宿州市地下水智慧化管理系统及应用

（宿州市水政水资源管理办公室 宿州 234000）

1 水资源开发利用现状及问题

宿州市主要河流有新汴河、浍河、沱河、濉河等，由于地表水资源量不足，水质标准不能稳定在Ⅲ类以上，不能作为城市生活饮用水水源。城西水源地是宿迁市城区目前主要饮用水水源地，面积135km2，现状开采量近15 万m3/d，已超采。根据调查统计，2019年城区共有水源井245 眼，市政公共供水水源井155 眼，自备水源井90 眼。每眼井都安装了水表，并且年取水量3 万m3以上的取水户大部分纳入了省取水量在线监控系统。2019年城区地下水开采量5400 万m3，包括城市居民生活、工业、公共服务和环境用水等方面，地下水开采区主要位于城西地下水水源地范围内。

目前，宿州市城区现有三个水厂，分别为供水一厂、供水二厂及汴北水厂，现状供水规模12 万m3/d，水源井131 眼，其中123 眼位于城西水源地范围内，其余8 眼位于符离镇。另外2 家市政供水单位为市新区水务有限公司和市东城供水有限公司。市新区水务有限公司供水规模2.5 万m3/d，水源井13 眼；市东城供水有限公司供水规模0.95 万m3/d，水源井11 眼。市政府在2014—2016年实施城西水源地及城市后备水源地勘查评价项目时建立了36 眼地下水动态监测井，城西水源地范围内有21 眼地下水动态监测井。

城区以中深层地下水作为工业和生活水源，由于长期开采量大于补给量，逐渐形成了目前以市供水公司第二水厂和东关矿建中学为中心的、相互独立的两个中深层地下降落漏斗。2019年宿州城区漏斗中心由六里转移到九里。以25m 水位标高计算，2019年宿州城区中深层地下水降落漏斗面积为270km2，与2018年同期相比增加10km2。近年来，合徐高速公路以西区域的地下水被市供水公司大面积开采，形成了局部超采局面。研究提出智慧化管理系统平台的构建及信息系统管理技术，实行地下水实时信息统一动态管理和有效保护，提升科学管控能力十分迫切。

2 地下水资源智能管理系统结构

宿州市地下水资源智能管理系统由数据采集与水泵控制终端、数据传输系统、数据管理与控制中心、综合分析与决策支持、信息发布共享等五大部分组成 。

2.1 数据采集和水泵控制终端

数据采集终端集成了水位传感器、水温传感器、超声波流量采集模块、无线GPRS 模块和水泵控制设备等，将数据采集、无线收发和水泵控制等融为一体，便于统一维护和管理。可快速采集、存储自动监测点的地下水位、水温、井流量等监测数据及设备自身的状态数据。均具有数据自记以及掉电数据自动保护功能，可在现场获取监测站内的自记数据。

2.2 数据传输系统

GPRS 无线通讯网络可以将监测数据通过GPRS无线通讯网络传输至控制中心；同时控制中心可以通过GPRS 无线通讯网络将控制中心对数据采集终端工作模式和水泵工作模式进行远程控制指令发送到数据采集终端。

2.3 数据管理与控制中心

数据管理包括三部分：一是基础数据管理，包括基础地质、水文地质、气象水文、社会经济等；二是监测数据管理，包括地下水水位、水温、水质、管网压力等数据；三是模型参数及结果数据管理，包括含水层结构模型数据、参数分布数据、地下水系统源数据、模拟计算结果数据、开采优化方案结果等。

控制中心包括：一是自动监测数据的接收与储存管理；二是向数据采集终端和水泵控制终端发送控制指令；三是按规定监测数据采集终端和水泵设备的工作状态；四是对水泵进行远程控制。

2.4 综合分析与决策支持系统

主要包括含水层三维结果建模及可视化分析、地下水动态模拟预测、地面沉降模拟预测、地下水污染物迁移规律模拟预测、地下水优化管理。

2.5 信息发布系统

在Internet 网上可以浏览地下水动态监测信息，如各开采井水位、水文、开采量以及管网压力、水泵电量等随时间的动态变化过程和空间分布特征。

3 地下水开采优化管理系统

宿州市地下水开采优化管理系统由四个单项子系统和一个综合系统构成。四个单项子系统的功能是：①地下水自动监测；②地下水开采井远程控制系统；③地下水监测数据管理与查询分析。这三个单项系统分别刻画了宿州市地下水系统结构特征、地下水流动规律，这些正是宿州市地下水优化管理模型的约束条件需要用的。

