宿州市地下水智慧化管理系統(tǒng)及應(yīng)用

（宿州市水政水資源管理辦公室 宿州 234000）

1 水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀及問題

宿州市主要河流有新汴河、澮河、沱河、濉河等，由于地表水資源量不足，水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)不能穩(wěn)定在Ⅲ類以上，不能作為城市生活飲用水水源。城西水源地是宿遷市城區(qū)目前主要飲用水水源地，面積135km2，現(xiàn)狀開采量近15 萬m3/d，已超采。根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，2019年城區(qū)共有水源井245 眼，市政公共供水水源井155 眼，自備水源井90 眼。每眼井都安裝了水表，并且年取水量3 萬m3以上的取水戶大部分納入了省取水量在線監(jiān)控系統(tǒng)。2019年城區(qū)地下水開采量5400 萬m3，包括城市居民生活、工業(yè)、公共服務(wù)和環(huán)境用水等方面，地下水開采區(qū)主要位于城西地下水水源地范圍內(nèi)。

目前，宿州市城區(qū)現(xiàn)有三個(gè)水廠，分別為供水一廠、供水二廠及汴北水廠，現(xiàn)狀供水規(guī)模12 萬m3/d，水源井131 眼，其中123 眼位于城西水源地范圍內(nèi)，其余8 眼位于符離鎮(zhèn)。另外2 家市政供水單位為市新區(qū)水務(wù)有限公司和市東城供水有限公司。市新區(qū)水務(wù)有限公司供水規(guī)模2.5 萬m3/d，水源井13 眼；市東城供水有限公司供水規(guī)模0.95 萬m3/d，水源井11 眼。市政府在2014—2016年實(shí)施城西水源地及城市后備水源地勘查評(píng)價(jià)項(xiàng)目時(shí)建立了36 眼地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)井，城西水源地范圍內(nèi)有21 眼地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)井。

城區(qū)以中深層地下水作為工業(yè)和生活水源，由于長(zhǎng)期開采量大于補(bǔ)給量，逐漸形成了目前以市供水公司第二水廠和東關(guān)礦建中學(xué)為中心的、相互獨(dú)立的兩個(gè)中深層地下降落漏斗。2019年宿州城區(qū)漏斗中心由六里轉(zhuǎn)移到九里。以25m 水位標(biāo)高計(jì)算，2019年宿州城區(qū)中深層地下水降落漏斗面積為270km2，與2018年同期相比增加10km2。近年來，合徐高速公路以西區(qū)域的地下水被市供水公司大面積開采，形成了局部超采局面。研究提出智慧化管理系統(tǒng)平臺(tái)的構(gòu)建及信息系統(tǒng)管理技術(shù)，實(shí)行地下水實(shí)時(shí)信息統(tǒng)一動(dòng)態(tài)管理和有效保護(hù)，提升科學(xué)管控能力十分迫切。

2 地下水資源智能管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

宿州市地下水資源智能管理系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集與水泵控制終端、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理與控制中心、綜合分析與決策支持、信息發(fā)布共享等五大部分組成 。

2.1 數(shù)據(jù)采集和水泵控制終端

數(shù)據(jù)采集終端集成了水位傳感器、水溫傳感器、超聲波流量采集模塊、無線GPRS 模塊和水泵控制設(shè)備等，將數(shù)據(jù)采集、無線收發(fā)和水泵控制等融為一體，便于統(tǒng)一維護(hù)和管理?？煽焖俨杉?、存儲(chǔ)自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地下水位、水溫、井流量等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及設(shè)備自身的狀態(tài)數(shù)據(jù)。均具有數(shù)據(jù)自記以及掉電數(shù)據(jù)自動(dòng)保護(hù)功能，可在現(xiàn)場(chǎng)獲取監(jiān)測(cè)站內(nèi)的自記數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

GPRS 無線通訊網(wǎng)絡(luò)可以將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過GPRS無線通訊網(wǎng)絡(luò)傳輸至控制中心；同時(shí)控制中心可以通過GPRS 無線通訊網(wǎng)絡(luò)將控制中心對(duì)數(shù)據(jù)采集終端工作模式和水泵工作模式進(jìn)行遠(yuǎn)程控制指令發(fā)送到數(shù)據(jù)采集終端。

2.3 數(shù)據(jù)管理與控制中心

數(shù)據(jù)管理包括三部分：一是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理，包括基礎(chǔ)地質(zhì)、水文地質(zhì)、氣象水文、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等；二是監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理，包括地下水水位、水溫、水質(zhì)、管網(wǎng)壓力等數(shù)據(jù)；三是模型參數(shù)及結(jié)果數(shù)據(jù)管理，包括含水層結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)、參數(shù)分布數(shù)據(jù)、地下水系統(tǒng)源數(shù)據(jù)、模擬計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)、開采優(yōu)化方案結(jié)果等。

