水利信息化技術(shù)在莘縣地下水超采治理中的應(yīng)用

趙廣濤

（山東省聊城市莘縣水利局，山東 莘縣 252499）

1 莘縣概況

莘縣是山東省聊城市下轄縣，位于山東省西部、聊城市西南部，冀魯豫三省交界處，屬聊城市轄區(qū)，與河北省大名縣接壤，南枕金堤，西臨衛(wèi)河，東與陽谷縣相鄰，北與冠縣、東昌府區(qū)相接，為聊城市防洪之屏障。莘縣現(xiàn)有耕地8.53萬hm2，有效灌溉面積8萬hm2，占全縣總耕地面積的93.75%，轄20個鎮(zhèn)、4個街道辦事處，現(xiàn)有總?cè)丝?04萬人。種植以小麥、玉米、林果和蔬菜為主，有中國“洋香瓜之鄉(xiāng)”、“雙孢菇之鄉(xiāng)”等稱號，工業(yè)主要有石油化工、鹽化工、玻璃、紡織及其他產(chǎn)品加工。彭樓引黃入魯復(fù)灌工程，雖然結(jié)束了莘縣不能引黃的歷史，但由于工程不配套、標(biāo)準(zhǔn)低，引水渠道不通暢，“竹節(jié)溝”現(xiàn)象嚴(yán)重，有水不能引。

2 地下水超采現(xiàn)狀分析

2.1 地下水超采

地下水超采是指在一定時期，地下水開采量超過地下水可開采量，造成地下水位持續(xù)下降，引發(fā)生態(tài)環(huán)境惡化或環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害的現(xiàn)象。莘縣2018年地下水超采量統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 莘縣2018年地下水超采量統(tǒng)計(jì)表

2019年莘縣被列入“2019年度國家地下水超采綜合治理項(xiàng)目縣”，爭取到國家資金4 200萬元，實(shí)施了徒駭河片區(qū)治理工程和馬西片區(qū)治理工程。通過項(xiàng)目的實(shí)施，建設(shè)了一批調(diào)蓄工程，增加了區(qū)域雨洪水?dāng)r蓄能力，最大限度存蓄錯峰水，可充分調(diào)蓄區(qū)域內(nèi)雨洪資源用于農(nóng)業(yè)灌溉，實(shí)現(xiàn)地表水挖潛，壓采地下水348.4萬m3。其中淺層318萬m3，深層30.4萬m3。通過深化農(nóng)業(yè)水價綜合改革、加強(qiáng)基層服務(wù)體系建設(shè)、水利工程產(chǎn)權(quán)制度改革等措施，全面完成了地下水超采區(qū)年度壓減任務(wù)，地下水超采現(xiàn)象得到了進(jìn)一步遏制，有力保障了莘縣水資源的可持續(xù)利用和水生態(tài)文明建設(shè)的深入推進(jìn)。

2.2 莘縣地下水超采分區(qū)

地下水超采區(qū)分淺層地下水超采區(qū)和深層承壓水超采區(qū)，淺層地下水超采區(qū)又分為淺層地下水一般超采區(qū)和嚴(yán)重超采區(qū)；深層承壓水超采區(qū)根據(jù)深層承壓水“開采即為超采”的原則劃定。淺層地下水一般超采區(qū)為限采區(qū)，淺層地下水嚴(yán)重超采區(qū)為禁采區(qū)，深層承壓水超采區(qū)全部為禁采區(qū)。按此標(biāo)準(zhǔn)，莘縣境內(nèi)存在淺層地下水超采區(qū)和深層承壓水超采區(qū)。劃定在淺層超采區(qū)內(nèi)的鎮(zhèn)、辦事處為：燕塔辦事處、莘州辦事處、東魯辦事處、莘亭辦事處、朝城鎮(zhèn)、觀城鎮(zhèn)、大張家鎮(zhèn)、古云鎮(zhèn)、王莊集鎮(zhèn)、張寨鎮(zhèn)、董杜莊鎮(zhèn)、俎店鎮(zhèn)、妹冢鎮(zhèn)、張魯鎮(zhèn)、大王寨鎮(zhèn)、王奉鎮(zhèn)、燕店鎮(zhèn)、魏莊鎮(zhèn)、河店鎮(zhèn)、十八里鋪鎮(zhèn)。莘縣境內(nèi)均為深層承壓水超采區(qū)，面積1 413 km2，涉及全縣24個鎮(zhèn)、辦事處，深層承壓水超采量較大區(qū)域主要集中在城區(qū)和古云工業(yè)園區(qū)。

2.3 莘縣地下水超采原因

一方面，莘縣作為農(nóng)業(yè)大縣，需要大量的灌溉水資源。全縣現(xiàn)有耕地面積9.326萬hm2。2018年全縣農(nóng)作物總播種面積16.26萬hm2，主要作物以小麥和玉米為主。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，莘縣多年平均徑流深位于30～60 mm，徑流量小，地表水資源匱乏。另一方面，人民生活水平不斷提高，節(jié)水意識薄弱，導(dǎo)致嚴(yán)重的水資源供需矛盾，在旱澇交替、連旱連澇頻發(fā)的不良?xì)庀髼l件下，進(jìn)一步加劇了水資源供需矛盾。

