（貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽(yáng) 550002）

“飲用水水源保護(hù)區(qū)”是國(guó)家為防止飲用水水源地污染、保證水源地環(huán)境質(zhì)量而劃定，并要求加以特殊保護(hù)的一定面積的水域和陸域。按照《水污染防治法》要求，飲用水水源保護(hù)區(qū)分為一級(jí)和二級(jí)保護(hù)區(qū)，必要時(shí)還可在飲用水水源保護(hù)區(qū)外圍劃定一定的區(qū)域作為準(zhǔn)保護(hù)區(qū)。應(yīng)當(dāng)按照不同的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和防護(hù)要求劃分不同級(jí)別的保護(hù)區(qū)，對(duì)不同級(jí)別的飲用水水源保護(hù)區(qū)采取相應(yīng)的保護(hù)管理措施［1］。

當(dāng)前，關(guān)于飲用水水源保護(hù)區(qū)的研究主要集中于保護(hù)區(qū)劃分、制度建立等方面［2］。在物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)的帶動(dòng)下，各行各業(yè)都朝著智能化、智慧化方向發(fā)展，而飲用水水源保護(hù)區(qū)當(dāng)前的監(jiān)管服務(wù)建設(shè)還停留在傳統(tǒng)方式，關(guān)于飲用水水源保護(hù)區(qū)監(jiān)管智能化、智慧化探索建設(shè)以及數(shù)字化建設(shè)都少有研究。飲用水是人類生存所需的基本要素之一，飲用水水源保護(hù)區(qū)直接關(guān)系到人民的飲用水安全問(wèn)題，對(duì)于它的監(jiān)管建設(shè)必須高度重視。特別是當(dāng)前全國(guó)大力推行“河長(zhǎng)制、湖長(zhǎng)制”的背景下，飲用水水源保護(hù)區(qū)監(jiān)管成為“河長(zhǎng)制、湖長(zhǎng)制”管理的重要組成部分，更為監(jiān)管提供了重要基礎(chǔ)平臺(tái)，急需構(gòu)建科學(xué)、合理的水源地智慧化監(jiān)管支撐體系，加強(qiáng)飲用水水源地的監(jiān)測(cè)監(jiān)控、預(yù)警預(yù)測(cè)與應(yīng)急處理能力，實(shí)現(xiàn)飲用水水源地監(jiān)控預(yù)警和動(dòng)態(tài)管理，為飲用水安全保障工作提供技術(shù)支撐，提升飲用水源地保護(hù)的智慧化監(jiān)管水平［3］。

1 研究區(qū)概況與系統(tǒng)分析

夾巖水利樞紐及黔西北供水工程（以下簡(jiǎn)稱“夾巖工程”）是貴州省最大的水利樞紐工程，工程位于貴州省畢節(jié)市和遵義市境內(nèi)，水庫(kù)樞紐壩址位于長(zhǎng)江流域?yàn)踅患?jí)支流六沖河中游。該工程是國(guó)務(wù)院確定納入“十三五”期間分步建設(shè)的172項(xiàng)重大水利工程之一，為貴州水利建設(shè)“一號(hào)工程”。

工程以供水和灌溉為主，兼顧發(fā)電，并為區(qū)域扶貧開(kāi)發(fā)及改善生態(tài)環(huán)境創(chuàng)造條件。夾巖水利工程為I等工程，由水源工程、畢大供水工程、灌區(qū)骨干輸水工程等組成。工程以?shī)A巖水庫(kù)為集中供水水源，利用已建附廓水庫(kù)為反調(diào)節(jié)水庫(kù)，灌區(qū)現(xiàn)有小型水庫(kù)囤蓄，黔西灌區(qū)控制節(jié)點(diǎn)高程1 250 m；畢節(jié)大方供水工程自庫(kù)內(nèi)獨(dú)立取水，經(jīng)泵站提水后輸水至連接池；灌區(qū)總干渠從庫(kù)內(nèi)引水，向北干、南干分水后經(jīng)由骨干工程向灌區(qū)供水。