控制中心包括：一是自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的接收與儲(chǔ)存管理；二是向數(shù)據(jù)采集終端和水泵控制終端發(fā)送控制指令；三是按規(guī)定監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集終端和水泵設(shè)備的工作狀態(tài)；四是對(duì)水泵進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

2.4 綜合分析與決策支持系統(tǒng)

主要包括含水層三維結(jié)果建模及可視化分析、地下水動(dòng)態(tài)模擬預(yù)測(cè)、地面沉降模擬預(yù)測(cè)、地下水污染物遷移規(guī)律模擬預(yù)測(cè)、地下水優(yōu)化管理。

2.5 信息發(fā)布系統(tǒng)

在Internet 網(wǎng)上可以瀏覽地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)信息，如各開采井水位、水文、開采量以及管網(wǎng)壓力、水泵電量等隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化過程和空間分布特征。

3 地下水開采優(yōu)化管理系統(tǒng)

宿州市地下水開采優(yōu)化管理系統(tǒng)由四個(gè)單項(xiàng)子系統(tǒng)和一個(gè)綜合系統(tǒng)構(gòu)成。四個(gè)單項(xiàng)子系統(tǒng)的功能是：①地下水自動(dòng)監(jiān)測(cè)；②地下水開采井遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)；③地下水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理與查詢分析。這三個(gè)單項(xiàng)系統(tǒng)分別刻畫了宿州市地下水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征、地下水流動(dòng)規(guī)律，這些正是宿州市地下水優(yōu)化管理模型的約束條件需要用的。

3.1 地下水自動(dòng)監(jiān)測(cè)

地下水自動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)由監(jiān)測(cè)站、網(wǎng)絡(luò)傳輸通信系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心三個(gè)部分構(gòu)成：監(jiān)測(cè)站主要進(jìn)行地下水水位、水溫等參數(shù)的數(shù)據(jù)定時(shí)上報(bào)或中心召測(cè)；網(wǎng)絡(luò)傳輸通信系統(tǒng)采用無線網(wǎng)絡(luò)和光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸通訊，無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)采用GSM（GPRS、SMS）通信方式，光纖網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)傳輸對(duì)地下河多種參數(shù)的大流量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸；控制中心主要對(duì)地下水監(jiān)測(cè)儀器工作模式進(jìn)行控制，包括配置監(jiān)測(cè)站的工作參數(shù)，適時(shí)調(diào)整監(jiān)測(cè)周期，及時(shí)顯示各監(jiān)測(cè)站實(shí)時(shí)狀態(tài)、及時(shí)以短信方式報(bào)警異常情況。實(shí)現(xiàn)對(duì)全部監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的集中管理，包括查詢各個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的適時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，并適時(shí)發(fā)布預(yù)警信息。

3.2 地下水開采井遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

地下水開采井遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)是地下水資源開發(fā)管理的核心技術(shù)之一。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了水泵的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)開關(guān)控制，支持手動(dòng)開關(guān)泵、基于水井水位（或水泵電流、供水壓力等多種參數(shù)綜合閾值）控制閾值自動(dòng)開關(guān)水泵、基于地下水開采優(yōu)化管理模型計(jì)算的控制條件自動(dòng)開關(guān)泵。為了便于管理，系統(tǒng)自動(dòng)記錄每個(gè)用戶的操作記錄，可以追溯水井開采過程中人為干預(yù)的記錄，以及導(dǎo)致的相關(guān)結(jié)果。

3.3 地下水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理與查詢分析

地下水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理與查詢分析主要是利用WebGIS 對(duì)各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及相關(guān)信息進(jìn)行系統(tǒng)管理，實(shí)時(shí)顯示地下水開采井和監(jiān)測(cè)孔分布，多種方式查詢開采井和監(jiān)測(cè)孔相關(guān)信息，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化分析。基于WebGIS 的開采井、監(jiān)測(cè)孔分布圖，可以直觀看到所有開采井和監(jiān)測(cè)孔的分布位置，可以在列表中查詢，也可以在地圖上直接查找，還可以輸入關(guān)鍵字進(jìn)行查找。

自動(dòng)統(tǒng)計(jì)每日開采量、累計(jì)開采量，隨時(shí)可以了解到各個(gè)開采井的實(shí)時(shí)開采情況，累計(jì)開采量，掌握水資源的累計(jì)開采量變化。

