石羊河流域最嚴(yán)格地下水管理中地下水監(jiān)測系統(tǒng)研究

康德奎，王萬禎，符向前，張麗霞，徐保鵬

（1.甘肅省水利廳石羊河流域水資源利用中心，甘肅武威733000；2.武漢大學(xué)水利水電學(xué)院，湖北武漢430072）

0 引 言

石羊河流域地處于甘肅省河西走廊東部，涉及武威、金昌、張掖、白銀四市九縣（區(qū)）。該流域氣候干旱，水資源嚴(yán)重短缺。自從20 世紀(jì)50年代后，石羊河流域因?yàn)榈叵滤怀块_采和水資源被過度開發(fā)，生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重惡化，且在實(shí)際工程中多次監(jiān)測到水資源短缺現(xiàn)象?；谶@種現(xiàn)象，于2007年12月，國家出臺了以節(jié)約水資源、保護(hù)水資源和優(yōu)化配置水資源為核心宗旨的《石羊河流域重點(diǎn)治理規(guī)劃》，來解決這種生態(tài)環(huán)境惡化問題。除此之外，為了更好地推進(jìn)流域重點(diǎn)治理計劃，于2011年4月份出臺啟動了《石羊河流域水資源調(diào)度管理信息系統(tǒng)工程》，該項(xiàng)目工程主要監(jiān)測分析石羊河流域內(nèi)重點(diǎn)區(qū)域的水情、雨情、氣象和水質(zhì)，為實(shí)現(xiàn)流域水資源的優(yōu)化配置，統(tǒng)一調(diào)度和管理提供了重要的信息手段和技術(shù)支持，也提高了水資源管理水平和用水效率，特別是針對地下水資源，建設(shè)了地下水位監(jiān)測子系統(tǒng)和機(jī)井用水量實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)，在一定程度上給石羊河流域最嚴(yán)格的水資源管理制度的實(shí)行，水資源紅線的嚴(yán)格遵守，水環(huán)境和水生態(tài)以及地下水的嚴(yán)格控制提供了重要的技術(shù)支持和理論依據(jù)。2018年利用云計算，大數(shù)據(jù)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，遙感技術(shù)，遙測技術(shù)等現(xiàn)代化技術(shù)手段建設(shè)石羊河流域智慧水資源管理平臺，實(shí)現(xiàn)了石羊河流域水資源的信息化和智慧化管理。

1 石羊河流域地下水資源基本狀況

石羊河流域主要分為南、北兩個盆地，因此在計算地下水資源時需要對南、北兩個盆地分別進(jìn)行計算。具體來說，北盆地主要包括民勤盆地和金川-紅崖山兩個盆地；南盆地主要涉及大靖、武威、永昌3 個盆地。嚴(yán)格意義上來說，計算地下水資源時不僅要計算與地表水不相重復(fù)的地下水資源，還要考慮與地表水重復(fù)的那部分地下水資源。但是本文這里，將主要考慮的是與地表水不相重復(fù)的地下水資源，包括側(cè)向流入、凝結(jié)水補(bǔ)給和降水等，其中沙漠地區(qū)側(cè)向流入量為4 900 萬m3，祁連山地區(qū)側(cè)向補(bǔ)給量為7 700 萬m3，降水和凝結(jié)水補(bǔ)給量共計4 300萬m3，流域地下水總資源量總計為9 900 萬m3。石羊河流域地下水資源計算成果分布如表1。

表1 石羊河流域地下水資源計算成果表萬m3

2 系統(tǒng)實(shí)施前石羊河流域地下水位監(jiān)測、機(jī)井監(jiān)控狀況

2.1 地下水位監(jiān)測狀況

石羊河流域地下水主要由降水、凝結(jié)水補(bǔ)給和側(cè)向流入這三部分組成。地下水位監(jiān)測的目的主要是監(jiān)測地下水位的變化和變化過程，監(jiān)測武威市漏斗區(qū)、永昌縣漏斗區(qū)、民勤盆地超采區(qū)的面積和水位埋深的變化。石羊河流域水資源系統(tǒng)工程在2015年前共建設(shè)70 處地下水位監(jiān)測點(diǎn)，地下水監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)基本能反映出流域大部分區(qū)域的地下水水位的動態(tài)變化情況，為流域地下水資源管理提供了一定的理論依據(jù)和技術(shù)支持，但受項(xiàng)目資金限制，前期項(xiàng)目未能實(shí)現(xiàn)全流域所有代表性區(qū)域的水位監(jiān)測點(diǎn)的全覆蓋，部分區(qū)域布點(diǎn)數(shù)量相對較少，不能全面、科學(xué)的反映全流域地下水變化情況。流域內(nèi)有武威水文局建設(shè)的60 處地下水監(jiān)測點(diǎn)及國土部門建設(shè)的119 處地下水監(jiān)測點(diǎn)。監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)尚未得到有效的融合、共享及分析。

