信息技術(shù)在流域水政水資源管理中的應(yīng)用分析

李震

（塔里木河流域巴音郭楞管理局開都河下游管理站，新疆焉耆 841100）

1 引言

近幾年來，我國利用流域水政水資源管理中開展若干重大技術(shù)項目的契機，將信息技術(shù)與流域水政水資源管理進行了有機融合，促使信息技術(shù)在流域水政水資源管理工作中得到了進一步推廣應(yīng)用，奠定了流域水政水資源管理信息化建設(shè)基礎(chǔ)。通過在流域水政水資源管理中應(yīng)用信息技術(shù)，不僅可以提高管理工作效率，而且可以為流域安全提供保障。因此，探究流域水政水資源管理中信息技術(shù)的應(yīng)用具有非常重要的意義。

2 流域水政水資源管理概述

流域水政水資源管理主要是負責(zé)流域水資源開發(fā)、利用、規(guī)劃、管理與保護工作，并促使其順利進行的活動，包括水利工程、水政管理、水資源管理多個方面[1]。流域水政水資源管理過程中，需要依托水質(zhì)監(jiān)測評價、水文水利計算、水資源勘測規(guī)劃與評價計算、水行政與水政監(jiān)察管理、水患險情處理、水平衡測試等技術(shù)方法，完成水質(zhì)測試分析與評價、治河與防洪、水資源系統(tǒng)規(guī)劃、水環(huán)境保護、水政管理、水資源技術(shù)經(jīng)濟等任務(wù)。

3 信息技術(shù)在流域水政水資源管理中的應(yīng)用

3.1 在水資源調(diào)研中的應(yīng)用

在水資源調(diào)研中，可以利用海量信息的數(shù)據(jù)管理技術(shù)、三維地形信息平臺與空間矢量信息交互式技術(shù)，面向東經(jīng)86°～119.5°、北緯31.5°～42.0°范圍，收集多分辨率DEM（數(shù)字高層模型）、DOM（數(shù)字正射影像圖），提取包含河流、重要交通、各類水利工程在內(nèi)的基礎(chǔ)空間信息圖層以及多沙區(qū)治理范圍、防洪工程布局等空間專題圖，收集后依據(jù)數(shù)據(jù)時間完成編碼存儲，形成以時間序列為基礎(chǔ)的空間地理框架。在框架內(nèi)動態(tài)跟蹤流域水資源變化情況，實時收集水資源信息，并進行信息的圖形化、數(shù)字化處理，最終導(dǎo)入平臺軟件內(nèi)進行可視化展現(xiàn)，為水資源管理提供支持。

3.2 在水資源管理中的應(yīng)用

水資源管理信息化主要是在建設(shè)數(shù)據(jù)倉庫及知識庫、數(shù)據(jù)庫及空間數(shù)據(jù)庫、模型庫及方法庫等公共信息平臺的基礎(chǔ)上，開發(fā)應(yīng)用水資源管理調(diào)度系統(tǒng)、水資源保護管理系統(tǒng)、水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、水利工程建設(shè)與管理系統(tǒng)等軟件系統(tǒng)。以水資源保護管理系統(tǒng)為例，由于信息技術(shù)的水資源保護管理的本質(zhì)是數(shù)字化保護，在信息技術(shù)的支持下，系統(tǒng)可自動采集水質(zhì)量信息，并進行相關(guān)信息的多時空、多方位三維描述，逐步形成一個全方位支持流域水資源保護的數(shù)字化體系，具體包括水資源預(yù)測預(yù)報、水量調(diào)度方案管理、水資源監(jiān)測管理、水量調(diào)度業(yè)務(wù)處理與綜合監(jiān)視、危機調(diào)度管理、取水許可管理幾個部分。其中，水資源預(yù)測預(yù)報包括降水、徑流、水量預(yù)報；水量調(diào)度方案管理包括需水量計算、方案評價、結(jié)果顯示、方案自動演算幾個部分；水資源監(jiān)測管理包括水口引水量、地下水、旱情與墑情、來水區(qū)來水、河源水資源管理；水量調(diào)度業(yè)務(wù)處理與綜合監(jiān)視包括水量調(diào)度信息查詢、綜合監(jiān)視與預(yù)警、調(diào)度中心業(yè)務(wù)處理幾個部分；危機調(diào)度管理包括危機調(diào)度預(yù)案管理、實施方案編制、業(yè)務(wù)處理幾個部分；取水許可管理包括取水加權(quán)交易管理、用水統(tǒng)計、取水許可監(jiān)督幾個部分。通過在計算機信息系統(tǒng)中利用Agent 技術(shù)與框架技術(shù)分模塊構(gòu)建水資源保護管理系統(tǒng)，可以實現(xiàn)遠程實時保護管理，提高管理實效[2]。

