:5 000電子地圖、遙感影像數(shù)據(jù)、水庫(kù)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)、地下水井?dāng)?shù)據(jù)等，該類(lèi)數(shù)據(jù)會(huì)在“一張圖”進(jìn)行直觀顯示；屬性大數(shù)據(jù)包括水資源業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和多媒體數(shù)據(jù)，如：供水管理數(shù)據(jù)、應(yīng)急管理數(shù)據(jù)、排水管理數(shù)據(jù)等，該類(lèi)數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ)在屬性表中，通過(guò)與水資源空間數(shù)據(jù)進(jìn)行掛接，從而可以在平臺(tái)上進(jìn)行顯示。城市水資源大數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)內(nèi)容示意圖如圖2所示。

圖2 城市水資源大數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)內(nèi)容示意圖

2.2 數(shù)據(jù)處理和入庫(kù)

城市水資源大數(shù)據(jù)庫(kù)在統(tǒng)一的坐標(biāo)系下，實(shí)現(xiàn)非結(jié)構(gòu)化和結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的匯集、存儲(chǔ)、處理和入庫(kù)，實(shí)現(xiàn)城市水資源的有效整合。以城市水資源水源地?cái)?shù)據(jù)處理和入庫(kù)為例，將水源地?cái)?shù)據(jù)的位置信息和范圍等加工處理為水源地圖斑，并輸入屬性數(shù)據(jù)后，制作成水源地專(zhuān)題數(shù)據(jù)并入庫(kù)。通過(guò)ArcGIS Server 發(fā)布成服務(wù)，在平臺(tái)上調(diào)用服務(wù)并進(jìn)行展示[8]。還可以將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、照片數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)與水源地圖層進(jìn)行掛接，完善水源地?cái)?shù)據(jù)。城市水資源水源地?cái)?shù)據(jù)處理和入庫(kù)流程如圖3所示。

圖3 城市水資源水源地?cái)?shù)據(jù)處理和入庫(kù)流程示意圖

3 平臺(tái)功能實(shí)現(xiàn)

城市水資源信息管理平臺(tái)基于SOA架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，遵循SOA的體系標(biāo)準(zhǔn)和業(yè)務(wù)規(guī)范，對(duì)城市水資源成果進(jìn)行統(tǒng)一的管理。服務(wù)器操作系統(tǒng)采用Windows Server 2012；平臺(tái)開(kāi)發(fā)軟件采用Eclipse3.6以上版本；GIS平臺(tái)軟件采用ArcGIS10.5以及利用ArcGIS API for Java Script進(jìn)行Web開(kāi)發(fā)；數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)采用Oracle11g+ArcSDE[9]。平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的核心功能有水資源實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管理、水資源水源工程管理、水資源地下水管理、水資源征費(fèi)管理、水資源節(jié)約管理、水資源應(yīng)急管理等。平臺(tái)功能結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 平臺(tái)功能結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 水資源實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管理

水資源實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管理是通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在取水口、地表監(jiān)測(cè)站、地下水井口、入河排污口等區(qū)域布設(shè)感知設(shè)備，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與平臺(tái)進(jìn)行連接，實(shí)時(shí)傳輸監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并且當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超過(guò)安全值后，進(jìn)行預(yù)警。水資源實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的內(nèi)容主要包括：水情雨情監(jiān)測(cè)、地下水井用水大戶(hù)監(jiān)測(cè)、水源地水質(zhì)監(jiān)測(cè)、入河排污口監(jiān)測(cè)等。水資源水情實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)界面示意圖如圖5所示。

圖5 水資源水情實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)界面示意圖

3.2 水資源水源工程管理

水資源水源工程管理主要包括用水水源保護(hù)、內(nèi)陸河網(wǎng)綜合整治和近岸海域污染治理三方面，通過(guò)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)水源工程的基礎(chǔ)信息管理、查詢(xún)和新建工程管理。水源工程基礎(chǔ)信息管理，可以在“一張圖”查詢(xún)水源工程的空間和屬性信息，并以圖表的方式進(jìn)行顯示；水源工程查詢(xún)可以分成工程類(lèi)別查詢(xún)、企業(yè)農(nóng)業(yè)灌區(qū)查詢(xún)和行政區(qū)劃查詢(xún)；水源新建工程管理是對(duì)新建的水源工程項(xiàng)目提供申請(qǐng)登記、行政審批、工程論證等功能。