2.2 機(jī)井智能化計量監(jiān)測

石羊河流域智能計量設(shè)施的安裝使用，不僅可以在一定程度上推動流域定額管理措施的實(shí)施和用水總量的控制，還可以促進(jìn)以水權(quán)為核心的流域水資源管理體系的建設(shè)。截至2015年，石羊河流域有機(jī)井19 744 眼，通過各類項(xiàng)目縣（區(qū)）對部分智能計量設(shè)施進(jìn)行了升級改造，2 489 眼機(jī)井采用了先進(jìn)的超聲波水表計量，占12.6%；由于投資限制，沒有安裝水表，以電計量共1 727只眼，占比為8.7%；其余15 577眼機(jī)井均采用治理之初安裝的懸移式水表進(jìn)行計量，占78.7%。懸移式水表計量為流域治理項(xiàng)目實(shí)施的第一代智能化計量設(shè)施，易受地下水所含泥沙淤積影響，大部分無法正常運(yùn)行，大多采用井口人工經(jīng)驗(yàn)流量錄入系統(tǒng)計量，無法做到精準(zhǔn)計量。同時，僅有1 704 眼機(jī)井需要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)控，占機(jī)井總數(shù)的8%，無法進(jìn)行有效的實(shí)時監(jiān)控和控制。

3 水資源信息管理系統(tǒng)地下水子系統(tǒng)

增強(qiáng)對石羊河流域水資源的綜合治理和統(tǒng)一管理至關(guān)重要，因此需要在全流域建立一個水資源配置和節(jié)水管理統(tǒng)一信息系統(tǒng)，其中包括調(diào)度管理決策支持系統(tǒng)和監(jiān)測地下水系統(tǒng)。本文主要構(gòu)造了監(jiān)測地下水系統(tǒng)。地下水系統(tǒng)主要包括：地下水水位監(jiān)測、地下水水量監(jiān)測、地下水蓄變量、補(bǔ)給降水量、灌區(qū)取水量模擬、機(jī)井水量計量。用來展示石羊河流域不同區(qū)域的地下水分布情況以及實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)情況。

3.1 地下水水位監(jiān)測

在大數(shù)據(jù)平臺支撐下的地下水水位監(jiān)測數(shù)據(jù)，以專題圖的方式展現(xiàn)地下水水位監(jiān)測信息。地下水水位監(jiān)測信息包括水站名稱、水站類型、所屬平原區(qū)、所屬行政區(qū)劃、監(jiān)測方式、建設(shè)時間、管理單位、監(jiān)測時間、水位等。采用分段設(shè)色的方式，對處于不同水位區(qū)間范圍的地下水測站按照不同的顏色進(jìn)行渲染，直觀的展現(xiàn)地下水水位的空間分布特征。通過設(shè)置查詢條件，可查看不同區(qū)域、不同水位范圍的地下水水位信息；同時可按照系統(tǒng)的發(fā)布時間，查看前一次、前兩次、前三次、前四次發(fā)布的地下水水位信息；系統(tǒng)支持針對地下水水站名稱的模糊查詢，可查詢滿足條件的站點(diǎn)的水位信息。在地圖顯示區(qū)單擊某一地下水站，可查看該地下水站的基本信息和監(jiān)測信息。

