智慧水利在地下水超采綜合治理中的應(yīng)用

張 倩，李 楠，宋 揚

（德州市水利局，山東 德州 253014）

1 智慧水利的應(yīng)用背景

伴隨著經(jīng)濟社會的高速發(fā)展，面對“碳達峰碳中和”的戰(zhàn)略目標，水資源高效利用已成為當下全球關(guān)注的焦點。我國地域遼闊，水系眾多，水利工程具有點多、面廣、量大、復(fù)雜的特點，傳統(tǒng)的水利發(fā)展模式已很難適應(yīng)當前對水利發(fā)展專業(yè)化、精細化、智能化的需求，加之物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等新一代信息通信技術(shù)飛速發(fā)展，智慧水利應(yīng)運而生。

智慧水利是運用云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)和人工智能等新一代信息技術(shù)，以“感知、互聯(lián)和智能”為特點，全面推進水利規(guī)劃、工程建設(shè)、運行管理和社會服務(wù)智慧化發(fā)展的水利信息化技術(shù)，能有效提升水資源的利用效率和水旱災(zāi)害的防御能力，改善水環(huán)境和水生態(tài)，保障國家水安全和經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展[1]。

2018 年中央一號文件明確指出，要大力發(fā)展實施智慧農(nóng)業(yè)林業(yè)水利工程，自此國內(nèi)部分地市開始積極探索“智慧水利”工作?！笆濉逼陂g，水利信息化體系不斷完善，各項水利業(yè)務(wù)向著“數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化”發(fā)展，有效促進了傳統(tǒng)水利向現(xiàn)代水利轉(zhuǎn)變，全面提升了水利服務(wù)和支撐能力，為“十四五”智慧水利建設(shè)奠定了一定建設(shè)基礎(chǔ)和發(fā)展條件[2]。

2 德州市地下水超采情況

德州市水資源嚴重匱乏，多年平均年降水量僅561.6 mm，相當于山東省平均水平的83%；人均水資源量211 m3，僅為山東省平均水平的61%、全國平均水平的10%，遠低于國際嚴重缺水線500 m3。隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，全市用水需求逐年增長，地表水供水工程尚不完善，非常規(guī)水利用率較低，從20 世紀60 年代起開鑿了大量工業(yè)、生活和農(nóng)業(yè)取水井，對地下水的過度開發(fā)利用造成了區(qū)域性超采，形成了涉及夏津、武城、寧津、樂陵4 個縣市的淺層地下水超采區(qū)，總面積1 221 km2。德州市境內(nèi)所有縣市區(qū)全部劃為深層承壓地下水禁采區(qū)，總面積10 356 km2。地下水超采不僅會引發(fā)資源的枯竭，還會帶來嚴重的地質(zhì)災(zāi)害，不利于生態(tài)和資源的循環(huán)持續(xù)利用和發(fā)展[3]。2016 年，德州市人民政府批復(fù)實施了《德州市地下水超采區(qū)綜合整治實施方案》，要求在全市范圍內(nèi)開展地下水超采綜合治理工作，計劃到2020 年將淺層地下水超采量全部壓減完成，深層承壓水超采量壓減50%以上；到2025年，將深層承壓水超采量全部壓減，實現(xiàn)淺層地下水超采區(qū)基本消除。

該方案實施以來，德州市按照先建設(shè)體制機制、后建設(shè)項目工程的總體要求，緊密結(jié)合水利改革發(fā)展和智慧水利建設(shè)，不斷強化地下水資源信息建設(shè)，探索了“互聯(lián)網(wǎng)+水權(quán)交易+階梯水價”的水權(quán)交易模式，打造了自備井關(guān)停檔案信息化亮點工程，加快推進了地下水超采綜合治理工作。

3 智慧水利應(yīng)用案例分析

3.1 智慧水利在水資源監(jiān)測計量中的應(yīng)用

做好地下水信息動態(tài)監(jiān)測，及時、全面、準確地掌握地下水水位、水量、水質(zhì)狀況及其變化規(guī)律，是實現(xiàn)地下水精細化管理的必要前提，是強化地下水超采治理的重要基礎(chǔ)，一方面能科學(xué)有效地反映地下水超采治理效果，另一方面還能為地下水管理的決策行為提供基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)支撐。

