信息技術(shù)在流域水政水資源管理中的應(yīng)用分析

李震

（塔里木河流域巴音郭楞管理局開(kāi)都河下游管理站，新疆焉耆 841100）

1 引言

近幾年來(lái)，我國(guó)利用流域水政水資源管理中開(kāi)展若干重大技術(shù)項(xiàng)目的契機(jī)，將信息技術(shù)與流域水政水資源管理進(jìn)行了有機(jī)融合，促使信息技術(shù)在流域水政水資源管理工作中得到了進(jìn)一步推廣應(yīng)用，奠定了流域水政水資源管理信息化建設(shè)基礎(chǔ)。通過(guò)在流域水政水資源管理中應(yīng)用信息技術(shù)，不僅可以提高管理工作效率，而且可以為流域安全提供保障。因此，探究流域水政水資源管理中信息技術(shù)的應(yīng)用具有非常重要的意義。

2 流域水政水資源管理概述

流域水政水資源管理主要是負(fù)責(zé)流域水資源開(kāi)發(fā)、利用、規(guī)劃、管理與保護(hù)工作，并促使其順利進(jìn)行的活動(dòng)，包括水利工程、水政管理、水資源管理多個(gè)方面[1]。流域水政水資源管理過(guò)程中，需要依托水質(zhì)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)、水文水利計(jì)算、水資源勘測(cè)規(guī)劃與評(píng)價(jià)計(jì)算、水行政與水政監(jiān)察管理、水患險(xiǎn)情處理、水平衡測(cè)試等技術(shù)方法，完成水質(zhì)測(cè)試分析與評(píng)價(jià)、治河與防洪、水資源系統(tǒng)規(guī)劃、水環(huán)境保護(hù)、水政管理、水資源技術(shù)經(jīng)濟(jì)等任務(wù)。

3 信息技術(shù)在流域水政水資源管理中的應(yīng)用

3.1 在水資源調(diào)研中的應(yīng)用

在水資源調(diào)研中，可以利用海量信息的數(shù)據(jù)管理技術(shù)、三維地形信息平臺(tái)與空間矢量信息交互式技術(shù)，面向東經(jīng)86°～119.5°、北緯31.5°～42.0°范圍，收集多分辨率DEM（數(shù)字高層模型）、DOM（數(shù)字正射影像圖），提取包含河流、重要交通、各類(lèi)水利工程在內(nèi)的基礎(chǔ)空間信息圖層以及多沙區(qū)治理范圍、防洪工程布局等空間專(zhuān)題圖，收集后依據(jù)數(shù)據(jù)時(shí)間完成編碼存儲(chǔ)，形成以時(shí)間序列為基礎(chǔ)的空間地理框架。在框架內(nèi)動(dòng)態(tài)跟蹤流域水資源變化情況，實(shí)時(shí)收集水資源信息，并進(jìn)行信息的圖形化、數(shù)字化處理，最終導(dǎo)入平臺(tái)軟件內(nèi)進(jìn)行可視化展現(xiàn)，為水資源管理提供支持。

3.2 在水資源管理中的應(yīng)用

水資源管理信息化主要是在建設(shè)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)及知識(shí)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)及空間數(shù)據(jù)庫(kù)、模型庫(kù)及方法庫(kù)等公共信息平臺(tái)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)應(yīng)用水資源管理調(diào)度系統(tǒng)、水資源保護(hù)管理系統(tǒng)、水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、水利工程建設(shè)與管理系統(tǒng)等軟件系統(tǒng)。以水資源保護(hù)管理系統(tǒng)為例，由于信息技術(shù)的水資源保護(hù)管理的本質(zhì)是數(shù)字化保護(hù)，在信息技術(shù)的支持下，系統(tǒng)可自動(dòng)采集水質(zhì)量信息，并進(jìn)行相關(guān)信息的多時(shí)空、多方位三維描述，逐步形成一個(gè)全方位支持流域水資源保護(hù)的數(shù)字化體系，具體包括水資源預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、水量調(diào)度方案管理、水資源監(jiān)測(cè)管理、水量調(diào)度業(yè)務(wù)處理與綜合監(jiān)視、危機(jī)調(diào)度管理、取水許可管理幾個(gè)部分。其中，水資源預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)包括降水、徑流、水量預(yù)報(bào)；水量調(diào)度方案管理包括需水量計(jì)算、方案評(píng)價(jià)、結(jié)果顯示、方案自動(dòng)演算幾個(gè)部分；水資源監(jiān)測(cè)管理包括水口引水量、地下水、旱情與墑情、來(lái)水區(qū)來(lái)水、河源水資源管理；水量調(diào)度業(yè)務(wù)處理與綜合監(jiān)視包括水量調(diào)度信息查詢、綜合監(jiān)視與預(yù)警、調(diào)度中心業(yè)務(wù)處理幾個(gè)部分；危機(jī)調(diào)度管理包括危機(jī)調(diào)度預(yù)案管理、實(shí)施方案編制、業(yè)務(wù)處理幾個(gè)部分；取水許可管理包括取水加權(quán)交易管理、用水統(tǒng)計(jì)、取水許可監(jiān)督幾個(gè)部分。通過(guò)在計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)中利用Agent 技術(shù)與框架技術(shù)分模塊構(gòu)建水資源保護(hù)管理系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)保護(hù)管理，提高管理實(shí)效[2]。