圖1 地下水監(jiān)測過程線

圖2 地下水埋深分布圖

3.2 地下水水量監(jiān)測

在大數(shù)據(jù)平臺支撐下的地下水水量監(jiān)測數(shù)據(jù)，以專題圖的方式展現(xiàn)地下水水量監(jiān)測信息。地下水水量監(jiān)測信息包括水站名稱、水站類型、所屬平原區(qū)、所屬行政區(qū)劃、監(jiān)測方式、建設(shè)時間、管理單位、監(jiān)測時間、水量等。采用分段設(shè)色的方式，對處于不同水量區(qū)間范圍的地下水測站按照不同的顏色進(jìn)行渲染，直觀的展現(xiàn)地下水水量的空間分布特征。通過設(shè)置查詢條件，可查看不同區(qū)域、不同水位范圍的地下水水量信息；同時可按照系統(tǒng)的發(fā)布時間，查看前一次、前兩次、前三次、前四次發(fā)布的地下水水量信息；系統(tǒng)支持針對地下水水站名稱的模糊查詢，可查詢滿足條件的站點(diǎn)的水量信息。在地圖顯示區(qū)單擊某一地下水站，可查看該地下水站的基本信息和監(jiān)測信息。

地下水水位及變化：接入大數(shù)據(jù)平臺的地下水水位及變化情況數(shù)據(jù)，以列表、圖形、等值面/等值線圖、三維剖面圖等方式展現(xiàn)地下水水位及變化信息。地下水水位及變化信息包括月平均埋深信息、月平均埋深與去年同月對比信息、月平均埋深與同年上月對比信息。

圖3 地下水變幅分布圖

（1）月平均埋深信息展現(xiàn)。月平均埋深信息包括行政區(qū)劃、月平均埋深、月最大埋深、月最大埋深發(fā)生時間、月最小埋深、月最小埋深發(fā)生時間。

（2）月平均埋深與去年同月對比信息。支持根據(jù)同比及時間，展現(xiàn)月平均埋深與去年同月對比信息。

月平均埋深與去年同月對比信息包括行政區(qū)劃、月平均埋深、月最大埋深、月最大埋深發(fā)生時間、月最小埋深、月最小埋深發(fā)生時間、平均埋深與去年同期對比。

（3）月平均埋深與同年上月對比信息。支持根據(jù)環(huán)比及時間，展現(xiàn)月平均埋深與同年上月對比信息。

月平均埋深與同年上月對比信息包括行政區(qū)劃、月平均埋深、月最大埋深、月最大埋深發(fā)生時間、月最小埋深、月最小埋深發(fā)生時間、月平均埋深與同年上月對比信息。

（4）地下水位等值線。根據(jù)地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)，提供地下水等值線生成功能。

（5）三維剖面圖。根據(jù)地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)，提供地下水水層的三維剖面圖。

3.3 地下水蓄變量

在大數(shù)據(jù)平臺支撐下的地下水蓄變量數(shù)據(jù)，以列表、等值面圖兩種方式展現(xiàn)地下水蓄變量信息。地下水蓄變量信息包括月蓄水變量信息與去年同期對比信息、年蓄水變量信息與去年同期對比信息。

（1）月蓄水變量信息與去年同期對比信息。月蓄水變量信息與去年同期對比信息包括行政區(qū)劃、平原區(qū)面積、月降水量均值、月降水量距平值、月蓄變量合計值。

（2）年蓄水變量信息與去年同期對比信息。年蓄水變量信息與去年同期對比信息包括行政區(qū)劃、平原區(qū)面積、去年各月降水量均值、去年各月降水量距平值、年蓄變量合計值。

（3）地下蓄水等值線。根據(jù)地下蓄水?dāng)?shù)據(jù)，提供地下蓄水等值線生成功能。

3.4 補(bǔ)給降水量

在大數(shù)據(jù)平臺支撐下的補(bǔ)給降水量數(shù)據(jù)，以列表、等值面圖兩種方式展現(xiàn)地下水補(bǔ)給降水量信息。地下水補(bǔ)給降水量信息包括月補(bǔ)給降水量信息與去年同期對比信息、年補(bǔ)給降水量信息與去年同期對比信息。

（1）月補(bǔ)給降水量信息與去年同期對比信息。月補(bǔ)給降水量信息與去年同期對比信息包括行政區(qū)劃、平原區(qū)面積、月降水量均值、月降水量距平值、月補(bǔ)給降水量合計值。

補(bǔ)給降水量信息按月發(fā)布，在查詢條件中選擇所要查看的年月信息，即可查看該年月的補(bǔ)給降水量信息。

（2）年補(bǔ)給降水量信息與去年同期對比信息。年補(bǔ)給降水量信息與去年同期對比信息包括、行政區(qū)劃平原區(qū)面積、去年各月降水量均值、去年各月降水量距平值，全年補(bǔ)給降水合計值。

