安徽省節(jié)水精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)分析與展望

王向陽(yáng)

一、引言

2011年中央1號(hào)文件、2012年國(guó)務(wù)院3號(hào)文件均明確提出實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度。要求確立水資源開(kāi)發(fā)利用控制紅線和用水效率控制紅線，強(qiáng)化用水需求和用水過(guò)程管理。本文在全面梳理安徽省用水大戶現(xiàn)狀及信息系統(tǒng)建設(shè)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，以提高節(jié)水管理部門業(yè)務(wù)管理信息化水平為目標(biāo)，分析研究適應(yīng)安徽省的節(jié)約用水精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)，使得用水戶監(jiān)控體系能夠及時(shí)、準(zhǔn)確、全面地掌握全省重點(diǎn)用戶的用水狀況，提高用水戶精細(xì)化和規(guī)范化管理水平。

二、安徽省節(jié)水監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀

（一）節(jié)水監(jiān)測(cè)的含義

節(jié)約用水監(jiān)測(cè)監(jiān)控主要是針對(duì)重點(diǎn)用水大戶的用水量進(jìn)行監(jiān)測(cè)與監(jiān)控，以促進(jìn)其節(jié)約用水。

（二）安徽現(xiàn)狀節(jié)水監(jiān)測(cè)問(wèn)題

2021年1月—2022年2月，項(xiàng)目組走訪了安徽16家主要的農(nóng)業(yè)、工業(yè)節(jié)水用水監(jiān)測(cè)點(diǎn)，從實(shí)地走訪調(diào)研的情況來(lái)看，目前重點(diǎn)用水監(jiān)控單位均具備計(jì)量、在線監(jiān)測(cè)措施，數(shù)據(jù)回傳監(jiān)測(cè)在技術(shù)上已成熟應(yīng)用，但仍存在以下問(wèn)題：

1.計(jì)量精度低

目前大多數(shù)管網(wǎng)使用的仍然是機(jī)械轉(zhuǎn)子式流量計(jì)，由于設(shè)備老化、計(jì)量精度低、電池電量不足、信號(hào)傳輸不暢等因素，監(jiān)控系統(tǒng)無(wú)法及時(shí)準(zhǔn)確自動(dòng)獲取計(jì)量?jī)x表的計(jì)量數(shù)據(jù)。此外還存在口徑量程和流量變動(dòng)狀況的匹配程度差（如小表大用、大表小用等計(jì)量?jī)x表型號(hào)及量程和實(shí)際流量失配情況）、偷盜水現(xiàn)象嚴(yán)重、人情水和關(guān)系水現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生等情況，導(dǎo)致真實(shí)的用水規(guī)律不詳?shù)取?/p>

由于灌區(qū)多為明渠取水，所使用的計(jì)量表基本上是傳統(tǒng)的浮子式水位計(jì)，并根據(jù)水位換算成流量。這種計(jì)量器具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高，但存在計(jì)量誤差較大、安裝時(shí)校準(zhǔn)及標(biāo)定難度大成本高等問(wèn)題。

2.部分用水單位仍采用人工抄表

用水大戶使用的計(jì)量?jī)x表一般比較分散，人工抄表費(fèi)用高、效率低、時(shí)間滯后、容易出錯(cuò)，無(wú)法有效監(jiān)督非正常用水和人為破壞計(jì)量?jī)x表的情況。計(jì)量?jī)x表如發(fā)生損壞、停表、碎表、漏水等故障，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，往往要到下一次人工抄表時(shí)才可能發(fā)現(xiàn)，造成水資源的浪費(fèi)。

3.智能化數(shù)據(jù)處理技術(shù)缺乏

在當(dāng)前云計(jì)算等新技術(shù)蓬勃發(fā)展的趨勢(shì)下，已經(jīng)建立了各級(jí)用水監(jiān)管系統(tǒng)，但是如何通過(guò)智能化的手段對(duì)這些監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析尚待進(jìn)一步研究。

三、節(jié)水監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)分析

根據(jù)當(dāng)前安徽省主要用水大戶實(shí)施精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控所面臨的困難，梳理國(guó)內(nèi)現(xiàn)有相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，就每個(gè)關(guān)鍵技術(shù)在節(jié)水監(jiān)測(cè)監(jiān)控應(yīng)用中的實(shí)施途徑和實(shí)施條件進(jìn)行論述。

