基于桑基圖的哈爾濱市取水口監測計量可視化分析

尹自文,王立權,劉 巖,王龍飛 ,韋力方

(1.黑龍江大學水利電力學院,哈爾濱 150080;2.黑龍江省水利科學研究院,哈爾濱 150080)

0 引 言

中國水資源人均占有量不足世界的1/4,而黑龍江省水資源擁有量在全國僅處于中游水平,但用水量居于全國前列,且取用水計量率不高,水資源短缺己嚴重影響黑龍江省國民經濟和社會發展。為了節約和保護水資源,國家相繼出臺了一系列政策文件,如:《關于加快水利改革發展的決定》(中發〔2011〕1號)、《國務院關于實行最嚴格水資源管理制度的意見》(國發〔2012〕3號)和《黑龍江省河湖長制辦公室 黑龍江省水利廳關于進一步深化取用水管理專項整治行動強化 取水監測計量設施建設的通知》(黑河辦字〔2021〕15號)等。隨著國家水資源監控能力建設一期、二期以及黑龍江省水資源監控能力建設一期工程的建成,全省水資源監控能力顯著提升,但由于黑龍江省用水量大,用水戶多且分散等特點,實際用水計量仍然無法滿足水資源管理的需求。

為進一步做好取用水計量工作,2021年水利部印發了《水利部關于強化取水口取水監測計量的意見》(水資管〔2021〕188號)(以下簡稱《意見》),要求“到2023年,基本建成較為系統、完整的取水口取水監測計量體系,非農業取水口和大中型灌區渠首取水口計量全覆蓋,取水量計量率和在線計量率明顯提高,監測計量設施滿足相關技術標準和技術規范要求,信息平臺建設和數據共享得到有效提升,能夠及時、準確、全面掌握地表水、地下水等水源取水以及各領域用水情況,有力支撐水資源監管工作”[1]。為貫徹《意見》要求,黑龍江省水利廳以黑龍江省取用水管理專項整治行動核查系統(以下簡稱“專項整治系統”中登記的取水設施相關數據編制了《黑龍江省取水口監測計量體系建設實施方案》,并根據總體建設目標,制定“黑龍江省各地市取水監測計量2021—2023年度實施進度,其中2021年計量率達到25%;2022年計量率達到65%;2023年計量率達到100%”的項目建設目標。

文章按照水源類型、取水規模、取水用途、工程類型等類別對哈爾濱市取水口數量及取水量進行分類統計,并通過桑基圖對哈爾濱市66241個取水口監測情況進行可視化分析,闡述取水口及其監測計量現狀3和問題,分析哈爾濱市2021—2023年取水口及其監測計量的任務與目標[2]。

1 理論方法

數據可視化技術的基本思想,是將數據庫中每一個數據項作為單個圖元元素表示,大量的數據集構成數據圖像,同時將數據的各個屬性值以多維數據的形式表示,可以從不同的維度觀察數據,從而對數據進行更深入的觀察和分析。主要是借助于圖形化手段,清晰有效地傳達與溝通信息。數據可視化領域的起源,可以追溯到20世紀50年代計算機圖形學的早期。1987年,由布魯斯·麥考梅克、托馬斯·德房蒂和瑪克辛·布朗所編寫的美國國家科學基金會報告《Visualization in Scientific Computing》(意為“科學計算之中的可視化”) ,對于這一領域產生了大幅度的促進和刺激。常用的五種可視化分析的方法包括:面積、尺寸可視化;顏色可視化;圖形可視化;地域空間可視化;概念可視化[3]。文章首先采用地域空間可視化方法展示哈爾濱市現有取水口分布以及在接下來三年內實現計量率達到100%的取水口新建改建任務規劃圖,再采用基于桑基圖的面積、尺寸可視化方法分析哈爾濱市取水口監測數量和取水口監測水量現狀。

桑基圖(Sankey diagram),即桑基能量分流圖,也叫桑基能量平衡圖。它是一種特定類型的流程圖,右圖中延伸的分支的寬度對應數據流量的大小,通常應用于能源、材料成分、金融等數據的可視化分析。因1898年Matthew Henry Phineas Riall Sankey繪制的“蒸汽機的能源效率圖”而聞名,此后便以其名字命名為“桑基圖”。文章通過桑基圖展示取水規模、取水用途、計量設施類型之間的組成和占比關系,分析了哈爾濱市取水口監測計量目前存在的問題,并對哈爾濱市未來三年的取水口建設目標與任務進行分析。按照《意見》要求取水規模按非農業和農業分別確定,非農業取水按照達到地表水年許可水量50萬m3及以上、地下水年許可水量5萬m3及以上的非農業取水口為規模以上取水口;農業取水按照設計灌溉面積3333hm2以上的大中型地表水灌區渠首取水口以及管徑20cm以上的農業灌溉機井為規模以上取水口。取水用途分為工業自備、農業灌溉、農飲工程、城鎮供水、服務業和其他用水。計量設施包括水表,流量計(超聲波流量計和電磁流量計),明渠測流和其他[4-5]。

2 取水口及其監測計量現狀

2.1 取水口現狀

依托專項整治系統中登記的取水口信息,2019年,哈爾濱市共登記正在使用和在建取水口66241個,實際取水量43.81億m3。按照水源類型統計,2019年,全市地表水取水口448個,其中規模以上取水口62個;地下水取水口65793個,其中規模以上取水口60046個。

按照取水用途統計,2019年全市工業自備取水口1095個,年取水量1.62億m3;農業灌溉取水口共59704個,取水量37.00億m3,占取水總量的84.61%;農飲工程取水口4659個,取水量0.93億m3,占取水總量的2.05%;生態補水等其他用水取水口15個,取水量0.16億m3;服務業取水口400個,取水量0.12億m3;城鎮供水取水口368個,年取水量3.98億m3。