德州市緊跟現(xiàn)代水利科技發(fā)展和監(jiān)督管理對象的需求變化，搶先抓住國家智慧水利建設(shè)、水利網(wǎng)信提升行動機遇，依托國家水資源監(jiān)控能力建設(shè)項目，建設(shè)地下水資源監(jiān)測計量系統(tǒng)，全面推進超采區(qū)域內(nèi)重點用水戶和農(nóng)田水利工程計量設(shè)施、技術(shù)裝備、信息系統(tǒng)現(xiàn)代化提升。該系統(tǒng)利用Internet/Intranet技術(shù)、COM/DCOM 技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、GIS（地理信息系統(tǒng)）技術(shù)、RS（遙感）技術(shù)、無線通信技術(shù)等，統(tǒng)一規(guī)劃布設(shè)了地下水監(jiān)測站點，加密監(jiān)測超采區(qū)地下水位、水質(zhì)動態(tài)，借助多種水位傳感器、水溫傳感器、水質(zhì)傳感器以及地下水遙測終端機等裝置，實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的實時上傳。系統(tǒng)利用GIS 和Access 分別建立地下水賦存體與地下水資源三維管理模型，模擬地下水漏斗的動態(tài)變化，綜合確定各時段的地下水降深警戒水位及決策系統(tǒng)。系統(tǒng)使用ArcSDE和Oracle管理空間數(shù)據(jù)和開展數(shù)據(jù)服務(wù)，通過ArcGIS 進行數(shù)據(jù)的收集、生產(chǎn)、加工和維護，通過WebGIS 進行信息發(fā)布，用戶可通過IE 等瀏覽器實現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的信息共享。系統(tǒng)的建立極大提升了地下水動態(tài)信息獲取能力，有效提高了地下水監(jiān)管力度，初步形成了地下水動態(tài)監(jiān)管“一張圖”，如圖1所示，地下水監(jiān)管實現(xiàn)信息化、數(shù)字化、智能化。

圖1 地下水監(jiān)測系統(tǒng)總體框架

依據(jù)市級438 眼深層地下水觀測井實測數(shù)據(jù)，以及水文部門每月提供的超采區(qū)地下水位監(jiān)測信息，對德州市地下水超采區(qū)水位變化進行分析。分析結(jié)果顯示，德州市深層地下水漏斗中心區(qū)水位回升2～4 m；淺層地下水超采區(qū)平均水位埋深由2010年的8.66 m 回升到目前的8.07 m，上升了0.59 m，淺層地下水漏斗區(qū)面積縮小738 km2，地下水位下降趨勢得到了有效遏制，含水層疏干、地面沉降、地裂縫頻發(fā)等生態(tài)環(huán)境和地質(zhì)問題得到有效遏制。

3.2 智慧水利在水權(quán)交易中的應(yīng)用

水權(quán)交易是在初始水權(quán)分配的基礎(chǔ)上，運用市場方式對水資源的再次分配，從而提高水資源利用和分配效率、解決水資源供需矛盾、促進水資源節(jié)約集約的基本手段，在地下水超采治理中起到節(jié)水壓減的作用[4]。

德州市以寧津縣為試點，深入推進水權(quán)水市場建設(shè)，建立了初始水權(quán)確認、水權(quán)交易流轉(zhuǎn)、水資源配置與監(jiān)管、基層用水組織管理等制度體系，形成了“互聯(lián)網(wǎng)+水權(quán)交易+階梯水價”的水權(quán)交易模式。首先將水權(quán)分配到區(qū)域，即分配給鄉(xiāng)鎮(zhèn)，作為總量控制紅線；再把水權(quán)分配到各行業(yè)用水戶，作為各行業(yè)用水戶的控制指標；當用水戶水權(quán)用完或有結(jié)余時，即可開展水權(quán)交易。為了規(guī)范管理水權(quán)交易市場，使交易信息更明確、交易流程更便捷、交易數(shù)據(jù)更安全，聯(lián)合多家軟件公司開發(fā)了“互聯(lián)網(wǎng)+水權(quán)”交易管理平臺。平臺融合信息查詢發(fā)布、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、水權(quán)交易管理等功能，可向水權(quán)交易雙方提供水權(quán)交易價格指導(dǎo)和政策咨詢，可隨時根據(jù)用水戶自身用水情況，及時發(fā)布可交易水權(quán)掛牌信息或提出水權(quán)交易申請，年末公布節(jié)水獎勵情況，實現(xiàn)了與多個系統(tǒng)平臺的數(shù)據(jù)交互，如圖2所示。

圖2 多平臺交互方式

具體交易模式記述如下：首先將用水戶水權(quán)等信息錄入數(shù)據(jù)庫，用水戶實行充值刷卡用水，當用水戶為射頻卡充值時，終端設(shè)備將擬充值電量轉(zhuǎn)換為水量并連接互聯(lián)網(wǎng)，聯(lián)網(wǎng)成功后服務(wù)器端審查擬充水量，當水量小于等于用水戶水權(quán)時可順利充值，當大于水權(quán)時將無法充值，用水戶只有購買水權(quán)再行充值。充值或水權(quán)交易成功后，打印機自動打印小票，小票記錄充值或交易情況，充值或水權(quán)交易就像使用POS 機消費一樣方便快捷。通過平臺，變原來農(nóng)民無限制充值為定額內(nèi)充值，管理機構(gòu)能夠適時動態(tài)掌握農(nóng)民用水情況，并將用水量控制在水權(quán)指標內(nèi)，達到了平臺管理、刷卡計量、以電控水的目的。