3.3 在水資源優(yōu)化配置中的應(yīng)用

在水資源優(yōu)化配置過程中，考慮到流域水資源優(yōu)化配置參與單元較多，為提高現(xiàn)有配置系統(tǒng)的可擴展性，可以利用信息系統(tǒng)組件化開發(fā)技術(shù)，經(jīng)過程式代碼協(xié)調(diào)單元完成系統(tǒng)擴展[3]，即將流域內(nèi)水資源優(yōu)化配置單元概化為相互聯(lián)系的若干類型節(jié)點組成的“樹結(jié)構(gòu)”。進而利用基于REST API（表現(xiàn)層狀態(tài)轉(zhuǎn)換）的遞歸遍歷方式，分析節(jié)點連接方式以及水庫群集成屬性。得到流域內(nèi)全部節(jié)點屬性后，可根據(jù)水資源優(yōu)化配置范圍獲取參與計算的節(jié)點集、節(jié)點計算順序。進而利用Adapter Pattern（適配器模式），將迭代邏輯封裝到獨立迭代子對象（流域內(nèi)全部節(jié)點子集）內(nèi)，根據(jù)同一局部、全部局部水資源優(yōu)化配置需求，生成不同的優(yōu)化配置方案[4]。

3.4 在水資源評價體系中的應(yīng)用

空間信息分析是基于信息技術(shù)的水資源評價體系的核心組成，也是不同類別綜合性地學(xué)分析模型構(gòu)建的基石。空間信息分析包括幾何量算、疊加分析幾個部分。其中，幾何量算主要是對流域水資源空間信息進行定量處理，在空間對象為線時，幾何量算的含義為長度（河長等）；在空間對象為面時，幾何量算的含義為面積（流域或區(qū)劃面積等）。具體計算時，可以利用地理信息系統(tǒng)代替求積儀進行多種流域劃分面積的核算，可以將核算誤差控制在0.2%內(nèi)；而疊加分析則是利用點與多邊形疊加、多邊形與線疊加方式，將2 層或以上空間信息疊加后獲得新要素，新要素具有綜合屬性。比如，將行政區(qū)劃圖層、水資源評價區(qū)劃圖層疊加后，獲得每一個行政區(qū)劃對應(yīng)的水資源評價區(qū)域。在疊加分析后，可以引入地理信息系統(tǒng)中的規(guī)則格網(wǎng)、數(shù)字等值線圖等數(shù)字地面模型以及謝別德插值（Sherpad Interpolation）、距離倒數(shù)加權(quán)插值法（Inverse Distance Weighting），進行蒸發(fā)量、降水量、水資源量等變量評價。

