建設水資源實時監(jiān)控管理系統(tǒng)

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摘要：水資源優(yōu)化配置是水資源管理的重點，而水資源實時監(jiān)控管理系統(tǒng)在水資源優(yōu)化配置中又具有舉足輕重的作用。水資源實時監(jiān)控管理系統(tǒng)由數據庫、模型庫、知識庫、在線數據采集子系統(tǒng)、綜合信息管理子系統(tǒng)、綜合分析與決策支持子系統(tǒng)、實時控制管理子系統(tǒng)等組成。它是高技術的集成，體現了水資源可持續(xù)利用原則，并且代表了當前世界水資源管理的方向。我國應在“總體設計、分步實施、試點示范、全面推開”的原則下建設水資源實時監(jiān)控管理系統(tǒng)。

關鍵詞：水利現代化 水資源實時監(jiān)控 數據庫 管理系統(tǒng)

當前，我國水利建設面臨著從傳統(tǒng)水利向現代水利轉變的歷史任務。如何實現水利現代化?如何實現水資源的可持續(xù)利用?在水資源的開發(fā)、利用、治理、配置、節(jié)約和保護的綜合管理任務中，如何改變過去粗放式的管理方式，而采用集約式的現代管理方式?面對這些問題，我們不能不去研究國際上對自然資源管理的新思潮，不能不去研究全球高科技突飛猛進的發(fā)展大潮流。水資源的優(yōu)化配置是水資源管理的重點。實施對水資源動態(tài)的、實時的、優(yōu)化的配置，基礎是獲取大量的、動態(tài)的水資源及相關信息。當代高技術的發(fā)展，特別是信息技術、數字化技術的發(fā)展，使得對水資源進行實時監(jiān)控管理已經成為可能。這種系統(tǒng)的建設將使水資源的管理發(fā)生重大變革，也將帶來巨大的經濟社會效益。當前在國際上，水資源實時監(jiān)控管理系統(tǒng)，代表了水資源管理的現代方向。

一、水資源實時監(jiān)控管理系統(tǒng)的特點及技術要求

什么是“水資源實時監(jiān)控管理系統(tǒng)”呢?這個系統(tǒng)是以信息技術為基礎，運用各種高新科技手段，對流域或地區(qū)的水資源及相關的大量信息進行實時采集、傳輸及管理；以現代水資源管理理論為基礎，以計算機技術為依托對流域或地區(qū)的水資源進行實時、優(yōu)化配置和調度；以遠程控制及自動化技術為依托對流域或地區(qū)的工程設施進行控制操作。

這種系統(tǒng)的主要特點是：①對水資源進行實時監(jiān)測。監(jiān)測的內容包括水量和水質。實時監(jiān)測的意義在于：只有掌握瞬時變化的水量信息，才能科學、準確地進行資源配置及調度；只有掌握瞬時變化的水質信息，才能對環(huán)境質量進行動態(tài)評價和有效監(jiān)督，也才有可能應對水污染突發(fā)事件，保證供水安全。②這種系統(tǒng)以地理信息系統(tǒng)(GIS)為框架，除了采集水資源信息外，還廣泛采集流域或地區(qū)內的氣象、墑情等自然信息，水利工程等基礎設施信息，經濟與社會發(fā)展的基本信息以及需水部門的需水信息。③它不同于以往的水資源監(jiān)測系統(tǒng)，僅僅具有監(jiān)測功能。這種系統(tǒng)更重要的功能是進行實時配置調度。它是在監(jiān)測的基礎上，以大量的綜合信息為基礎，采用現代水資源管理數學模型，為水資源的實時配置、調度提供決策支持。這種模型勢必突破“就水論水”局限，體現經濟與社會發(fā)展——資源——環(huán)境的協(xié)調統(tǒng)一，體現水資源的可持續(xù)利用原則，體現“依法治水”的原則。④這種系統(tǒng)應是高新技術的集成。系統(tǒng)的設置應充分吸收國際上最新技術，堅持高起點。它包括監(jiān)測技術、通信、網絡、數字化技術、遙感、地理信息系統(tǒng)(GIS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、計算機輔助決策支持系統(tǒng)、人工智能、遠程控制等先進技術。⑤它的設置應是因地制宜的。針對不同流域、不同地區(qū)不同的經濟發(fā)展水平及基礎設施狀況，水資源管理中不同的重點問題，水資源實時監(jiān)控管理系統(tǒng)的設置也應具有不同的特點。系統(tǒng)的設置還應與防洪調度指揮系統(tǒng)的建設相結合。