3.3 在水資源優(yōu)化配置中的應(yīng)用

在水資源優(yōu)化配置過(guò)程中，考慮到流域水資源優(yōu)化配置參與單元較多，為提高現(xiàn)有配置系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，可以利用信息系統(tǒng)組件化開(kāi)發(fā)技術(shù)，經(jīng)過(guò)程式代碼協(xié)調(diào)單元完成系統(tǒng)擴(kuò)展[3]，即將流域內(nèi)水資源優(yōu)化配置單元概化為相互聯(lián)系的若干類(lèi)型節(jié)點(diǎn)組成的“樹(shù)結(jié)構(gòu)”。進(jìn)而利用基于REST API（表現(xiàn)層狀態(tài)轉(zhuǎn)換）的遞歸遍歷方式，分析節(jié)點(diǎn)連接方式以及水庫(kù)群集成屬性。得到流域內(nèi)全部節(jié)點(diǎn)屬性后，可根據(jù)水資源優(yōu)化配置范圍獲取參與計(jì)算的節(jié)點(diǎn)集、節(jié)點(diǎn)計(jì)算順序。進(jìn)而利用Adapter Pattern（適配器模式），將迭代邏輯封裝到獨(dú)立迭代子對(duì)象（流域內(nèi)全部節(jié)點(diǎn)子集）內(nèi)，根據(jù)同一局部、全部局部水資源優(yōu)化配置需求，生成不同的優(yōu)化配置方案[4]。

3.4 在水資源評(píng)價(jià)體系中的應(yīng)用

空間信息分析是基于信息技術(shù)的水資源評(píng)價(jià)體系的核心組成，也是不同類(lèi)別綜合性地學(xué)分析模型構(gòu)建的基石?？臻g信息分析包括幾何量算、疊加分析幾個(gè)部分。其中，幾何量算主要是對(duì)流域水資源空間信息進(jìn)行定量處理，在空間對(duì)象為線時(shí)，幾何量算的含義為長(zhǎng)度（河長(zhǎng)等）；在空間對(duì)象為面時(shí)，幾何量算的含義為面積（流域或區(qū)劃面積等）。具體計(jì)算時(shí)，可以利用地理信息系統(tǒng)代替求積儀進(jìn)行多種流域劃分面積的核算，可以將核算誤差控制在0.2%內(nèi)；而疊加分析則是利用點(diǎn)與多邊形疊加、多邊形與線疊加方式，將2 層或以上空間信息疊加后獲得新要素，新要素具有綜合屬性。比如，將行政區(qū)劃圖層、水資源評(píng)價(jià)區(qū)劃圖層疊加后，獲得每一個(gè)行政區(qū)劃對(duì)應(yīng)的水資源評(píng)價(jià)區(qū)域。在疊加分析后，可以引入地理信息系統(tǒng)中的規(guī)則格網(wǎng)、數(shù)字等值線圖等數(shù)字地面模型以及謝別德插值（Sherpad Interpolation）、距離倒數(shù)加權(quán)插值法（Inverse Distance Weighting），進(jìn)行蒸發(fā)量、降水量、水資源量等變量評(píng)價(jià)。

以某流域降水總量評(píng)價(jià)為例，其降水總量評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 某流域降水總量評(píng)價(jià)