（3）補(bǔ)給降水等值線。根據(jù)補(bǔ)給降水量數(shù)據(jù)，提供補(bǔ)給降水等值線生成功能。

3.5 灌區(qū)取水量模擬

在大數(shù)據(jù)平臺支撐下的禁采區(qū)、超采區(qū)范圍內(nèi)各灌區(qū)機(jī)井取水量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)旬月年比較、同期比較。

3.6 機(jī)井水量計量

實(shí)現(xiàn)灌區(qū)基礎(chǔ)信息、管理站基礎(chǔ)信息、機(jī)井基礎(chǔ)信息、管理站用水月/季/年報表等信息的查閱管理。

4 機(jī)井用水量實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)

本文構(gòu)建了一套機(jī)井用水量實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)。

前期建設(shè)的清源、金塔、古浪河、西營灌區(qū)部分機(jī)電井進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)施監(jiān)控僅1 704 眼，占流域現(xiàn)有機(jī)井19 744 眼總量的8%，未實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控18 040 眼，達(dá)機(jī)井總數(shù)的92%。流域內(nèi)禁采區(qū)、超采區(qū)各灌區(qū)現(xiàn)已建設(shè)機(jī)井水量計量設(shè)施，大部分計量水表采用葉輪式機(jī)械水表，部分改造為超聲波水表，基本可以做到精確計量，數(shù)據(jù)已上傳到各灌區(qū)水管單位，未發(fā)送至石管局進(jìn)行共享，本次建設(shè)進(jìn)行水量實(shí)時監(jiān)控，流域內(nèi)建設(shè)522眼機(jī)井改造安裝遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)，與信息系統(tǒng)已建成的清源、金塔、古浪河、西營灌區(qū)1 704 眼機(jī)井，共同作為縣（區(qū)）整體地下水取水情況的代表性監(jiān)測機(jī)井，實(shí)時監(jiān)控流域各縣（區(qū)）用水情況，模擬了全流域和分區(qū)地下水開采量。布點(diǎn)原則如下：

（1）在流域在流域禁采區(qū)、超采區(qū)各井灌區(qū)選取機(jī)井總量的5%，在各灌區(qū)內(nèi)均勻分布。

（2）計量及控制設(shè)施采用現(xiàn)有設(shè)備，僅增設(shè)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)通信模塊及接口設(shè)備。

機(jī)井水量遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)建設(shè)規(guī)模表見表2。

表2 機(jī)井水量計量系統(tǒng)配置表

目前機(jī)井水量計量數(shù)據(jù)傳輸流向見圖4。

圖4 機(jī)井水量計量數(shù)據(jù)傳輸流程

圖5 機(jī)井水量計量總體框架

機(jī)井計量遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)主要由地下水計量設(shè)施、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸網(wǎng)絡(luò)模塊、井灌區(qū)管理處、石管局調(diào)度中心等幾部分組成。各地下水計量設(shè)施通過中國移動的或中國聯(lián)通或中國電信的4G 網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)通過通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到石管局建設(shè)的云平臺數(shù)據(jù)庫；石管局調(diào)度中心、井灌區(qū)管理處通過安裝有流域“一張圖”系統(tǒng)的工作站使用賬戶密碼登陸系統(tǒng)，通過公網(wǎng)獲取相應(yīng)權(quán)限的軟件界面及數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 語

本文首先構(gòu)造了石羊河流域水資源調(diào)度管理信息系統(tǒng)的地下水監(jiān)測系統(tǒng)，然后對該地下水子系統(tǒng)進(jìn)行了總體研究，進(jìn)而分析了實(shí)施前的地下水監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)情況以及機(jī)井智能化計量監(jiān)測的建設(shè)情況，從地下水監(jiān)測系統(tǒng)及機(jī)井用水量實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)的功能與數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫孀隽嗽敿?xì)的設(shè)計，本文構(gòu)造的地下水監(jiān)測系統(tǒng)及機(jī)井用水量實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)包含在《石羊河流域水資源調(diào)度管理信息系統(tǒng)工程》中實(shí)施，通過近十年來對石羊河流域的機(jī)動井用水量的實(shí)時監(jiān)控和地下水資源的實(shí)行監(jiān)測，為流域水資源的統(tǒng)一調(diào)度、管理和合理優(yōu)化配置提供了重要的理論依據(jù)和技術(shù)支持。除此之外，也提高了流域水資源的用水效率和管理水平?！?/p>