經(jīng)過6 a 的水權(quán)水市場深化改革，成功構(gòu)建了“互聯(lián)網(wǎng)+水權(quán)交易+階梯水價”的水權(quán)交易模式，形成了一套完整的管理體系、交易制度和獎補政策，極大提升了水資源利用的高效性和靈活性。水權(quán)交易的實施，一方面促使各行業(yè)用水主體自發(fā)研究節(jié)水辦法，有力促進了各行業(yè)用水方式的轉(zhuǎn)變，全面提升了居民百姓的自主節(jié)水意識；另一方面有效減少了地下水取用量，地下水源得到充分涵養(yǎng)，地下水超采問題得到有效緩解，水資源得到了更好的保護。

3.3 智慧水利在自備井信息管理中的應(yīng)用

地下水取水工程具有工程隱蔽、單個工程規(guī)模小而又高度分散等特點，如若機井建設(shè)管理不規(guī)范，報廢封填監(jiān)管缺失，極易出現(xiàn)違法開采地下水問題，因此進一步強化自備井規(guī)范管理十分必要[5]。

德州市自實施地下水超采綜合治理以來，累計關(guān)停深層承壓水井1 649眼、淺層地下水井2 959眼，關(guān)停數(shù)量多、涉及類型廣、覆蓋范圍大。為進一步規(guī)范封井工作，打造地下水壓采信息化亮點，對全市取用地下水用水量、地下水位和自備井封停后續(xù)管理實現(xiàn)精準監(jiān)控和精細化管理，德州市建立了自備井備案信息系統(tǒng)。自備井關(guān)停以后，及時將所關(guān)停自備井信息上傳系統(tǒng)，系統(tǒng)將所有關(guān)停水井用不同的標記按照取水層位、封井方式標識到衛(wèi)星地圖上，可清晰查看其地理位置。所有封井信息包括編號、所屬單位、地理位置、井深、管井、封停時間、封井影像等均可在該系統(tǒng)實時查看。所有封存?zhèn)溆盟b有遠程監(jiān)控設(shè)備，向系統(tǒng)實時上傳水量信息，并對斷電或者開箱等情況報警提示，有效防止違規(guī)取用地下水。系統(tǒng)還設(shè)有詳細的統(tǒng)計模塊，從封井年份、封井方式、取水區(qū)域、取水層位等不同角度統(tǒng)計分析封井情況。

當前智能手機和無線通信技術(shù)發(fā)展迅猛，二維碼作為一種新興的信息存儲和自動識別技術(shù)，具有存儲信息量大、信息識別快的特點，已在各領(lǐng)域廣泛運用[6]。將二維碼識別技術(shù)運用到自備井關(guān)停工作中，可極大地提升自備井信息化管理效率和水平。在封井現(xiàn)場為每眼井設(shè)立二維碼掃描標識，掃描二維碼即可獲得該眼井的全部信息。后期又整合優(yōu)化了自備井備案信息系統(tǒng)和深層地下水監(jiān)控系統(tǒng)，將監(jiān)測點地圖信息、水量、水位、封井管理4個板塊整合升級，使地下水超采治理進展情況一目了然，為地下水資源的可持續(xù)開發(fā)與利用、綜合保護與管理提供科學(xué)依據(jù)和支撐。

4 小結(jié)與展望

德州市自實施地下水超采區(qū)綜合治理以來，淺層地下水水位逐漸回升，深層地下水水位下降幅度趨于平緩，地下水生態(tài)環(huán)境得到有效改善。智慧水利的運用全面提升了地下水資源信息化管理水平，實現(xiàn)了地下水監(jiān)管的系統(tǒng)化、數(shù)字化、智慧化，不僅為地下水超采治理效果分析評估提供有效數(shù)據(jù)支撐，還有力推動了水利改革發(fā)展不斷深化。

地下水修復(fù)和治理是一個長期緩慢的過程，如何將治理工作長期有效地堅持下去，是目前需要關(guān)注的重點。錯綜復(fù)雜的地下水系統(tǒng)需要結(jié)合水化學(xué)、數(shù)值模擬等多方面分析，才能揭示其變化特征，更全面完整地掌握地下水動態(tài)變化。伴隨水利信息數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和重點領(lǐng)域智能化水平的快速提升，智慧水利在水利變化規(guī)律分析、態(tài)勢研判、趨勢預(yù)測和決策優(yōu)化等方面優(yōu)勢凸顯，成為未來進一步探索的重點。