這種系統(tǒng)的技術要求是：①以現代電子、信息、網絡技術為基礎，實現監(jiān)測數據的自動采集、實時傳輸和在線分析，有效地提高監(jiān)測數據的實時性和準確率，確保監(jiān)測信息的有效性。②充分掌握所在地區(qū)水資源供需狀況，建立相應的資料庫和水量、水質模型、供需水模型及生態(tài)環(huán)境分析模型。供水方面包括：地表水、地下水、土壤水，主水、客水、污水回用等等，需水方面包括：生活用水、工業(yè)用水、農業(yè)用水、生態(tài)環(huán)境用水等。③充分運用現代計算機和人工智能等技術進行高度技術集成，快速、高效、準確、客觀地分析處理大量監(jiān)測數據信息，并根據已建立的供需水模型和水環(huán)境分析模型等，動態(tài)生成水資源優(yōu)化配置、調配計劃等輔助決策方案。④以綜合分析和輔助決策為基礎，實現對水資源的優(yōu)化配置、遠程控制和科學管理等，即實現水資源調控的現代化。⑤系統(tǒng)應具有很強的實用性和動態(tài)可擴展性，以滿足不同用戶的需求。

二、水資源實時監(jiān)控管理系統(tǒng)的基本結構

水資源實時監(jiān)控管理系統(tǒng)應具備水資源實時測、水資源實時預報、水資源實時調度和水資源實時管理等功能。其功能概要詳見圖1。系統(tǒng)的總體結構又可分解為以下主要部分(參見圖2)：①數據庫(包含圖形庫、圖像庫和CIS系統(tǒng))，②模型庫(包括方法庫)，③知識庫，④在線數據采集子系統(tǒng)，⑤綜合信息管理子系統(tǒng)，⑥綜合分析與決策支持子系統(tǒng)，⑦實時控制管理子系統(tǒng)。其核心是綜合分析與決策支持子系統(tǒng)以及數據庫、模型庫、知識庫。其他各部分則為系統(tǒng)核心的補充、延展和支持。

系統(tǒng)總控目的是建立系統(tǒng)各部分之間的聯(lián)系、控制各庫和各子系統(tǒng)的協(xié)調運行。

在線數據采集子系統(tǒng)提供相關水資源與水環(huán)境監(jiān)測數據的自動化采集和數據可靠性在線分析功能。其重點是對地表水和地下水(水量、水位、水質及水溫等)的實時動態(tài)監(jiān)測和監(jiān)測數據的自動化采集、監(jiān)測數據預處理，以及監(jiān)測數據可靠性的實時在線分析處理等。該子系統(tǒng)還應提供與各類監(jiān)測儀器銜接的數據采集接口，通過接口模塊動態(tài)收集監(jiān)測數據資料，確保存入數據庫中的監(jiān)測資料的有效性、完整性和可靠性。

綜合信息管理子系統(tǒng)管理各種水資源水環(huán)境監(jiān)控項目的數據資料，具有監(jiān)測數據資料的輸入、存儲、整編、查詢與傳輸等功能，對水資源監(jiān)控數據資料進行綜合管理和處理。該子系統(tǒng)還應提供對綜合分析與決策支持子系統(tǒng)以及實時控制子系統(tǒng)的數據傳輸接口。

實時控制子系統(tǒng)主要完成兩個功能：一是將系統(tǒng)綜合分析與輔助決策的成果以實時報告(如水資源預報、水質分析公報、企業(yè)排污超標警報、水資源調配建議方案等)和多媒體報警信號(如大屏幕指示、聲光警報等)的形式進行動態(tài)輸出，以供決策部門進行水資源配置和管理參考；二是將輸出指令直接作用于可控自動化水資源調配和控制設備(如給、排水閘門等)，通過有線/無線/遠程控制技術對系統(tǒng)所涉區(qū)域內的重點給、排水設備及重點控制工程進行遠距離的調節(jié)控制。

