三江平原地下水自動監測預警研究

烏麗罕,王 鐵

(黑龍江省水文水資源中心，黑龍江 哈爾濱 150001)

1 背 景

地下水資源管理是水資源管理的重要組成部分，由于具有其隱蔽性，所以如何更有效的實施地下水資源管理，破解地下水看不見、摸不著的難題，實時監測地下水位變化情況并合理預測水位變化趨勢逐漸成為發展方向。

2 地下水監測井

三江平原水文系統地下水監測井主要包括國家地下水監測工程自動監測井、省級自動監測井、人工監測井。選取具有代表性的監測井開展水位監測預警工作，代表性監測井的選取遵循以下原則[1-2]：

(1)監測井水文地質條件能夠代表該地區的水文地質條件，空間分布較廣泛，能在區域范圍內控制整個研究區，垂向上兼顧研究區的各主要含水層。

(2)以自動監測井為主，人工監測井為輔。自動監測井為專用井，數據上報及時且受人為影響較少；人工監測井一般為生產井和民用井，受開采影響較多，代表性較差。

(3)監測數據質量較高。數據的上報率、完整率、及時率都要達到監測要求。定期開展監測井洗井清淤等維護工作，確保監測數據能反映真實情況。

根據上述選取原則，采用國家地下水監測工程自動監測井為主并結合人工監測井進行監測預警工作(圖1)。省級自動監測井2020年底建成，目前進入試運行期，試運行期滿后并入監測預警井網。

圖1 國家地下水自動監測井

國家自動監測站2017年完成建設任務，監測項目包括水位、水溫和水質。水位信息每天采集6次，每間隔4 h采集一次，定時采集由采集設備控制，次日8時一次發送。信息采集傳輸設備主要由壓力式水位傳感器、遙測終端機、通信設備、電源以及用于系統安裝的附屬設施組成。集高精度傳感器、無線通信、數據處理和存儲等技術于一體，可以實現無人值守情況下的信息自動采集、傳輸和存儲，監測站將自動采集的信息通過GPRS/GSM信道發送至省級水文監測中心，監測數據存入本級數據庫，同時傳輸至地市級分中心，省中心和地市中心均可以同步對數據實施管理[3]。

3 監測預警系統

3.1 監測預警系統設計原則

(1)實用性原則。系統設計以滿足三江平原地下水監測預警系統需要為第一要素。充分考慮在地下水管理各業務層次、各環節管理中數據傳輸和處理的便利性和可行性。

(2)統一性原則。統籌規劃和統一設計系統結構。從全局和長遠的角度統一考慮，在數據層面保持統一性，綜合考慮數據模型結構、數據存儲結構以及系統擴展規劃等內容。

(3)先進性原則。在設計中充分利用信息化科技的發展成果，把物聯網、自動控制、移動互聯網、大數據等技術廣泛應用在地下水監測、地下水數據管理等業務系統中。

(4)安全性原則。系統的總體設計必須具有高度安全可靠性，基于地下水資源的自身特點，建立“可信、可控、可管”的信息安全保障體系，設計上采用具有容錯功能的服務器及網絡設備，并使用操作權限控制、密碼控制、系統日志監督等多種手段防止系統數據被竊取和篡改，確保系統按照預期運行，免受攻擊和破壞。

(5)擴展性原則。監測預警系統的設計要考慮到地下水監測未來發展的需求，充分考慮不同系統的兼容性，設計簡明，降低各功能模塊的耦合度。

3.2 監測預警系統主要功能

系統自下而上分為四層，包括信息采集層、數據共享層、統一支撐層、業務協同層。信息安全體系、運行管理體系為整個系統提供保障環境。系統功能總體框架如圖2。

圖2 地下水監測預警系統

通過基礎數據采集錄入和地下水監測站數據自動傳輸，進行區域分析和空間分析，形成可以支持日常業務的成果。系統可以進行擬合度分析、偏差分析、經驗分析，經比選預測水位、埋深變化。預測地下水動態變化趨勢，實現地下水水位預警。

系統界面設計要強調結構化、模塊化、標準化，做到界面清晰，連接暢通，做到整體布局、層次清晰、易操作，實現分級管理。實現三江平原地下水綜合成果的可視化展示，并在平臺上實現數據及綜合地圖的展示，可以對三江平原所有監測站點進行分析，挑選不同類型區內的地下水監測站，生成地下水監測站的空間分布圖，展示三江平原的地下水水位、埋深變化趨勢和變幅，通過過程線、柱狀圖或統計報表等形式實現三江平原降雨量、開采量、水位埋深實時統計數據，預測未來地下水水位、埋深等信息的可視化成果展示。

充分利用現代傳輸手段，廣泛利用信息資源并進行深入開發，包括監測數據的采集、傳輸、存儲、處理、統計、分析和應用，全面提升三江平原地下水資源監測預警業務的效率和效能。三江平原地下水監測預警系統功能主要表現在以下幾個方面：

(1)能夠高效、準確地獲取地下水動態監測數據。通過采用現代化的信息采集、傳輸、處理手段，實現對三江平原地下水動態監測數據的全面掌控，為水行政主管部門決策提供依據。

(2)滿足三江平原地下水動態變化情況統計、分析和應用的需要。便于掌握三江平原地下水的動態變化情況，受降水、蒸發、開發利用、地表水補給、農田灌溉回灌補給等因素的影響情況。

(3)滿足三江平原地下水資源評價工作的需要。通過地下水動態變化情況的監測、統計和分析，為區域地下水資源評價提供數據支撐。

(4)滿足對地下水自動監測站的日常運行維護進行實時監控的需要。通過平臺建設，實時掌握各個地下水自動監測站運行維護情況，為運行維護工作提供信息指導。

(5)滿足三江平原地下水水位預警預報工作的需要。為了確保水資源管理“三條紅線”能夠很好地落實，建立地下水資源業務應用系統，為各地區的地下水水位變化提供預警預報。

4 結 語

通過地下水資源信息和數據的采集、傳輸、管理、共享、分析應用的相關標準和流程，實現信息采集的全覆蓋、數據分析的統一規范，促進地下水業務的一體化管理，使地下水業務管理決策更加科學、精準。一方面顯著提升地下水業務信息和數據價值，另一方面避免地下水管理數據資源的重復利用。通過地下水監測預警系統建設為三江平原地下水業務提供規范化、精細化日常管理工具，將人力投入、人工作業為主的“人防”模式轉變為通過系統功能提供敏捷、高效、規范化、精細化管理手段的“技防”模式，提高地下水資源管理能力，為三江平原在保障農業生產和國家糧食安全、生態安全上發揮重要作用。