京津地區(qū)重要水源地水資源實時監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)與運用研究
摘要：我國北方地區(qū)近些年來持續(xù)干旱，北京、天津城市嚴重缺水，通過建設京津地區(qū)重要水源地實時監(jiān)控系統(tǒng)，對主要供水水庫水雨情信息、兩省市地下水分布信息、地表水水質(zhì)水量信息進行全面監(jiān)控，建立水資源調(diào)度決策系統(tǒng)，可有效的緩解京津地區(qū)供水緊張的局面，對解決我國城市供水問題做了一個有益的嘗試。
關鍵詞：水源地；水資源；實時監(jiān)控；研究
近年來我國水資源短缺的問題日漸突出，尤其是我國北方地區(qū)，以嚴重的制約和影響到經(jīng)濟的發(fā)展和人民的生活質(zhì)量的提高。目前國家在大力提倡節(jié)水的同時，修建了包括“南水北調(diào)”、“引灤入津”在內(nèi)的大量跨流域引水工程，有效的緩解了城市供水緊張的局面。但通過工程措施調(diào)水投資大、工期長、輸水損失大、調(diào)入水量有限不利于短期解決城市缺水問題。通過建立城市水源地水資源實時監(jiān)控系統(tǒng)，有效的監(jiān)控地表水和地下水的水量和水質(zhì)、通過科學的水資源預報調(diào)度，實現(xiàn)水資源的高效使用，可有效的緩解城市供水緊張的狀況。
１ 京津地區(qū)水資源現(xiàn)狀
據(jù)統(tǒng)計目前我國600多個城市中，400多個城市存在供水不足的情況。嚴重缺水的城市達100個。城市缺水量達60億m３。并且水污染嚴重，50％的地下水被污染，90％以上的城市水域污染嚴重。北京市水資源短缺嚴重。年均水資源可利用量(50%保證率)只有41億m３，人均水資源量不足300 m３，水資源和水環(huán)境的承載能力都已開發(fā)到了極限。天津本地自產(chǎn)水人均水資源量僅為160m３，居全國各省市之末，加上引灤水和入境水人均水資源量為380 m３。由于天津是水資源極度短缺，國家不得不赤巨資多次引黃濟津，確保城市供水。
２ 工程建設由來
京津地區(qū)是我國經(jīng)濟、文化中心，具有十分重要的戰(zhàn)略地位。由于經(jīng)濟的快速發(fā)展和人口的增加，水資源短缺的矛盾日益突出，長期以來地表水過度開發(fā)，地下水嚴重超采，造成了一系列的生態(tài)危機，目前在充分利用現(xiàn)有水利工程的基礎上，利用一系列高科技手段，建立京津地區(qū)重要水源地水資源實時監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)增加水庫可供水量、提高水資源的利用率、改善水生態(tài)環(huán)境的目標。
2002年4月，海河水利委員會根據(jù)水利部的統(tǒng)一安排和部署，在國內(nèi)專家的大力支持和指導下，在流域內(nèi)有關省市和協(xié)作單位的共同努力下，經(jīng)過多次的討論和修改，編制完成了《京津地區(qū)重要水源地水資源實時監(jiān)控系統(tǒng)項目建議書》，并于８月份完成了《京津地區(qū)重要水源地水資源實時監(jiān)控系統(tǒng)第一期工程實施方案》。該工程總投資2992萬元，分三批投資，三年完成。
３ 系統(tǒng)建設目標
