三江平原地下水自動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)警研究

烏麗罕,王 鐵

(黑龍江省水文水資源中心，黑龍江 哈爾濱 150001)

1 背 景

地下水資源管理是水資源管理的重要組成部分，由于具有其隱蔽性，所以如何更有效的實(shí)施地下水資源管理，破解地下水看不見(jiàn)、摸不著的難題，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地下水位變化情況并合理預(yù)測(cè)水位變化趨勢(shì)逐漸成為發(fā)展方向。

2 地下水監(jiān)測(cè)井

三江平原水文系統(tǒng)地下水監(jiān)測(cè)井主要包括國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程自動(dòng)監(jiān)測(cè)井、省級(jí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)井、人工監(jiān)測(cè)井。選取具有代表性的監(jiān)測(cè)井開(kāi)展水位監(jiān)測(cè)預(yù)警工作，代表性監(jiān)測(cè)井的選取遵循以下原則[1-2]：

(1)監(jiān)測(cè)井水文地質(zhì)條件能夠代表該地區(qū)的水文地質(zhì)條件，空間分布較廣泛，能在區(qū)域范圍內(nèi)控制整個(gè)研究區(qū)，垂向上兼顧研究區(qū)的各主要含水層。

(2)以自動(dòng)監(jiān)測(cè)井為主，人工監(jiān)測(cè)井為輔。自動(dòng)監(jiān)測(cè)井為專(zhuān)用井，數(shù)據(jù)上報(bào)及時(shí)且受人為影響較少；人工監(jiān)測(cè)井一般為生產(chǎn)井和民用井，受開(kāi)采影響較多，代表性較差。

(3)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量較高。數(shù)據(jù)的上報(bào)率、完整率、及時(shí)率都要達(dá)到監(jiān)測(cè)要求。定期開(kāi)展監(jiān)測(cè)井洗井清淤等維護(hù)工作，確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能反映真實(shí)情況。

根據(jù)上述選取原則，采用國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程自動(dòng)監(jiān)測(cè)井為主并結(jié)合人工監(jiān)測(cè)井進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警工作(圖1)。省級(jí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)井2020年底建成，目前進(jìn)入試運(yùn)行期，試運(yùn)行期滿后并入監(jiān)測(cè)預(yù)警井網(wǎng)。

圖1 國(guó)家地下水自動(dòng)監(jiān)測(cè)井

國(guó)家自動(dòng)監(jiān)測(cè)站2017年完成建設(shè)任務(wù)，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括水位、水溫和水質(zhì)。水位信息每天采集6次，每間隔4 h采集一次，定時(shí)采集由采集設(shè)備控制，次日8時(shí)一次發(fā)送。信息采集傳輸設(shè)備主要由壓力式水位傳感器、遙測(cè)終端機(jī)、通信設(shè)備、電源以及用于系統(tǒng)安裝的附屬設(shè)施組成。集高精度傳感器、無(wú)線通信、數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)等技術(shù)于一體，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守情況下的信息自動(dòng)采集、傳輸和存儲(chǔ)，監(jiān)測(cè)站將自動(dòng)采集的信息通過(guò)GPRS/GSM信道發(fā)送至省級(jí)水文監(jiān)測(cè)中心，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存入本級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)傳輸至地市級(jí)分中心，省中心和地市中心均可以同步對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)施管理[3]。

3 監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

3.1 監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

(1)實(shí)用性原則。系統(tǒng)設(shè)計(jì)以滿足三江平原地下水監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)需要為第一要素。充分考慮在地下水管理各業(yè)務(wù)層次、各環(huán)節(jié)管理中數(shù)據(jù)傳輸和處理的便利性和可行性。

(2)統(tǒng)一性原則。統(tǒng)籌規(guī)劃和統(tǒng)一設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。從全局和長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度統(tǒng)一考慮，在數(shù)據(jù)層面保持統(tǒng)一性，綜合考慮數(shù)據(jù)模型結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)擴(kuò)展規(guī)劃等內(nèi)容。

(3)先進(jìn)性原則。在設(shè)計(jì)中充分利用信息化科技的發(fā)展成果，把物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)控制、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)廣泛應(yīng)用在地下水監(jiān)測(cè)、地下水?dāng)?shù)據(jù)管理等業(yè)務(wù)系統(tǒng)中。

(4)安全性原則。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)必須具有高度安全可靠性，基于地下水資源的自身特點(diǎn)，建立“可信、可控、可管”的信息安全保障體系，設(shè)計(jì)上采用具有容錯(cuò)功能的服務(wù)器及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，并使用操作權(quán)限控制、密碼控制、系統(tǒng)日志監(jiān)督等多種手段防止系統(tǒng)數(shù)據(jù)被竊取和篡改，確保系統(tǒng)按照預(yù)期運(yùn)行，免受攻擊和破壞。