當(dāng)前，夾巖工程建成后的飲用水水源保護(hù)區(qū)所面臨的主要水環(huán)境問(wèn)題為缺乏大范圍、宏觀層面的實(shí)時(shí)、全天候有效監(jiān)測(cè)手段。建立夾巖工程集中式飲用水水源保護(hù)區(qū)監(jiān)管信息系統(tǒng)，需要以水源地所面臨的主要水環(huán)境問(wèn)題為導(dǎo)向，基于各類傳感器接收的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)水源地水質(zhì)、水生態(tài)等多項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行多維分析與模型分析，利用3S技術(shù)常態(tài)化監(jiān)測(cè)水源地的水環(huán)境時(shí)空內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化情況，并結(jié)合視頻監(jiān)控和日常巡查系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)水源地全方位、全天候、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警和指揮調(diào)度信息化管理平臺(tái)。該系統(tǒng)可為水源地保護(hù)管理部門提供輔助決策分析支持，綜合提升飲用水水源地的監(jiān)管能力［4］。

夾巖水利樞紐工程集中式飲用水水源保護(hù)區(qū)監(jiān)管信息系統(tǒng)作為貴州省重要飲用水源工程，具有較高的安全需求，主要需求包括：應(yīng)用安全、數(shù)據(jù)安全、軟硬件安全、網(wǎng)絡(luò)安全、通信安全、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安全需求。

2 智慧化監(jiān)管支撐體系建設(shè)

2.1 基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)監(jiān)控體系

夾巖水利樞紐工程集中式飲用水水源保護(hù)區(qū)基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)監(jiān)控體系，主要包括水質(zhì)監(jiān)測(cè)、水雨情測(cè)報(bào)、視頻監(jiān)控、水土保持監(jiān)測(cè)、蒸發(fā)量監(jiān)測(cè)、下放生態(tài)流量監(jiān)測(cè)、日常巡查監(jiān)管、泵站監(jiān)控及閘門監(jiān)控等（見(jiàn)圖1），涵蓋了溫度、濕度、水質(zhì)、氣象、水雨情、流量、蒸發(fā)量、水庫(kù)運(yùn)行狀況、視頻圖像或圖片等監(jiān)測(cè)因子。通過(guò)建設(shè)（或集成）監(jiān)測(cè)監(jiān)控體系，形成工程數(shù)據(jù)中心，為飲用水水源地安全監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)分析提供了基礎(chǔ)支撐和現(xiàn)場(chǎng)指揮調(diào)度的物理基礎(chǔ)。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)監(jiān)控體系

2.2 基于多因子的水源地安全監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.2.1 水源地重要區(qū)域及敏感帶區(qū)劃監(jiān)測(cè)模型

利用面向?qū)ο蟮姆椒▽?duì)遙感影像進(jìn)行解譯獲得長(zhǎng)時(shí)間和大范圍的變化監(jiān)測(cè)結(jié)果，并計(jì)算多期監(jiān)測(cè)解譯結(jié)果的土地利用分類轉(zhuǎn)移矩陣，設(shè)定評(píng)價(jià)指標(biāo)系數(shù)，得到水源保護(hù)區(qū)內(nèi)的人工干擾易發(fā)區(qū)。利用多源（多光譜高光譜等）遙感影像對(duì)相關(guān)水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行遙感反演得到水質(zhì)狀況的定量評(píng)價(jià)結(jié)果，生成水源保護(hù)區(qū)水體污染易發(fā)區(qū)空間分布圖（見(jiàn)圖2）。綜合以上兩類指標(biāo)，建立水源保護(hù)敏感區(qū)域劃分評(píng)價(jià)體系，通過(guò)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)獲得動(dòng)態(tài)的飲用水水源保護(hù)區(qū)污染關(guān)鍵區(qū)域，對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注和監(jiān)控，保證整個(gè)水源保護(hù)區(qū)的飲用水安全［5］。