密云水庫為北京市的主要供水水庫，潘家口水庫、大黑汀水庫為天津市的主要供水水庫。一期工程建立覆蓋密云水庫、潘家口水庫、大黑汀水庫庫區(qū)和上游地區(qū)的水雨情信息監(jiān)測網(wǎng)、水質(zhì)水量監(jiān)測網(wǎng)和覆蓋京津地區(qū)（含廊坊）的1.8萬km2地下水信息監(jiān)測網(wǎng)，以及覆蓋上述地區(qū)的信息采集系統(tǒng)、信息傳輸系統(tǒng)、和信息網(wǎng)絡系統(tǒng)、利用信息技術，實現(xiàn)對密云水庫、潘大水庫、京津地下水等重要水源地的水量水質(zhì)信息的自動采集、實時傳輸、分項處理、遠程控制。同時通過密云水庫和潘家口水庫預報調(diào)度等手段，有效增加可供水量，初步實現(xiàn)保障京津地區(qū)城市供水安全，改善水生態(tài)環(huán)境的目的。
４ 工程主要建設內(nèi)容
京津地區(qū)重要水源地水資源實時監(jiān)控系統(tǒng)一期工程在充分利用現(xiàn)有工程的基礎上，考慮今后的發(fā)展趨勢，建成以GIS 為平臺，虛擬現(xiàn)實為表現(xiàn)手段，信息采集系統(tǒng)為基礎，通訊及信息網(wǎng)絡為紐帶，數(shù)據(jù)庫為核心，輔助決策支持系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)為應用的綜合信息系統(tǒng)。
系統(tǒng)主要由信息采集系統(tǒng)、信息傳輸系統(tǒng)、信息網(wǎng)絡系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、工程監(jiān)控系統(tǒng)、輔助決策支持系統(tǒng)等六部分組成。
５ 主要工程建設
５.1 信息采集系統(tǒng)
信息采集系統(tǒng)建設是實現(xiàn)京津地區(qū)重要水源地實時監(jiān)控系統(tǒng)的基礎，主要任務是實時采集區(qū)域內(nèi)各類水雨情信息、地下水信息和水質(zhì)信息，并通過多種通訊方式將采集的各類信息傳送到分中心和信息處理中心，為整個系統(tǒng)提供基礎、準確、可靠的數(shù)據(jù)。實現(xiàn)京津地區(qū)重要水源地水量水質(zhì)的實時監(jiān)控及水資源的控制調(diào)度，掌握京津地區(qū)污染物排放總量，和水質(zhì)變化趨勢及地下水變化情況。為水資源優(yōu)化配置提供及時、可靠、準確的信息來源。本項目利用北京分中心、天津分中心對現(xiàn)有遙測站信息進行實時采集。
5.1.1 水雨情采集
密云水庫水雨情信息采集：密云水庫1960年建成，控制流域面積15788 km2，水雨情遙測系統(tǒng)布設中心站1個，分中心3個，中繼站3個，遙測站33個，目前投入運用的有２３個遙測站。
潘大水庫水雨情信息采集：潘家口水庫1980年建成，控制流域面積33700 km2，水雨情遙測系統(tǒng)布設中心站１個，中繼站5個，遙測站35個，目前投入運用的有25個遙測站。
5.1.2 地下水信息采集
地下水信息主要利用現(xiàn)有746眼覆蓋京津（含廊坊）地區(qū)1.8 km2的地下水監(jiān)測井網(wǎng)實施地下水的實時采集。其中建設278眼監(jiān)測井具有自動采集功能，其中128眼監(jiān)測井具有自動傳輸功能。同時對北京市、天津市地下水管理中心部分傳輸設備進行更新。本次規(guī)劃新建60眼地下水監(jiān)測井。
5.1.3 水量水質(zhì)信息采集
一期工程主要建設３個自動水質(zhì)水量監(jiān)測站，包括密云水庫上游戴營自動監(jiān)測站、潘家口水庫自動監(jiān)測站、官廳水庫上游響水堡自動監(jiān)測站。戴營、響水堡自動監(jiān)測站以列入《２１世紀初期首都水資源可持續(xù)利用規(guī)劃》實施，目前已建設完成，投入運行。本項目只建設潘家口水庫壩上水質(zhì)自動監(jiān)測站。
5.1.4 信息傳輸方式
海委監(jiān)控中心負責全部信息的收集和處理。其他主要信息分別傳輸?shù)奖本┓种行、北京市水利局分中心、天津市分中心、和潘家口水庫分中心?/p>