3.5 在流域規(guī)劃管理中的應(yīng)用

流域規(guī)劃管理是一項(xiàng)長(zhǎng)期、可持續(xù)的工作，新形勢(shì)、新問(wèn)題不斷涌現(xiàn)，需要在基礎(chǔ)規(guī)劃圖層繪制、數(shù)據(jù)整理、地理信息數(shù)據(jù)量算的前提下，利用三維仿真、云計(jì)算等現(xiàn)代信息技術(shù)，構(gòu)建一套以決策支持為核心，以計(jì)算機(jī)信息交互網(wǎng)絡(luò)為樞紐，緊密連接政務(wù)信息系統(tǒng)的信息化規(guī)劃體系，集成數(shù)據(jù)自動(dòng)匯總剖析、業(yè)務(wù)步驟自動(dòng)監(jiān)控、多方案比選優(yōu)化、信息采集與數(shù)據(jù)分析、模型仿真、跟蹤管理、存儲(chǔ)歸檔等模塊，進(jìn)行流域規(guī)劃布局、目標(biāo)的直觀化顯示，為流域規(guī)劃管理工作效率的提高提供依據(jù)。為實(shí)現(xiàn)全過(guò)程跟蹤管理，可以引入基于時(shí)間維度的空間信息技術(shù)以及數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行集成時(shí)間、空間的流域規(guī)劃管理系統(tǒng)構(gòu)建，以時(shí)間為主線，實(shí)時(shí)組織、存儲(chǔ)不同類(lèi)別的現(xiàn)狀數(shù)據(jù)和成果數(shù)據(jù)（含流域現(xiàn)狀地形、經(jīng)濟(jì)社會(huì)信息、影像信息），并開(kāi)放查詢、顯示端口，實(shí)現(xiàn)不同流域規(guī)劃方案的可視化動(dòng)態(tài)管理。

需要注意的是，因流域規(guī)劃管理信息量巨大、空間信息時(shí)刻變化、涉及面積較大，在不同流域規(guī)劃方案的可視化動(dòng)態(tài)管理過(guò)程中，根據(jù)水利規(guī)劃特點(diǎn)的差異，應(yīng)以規(guī)劃水平年的相應(yīng)時(shí)刻為標(biāo)示，進(jìn)行流域水利規(guī)劃成果數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建。在數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，進(jìn)行實(shí)際工程、數(shù)字環(huán)境工程模型與專(zhuān)題圖的一一對(duì)應(yīng)。并在GIS+三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合后形成的空間矢量信息交互式查詢技術(shù)支持下，實(shí)現(xiàn)三維平臺(tái)中多類(lèi)別流域規(guī)劃專(zhuān)題圖的疊加展現(xiàn)、交互觸發(fā)、實(shí)時(shí)更新[5]。

3.6 在流域防洪決策中的應(yīng)用

我國(guó)是世界洪澇災(zāi)害發(fā)生概率較高的國(guó)家之一，洪澇災(zāi)害對(duì)我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)具有較為顯著的影響，造成的經(jīng)濟(jì)損失、人員傷亡位居自然災(zāi)害首位。僅2021 年上半年，全國(guó)因洪澇受災(zāi)面積就達(dá)2 921 700 hm2，絕收237 700hm2，直接經(jīng)濟(jì)損失408.6 億元。而傳統(tǒng)流域防洪措施具有投資大、見(jiàn)效慢的特點(diǎn)。在信息技術(shù)飛速發(fā)展背景下，流域防洪決策系統(tǒng)功能持續(xù)完善，運(yùn)行效率持續(xù)提高，為現(xiàn)代化防洪提供了充足支持。以開(kāi)都—孔雀河流域防洪調(diào)度為例，其可以分析開(kāi)都—孔雀河流域、博斯騰湖當(dāng)前防洪調(diào)度業(yè)務(wù)職責(zé)與需求，統(tǒng)計(jì)流域調(diào)度規(guī)則、分析核算方式、流域調(diào)度經(jīng)驗(yàn)，在當(dāng)前防洪調(diào)度工作步驟、組織分工的基礎(chǔ)上，形成一個(gè)涵蓋開(kāi)都—孔雀河流域關(guān)鍵洪水防控地區(qū)的應(yīng)用軟件系統(tǒng)。該應(yīng)用軟件系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)時(shí)收集匯總雨、水、氣象、工情、險(xiǎn)情以及預(yù)報(bào)成果，結(jié)合流域洪水防控調(diào)度方案，開(kāi)展多維度、多方向仿真，可視化展現(xiàn)仿真結(jié)果。進(jìn)而依據(jù)洪災(zāi)情況分析，實(shí)現(xiàn)多部門(mén)數(shù)據(jù)交換、調(diào)度成果共享，在進(jìn)一步細(xì)化洪水防控形勢(shì)分析目標(biāo)與輸出需求的情況下，開(kāi)展多方案對(duì)比，優(yōu)選最佳方案，提高流域洪水防控決策精確性。

4 具體應(yīng)用技術(shù)