3.3 水資源地下水管理

水資源地下水管理包括地下水基本信息管理、地下水取水管理、地下水水位管理和地下水井管理。地下水基本信息管理是對(duì)地下水基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)進(jìn)行錄入、編輯、更新和展示，包括各類(lèi)取水單位每日、月的取水量、取水井計(jì)量表等資料；地下水取水和水位管理是讀取感知設(shè)備傳輸回來(lái)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在“一張圖”的基礎(chǔ)上，以圖表的方式顯示取水量、水位、水質(zhì)等信息，并且可以按照年、月、日進(jìn)行多時(shí)間序列的比對(duì)，直觀反映數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)和變化幅度。

3.4 水資源節(jié)約管理

水資源節(jié)約管理包括用水定額管理、節(jié)水計(jì)劃管理和節(jié)水信息管理。用水定額管理是依據(jù)現(xiàn)有水資源的用水計(jì)劃對(duì)行政區(qū)、行業(yè)和企業(yè)進(jìn)行用水定額控制；節(jié)水計(jì)劃管理根據(jù)現(xiàn)有用水量，制定行政區(qū)、行業(yè)和企業(yè)年度節(jié)水量計(jì)劃；節(jié)水信息管理包括編寫(xiě)節(jié)水技術(shù)方案設(shè)計(jì)、查看節(jié)水設(shè)施和產(chǎn)品信息以及對(duì)行政區(qū)、行業(yè)和企業(yè)進(jìn)行考核記錄。

3.5 水資源征費(fèi)管理

水資源征費(fèi)管理包括水費(fèi)基本信息查詢(xún)、水費(fèi)征收、水費(fèi)征收標(biāo)準(zhǔn)和水費(fèi)使用管理。水費(fèi)基本信息查詢(xún)提供取水用戶(hù)按月查詢(xún)實(shí)際取水量以及查看歷史繳費(fèi)信息；水費(fèi)征收實(shí)現(xiàn)了水費(fèi)收繳、欠費(fèi)管理和水費(fèi)緩繳審批；水費(fèi)征收標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)取水水源的類(lèi)型和用水量，制定不同的水費(fèi)單價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；水費(fèi)使用管理包括管理費(fèi)用、基礎(chǔ)性費(fèi)用、設(shè)備費(fèi)用、科研費(fèi)用和其它費(fèi)用等。水資源征費(fèi)管理流程示意圖如圖6所示。

圖6 水資源征費(fèi)管理流程示意圖

3.6 水資源應(yīng)急管理

水資源應(yīng)急管理包括突發(fā)事件管理、應(yīng)急會(huì)商、指揮調(diào)度和應(yīng)急事后處理，實(shí)現(xiàn)水資源的突發(fā)事件從發(fā)生、處理和總結(jié)全過(guò)程管理[10]。突發(fā)事件管理是對(duì)突發(fā)事件接收并上報(bào)，應(yīng)急會(huì)商管理是根據(jù)突發(fā)事件的等級(jí)，主要領(lǐng)導(dǎo)和專(zhuān)家對(duì)突發(fā)事件進(jìn)行預(yù)案選擇，制定方案。指揮調(diào)度是對(duì)突發(fā)事件進(jìn)行處理。應(yīng)急事后處理是對(duì)突發(fā)事件進(jìn)行總結(jié)匯報(bào)和文檔存檔。

4 結(jié) 論

本文借助GIS、物聯(lián)網(wǎng)和通信技術(shù)，開(kāi)發(fā)了城市水資源信息管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了在“一張圖”的基礎(chǔ)上對(duì)城市水資源進(jìn)行開(kāi)發(fā)、利用、配置、節(jié)約和保護(hù)。目前平臺(tái)運(yùn)行良好，能夠滿足城市水利管理部門(mén)的需求，但也存在水資源監(jiān)測(cè)設(shè)備返回的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不及時(shí)、網(wǎng)絡(luò)連接不穩(wěn)定、信息錄入不完善等問(wèn)題。下一步平臺(tái)建設(shè)一方面加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，確保信息傳輸?shù)姆€(wěn)定；另一方面對(duì)平臺(tái)進(jìn)行升級(jí)改造，不斷完善平臺(tái)的功能，促進(jìn)城市水資源信息化發(fā)展，推動(dòng)“智慧水利”的建設(shè)。