圖2 水源地重要區(qū)域及敏感帶區(qū)劃

2.2.2 基于景觀指數(shù)的水源地生態(tài)安全評(píng)價(jià)模型

利用遙感解譯獲得的土地利用分類結(jié)果，運(yùn)用景觀安全分析方法建立飲用水源地保護(hù)區(qū)生態(tài)安全分析模型體系，搭建飲用水源地保護(hù)區(qū)生態(tài)安全分析和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)信息化系統(tǒng)直觀展示水源地保護(hù)區(qū)的生態(tài)安全狀況。主要的景觀分析方法包括：生態(tài)安全景觀多樣性指數(shù)、生態(tài)安全景觀優(yōu)勢(shì)度指數(shù)、生態(tài)安全景觀均勻度指數(shù)、生態(tài)安全景觀破碎化指數(shù)、生態(tài)安全景觀聚集度指數(shù)、生態(tài)安全景觀分維度指數(shù)和生態(tài)安全景觀干擾度指數(shù)［6］。

景觀多樣性指數(shù)H：

式中，Pi為景觀類型i所占面積的比例；m為景觀類型數(shù)目。

景觀的優(yōu)勢(shì)度與多樣性指數(shù)成反比，對(duì)于景觀類型數(shù)目相同的不同景觀，多樣性指數(shù)越大，其優(yōu)勢(shì)度越小；景觀的優(yōu)勢(shì)度指數(shù)為

景觀i的破碎度指數(shù)Ci：

式中，Ni為景觀i的斑塊數(shù)；Ai為景觀i的總面積。

相對(duì)聚集度指數(shù)RC：

式中，RC取值范圍為0～1之間；C為復(fù)雜性指數(shù)，Cmax是C的最大可能取值。

分維數(shù)指數(shù)D：

式中，P為斑塊周長(zhǎng)；A為斑塊面積。

受干擾強(qiáng)度指數(shù)Wi：

式中，Li為i類生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)廊道（公路、鐵路、堤壩、溝渠）的總長(zhǎng)度；Si為i類生態(tài)系統(tǒng)的總面積；Ni為i類生態(tài)系統(tǒng)類型的自然度。

2.2.3 基于3S的時(shí)空動(dòng)態(tài)反演評(píng)價(jià)模型

應(yīng)用遙感和無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)獲取高精度影像［7］，分區(qū)域按重要程度定時(shí)定點(diǎn)進(jìn)行常態(tài)化的遙感面向?qū)ο蟮慕庾g和相關(guān)水質(zhì)參數(shù)反演監(jiān)管。通過(guò)建立基于GIS的分析預(yù)測(cè)系統(tǒng)，利用內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析模型、時(shí)間序列的分析模型、空間特征分析模型，形成基于3S的時(shí)空動(dòng)態(tài)反演評(píng)價(jià)體系（見(jiàn)圖3），進(jìn)行直觀的可視化效果展示和報(bào)警預(yù)測(cè)［8］。

圖3 基于3S的時(shí)空動(dòng)態(tài)反演評(píng)價(jià)模型

2.3 基于“一張圖”的預(yù)警預(yù)測(cè)與應(yīng)急指揮調(diào)度體系建設(shè)

在建設(shè)飲用水水源地保護(hù)區(qū)自動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)警及視頻監(jiān)控系統(tǒng)、污染關(guān)鍵區(qū)識(shí)別及遙感監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)和生態(tài)安全分析及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［8］的基礎(chǔ)上，對(duì)整個(gè)保護(hù)區(qū)的監(jiān)測(cè)監(jiān)控達(dá)到全方位覆蓋、重點(diǎn)區(qū)域長(zhǎng)效實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目標(biāo)。需要在此基礎(chǔ)上建立基于“一張圖”的水源保護(hù)區(qū)應(yīng)急指揮調(diào)度系統(tǒng)，有針對(duì)性地解決發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，結(jié)合周邊的自然和人文信息進(jìn)行決策支持（快速查找周邊救援人員、救援車輛、救援物資等情況），通過(guò)建立三維地理信息平臺(tái)，在指揮中心即可達(dá)到科學(xué)有效地指揮作戰(zhàn)的目的［9］。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于3S技術(shù)的飲用水水源保護(hù)區(qū)智慧化監(jiān)管云平臺(tái)是一套完整的全生命周期信息化系統(tǒng)，其中包括對(duì)現(xiàn)有信息化系統(tǒng)及其數(shù)據(jù)的集成共享和深層次業(yè)務(wù)功能模塊的實(shí)現(xiàn)。飲用水水源地保護(hù)區(qū)“一張圖”管理系統(tǒng)建設(shè)任務(wù)包括：飲用水水源地保護(hù)區(qū)自動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)警及視頻監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)、飲用水水源地保護(hù)區(qū)污染關(guān)鍵區(qū)識(shí)別及遙感監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)、飲用水水源地保護(hù)區(qū)生態(tài)安全分析及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、飲用水水源地保護(hù)區(qū)應(yīng)急監(jiān)測(cè)處置系統(tǒng)及飲用水水源地信息化綜合管理云平臺(tái)等。