綜合分析與決策支持子系統(tǒng)對實時監(jiān)測獲得的數據信息進行綜合分析處理。其主要功能就是運用模型庫中的相應模型對監(jiān)測數據資料進行智能化的綜合分析，參照知識庫中的專家知識和有關法律、法規(guī)、規(guī)程規(guī)范，形成水資源(包括水量、水質、水情和水環(huán)境等)動態(tài)狀況的分析成果；并根據分析成果，產生輔助決策報告或直接發(fā)布控制指令。系統(tǒng)還應專門設計有多庫協(xié)同器，進行各庫之間的協(xié)調。多庫協(xié)同器提供系統(tǒng)各庫的協(xié)同規(guī)劃、綜合調度、人機交互、資源共享、沖突仲裁和通信聯(lián)絡等處理功能。

綜合分析與決策支持子系統(tǒng)是本系統(tǒng)的技術核心，它將以國內外近年在水源、水環(huán)境和農田水利等方面的科研成果為基礎，結合現代高新技術進行綜合開發(fā)，形成技術先進、功能完善、實用性強、又便于擴展和更新的具有決策支持能力的智能化綜合分析系統(tǒng)。

數據庫是整個系統(tǒng)運轉的基礎，準確高效地收集和及時處理大量復雜的監(jiān)測數據資料是整個系統(tǒng)設計和開發(fā)的重點。數據庫及綜合信息管理子系統(tǒng)是面向數據信息存儲和信息查詢的計算機軟件系統(tǒng)。本系統(tǒng)的數據庫內容包括：①水利工程檔案庫，②監(jiān)測儀器特征庫，③原始監(jiān)測數據庫，④整編監(jiān)測數據庫，⑤監(jiān)測網站資料庫，⑥人工巡視檢查資料庫，⑦數據自動采集參數庫，⑧模型輸入輸出數據庫，⑨成果數據庫，⑩實時控制日志數據庫等。圖形庫和圖像庫是數據庫的延展和補充。

模型庫及其管理子系統(tǒng)提供相應分析處理使用的處理模型和計算方法的例程庫。包括各種時態(tài)和空間模型、在線數據可靠性分析算法等。包括水情預報模型、水量評價模型、水量預測模型、水質評價模型、水質預測模型、水污染模型、需水模型、生態(tài)環(huán)境分析模型、洪水演進及仿真模型、決策支持模型等等。

知識庫及其管理子系統(tǒng)是用于知識信息的存儲及其使用管理的計算機軟件系統(tǒng)。本系統(tǒng)的知識庫內容包括：①各監(jiān)控項目的監(jiān)控指標，②日常巡視檢查的評判標準，③監(jiān)測數據誤差限值，④專業(yè)規(guī)律指標，⑤專家知識經驗，⑥水利法律、法規(guī)，行業(yè)規(guī)程、規(guī)范的有關條款等。

三、水資源實時監(jiān)控管理系統(tǒng)的實施

水資源實時監(jiān)控管理系統(tǒng)是一個十分龐大又十分復雜的系統(tǒng)，具體實施過程中要堅持“總體設計，分步實施，試點示范，全面推開”的原則，并充分利用現有的防汛指揮系統(tǒng)、水文站網、水質監(jiān)測系統(tǒng)，形成新的網絡。

首先，組織好項目的前期工作。組織系統(tǒng)內外的專家在國內外廣泛調研的基礎上，進行系統(tǒng)的研究開發(fā)和設計工作。其次，要選好試點，發(fā)揮試點的示范作用。對試點項目運行經驗進行總結使系統(tǒng)不斷完善。通過試點，還要總結提煉出相應的技術導則和技術規(guī)范。在試點項目的基礎上，制定全面實施規(guī)劃，因地制宜地進行推廣。對新建項目，如具備條件，在設計時就要將實時監(jiān)控管理系統(tǒng)納入項目計劃?？梢灶A言，水資源實時監(jiān)控管理系統(tǒng)的建設，必將有力地推動我國水利現代化的進程。