3.1 地下水自动监测

地下水自动监测网络由监测站、网络传输通信系统、远程监测中心三个部分构成：监测站主要进行地下水水位、水温等参数的数据定时上报或中心召测；网络传输通信系统采用无线网络和光纤网络传输通讯，无线网络通信系统采用GSM（GPRS、SMS）通信方式，光纤网络负责传输对地下河多种参数的大流量的监测数据传输；控制中心主要对地下水监测仪器工作模式进行控制，包括配置监测站的工作参数，适时调整监测周期，及时显示各监测站实时状态、及时以短信方式报警异常情况。实现对全部监测站点的集中管理，包括查询各个监测站点的适时监测数据，对采集到的数据统计分析，并适时发布预警信息。

3.2 地下水开采井远程控制系统

地下水开采井远程控制系统是地下水资源开发管理的核心技术之一。该系统实现了水泵的远程实时开关控制，支持手动开关泵、基于水井水位（或水泵电流、供水压力等多种参数综合阈值）控制阈值自动开关水泵、基于地下水开采优化管理模型计算的控制条件自动开关泵。为了便于管理，系统自动记录每个用户的操作记录，可以追溯水井开采过程中人为干预的记录，以及导致的相关结果。

3.3 地下水监测数据管理与查询分析

地下水监测数据管理与查询分析主要是利用WebGIS 对各类监测数据及相关信息进行系统管理，实时显示地下水开采井和监测孔分布，多种方式查询开采井和监测孔相关信息，对监测数据进行可视化分析。基于WebGIS 的开采井、监测孔分布图，可以直观看到所有开采井和监测孔的分布位置，可以在列表中查询，也可以在地图上直接查找，还可以输入关键字进行查找。

自动统计每日开采量、累计开采量，随时可以了解到各个开采井的实时开采情况，累计开采量，掌握水资源的累计开采量变化。

实时监测与控制系统在城区普及安装后，将全面掌握城区地下水资源的实时分布情况以及实时开采状况，并基于海量数据进行科学计算和分析，提出合理的动态开采方案，最大限度保护水资源的可持续开采。

4 数据管理与信息发布中心

4.1 数据管理系统平台

数据管理系统主要有以下功能：

（1）基础数据管理：基础数据主要包括宿州市基础地理、气象、基础地质、水文地质、钻孔等有关空间数据和属性数据，以及宿州市社会经济相关数据、地下水开采历史数据和水文监测、地下水监测等。对于空间数据，按照比例尺和要素类别分图层、分图幅组织管理。对于属性数据按照属性类型进行组织管理。

（2）图件数据管理：系统中的基础图件和成果图件是信息系统和数字制图的一种有机结合，利用信息系统提供的图形数据加上自动或人工形成的图式所构成。系统应提供所有专业图件（按工程组织）的入库管理与查询功能，所有入库的图件整体上作为一个独立的工程进行管理，图件的不同要素分图层进行存储和管理，每一个图层都有相应的属性结构，包括内部属性和外挂属性两部分（部分图层可能没有外挂属性）。外挂属性通过关键字段实现和图元的关联。

（3）综合查询与统计：支持多比例尺地图库管理，支持多种信息的混合查询方式，地图要素属性查询，地图数据的区域查询及提取显示。针对普通用户，采用通用空间条件查询，在地理地图和（或）地质图上采用点选、画线、矩形指定查询范围，系统即显示出所查询范围内符合要求的对象属性列表，查询结果可以报表或文本文件、Excel 格式文件输出。面向高级用户应用的通用属性条件查询，用户可以任意选择其中的项构造需要查询的内容，并通过操作符构造查询条件；同时，也可直接输入和修改查询语句。

（4）图表输出：根据选择的钻孔，自动提取分层数据，绘制柱状图，可增加图道、删除图道，设置填充属性等编辑功能。选择多个钻孔后，自动按照分层数据，连接对应的地层分界线，生成剖面图。系统也支持从三维直接提取剖面图。根据监测数据，系统自动生成不同时间点的水位、Ph 值等值线，并可自动根据时间序列切换相应时刻的等值线。

4.2 信息发布系统

在Internet 网上可以浏览地下水监测信息，如各开采井水位、水文、开采量以及管网压力等随时间的动态变化过程和空间分布特征。

沙盘模型与地下水管理系统的耦合，可以通过沙盘模型显示宿州市地下水开采井分布及工作状况。

主管部门领导和相关授权人员可以在其权限范围内，查看全市地下水开采井实时运行情况、地下水水位动态情况。

5 结论

本文针对宿州市地下水开采现状及城市发展对水资源管理的需求，研发了宿州市地下水智慧化管理系统，建立宿州市城区地下水供水水源地信息及开采信息数据库，对地下水开采进行实时动态控制，实现了地下水资源智能化管理，为宿州市水资源可持续开发利用提供技术支持■