（一）用水量精準(zhǔn)計(jì)量

1.新安裝設(shè)備

針對(duì)新安裝設(shè)備需求，首先要進(jìn)行計(jì)量?jī)x表的選型分析，沒(méi)有一種計(jì)量?jī)x表從性能和價(jià)格適合所有類型大用戶，需要根據(jù)用水變化規(guī)律來(lái)合理選擇計(jì)量?jī)x表。其次，還需對(duì)流量計(jì)的口徑及量程與流量進(jìn)行匹配分析，大表小流量、小表大流量等實(shí)際流量和水表量程失配的情況將會(huì)影響用水計(jì)量精度。

2.傳統(tǒng)機(jī)械式計(jì)量設(shè)備

更換傳統(tǒng)機(jī)械式計(jì)量設(shè)備比較困難的，可以將其改造成電子式遠(yuǎn)傳水表，或者改造成基于圖像識(shí)別的攝像遠(yuǎn)傳水表，相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品比較成熟，成本也比較低廉。

（二）基于空天遙感技術(shù)

基于衛(wèi)星或者飛機(jī)的遙感技術(shù)以及視頻測(cè)流技術(shù)，可以在合理規(guī)劃節(jié)水灌溉工程、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)灌溉情況、優(yōu)化水資源的配置方面為農(nóng)業(yè)節(jié)水工程提供幫助?；诳仗爝b感技術(shù)的節(jié)水灌溉具體實(shí)施步驟如下：

首先充分利用無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)手段，在研究工作區(qū)土壤、水文、作物等各要素的遙感光譜特征基礎(chǔ)上，建立遙感色彩、形狀、影紋、地形地貌等解譯標(biāo)志，然后構(gòu)建灌區(qū)農(nóng)作物的光譜影像解譯方法及技術(shù)規(guī)程。在確定最佳監(jiān)測(cè)波段的基礎(chǔ)上，構(gòu)建科學(xué)合理、簡(jiǎn)便高效的光譜影像解譯方法及技術(shù)規(guī)程，這也是準(zhǔn)確獲取農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程中最具價(jià)值作物信息的關(guān)鍵。再經(jīng)過(guò)解譯，與農(nóng)作物的各項(xiàng)生理生化指標(biāo)建立對(duì)應(yīng)關(guān)系。最后建立以肥、水、農(nóng)作物產(chǎn)量及品質(zhì)為核心的耦合模型和技術(shù)，生成高效灌溉種植制度，達(dá)到節(jié)水灌溉的目標(biāo)。

（三）低功耗無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸

低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為自動(dòng)抄表提供了便利，且節(jié)省人工成本?？筛鶕?jù)不同的場(chǎng)景設(shè)計(jì)不同的安裝和傳輸方式。

針對(duì)井內(nèi)無(wú)電、潮濕的環(huán)境，需要將無(wú)線傳輸模塊隱蔽安裝在井內(nèi)，并采用電池供電，防止被盜被破壞，抄表終端每天定時(shí)采集、上報(bào)流量數(shù)據(jù)，監(jiān)控中心自動(dòng)接收、存儲(chǔ)各測(cè)點(diǎn)抄表數(shù)據(jù)。

針對(duì)水計(jì)量裝置安裝在露天的情況，可以采用市電或者太陽(yáng)能為數(shù)據(jù)采集和無(wú)線傳輸系統(tǒng)供電。

針對(duì)井內(nèi)、井外都有水計(jì)量裝置的情景，采用接力方式抄表。

（四）管網(wǎng)漏損識(shí)別定位

目前，安徽平均管網(wǎng)漏損率約為15%以上。傳統(tǒng)管網(wǎng)漏損識(shí)別定位方法總體分為設(shè)備法和模型法兩類，主要包括基于CNN-LSTM的管網(wǎng)漏損識(shí)別定位、Bi-LSTM模型、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)三種，實(shí)際應(yīng)用中選擇方法取決于管道特性、流體種類、外部環(huán)境和成本等因素。