信息系統(tǒng)體系的整體架構(gòu)主要為“五層兩體系”，如圖4所示。

（1）基礎(chǔ)設(shè)施層。主要包括信息采集與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，即各類信息的采集、傳輸、加工處理、存儲(chǔ)和管理，如自動(dòng)采集、人工上報(bào)、外單位接入的各類信息。該系統(tǒng)可采集移動(dòng)終端的視頻、照片、水質(zhì)、水位等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；可與電話、手機(jī)等通信終端互通；可接入環(huán)保、水利現(xiàn)有的視頻和未來(lái)增設(shè)的視頻；可采集環(huán)保、水利現(xiàn)有信息系統(tǒng)平臺(tái)的數(shù)據(jù)。首先需要按照相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系進(jìn)行分析集成現(xiàn)有數(shù)據(jù)，可在重要區(qū)域補(bǔ)充建設(shè)。

（2）網(wǎng)絡(luò)通信層。主要包括網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與通信系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為該信息化系統(tǒng)各平臺(tái)及平臺(tái)中的各節(jié)點(diǎn)間提供數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)通道。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)承載在通信傳輸系統(tǒng)上，即由通信傳輸系統(tǒng)為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供組網(wǎng)鏈路。在網(wǎng)絡(luò)與通信傳輸網(wǎng)之間依據(jù)不同層次和寬帶需求采用不同的接口連接。通信系統(tǒng)主要由程控交換系統(tǒng)、通信傳輸系統(tǒng)、時(shí)鐘同步及通信綜合網(wǎng)管系統(tǒng)、通信管道、通信光電纜等部分組成。

圖4 系統(tǒng)體系架構(gòu)

（3）數(shù)據(jù)資源層。主要作用是滿足海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理要求。整合系統(tǒng)資源，避免或減少重復(fù)建設(shè)，降低數(shù)據(jù)管理成本，并保證數(shù)據(jù)的完整性和一致性。通過(guò)數(shù)據(jù)的容災(zāi)備份，保證數(shù)據(jù)的安全性。數(shù)據(jù)資源管理平臺(tái)主要由各類數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)及數(shù)據(jù)備份系統(tǒng)3部分組成。共享數(shù)據(jù)包括：水源保護(hù)區(qū)涉水要素?cái)?shù)據(jù)、生態(tài)環(huán)保廳的水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)農(nóng)村廳的規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)數(shù)據(jù)、應(yīng)急管理廳防汛抗旱數(shù)據(jù)、自然資源廳土地利用數(shù)據(jù)、省發(fā)改委生態(tài)保護(hù)紅線數(shù)據(jù)、住建、林業(yè)等其他廳局相關(guān)數(shù)據(jù)。

（4）應(yīng)用支撐層。連接數(shù)據(jù)中心和業(yè)務(wù)應(yīng)用的橋梁，實(shí)現(xiàn)資源的有效共享和應(yīng)用系統(tǒng)的互聯(lián)互通，為應(yīng)用系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)提供技術(shù)支持、多種服務(wù)及運(yùn)行環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)之間、應(yīng)用系統(tǒng)與其他平臺(tái)之間進(jìn)行信息交換、傳輸、共享的核心。主要包括統(tǒng)一用戶認(rèn)證、統(tǒng)一權(quán)限管理、GIS引擎、大數(shù)據(jù)分析等服務(wù)或組件。