2.2 取水口監測計量現狀

2.2.1 總體情況

2019年全市現狀取水口66241萬個,取水量43.81億m3,已安裝監測計量設施(不含已認可的折算)取水口5598個,取水口計量率8.45%,計量取水量27.96億m3,取水量計量率63.82%。已實現在線監測計量取水口293個,取水口在線計量率0.44%,在線計量取水量13.77億m3,取水量在線計量31.42%。

2.2.2 按取水規模劃分

2019年全市規模以上取水口60108個,取水量31.60億m3,計量取水口675個,計量取水量18.45億m3,取水口計量率1.12%、取水量計量率58.39%;其中在線計量取水口143個,在線計量取水量8.01億m3,取水口在線計量率0.24%、取水量在線計量率25.35%。

全市規模以下取水口6133個,取水量12.21億m3,計量取水口4923個,計量取水量9.51億m3,取水口計量率80.27%、取水量計量率77.89%;其中在線計量取水口150個,在線計量取水量5.75億m3,取水口在線計量率2.45%、取水量在線計量率47.09%。哈爾濱市不同規模取水口監測情況,見表1。

表1 哈爾濱市不同規模取水口監測情況

3.2.3 按取水用途劃分

2019年全市農業計量取水口212個,計量取水量21.50億m3,其中在線計量取水口144個,在線計量取水量13.50億m3;非農業計量取水口5386個,計量取水量6.46億m3,其中在線計量取水口149個,在線計量取水量0.27億m3。哈爾濱市不同用途取水口監測情況,見表2。

表2 哈爾濱市不同用途取水口監測情況

3.2.4 桑基圖

文章中借助于Sankey軟件制作哈爾濱市取水口“規模-用途-計量設施現狀”的數量以及取水量分布桑基圖。

3.3 存在的問題

目前,監測計量存在以下2個方面的問題:

1)整體計量覆蓋率不夠,各行業覆蓋率不均衡:目前,哈爾濱市取水口監測計量主要以非農業為主,農業的監測計量主要集中在萬畝以上地表水灌區,而農業80%以上的取水口均為農業灌溉機井,均未安裝計量設施,而為以電折水、以油折水。而監測計量設施以水表計量的取水口數量最多,但計量水量不大;安裝超聲波流量計和電磁流量計的取水口比例較水表少,但監測計量水量比例較大,表明流量計是大型取水口監測計量的主要設施類型,主要集中在農業灌溉地表水取水口。

2)農業灌溉機井監測計量需加強:因哈爾濱地處中國北部,冬季時間較長,農業灌溉機井因天氣原因易發生故障,同時取用水戶運維管理不到位,故農機井整體采取以電折水、以油折水等折算的方案計算區域地下水開采量。

4 目 標

按照水利部《意見》中關于強化取水口監測計量體系建設的具體要求,結合《黑龍江省取水口監測計量體系建設實施方案(2021—2023年)》要求,哈爾濱市取水口監測計量建設總體目標如下:從2021年起,分3個階段在現有取用水計量水平基礎上,到2023年,基本建成較為系統、完整的取水監測計量體系。根據總體建設目標,現制定哈爾濱市取水監測計量2021—2023年度實施進度,其中:①2021年在線計量率達到15%,離線計量率達到80%;②2022年在線計量率達到60%,離線計量率達到90%;③2023年在線和離線計量率都達到100%。

注:1)在線計量建設任務包括:取用地表水年許可水量50萬m3及以上、地下水年許可水量5萬m3及以上非農業取水口在線計量設施安裝。水資源超載區取用地表水年許可水量10萬m3及以上、地下水年許可水量1萬m3及以上非農業取水口在線計量設施安裝。3333hm2及以上的大中型灌區渠首取水口在線計量設施安裝。

2)離線計量建設任務包括:工業、生活、服務業等非農業取水離線計量設施安裝。3333hm2以下的中型灌區渠首取水口計量設施安裝。小型地表水灌區典型樣本配備計量設施。灌溉井計量設施安裝[3]。

5 任 務

按照《黑龍江省取水口監測計量體系實施方案》中對哈爾濱市的分段計量率建設目標,并參考最嚴格水資源管理制度考核要求,根據以上對哈爾濱市取水口監測計量現狀的可視化分析,哈爾濱市取水口監測計量建設任務如下:

5.1 取水口監測計量新建任務

按照《意見》要求,根據哈爾濱市新建任務需求,全市需要新建監測計量取水口總數1908處,其中新建在線直接計量點58處,新建離線直接計量點1251處,新建折算(間接計量)點539處,新建推算點6處。

5.2 取水口監測計量改建任務

按照《意見》要求,根據哈爾濱市改建任務需求,全市需要改建監測計量取水口總數4070處,其中離線改在線直接計量點通過更換流量計共計561處,維修直接計量點3509處。

6 結 語

全市取水口監測計量體系建設項目按照2021年、2022年和2023年3個年度進行建設。面對落實國務院實行最嚴格的水資源管理制度以來復雜廣泛的取水口數據,通過對取水口監測計量現狀進行可視化分析,更為直觀了解哈爾濱市整體計量覆蓋率不高,監測計量主要以非農業為主的現狀;然后對按照水利部《實施方案》中關于強化哈爾濱市取水口監測計量體系建設的具體要求的統計分析,可以分析出哈爾濱市取水口監測計量體系建設過程中可能遇到的風險并做出合理的對策。

項目建設完成后,通過實時了解取用水信息,可以提高取水用戶取用水量的在線監管,加強節約用水理念:①提高水資源的利用率,促進水生態環境的逐步改善;②增加水資源費的征收依據和力度,提高水資源費的征收比,促進水利與經濟社會、生態環境協同發展。