以某流域降水總量評價為例，其降水總量評價結(jié)果見表1。

表1 某流域降水總量評價

3.5 在流域規(guī)劃管理中的應(yīng)用

流域規(guī)劃管理是一項長期、可持續(xù)的工作，新形勢、新問題不斷涌現(xiàn)，需要在基礎(chǔ)規(guī)劃圖層繪制、數(shù)據(jù)整理、地理信息數(shù)據(jù)量算的前提下，利用三維仿真、云計算等現(xiàn)代信息技術(shù)，構(gòu)建一套以決策支持為核心，以計算機信息交互網(wǎng)絡(luò)為樞紐，緊密連接政務(wù)信息系統(tǒng)的信息化規(guī)劃體系，集成數(shù)據(jù)自動匯總剖析、業(yè)務(wù)步驟自動監(jiān)控、多方案比選優(yōu)化、信息采集與數(shù)據(jù)分析、模型仿真、跟蹤管理、存儲歸檔等模塊，進行流域規(guī)劃布局、目標(biāo)的直觀化顯示，為流域規(guī)劃管理工作效率的提高提供依據(jù)。為實現(xiàn)全過程跟蹤管理，可以引入基于時間維度的空間信息技術(shù)以及數(shù)據(jù)庫，進行集成時間、空間的流域規(guī)劃管理系統(tǒng)構(gòu)建，以時間為主線，實時組織、存儲不同類別的現(xiàn)狀數(shù)據(jù)和成果數(shù)據(jù)（含流域現(xiàn)狀地形、經(jīng)濟社會信息、影像信息），并開放查詢、顯示端口，實現(xiàn)不同流域規(guī)劃方案的可視化動態(tài)管理。

需要注意的是，因流域規(guī)劃管理信息量巨大、空間信息時刻變化、涉及面積較大，在不同流域規(guī)劃方案的可視化動態(tài)管理過程中，根據(jù)水利規(guī)劃特點的差異，應(yīng)以規(guī)劃水平年的相應(yīng)時刻為標(biāo)示，進行流域水利規(guī)劃成果數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建。在數(shù)據(jù)庫內(nèi)，進行實際工程、數(shù)字環(huán)境工程模型與專題圖的一一對應(yīng)。并在GIS+三維虛擬現(xiàn)實技術(shù)結(jié)合后形成的空間矢量信息交互式查詢技術(shù)支持下，實現(xiàn)三維平臺中多類別流域規(guī)劃專題圖的疊加展現(xiàn)、交互觸發(fā)、實時更新[5]。

3.6 在流域防洪決策中的應(yīng)用

我國是世界洪澇災(zāi)害發(fā)生概率較高的國家之一，洪澇災(zāi)害對我國社會經(jīng)濟具有較為顯著的影響，造成的經(jīng)濟損失、人員傷亡位居自然災(zāi)害首位。僅2021 年上半年，全國因洪澇受災(zāi)面積就達2 921 700 hm2，絕收237 700hm2，直接經(jīng)濟損失408.6 億元。而傳統(tǒng)流域防洪措施具有投資大、見效慢的特點。在信息技術(shù)飛速發(fā)展背景下，流域防洪決策系統(tǒng)功能持續(xù)完善，運行效率持續(xù)提高，為現(xiàn)代化防洪提供了充足支持。以開都—孔雀河流域防洪調(diào)度為例，其可以分析開都—孔雀河流域、博斯騰湖當(dāng)前防洪調(diào)度業(yè)務(wù)職責(zé)與需求，統(tǒng)計流域調(diào)度規(guī)則、分析核算方式、流域調(diào)度經(jīng)驗，在當(dāng)前防洪調(diào)度工作步驟、組織分工的基礎(chǔ)上，形成一個涵蓋開都—孔雀河流域關(guān)鍵洪水防控地區(qū)的應(yīng)用軟件系統(tǒng)。該應(yīng)用軟件系統(tǒng)可以根據(jù)實時收集匯總雨、水、氣象、工情、險情以及預(yù)報成果，結(jié)合流域洪水防控調(diào)度方案，開展多維度、多方向仿真，可視化展現(xiàn)仿真結(jié)果。進而依據(jù)洪災(zāi)情況分析，實現(xiàn)多部門數(shù)據(jù)交換、調(diào)度成果共享，在進一步細化洪水防控形勢分析目標(biāo)與輸出需求的情況下，開展多方案對比，優(yōu)選最佳方案，提高流域洪水防控決策精確性。

4 具體應(yīng)用技術(shù)