密云水庫、潘家口水庫水雨情信息通過計算機廣域網(wǎng)傳輸?shù)胶Ｎ；地下水信息通過自動采集監(jiān)測站經(jīng)網(wǎng)絡傳送到北京、天津分中心；水質(zhì)水量信息其中戴營自動監(jiān)測站信息通過衛(wèi)星和電話線路傳送到北京分中心，潘家口水庫站通過計算機網(wǎng)絡傳輸?shù)脚思铱诜种行摹?/p>
5.2 信息傳輸系統(tǒng)
信息傳輸系統(tǒng)主要功能是開通海委監(jiān)控中心至控制分中心和分中心、遙測中心站到分中心的信息傳輸通道。該通道能達到數(shù)據(jù)、視頻、語音的多種信息的實時傳輸。為信息傳輸提供一個寬帶、高效的骨干傳輸網(wǎng)絡。主要建設工程包括連接海委監(jiān)控中心至４個分中心；潘家口水庫到大黑汀水庫局域網(wǎng)工程；武清站（海委到水利部SDH線路）到通訊站（天津水利局到于橋水庫PDH線路）PDH線路建設。
5.2.1 海委到潘家口分中心站線路
本段線路租用中國電信公網(wǎng)光纖線路（包括兩端終端設備），租用帶寬為２ⅹ２Mbps。其中2兆用于視頻數(shù)據(jù)的傳輸，另外2兆用于電視會議系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸。
5.2.2 潘家口水庫、大黑汀水庫局域網(wǎng)工程
將潘家口水庫到大黑汀水庫的數(shù)字光纜線路升級到100Mbps，建設潘家口水庫骨干網(wǎng)和大黑汀水庫骨干網(wǎng)。
5.2.3 武清水利局到通訊站PDH線路
開通武清水利局到通訊站的微波線路，實現(xiàn)海委、水利部、北京市水利局、天津市水利局的網(wǎng)絡互聯(lián)。
5.3 信息網(wǎng)絡系統(tǒng)
信息網(wǎng)絡系統(tǒng)是京津地區(qū)重要水源地水資源實時監(jiān)控的信息交換的硬件平臺，利用信息傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)信息的及時、快速的傳輸。主要建設海委監(jiān)控中心到北京分中心、潘家口分中心、北京市水利局分中心、天津市水利局分中心的計算機廣域網(wǎng)。完善海委監(jiān)控中心、北京分中心的局域網(wǎng)工程。
5.3.1 廣域網(wǎng)工程
海委監(jiān)控中心到４個分中心信息傳輸距離長，網(wǎng)絡結構采用樹型拓撲結構。系統(tǒng)可靠性強。在設備的選擇上達到滿足目前及以后一段時間內(nèi)應用的要求，又要考慮到設備的更新?lián)Q代。所選擇的設備是當今主流設備，普及程度高，能夠提供模塊化的服務，以便于今后的擴展。
5.3.2 局域網(wǎng)工程
海委監(jiān)控中心局域網(wǎng)工程，是數(shù)據(jù)存儲、傳輸控制、網(wǎng)絡管理、應用系統(tǒng)后臺服務及遠程會商與調(diào)度的平臺，是整個網(wǎng)絡骨干系統(tǒng)的核心。網(wǎng)絡工程為千兆以太網(wǎng)。
5.3.3 網(wǎng)絡管理及網(wǎng)絡安全
京津地區(qū)重要水源地水資源實時監(jiān)控系統(tǒng)整體網(wǎng)絡結構由于地域分散，因此采用集中和分散的管理模式，海委網(wǎng)絡中心全面負責整個網(wǎng)絡的監(jiān)測、管理和運行。
網(wǎng)絡系統(tǒng)傳輸?shù)氖撬昵、水質(zhì)水量、水資源管理等重要信息，數(shù)據(jù)安全尤為重要。
在工程中主要考慮的安全措施包括：路由器地址屏蔽、數(shù)據(jù)加密、安裝入侵監(jiān)測軟件、配置防火墻、完善管理制度等措施，確保網(wǎng)絡安全。