（五）智能壓力管理

壓力管理即在保證用戶正常用水的前提下，通過(guò)加裝調(diào)壓設(shè)備，根據(jù)用水量調(diào)節(jié)管網(wǎng)壓力至最優(yōu)的運(yùn)行條件。采取壓力管理方法，確保供水管網(wǎng)滿足用戶壓力需求的前提下降低管網(wǎng)的富余壓力，可大大降低管網(wǎng)由于壓力過(guò)高造成漏失的頻率。另外，壓力管理還可以有效降低爆管事故發(fā)生的概率，延長(zhǎng)管道的使用壽命。壓力管理可采用的技術(shù)手段有多種，常見(jiàn)的形式有分區(qū)管理、安裝減壓閥、水泵控制、閥門水泵協(xié)同控制等。

（六）用水量預(yù)測(cè)

用水量預(yù)測(cè)就是通過(guò)分析歷史用水量數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，綜合考慮經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境、氣候等因素，利用經(jīng)驗(yàn)的、科學(xué)的或系統(tǒng)的數(shù)學(xué)方法等，在符合一定精度要求的前提下，對(duì)未來(lái)某段時(shí)間內(nèi)的用水量進(jìn)行預(yù)測(cè)。用水量預(yù)測(cè)是供水管網(wǎng)系統(tǒng)計(jì)算、分析和優(yōu)化調(diào)度的前提和基礎(chǔ)，可作為供水管網(wǎng)智能調(diào)度、異常報(bào)警的依據(jù)，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)漏損、排查及檢修，增加管網(wǎng)安全性和可靠性。用水量預(yù)測(cè)模型主要包括基于統(tǒng)計(jì)理論的預(yù)測(cè)方法、基于傳統(tǒng)人工智能的預(yù)測(cè)方法和基于組合模型的預(yù)測(cè)方法。主要包括間序列分析法、回歸分析法、自回歸整合移動(dòng)平均模型（ARIMA）、基于LSC-DBN的用水量預(yù)測(cè)等。

（七）基于互聯(lián)網(wǎng)的節(jié)水潛力預(yù)測(cè)

節(jié)水潛力預(yù)測(cè)所依托的數(shù)據(jù)包括由監(jiān)控系統(tǒng)、各類傳感器獲得的水務(wù)基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)和共享數(shù)據(jù)，這類數(shù)據(jù)獲取時(shí)延大、分辨率低、不確定性高。應(yīng)引入水利新聞、媒體報(bào)告、媒體社會(huì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)等互聯(lián)網(wǎng)多源數(shù)據(jù)，通過(guò)邊界條件進(jìn)行大數(shù)據(jù)初步分類，降低數(shù)據(jù)量級(jí)；通過(guò)自動(dòng)文本聚合、摘要和排序進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗、關(guān)鍵詞提取，以提高節(jié)水潛力預(yù)測(cè)系統(tǒng)的預(yù)測(cè)能力和應(yīng)急能力。結(jié)合“互聯(lián)網(wǎng)+”背景，應(yīng)將互聯(lián)網(wǎng)多源數(shù)據(jù)獲取、大數(shù)據(jù)處理和基于深度學(xué)習(xí)的預(yù)測(cè)技術(shù)結(jié)合，形成數(shù)據(jù)獲取、處理、預(yù)測(cè)的閉環(huán)。同時(shí)面向公眾關(guān)心的節(jié)水熱點(diǎn)問(wèn)題，形成節(jié)水水務(wù)社會(huì)化服務(wù)數(shù)據(jù)的收集、處理、預(yù)測(cè)、發(fā)布“一體化”模式。通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)獲取，構(gòu)建應(yīng)用架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)底層數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和節(jié)水潛力預(yù)測(cè)模型的無(wú)縫集成。

四、總結(jié)

近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)、遙感技術(shù)、大數(shù)據(jù)、GIS地理信息系統(tǒng)等新技術(shù)發(fā)展迅猛，綜合利用多種新型技術(shù)，對(duì)水資源使用的各環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)即時(shí)精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)管理，并利用云端智能算法分析找出節(jié)水工作中潛在的漏洞和改進(jìn)措施建議，對(duì)于進(jìn)一步推進(jìn)水資源高效利用具有重要意義。

本文以提高安徽省節(jié)水管理信息化水平為目標(biāo)，梳理當(dāng)前用水監(jiān)測(cè)監(jiān)控狀況，并在此基礎(chǔ)上分析節(jié)約用水精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)，為提高用水戶精細(xì)化和規(guī)范化管理水平，并為實(shí)施最嚴(yán)格水資源管理制度、實(shí)現(xiàn)用水總量控制、提高用水效率、建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)節(jié)水型社會(huì)提供決策支撐