在水政水資源管理過(guò)程中，借助“3S”技術(shù)（RS 技術(shù)、GPS技術(shù)、GIS 技術(shù)），可以滿足水政水資源管理調(diào)度所需不同類(lèi)別信息采集需求，預(yù)先報(bào)道流域主要來(lái)水區(qū)徑流、徑流量。并在系統(tǒng)軟件管理模型庫(kù)內(nèi)進(jìn)行若干套年度管理預(yù)案、月旬管理預(yù)案、危機(jī)管理預(yù)案的自動(dòng)生成，實(shí)現(xiàn)年度流域可供水量分配、引水工程遠(yuǎn)距離自動(dòng)化監(jiān)控、水量實(shí)時(shí)調(diào)度、取水許可網(wǎng)上審批等功能。同時(shí)進(jìn)行多種水資源管理業(yè)務(wù)的及時(shí)處理，增強(qiáng)水政水資源管理工作的科學(xué)性、預(yù)見(jiàn)性。具體如下。

4.1 RS 技術(shù)

RS 即遙感技術(shù)，其是應(yīng)用多種類(lèi)型傳感儀器收集、處理遠(yuǎn)距離目標(biāo)輻射電磁波信息的裝置，可以為水情信息采集提供支持。比如，為了解流域的降雨徑流，可以直接利用遙感水文模型，結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，進(jìn)行河道洪水驗(yàn)算，推導(dǎo)區(qū)間降水產(chǎn)匯流以及下游水文站洪水過(guò)程。再如，根據(jù)地表水體隨水質(zhì)差異而呈現(xiàn)不同顏色的特點(diǎn)，可以分析遙感圖像中不同類(lèi)型水體的色調(diào)，并建立遙感反演模型，推算傳感器接收反射光譜變化以及與之相關(guān)的水體電磁輻射變化，計(jì)算水污染物濃度，實(shí)現(xiàn)對(duì)水環(huán)境水質(zhì)參數(shù)的定量評(píng)價(jià)。

4.2 GPS 技術(shù)

GPS 即全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，其是采集觀測(cè)點(diǎn)經(jīng)緯度的衛(wèi)星系統(tǒng)。在流域水政水資源管理過(guò)程中，可以利用GPS 技術(shù)，在高度角15°以上無(wú)阻擋物、周邊100.0 m 范圍內(nèi)無(wú)電力設(shè)施、視野開(kāi)闊的地區(qū)布置監(jiān)測(cè)網(wǎng)（5 個(gè)基準(zhǔn)站+1 個(gè)中心處理站），進(jìn)行大氣水汽測(cè)量、降雨預(yù)報(bào)。在GPS 監(jiān)測(cè)網(wǎng)布置后，每天24 h 連續(xù)觀測(cè)并實(shí)時(shí)傳輸流域水汽含量、時(shí)空變化數(shù)據(jù)。通過(guò)高時(shí)空分辨率、全天候不間斷水汽變化序列的利用，可以結(jié)合數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品與動(dòng)力診斷分析技術(shù)構(gòu)建可描述天氣系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)因子的降雨預(yù)報(bào)系統(tǒng)，助力洪水防控決策、預(yù)警。

4.3 GIS 技術(shù)

GIS 技術(shù)即地理信息系統(tǒng)，其是關(guān)于以空間對(duì)象、空間屬性信息為研究目標(biāo)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。其中，空間對(duì)象特指二維地理信息系統(tǒng)中的點(diǎn)、面、線[6]。利用地理信息系統(tǒng)可以從國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心等測(cè)繪部門(mén)收集行政區(qū)劃、等高線、河流水系等公共信息，結(jié)合水利部門(mén)存儲(chǔ)的水文站控制斷面流域界、水資源評(píng)價(jià)區(qū)劃、水文站點(diǎn)位置等專(zhuān)業(yè)信息，可以構(gòu)建計(jì)算機(jī)易于處理的信息庫(kù)[7]。即掃描包含多種空間信息的工作底圖，形成計(jì)算機(jī)圖像信息后，利用地理信息系統(tǒng)的Image Registration（圖像配準(zhǔn)）功能，完成工作底圖的圖像配準(zhǔn)。配準(zhǔn)后，對(duì)工作區(qū)劃信息進(jìn)行數(shù)字化處理，獲得矢量數(shù)據(jù)，且工作地圖表面任意點(diǎn)可以關(guān)聯(lián)到經(jīng)緯度位置，為水資源管理提供充足的空間信息支持。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，流域水政水資源管理是一項(xiàng)技術(shù)復(fù)雜、涉及范圍廣、不確定因素眾多、信息處理量龐大的工作。通過(guò)將信息技術(shù)應(yīng)用于流域水政水資源管理，可以降低工作人員的壓力，保證各項(xiàng)管理工作有序、高效、精準(zhǔn)開(kāi)展。因此，管理人員應(yīng)根據(jù)流域防洪決策、水資源評(píng)價(jià)、水資源調(diào)研、流域規(guī)劃管理等工作需求，合理利用RS、GPS 或GIS 技術(shù)，充分發(fā)揮信息技術(shù)在流域水政水資源管理中的優(yōu)勢(shì)，提高管理實(shí)效。