5.4 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)
目前海河流域結合不同的項目建設了較為齊全的數(shù)據(jù)庫，水源地項目對已有數(shù)據(jù)庫進行完善、補充和調(diào)整。同時新建一批滿足決策支持系統(tǒng)需要的基本數(shù)據(jù)庫。
5.4.1 數(shù)據(jù)庫結構
結合實時監(jiān)控系統(tǒng)的特點，數(shù)據(jù)庫采用集中和分布相結合的方式，靜態(tài)數(shù)據(jù)庫集中管理，動態(tài)數(shù)據(jù)庫分布存儲。海委監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫，存放和管理整個實時數(shù)據(jù)和相關歷史數(shù)據(jù)以及空間數(shù)據(jù)。４個分中心建立實時數(shù)據(jù)庫，管理各自的實時數(shù)據(jù)。
5.4.2 數(shù)據(jù)庫要求
層次分明布局合理，數(shù)據(jù)結構化、規(guī)范化、標準化，具有獨立性和擴展性、共享數(shù)據(jù)的一致性和正確性，穩(wěn)定安全性，和其他數(shù)據(jù)庫兼容性。
5.4.3 數(shù)據(jù)庫運行環(huán)境
硬件環(huán)境：海委監(jiān)控中心配備空間數(shù)據(jù)庫服務器２臺，其他數(shù)據(jù)服務器４臺。各分中心配備服務器一臺。
軟件環(huán)境：海委監(jiān)控中心采用ORCLE9i 數(shù)據(jù)庫管理軟件。各分中心采用Microsoft SQL Server 2000 數(shù)據(jù)庫管理軟件。
5.5 工程監(jiān)控系統(tǒng)
監(jiān)控系統(tǒng)包括引灤樞紐監(jiān)控系統(tǒng)和監(jiān)控中心大屏幕系統(tǒng)兩部分
5.5.1 引灤樞紐工程監(jiān)控系統(tǒng)
利用先進的工程視頻遠程監(jiān)控技術，對引灤樞紐工程進行視頻監(jiān)視，以數(shù)據(jù)文本、圖形圖像、音頻視頻等媒體形式，表現(xiàn)工程的運行信息。
對潘大水庫大壩、泄水建筑物、電廠及附屬設備、管理區(qū)等安裝視頻采集設備，其中潘家口地區(qū)安裝47個攝像采集點、3個獨立的監(jiān)控集群和4個監(jiān)控中心。大黑汀地區(qū)安裝了41個攝像采集點、2個獨立的監(jiān)控集群和1個監(jiān)控中心。同時建設潘家口水庫、大黑汀水庫、海委監(jiān)控中心的三方會議系統(tǒng)。
5.5.2 引灤樞紐閘門監(jiān)控系統(tǒng)
對潘家口18個表孔閘門、大黑汀水庫28孔表孔閘門、大黑。悼追炙l門，安裝自動控制設備，并建設潘家口水庫、大黑汀水庫控制中心，實現(xiàn)對上述閘門的遠程自動控制。
5.5.3 監(jiān)控中心系統(tǒng)
在海委監(jiān)控中心和潘家口水庫監(jiān)控中心建設大屏幕投影墻。它作為計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)的一個數(shù)據(jù)顯示終端、同時又是異地會商的終端，也是綜合信息查詢、水資源調(diào)度指揮中心。
海委監(jiān)控中心建設２ⅹ３TOSHIBA DLP 大屏幕投影單元和會議系統(tǒng)。潘家口水庫監(jiān)控中心建設２ⅹ２TOSHIBA DLP 大屏幕投影單元和會議系統(tǒng)。
5.6 輔助決策支持系統(tǒng)
包括管理平臺、地下水動態(tài)管理模型、水質(zhì)預測分析系統(tǒng)、水庫預報調(diào)度系統(tǒng)等。
5.6.1 管理平臺