由于莘縣地表水資源緊缺，為滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水，自20世紀(jì)七、八十年代建成了覆蓋全縣范圍的地下水取水工程。對地下水資源的嚴(yán)重依賴，導(dǎo)致了當(dāng)?shù)亻L期過度開采地下水，形成了大范圍的地下水超采區(qū)。根據(jù)山東省地下水超采區(qū)評價結(jié)果，全縣淺層地下水超采區(qū)面積達(dá)1 151 km2，約占全縣國土面積的81%；而深層承壓水超采區(qū)面積達(dá)1 413 km2，與全縣國土面積相當(dāng)。地下水超采區(qū)的存在，地下水位長期維持在低位，對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，并隨之帶來一系列復(fù)雜的生態(tài)問題。

3 信息化技術(shù)在地下水超采治理中的應(yīng)用

結(jié)合地下水自動化控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控，地表水、地下水資源動態(tài)監(jiān)測，以及引水調(diào)水和水資源監(jiān)督管控有關(guān)案例[1-7]，根據(jù)莘縣超采地下水實(shí)際情況，分析探討超采區(qū)治理對策。

3.1 地表水自動化監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用

地表水的調(diào)度是通過控制水閘實(shí)現(xiàn)的，水閘作為地下水超采區(qū)綜合治理工程中控制性工程，除了滿足水利部門的調(diào)水、蓄水需求外，在防洪、保護(hù)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生命財(cái)產(chǎn)安全以及環(huán)境保護(hù)等諸多方面都發(fā)揮著巨大的積極作用。閘門自動化監(jiān)控系統(tǒng)主要包括閘門自動化控制、閘門遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控以及水工的自動觀測功能。智能化閘門監(jiān)控系統(tǒng)具備敏捷性，能夠快速準(zhǔn)確地根據(jù)操作指令以及閘前、閘后水位變化作出判斷，并執(zhí)行命令。自動化水閘監(jiān)控系統(tǒng)性能可靠、穩(wěn)定，可提高水利工程的運(yùn)行效率。

閘門自動化系統(tǒng)，由PLC自動化控制單元、閘門開度監(jiān)測單元、閘前閘后水位監(jiān)測單元及中心組態(tài)管理單元等構(gòu)成，主要實(shí)現(xiàn)對閘門的自動控制、遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測，系統(tǒng)還具有當(dāng)前數(shù)據(jù)的顯示、數(shù)據(jù)存檔、歷史曲線、日志查詢、數(shù)據(jù)報(bào)表打印等功能。閘門視頻監(jiān)控及閘前水位監(jiān)測系統(tǒng)，采用中國移動4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行視頻圖像和閘前水位的采集，并結(jié)合云端視頻、數(shù)據(jù)服務(wù)器，通過PC客戶端或手機(jī)APP客戶端實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場視頻監(jiān)控及水位數(shù)據(jù)的隨時調(diào)用、按需查看；閘門視頻監(jiān)控及閘前水位監(jiān)測設(shè)施，由紅外4G網(wǎng)絡(luò)高清智能球機(jī)、Micro SD存儲卡、微功耗遙測終端機(jī)、超聲波液位計(jì)、太陽能供電系統(tǒng)、防雷設(shè)備、三防機(jī)箱及安裝架桿等輔材部分組成。

閘門視頻監(jiān)控及閘前水位監(jiān)測站的建設(shè)，有利于水利管理部門實(shí)時了解各閘門的運(yùn)行狀態(tài)及閘前水位情況，進(jìn)一步提高莘縣地下水超采區(qū)綜合治理工程的可視化管理水平。首先高效的閘門自動化監(jiān)控系統(tǒng)可提高地下水超采區(qū)地表水資源的及時供給和調(diào)配；其次對重點(diǎn)部位節(jié)制閘、涵閘的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控及閘前水位監(jiān)測，可及時掌握支渠地表水的水位和利用情況。為充分發(fā)揮莘縣各干渠上節(jié)制閘、涵閘的綜合利用效益，盡可能減少洪澇災(zāi)害損失，提高地下水超采綜合治理的決策水平，擬對馬頰河干渠的務(wù)莊節(jié)制閘，建設(shè)1處閘門自動化及視頻監(jiān)控系統(tǒng)。對焦莊、耿樓、李鳳桃、八里莊及前店子等15處節(jié)制閘及涵閘，建設(shè)4G遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控及閘前水位監(jiān)測站；對另外5處節(jié)制閘及涵閘，建設(shè)閘前水位監(jiān)測站；統(tǒng)一將圖像信息納入莘縣超采區(qū)綜合治理信息化管理平臺。

