基于GIS的城市水資源動態管理應用研究
——以臺州市為例

林金雙，朱文俊

(臺州市地理信息測繪中心有限公司，浙江 臺州 318000)

臺州市地處浙江省中部沿海，依山面海，東瀕東海，地勢由西向東傾斜，西北山脈連綿，東南丘陵緩延，平原灘涂寬廣，河道縱橫，屬中亞熱帶季風區，四季分明，雨水充沛。臺州市水資源的特點是時空分布不均衡，空間上一般西北部山區多，東南沿海少；時間上年內分配不均，受季風氣候影響，降水大部分集中在4～10月。按照人口計算，人均擁有水資源量1 700 m3，低于全省人均水資源量2 000 m3，屬于中度缺水[1]。2016年，臺州市出臺的《臺州市“十三五”水利發展規劃》明確提出了推進“互聯網+水利”的行動，大力推進智慧水利和水利工程信息化建設，強化物聯網、大數據、云計算和移動互聯網四大技術在水資源管理中的應用，加快建設水資源信息管理平臺，以水利信息化帶動水利現代化[2]。本文利用GIS技術、物聯網技術、云計算和通信技術，對臺州市水資源調研后，構建了水資源大數據庫，搭建了水資源信息管理平臺，實現水資源從供給、利用、應急、排放的全過程管理和監測，提高了水資源開發、利用、配置、節約和保護全方位科學的管理水平[3]。

1 總體思路設計

1.1 研究目標

1.1.1 構建以“一張圖”管理城市水資源的動態管理模式

目前臺州市已有相應的水資源信息化管理平臺，但是隨著近年來技術的進步和城市規模的擴大，水資源管理的方式較為落后，缺少以地圖作為基礎底圖，集成城市水資源空間數據和業務數據，對城市水資源進行動態管理的信息化平臺。因此，本文采用以1:5 000電子地圖和遙感影像數據等基礎地理信息數據為底圖，在統一的坐標系下，集成城市水資源空間數據，形成城市水資源管理“一張圖”。在“一張圖”的基礎上，實現對城市水資源的管理和監測。

1.1.2 構建城市水資源大數據庫

通過對城市水源地數據、地下水數據、地表水數據、供水數據、排污口數據、監測數據等進行梳理和處理，將數據進行空間化，掛接到“一張圖”上，建立圖與水資源數據之間聯系，形成城市水資源大數據庫。

1.1.3 搭建城市水資源信息管理平臺

搭建一套集展示、預警、輔助和決策為一體的城市水資源信息管理平臺，實現城市統一的水資源實時監測和管理的平臺[4]，提高城市水資源的開發、利用、配置、節約和保護水平。

1.2 平臺框架設計

平臺采用面向服務的SOA架構，可根據需求通過網絡對松散耦合的粗粒度應用組件進行分布式部署、組合和使用[5]。平臺架構設計包括五大部分：軟硬件支撐層、數據層、服務層、應用層和用戶層[6]。平臺框架設計示意圖如圖1所示。

軟硬件支撐層提供整個平臺運行所需的存儲設施、服務器設施、網絡設施、安全設施、操作系統、GIS軟件等，并且在云環境下實現硬件虛擬化、存儲虛擬化、網絡虛擬化和防火墻安全保護等；數據層是在統一的標準下管理城市水資源的空間數據、實時監測數據以及業務數據，構建了城市水資源大數據庫，為城市水資源應用及輔助決策提供詳實、可靠的數據支撐；服務層是SOA架構的基礎，平臺可直接調用安全認證服務、規則運算服務、消息引擎、地理信息服務、數據服務以及權限管理服務等；應用層是平臺的“一張圖”展示窗口，包括水資源實時監測管理、水資源水源工程管理、水資源地下水管理、水資源征費管理、水資源節約管理、水資源保護、水資源應急管理以及運維管理等；用戶層是平臺的使用人員，主要包括水資源管理部門、水資源工程建設單位、水資源取水大戶以及公眾等。平臺架構兩側是運行和保障機制，包括城市水資源管理辦法、水資源規范體系、保障體系、信息安全體系。

2 城市水資源大數據庫建設

2.1 數據庫建設內容

根據水資源信息管理平臺建設的目標，對平臺涉及的數據進行了全面的梳理和分析，總體上分為空間大數據和屬性大數據[7]。空間大數據包括基礎地理信息數據、水資源空間數據、水資源監測數據等，如：1:5 000電子地圖、遙感影像數據、水庫數據、監測站數據、地下水井數據等，該類數據會在“一張圖”進行直觀顯示；屬性大數據包括水資源業務數據和多媒體數據，如：供水管理數據、應急管理數據、排水管理數據等，該類數據統一存儲在屬性表中，通過與水資源空間數據進行掛接，從而可以在平臺上進行顯示。城市水資源大數據庫建設內容示意圖如圖2所示。