管理平臺是京津地區(qū)重要水源地水資源實時監(jiān)控系統(tǒng)的最終所用功能的顯示界面。將實現(xiàn)信息采集、數(shù)據(jù)傳輸、計算機網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、各種應用系統(tǒng)的有機結合。并提供友好的人機交互界面。
5.6.2 地下水管理系統(tǒng)
建立地下水動態(tài)模擬模型，對地下水實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，掌握地下水變化規(guī)律。
5.6.3水質(zhì)預測分析系統(tǒng)
實現(xiàn)對京津地區(qū)重要水源地水質(zhì)信息、評價結果及水質(zhì)趨勢預測，對水污染事故及時分析、預警預報。本項目確定對潘家口水庫進行重點分析研究。
5.6.4 水庫預報調(diào)度系統(tǒng)
一期工程主要建設、完善潘家口水庫、密云水庫預報調(diào)度系統(tǒng)。建設潘家口水庫枯水期徑流預報調(diào)度模型。
6 工程建設的主要特點
6.1 涉及專業(yè)眾多
京津水源地實時監(jiān)控項目不同一般的信息化項目，涉及到水文、水資源、通訊、水質(zhì)、水環(huán)境、建筑、計算機、網(wǎng)絡、工業(yè)自動控制、視頻等眾多領域。本系統(tǒng)科技含量高，建設難度大。將眾多領域內(nèi)的高科技成果運用到水利行業(yè)在國內(nèi)也是首次，經(jīng)過試運行，各個系統(tǒng)能有機的通過管理平臺連接在一起，運行安全可靠。
6.2 建設及監(jiān)測區(qū)域廣
一期工程主要監(jiān)測密云水庫和潘家口水庫的水雨情信息、京津地區(qū)的地下水信息，主要河道和水庫的水質(zhì)信息，將形成海委到５個監(jiān)控分中心的物理連接網(wǎng)絡。建設及監(jiān)測面積達1.8萬km2，由于工程建設地域跨省市、管理跨不同的行政部門，工程建設的管理及協(xié)凋難度大。
6.3 施工難度大
潘家口水庫及大黑汀水庫視頻監(jiān)控系統(tǒng)，由于地域范圍廣、環(huán)境條件差，施工難度大。
潘、大水庫閘門監(jiān)控系統(tǒng)要求安裝精度高、安全系數(shù)高，系統(tǒng)建設較為復雜。潘家口水庫水質(zhì)自動監(jiān)測站取水設施由于取水高程變化大，取水設施安裝調(diào)試困難。
6.4 軟件開發(fā)起點高
本系統(tǒng)中軟件開發(fā)占有一定比例，輔助決策支持系統(tǒng)中主要水文、水資源軟件已涉及到目前的最前沿領域，系統(tǒng)精度有了較大的提高、實用性增強、操作更加快捷方便。
7 系統(tǒng)建設的主要經(jīng)驗
7.1 加強工程管理確保工程質(zhì)量
各項目建設嚴格執(zhí)行基建程序，實行項目法人制、招投標制、工程監(jiān)理制。確保工程的質(zhì)量和資金的高效使用。明確項目法人，主要工程全部公開招標，聘請?zhí)旖蚴腥A朔水利工程監(jiān)理公司為本項目的監(jiān)理。水利部水利工程質(zhì)量監(jiān)督總站海河流域分站對整個工程進行了全程質(zhì)量監(jiān)督。
7.2 合理工程項目劃分
本系統(tǒng)涉及領域多，因此合理項目劃分對提高工程建設水平至關重要。項目開工前項目辦結合工程特點制定了較為合理的項目劃分。本工程按工程性質(zhì)劃分為8個單位工程、29個分布工程、75個單元工程。
7.3 完善質(zhì)量監(jiān)控體系
水利信息化項目由于涉及的領域多，目前沒有一套完備的質(zhì)量管理體系和驗收標準，為此，項目辦結合有關標準編制了“京津地區(qū)重要水源地水資源實時監(jiān)控系統(tǒng)質(zhì)量驗收評定標準”，和“京津地區(qū)重要水源地水資源實時監(jiān)控系統(tǒng)工程建設外觀質(zhì)量驗收評定標準”，確保了工程建設質(zhì)量。