3.2 地下水自動化監(jiān)控系統(tǒng)

在整合統(tǒng)籌現(xiàn)有地下水監(jiān)測設(shè)施基礎(chǔ)上，完善地下水監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)地下水水位、水量雙監(jiān)控；提高地下水資源監(jiān)控自動化、科學(xué)化管理水平，加大對地下水用水大戶監(jiān)控力度；加強(qiáng)地下水監(jiān)督執(zhí)法建設(shè)，配套完善監(jiān)管設(shè)備，全面推進(jìn)莘縣地下水綜合整治工程。

2020年莘縣共有51眼自動觀測井，深層地下水監(jiān)測數(shù)量與密度能夠滿足檢測要求，淺層地下水觀測井?dāng)?shù)量及密度均不能滿足觀測要求，計(jì)劃新打淺層地下水觀測井13眼，以滿足淺層地下水觀測井?dāng)?shù)量及密度要求。觀測井配置一體化微功耗水位監(jiān)測儀及專用保護(hù)裝置，用以監(jiān)測地下水位的變化；建設(shè)完成后，將及時與莘縣水文監(jiān)測站網(wǎng)并網(wǎng)，2020年莘縣部分新打淺層地下水監(jiān)測井見表1。

表1 2020年莘縣部分新打淺層地下水監(jiān)測井

3.3 封停自備井信息管理系統(tǒng)

莘縣超采區(qū)封停自備井備案信息系統(tǒng)，是莘縣地下水超采區(qū)綜合治理信息化管理系統(tǒng)的重要組成部分，實(shí)現(xiàn)了超采區(qū)封停自備井檔案管理的電子化。電子檔案包括自備井位置、壓采水量、取水層位井深、封井時間、封井后現(xiàn)場圖片等信息，并通過建設(shè)封停自備井電子信息加強(qiáng)監(jiān)控，提高莘縣水利局對封停自備井的監(jiān)管能力。

根據(jù)超采區(qū)自備井成井質(zhì)量、水質(zhì)狀況以及供水對象等情況，分別采取封存?zhèn)溆?、永久填埋兩種封停措施。超采區(qū)封停自備井備案信息系統(tǒng)，是在原有莘縣地下水超采綜合治理信息化平臺基礎(chǔ)上，開發(fā)了莘縣超采區(qū)封停自備井備案信息子系統(tǒng)；完成63眼封停自備井檔案信息的掃描錄入；在GIS地圖上標(biāo)注63眼封停自備井的具體地理位置，并進(jìn)行信息鏈接；制作63眼封停自備井的二維碼信息標(biāo)識牌，并現(xiàn)場安裝每眼封停自備井的二維碼標(biāo)識樁。

通過掃描標(biāo)識樁二維碼可輕松了解自備井的封停情況，通過提示的舉報(bào)途徑對私自修復(fù)、啟用自備井的違規(guī)行為進(jìn)行舉報(bào)，徹底杜絕修復(fù)自備井私采地下水行為。

3.4 水資源遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)

為確保取水計(jì)量監(jiān)測設(shè)備的正常運(yùn)行，杜絕個別用水企業(yè)出現(xiàn)的取水計(jì)量設(shè)備通訊正常，但計(jì)量設(shè)備斷電、流量傳感器浸水或接觸不良等人為斷電、損壞、私采地下水的情況，增設(shè)6處水資源遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控站，對莘縣已建6處重點(diǎn)企業(yè)取水計(jì)量監(jiān)測站的取水泵房、管道及取水計(jì)量監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控。

遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控站，采用中國移動4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行視頻圖像采集，并結(jié)合云端視頻服務(wù)器，通過PC客戶端或手機(jī)APP客戶端，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場視頻監(jiān)控的隨時調(diào)用、按需查看；遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控站由紅外4G網(wǎng)絡(luò)高清智能球機(jī)、Micro SD存儲卡、交直流互備電源供電系統(tǒng)、防雷設(shè)備、三防機(jī)箱及安裝架桿等輔材組成。水資源遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控站建設(shè)，降低了水資源管理部門的現(xiàn)場巡查頻次，降低了管理成本。

4 結(jié)語

采用水利信息化技術(shù)，建立莘縣地下水超采區(qū)綜合治理信息化管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對全縣主要水利工程的節(jié)制閘、涵閘進(jìn)行自動化控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控，對全縣地表水、地下水資源進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，為莘縣引水、調(diào)水及水資源監(jiān)督管理提供了可靠的依據(jù)和技術(shù)支撐。全面推進(jìn)莘縣地下水超采綜合治理，提高了水利工程應(yīng)用調(diào)度監(jiān)控、水資源監(jiān)控的自動化、科學(xué)化水平，促進(jìn)了莘縣超采區(qū)地下水修復(fù)，確保了地下水超采區(qū)綜合治理目標(biāo)的全面實(shí)現(xiàn)。