圖2 城市水資源大數據庫建設內容示意圖

2.2 數據處理和入庫

城市水資源大數據庫在統一的坐標系下，實現非結構化和結構化數據的匯集、存儲、處理和入庫，實現城市水資源的有效整合。以城市水資源水源地數據處理和入庫為例，將水源地數據的位置信息和范圍等加工處理為水源地圖斑，并輸入屬性數據后，制作成水源地專題數據并入庫。通過ArcGIS Server 發布成服務，在平臺上調用服務并進行展示[8]。還可以將實時監測數據、照片數據、視頻數據與水源地圖層進行掛接，完善水源地數據。城市水資源水源地數據處理和入庫流程如圖3所示。

圖3 城市水資源水源地數據處理和入庫流程示意圖

3 平臺功能實現

城市水資源信息管理平臺基于SOA架構進行設計，遵循SOA的體系標準和業務規范，對城市水資源成果進行統一的管理。服務器操作系統采用Windows Server 2012；平臺開發軟件采用Eclipse3.6以上版本；GIS平臺軟件采用ArcGIS10.5以及利用ArcGIS API for Java Script進行Web開發；數據庫平臺采用Oracle11g+ArcSDE[9]。平臺實現的核心功能有水資源實時監測管理、水資源水源工程管理、水資源地下水管理、水資源征費管理、水資源節約管理、水資源應急管理等。平臺功能結構示意圖如圖4所示。

圖4 平臺功能結構示意圖

3.1 水資源實時監測管理

水資源實時監測管理是通過物聯網技術，在取水口、地表監測站、地下水井口、入河排污口等區域布設感知設備，并通過網絡與平臺進行連接，實時傳輸監測數據，并且當監測數據超過安全值后，進行預警。水資源實時監測的內容主要包括：水情雨情監測、地下水井用水大戶監測、水源地水質監測、入河排污口監測等。水資源水情實時監測界面示意圖如圖5所示。

圖5 水資源水情實時監測界面示意圖

3.2 水資源水源工程管理

水資源水源工程管理主要包括用水水源保護、內陸河網綜合整治和近岸海域污染治理三方面，通過平臺實現水源工程的基礎信息管理、查詢和新建工程管理。水源工程基礎信息管理，可以在“一張圖”查詢水源工程的空間和屬性信息，并以圖表的方式進行顯示；水源工程查詢可以分成工程類別查詢、企業農業灌區查詢和行政區劃查詢；水源新建工程管理是對新建的水源工程項目提供申請登記、行政審批、工程論證等功能。

3.3 水資源地下水管理

水資源地下水管理包括地下水基本信息管理、地下水取水管理、地下水水位管理和地下水井管理。地下水基本信息管理是對地下水基礎性數據進行錄入、編輯、更新和展示，包括各類取水單位每日、月的取水量、取水井計量表等資料；地下水取水和水位管理是讀取感知設備傳輸回來的實時監測數據，在“一張圖”的基礎上，以圖表的方式顯示取水量、水位、水質等信息，并且可以按照年、月、日進行多時間序列的比對，直觀反映數據的變化趨勢和變化幅度。

3.4 水資源節約管理

水資源節約管理包括用水定額管理、節水計劃管理和節水信息管理。用水定額管理是依據現有水資源的用水計劃對行政區、行業和企業進行用水定額控制；節水計劃管理根據現有用水量，制定行政區、行業和企業年度節水量計劃；節水信息管理包括編寫節水技術方案設計、查看節水設施和產品信息以及對行政區、行業和企業進行考核記錄。

3.5 水資源征費管理

水資源征費管理包括水費基本信息查詢、水費征收、水費征收標準和水費使用管理。水費基本信息查詢提供取水用戶按月查詢實際取水量以及查看歷史繳費信息；水費征收實現了水費收繳、欠費管理和水費緩繳審批；水費征收標準依據取水水源的類型和用水量，制定不同的水費單價標準；水費使用管理包括管理費用、基礎性費用、設備費用、科研費用和其它費用等。水資源征費管理流程示意圖如圖6所示。

圖6 水資源征費管理流程示意圖

3.6 水資源應急管理

水資源應急管理包括突發事件管理、應急會商、指揮調度和應急事后處理，實現水資源的突發事件從發生、處理和總結全過程管理[10]。突發事件管理是對突發事件接收并上報，應急會商管理是根據突發事件的等級，主要領導和專家對突發事件進行預案選擇，制定方案。指揮調度是對突發事件進行處理。應急事后處理是對突發事件進行總結匯報和文檔存檔。

4 結 論

本文借助GIS、物聯網和通信技術，開發了城市水資源信息管理平臺，實現了在“一張圖”的基礎上對城市水資源進行開發、利用、配置、節約和保護。目前平臺運行良好，能夠滿足城市水利管理部門的需求，但也存在水資源監測設備返回的監測數據不及時、網絡連接不穩定、信息錄入不完善等問題。下一步平臺建設一方面加強網絡建設，確保信息傳輸的穩定；另一方面對平臺進行升級改造，不斷完善平臺的功能，促進城市水資源信息化發展，推動“智慧水利”的建設。