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)在城區(qū)普及安裝后，將全面掌握城區(qū)地下水資源的實(shí)時(shí)分布情況以及實(shí)時(shí)開采狀況，并基于海量數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)計(jì)算和分析，提出合理的動(dòng)態(tài)開采方案，最大限度保護(hù)水資源的可持續(xù)開采。

4 數(shù)據(jù)管理與信息發(fā)布中心

4.1 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)平臺(tái)

數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主要有以下功能：

（1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要包括宿州市基礎(chǔ)地理、氣象、基礎(chǔ)地質(zhì)、水文地質(zhì)、鉆孔等有關(guān)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，以及宿州市社會(huì)經(jīng)濟(jì)相關(guān)數(shù)據(jù)、地下水開采歷史數(shù)據(jù)和水文監(jiān)測(cè)、地下水監(jiān)測(cè)等。對(duì)于空間數(shù)據(jù)，按照比例尺和要素類別分圖層、分圖幅組織管理。對(duì)于屬性數(shù)據(jù)按照屬性類型進(jìn)行組織管理。

（2）圖件數(shù)據(jù)管理：系統(tǒng)中的基礎(chǔ)圖件和成果圖件是信息系統(tǒng)和數(shù)字制圖的一種有機(jī)結(jié)合，利用信息系統(tǒng)提供的圖形數(shù)據(jù)加上自動(dòng)或人工形成的圖式所構(gòu)成。系統(tǒng)應(yīng)提供所有專業(yè)圖件（按工程組織）的入庫管理與查詢功能，所有入庫的圖件整體上作為一個(gè)獨(dú)立的工程進(jìn)行管理，圖件的不同要素分圖層進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，每一個(gè)圖層都有相應(yīng)的屬性結(jié)構(gòu)，包括內(nèi)部屬性和外掛屬性兩部分（部分圖層可能沒有外掛屬性）。外掛屬性通過關(guān)鍵字段實(shí)現(xiàn)和圖元的關(guān)聯(lián)。

（3）綜合查詢與統(tǒng)計(jì)：支持多比例尺地圖庫管理，支持多種信息的混合查詢方式，地圖要素屬性查詢，地圖數(shù)據(jù)的區(qū)域查詢及提取顯示。針對(duì)普通用戶，采用通用空間條件查詢，在地理地圖和（或）地質(zhì)圖上采用點(diǎn)選、畫線、矩形指定查詢范圍，系統(tǒng)即顯示出所查詢范圍內(nèi)符合要求的對(duì)象屬性列表，查詢結(jié)果可以報(bào)表或文本文件、Excel 格式文件輸出。面向高級(jí)用戶應(yīng)用的通用屬性條件查詢，用戶可以任意選擇其中的項(xiàng)構(gòu)造需要查詢的內(nèi)容，并通過操作符構(gòu)造查詢條件；同時(shí)，也可直接輸入和修改查詢語句。

（4）圖表輸出：根據(jù)選擇的鉆孔，自動(dòng)提取分層數(shù)據(jù)，繪制柱狀圖，可增加圖道、刪除圖道，設(shè)置填充屬性等編輯功能。選擇多個(gè)鉆孔后，自動(dòng)按照分層數(shù)據(jù)，連接對(duì)應(yīng)的地層分界線，生成剖面圖。系統(tǒng)也支持從三維直接提取剖面圖。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)自動(dòng)生成不同時(shí)間點(diǎn)的水位、Ph 值等值線，并可自動(dòng)根據(jù)時(shí)間序列切換相應(yīng)時(shí)刻的等值線。

4.2 信息發(fā)布系統(tǒng)

在Internet 網(wǎng)上可以瀏覽地下水監(jiān)測(cè)信息，如各開采井水位、水文、開采量以及管網(wǎng)壓力等隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化過程和空間分布特征。

沙盤模型與地下水管理系統(tǒng)的耦合，可以通過沙盤模型顯示宿州市地下水開采井分布及工作狀況。

主管部門領(lǐng)導(dǎo)和相關(guān)授權(quán)人員可以在其權(quán)限范圍內(nèi)，查看全市地下水開采井實(shí)時(shí)運(yùn)行情況、地下水水位動(dòng)態(tài)情況。

5 結(jié)論

本文針對(duì)宿州市地下水開采現(xiàn)狀及城市發(fā)展對(duì)水資源管理的需求，研發(fā)了宿州市地下水智慧化管理系統(tǒng)，建立宿州市城區(qū)地下水供水水源地信息及開采信息數(shù)據(jù)庫，對(duì)地下水開采進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制，實(shí)現(xiàn)了地下水資源智能化管理，為宿州市水資源可持續(xù)開發(fā)利用提供技術(shù)支持■