在水政水資源管理過程中，借助“3S”技術(shù)（RS 技術(shù)、GPS技術(shù)、GIS 技術(shù)），可以滿足水政水資源管理調(diào)度所需不同類別信息采集需求，預(yù)先報道流域主要來水區(qū)徑流、徑流量。并在系統(tǒng)軟件管理模型庫內(nèi)進行若干套年度管理預(yù)案、月旬管理預(yù)案、危機管理預(yù)案的自動生成，實現(xiàn)年度流域可供水量分配、引水工程遠距離自動化監(jiān)控、水量實時調(diào)度、取水許可網(wǎng)上審批等功能。同時進行多種水資源管理業(yè)務(wù)的及時處理，增強水政水資源管理工作的科學(xué)性、預(yù)見性。具體如下。

4.1 RS 技術(shù)

RS 即遙感技術(shù)，其是應(yīng)用多種類型傳感儀器收集、處理遠距離目標(biāo)輻射電磁波信息的裝置，可以為水情信息采集提供支持。比如，為了解流域的降雨徑流，可以直接利用遙感水文模型，結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，進行河道洪水驗算，推導(dǎo)區(qū)間降水產(chǎn)匯流以及下游水文站洪水過程。再如，根據(jù)地表水體隨水質(zhì)差異而呈現(xiàn)不同顏色的特點，可以分析遙感圖像中不同類型水體的色調(diào)，并建立遙感反演模型，推算傳感器接收反射光譜變化以及與之相關(guān)的水體電磁輻射變化，計算水污染物濃度，實現(xiàn)對水環(huán)境水質(zhì)參數(shù)的定量評價。

4.2 GPS 技術(shù)

GPS 即全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，其是采集觀測點經(jīng)緯度的衛(wèi)星系統(tǒng)。在流域水政水資源管理過程中，可以利用GPS 技術(shù)，在高度角15°以上無阻擋物、周邊100.0 m 范圍內(nèi)無電力設(shè)施、視野開闊的地區(qū)布置監(jiān)測網(wǎng)（5 個基準站+1 個中心處理站），進行大氣水汽測量、降雨預(yù)報。在GPS 監(jiān)測網(wǎng)布置后，每天24 h 連續(xù)觀測并實時傳輸流域水汽含量、時空變化數(shù)據(jù)。通過高時空分辨率、全天候不間斷水汽變化序列的利用，可以結(jié)合數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品與動力診斷分析技術(shù)構(gòu)建可描述天氣系統(tǒng)動力學(xué)因子的降雨預(yù)報系統(tǒng)，助力洪水防控決策、預(yù)警。

4.3 GIS 技術(shù)

GIS 技術(shù)即地理信息系統(tǒng)，其是關(guān)于以空間對象、空間屬性信息為研究目標(biāo)的計算機系統(tǒng)。其中，空間對象特指二維地理信息系統(tǒng)中的點、面、線[6]。利用地理信息系統(tǒng)可以從國家基礎(chǔ)地理信息中心等測繪部門收集行政區(qū)劃、等高線、河流水系等公共信息，結(jié)合水利部門存儲的水文站控制斷面流域界、水資源評價區(qū)劃、水文站點位置等專業(yè)信息，可以構(gòu)建計算機易于處理的信息庫[7]。即掃描包含多種空間信息的工作底圖，形成計算機圖像信息后，利用地理信息系統(tǒng)的Image Registration（圖像配準）功能，完成工作底圖的圖像配準。配準后，對工作區(qū)劃信息進行數(shù)字化處理，獲得矢量數(shù)據(jù)，且工作地圖表面任意點可以關(guān)聯(lián)到經(jīng)緯度位置，為水資源管理提供充足的空間信息支持。

5 結(jié)語

綜上所述，流域水政水資源管理是一項技術(shù)復(fù)雜、涉及范圍廣、不確定因素眾多、信息處理量龐大的工作。通過將信息技術(shù)應(yīng)用于流域水政水資源管理，可以降低工作人員的壓力，保證各項管理工作有序、高效、精準開展。因此，管理人員應(yīng)根據(jù)流域防洪決策、水資源評價、水資源調(diào)研、流域規(guī)劃管理等工作需求，合理利用RS、GPS 或GIS 技術(shù)，充分發(fā)揮信息技術(shù)在流域水政水資源管理中的優(yōu)勢，提高管理實效。