(5)擴(kuò)展性原則。監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要考慮到地下水監(jiān)測(cè)未來(lái)發(fā)展的需求，充分考慮不同系統(tǒng)的兼容性，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明，降低各功能模塊的耦合度。

3.2 監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)主要功能

系統(tǒng)自下而上分為四層，包括信息采集層、數(shù)據(jù)共享層、統(tǒng)一支撐層、業(yè)務(wù)協(xié)同層。信息安全體系、運(yùn)行管理體系為整個(gè)系統(tǒng)提供保障環(huán)境。系統(tǒng)功能總體框架如圖2。

圖2 地下水監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

通過(guò)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集錄入和地下水監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸，進(jìn)行區(qū)域分析和空間分析，形成可以支持日常業(yè)務(wù)的成果。系統(tǒng)可以進(jìn)行擬合度分析、偏差分析、經(jīng)驗(yàn)分析，經(jīng)比選預(yù)測(cè)水位、埋深變化。預(yù)測(cè)地下水動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)地下水水位預(yù)警。

系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)要強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，做到界面清晰，連接暢通，做到整體布局、層次清晰、易操作，實(shí)現(xiàn)分級(jí)管理。實(shí)現(xiàn)三江平原地下水綜合成果的可視化展示，并在平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)及綜合地圖的展示，可以對(duì)三江平原所有監(jiān)測(cè)站點(diǎn)進(jìn)行分析，挑選不同類(lèi)型區(qū)內(nèi)的地下水監(jiān)測(cè)站，生成地下水監(jiān)測(cè)站的空間分布圖，展示三江平原的地下水水位、埋深變化趨勢(shì)和變幅，通過(guò)過(guò)程線、柱狀圖或統(tǒng)計(jì)報(bào)表等形式實(shí)現(xiàn)三江平原降雨量、開(kāi)采量、水位埋深實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)未來(lái)地下水水位、埋深等信息的可視化成果展示。

充分利用現(xiàn)代傳輸手段，廣泛利用信息資源并進(jìn)行深入開(kāi)發(fā)，包括監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲(chǔ)、處理、統(tǒng)計(jì)、分析和應(yīng)用，全面提升三江平原地下水資源監(jiān)測(cè)預(yù)警業(yè)務(wù)的效率和效能。三江平原地下水監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)功能主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)能夠高效、準(zhǔn)確地獲取地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。通過(guò)采用現(xiàn)代化的信息采集、傳輸、處理手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)三江平原地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的全面掌控，為水行政主管部門(mén)決策提供依據(jù)。

(2)滿足三江平原地下水動(dòng)態(tài)變化情況統(tǒng)計(jì)、分析和應(yīng)用的需要。便于掌握三江平原地下水的動(dòng)態(tài)變化情況，受降水、蒸發(fā)、開(kāi)發(fā)利用、地表水補(bǔ)給、農(nóng)田灌溉回灌補(bǔ)給等因素的影響情況。

(3)滿足三江平原地下水資源評(píng)價(jià)工作的需要。通過(guò)地下水動(dòng)態(tài)變化情況的監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)和分析，為區(qū)域地下水資源評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)支撐。

(4)滿足對(duì)地下水自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的日常運(yùn)行維護(hù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的需要。通過(guò)平臺(tái)建設(shè)，實(shí)時(shí)掌握各個(gè)地下水自動(dòng)監(jiān)測(cè)站運(yùn)行維護(hù)情況，為運(yùn)行維護(hù)工作提供信息指導(dǎo)。

(5)滿足三江平原地下水水位預(yù)警預(yù)報(bào)工作的需要。為了確保水資源管理“三條紅線”能夠很好地落實(shí)，建立地下水資源業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，為各地區(qū)的地下水水位變化提供預(yù)警預(yù)報(bào)。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)地下水資源信息和數(shù)據(jù)的采集、傳輸、管理、共享、分析應(yīng)用的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和流程，實(shí)現(xiàn)信息采集的全覆蓋、數(shù)據(jù)分析的統(tǒng)一規(guī)范，促進(jìn)地下水業(yè)務(wù)的一體化管理，使地下水業(yè)務(wù)管理決策更加科學(xué)、精準(zhǔn)。一方面顯著提升地下水業(yè)務(wù)信息和數(shù)據(jù)價(jià)值，另一方面避免地下水管理數(shù)據(jù)資源的重復(fù)利用。通過(guò)地下水監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)為三江平原地下水業(yè)務(wù)提供規(guī)范化、精細(xì)化日常管理工具，將人力投入、人工作業(yè)為主的“人防”模式轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^(guò)系統(tǒng)功能提供敏捷、高效、規(guī)范化、精細(xì)化管理手段的“技防”模式，提高地下水資源管理能力，為三江平原在保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國(guó)家糧食安全、生態(tài)安全上發(fā)揮重要作用。