7.4 嚴格組織驗收
對單元工程、分布工程、單位工程的驗收，嚴格按照有關標準和合同要求執(zhí)行。施工管理及監(jiān)理人員在施工過程中嚴把質(zhì)量關，及時提出問題及修改意見。
7.5 認真組織培訓工作
對每個完工項目制定了詳細的培訓計劃，使管理人員從原理、性能上做到了解；在維護、使用上做到熟煉掌握。確保系統(tǒng)效益的正常發(fā)揮。
8 系統(tǒng)建設的主要問題及建議
8.1 信息采集難度大
對京津地區(qū)實時地下水信息、水質(zhì)信息的采集，資料的保證率有待進一步的提高及加強。需建立起一套完整的信息采集管理辦法，對地下水信息要做到及時準確的采集和傳輸，對自動水質(zhì)監(jiān)測站的數(shù)據(jù)要實現(xiàn)即時采集，對水質(zhì)觀測數(shù)據(jù)要確定時間定時上傳。
8.2 信息傳輸帶寬不夠
海委到潘家口水庫的光纖線路目前為２ⅹ２兆，在同時進行多路信息傳輸時帶寬不夠，建議增加帶寬，或增加部分衛(wèi)星線路傳輸。如果開通潘家口水庫到天津市于橋水庫的微波線路，帶寬問題可基本解決。
8.3 提高專業(yè)管理軟件的科技水平
地下水模型及水質(zhì)預測模型為本次開發(fā)項目的難點，隨著科技技術水平的發(fā)展，建議要加強對其的研究。研究分析地下水演變規(guī)律和河道水庫水質(zhì)變化規(guī)律，對地下水和水質(zhì)變化有更加深刻的認識，更好的服務于水資源調(diào)度管理。
8.4 加強系統(tǒng)功能
本系統(tǒng)中只對目前京津主要水源地水資源實施監(jiān)控，對北京市、天津市的需水狀況和未來用水趨勢沒有分析，尤其是2008年“南水北調(diào)”水量進入北京、天津后，水資源供需會發(fā)生變化。因此需增加用水分析預測功能，增加京津地區(qū)水資源調(diào)度決策支持和京津兩省市聯(lián)合調(diào)度決策支持的內(nèi)容，使本系統(tǒng)成為不僅能實時監(jiān)控水資源，又具有分析預測用水需求的京、津地區(qū)水資源決策支持系統(tǒng)。
8.5 系統(tǒng)運行維護問題
系統(tǒng)投入運行以后，涉及使用的單位較多，應建立起一套完整的運行管理辦法和運行制度，做到專門部門管理、專人管理，確保系統(tǒng)的正常運行。本系統(tǒng)沒有考慮后期系統(tǒng)運行管理費用，這樣會給管理單位帶來一定的負擔，尤其是硬件系統(tǒng)維護費用較高，為確保系統(tǒng)的正常運行，建議每年籌集一部分資金用于運行管理。
8.6 盡快安排二期工程的實施
本項目一期工程只監(jiān)控的地表水水庫只有潘家口水庫和密云水庫，應盡快安排包括北京市官廳水庫、天津市于橋水庫等重要水源水庫的實時監(jiān)控項目（二期工程）的實施。確保今京津地區(qū)水資源的高效利用，使其發(fā)揮更大的作用。
9 結語
京津地區(qū)重要水源地水資源實時監(jiān)控系統(tǒng)是水利部的一個試點工程，也是水利信息化建設的一個重點工程，此項工程的投入使用可有效地提高京津地區(qū)城市供水的保證率和水利自動化管理水平。水利信息化建設屬于剛剛起步階段，缺乏一定的經(jīng)驗，需要在今后的工作中進一步總結提高。今后需對本系統(tǒng)進行進一步的完善，要加強對系統(tǒng)的后期維護工作，使其發(fā)揮應有的作用，對全國類似水源地水資源實時監(jiān)控工程起到重要的參考作用。
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