（5）業(yè)務(wù)應(yīng)用層。以水源保護(hù)區(qū)管理部分為目標(biāo)，建立飲用水水源地保護(hù)區(qū)自動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)警及視頻監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)、飲用水水源地保護(hù)區(qū)污染關(guān)鍵區(qū)識(shí)別及遙感監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)、飲用水水源地保護(hù)區(qū)生態(tài)安全分析及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、飲用水水源地保護(hù)區(qū)應(yīng)急監(jiān)測(cè)處置系統(tǒng)、飲用水水源地信息化綜合管理云平臺(tái)等。通過(guò)指揮中心展示飲用水源保護(hù)區(qū)信息、實(shí)時(shí)監(jiān)控信息，應(yīng)急指揮調(diào)度及系統(tǒng)的日常維護(hù)。指揮中心的主要組成由指揮調(diào)度視頻系統(tǒng)、大屏幕顯示系統(tǒng)、圖像拼接控制器、高清視頻矩陣、管理電腦、音響系統(tǒng)、防雷接地等組成。

（6）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。建立完善的信息化標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，整理、編制一套符合飲用水水源保護(hù)“智慧化監(jiān)管”云平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，為各部件、各環(huán)節(jié)、各部門實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通和信息共享提供依據(jù)。主要包括：數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，即地圖數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)庫(kù)元數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)共享接口、數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)體系；準(zhǔn)規(guī)范，即基礎(chǔ)架構(gòu)庫(kù)（ITIL）。

（7）安全保障。按照國(guó)家網(wǎng)絡(luò)安全等級(jí)保護(hù)要求，開(kāi)展定級(jí)備案、安全建設(shè)整改及測(cè)評(píng)工作，遵循同步規(guī)劃、同步建設(shè)、同步投入運(yùn)行的原則，從物理安全、網(wǎng)絡(luò)安全、應(yīng)用安全、數(shù)據(jù)安全4個(gè)方面完善系統(tǒng)安全建設(shè)，構(gòu)建信息化網(wǎng)絡(luò)安全防御體系。

4 結(jié)語(yǔ)

基于3S技術(shù)的飲用水水源保護(hù)區(qū)監(jiān)管信息系統(tǒng)以“信息化全過(guò)程智慧化監(jiān)管”的理念為建設(shè)目標(biāo)，能夠全面感知工程自然系統(tǒng)（水質(zhì)、水情、環(huán)境）和人工系統(tǒng)（重要取水口等水工建筑物）的運(yùn)行態(tài)勢(shì)。基于一體化平臺(tái)實(shí)現(xiàn)集中遠(yuǎn)程監(jiān)視、遙感反演、在線監(jiān)測(cè)等，構(gòu)建水源保護(hù)區(qū)管理、綜合監(jiān)控監(jiān)測(cè)、應(yīng)急預(yù)警等業(yè)務(wù)功能，貫徹于水源保護(hù)區(qū)運(yùn)行管理的各個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了保護(hù)區(qū)全周期、全業(yè)務(wù)、一體化、智慧化管理，促進(jìn)夾巖水利樞紐一期工程集中式飲用水水源保護(hù)區(qū)有序、健康、和諧發(fā)展。

系統(tǒng)以現(xiàn)地測(cè)控系統(tǒng)和遙感航測(cè)為基礎(chǔ)，以數(shù)據(jù)處理與交互平臺(tái)為紐帶，全面、及時(shí)地采集所需數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)一處理，并存入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)；構(gòu)建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)共享平臺(tái)，統(tǒng)一安全可靠地進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理；通過(guò)一體化應(yīng)用支撐平臺(tái)，對(duì)統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺(tái)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行專業(yè)化的數(shù)據(jù)分析與處理，并提供不同應(yīng)用領(lǐng)域以及綜合的數(shù)據(jù)、應(yīng)用服務(wù)支撐。在一體化應(yīng)用支撐平臺(tái)上提供水質(zhì)、水情等各類綜合監(jiān)控監(jiān)測(cè)應(yīng)用，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)綜合監(jiān)控監(jiān)測(cè)、應(yīng)急預(yù)警功能。通過(guò)一體化基礎(chǔ)支撐、安全防護(hù)管理及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，為全面提高工程各項(xiàng)業(yè)務(wù)的處理能力、實(shí)現(xiàn)水源保護(hù)區(qū)保護(hù)和管理提供強(qiáng)有力的支撐。