三江平原地下水自动监测预警研究

乌丽罕,王 铁

(黑龙江省水文水资源中心，黑龙江 哈尔滨 150001)

1 背 景

地下水资源管理是水资源管理的重要组成部分，由于具有其隐蔽性，所以如何更有效的实施地下水资源管理，破解地下水看不见、摸不着的难题，实时监测地下水位变化情况并合理预测水位变化趋势逐渐成为发展方向。

2 地下水监测井

三江平原水文系统地下水监测井主要包括国家地下水监测工程自动监测井、省级自动监测井、人工监测井。选取具有代表性的监测井开展水位监测预警工作，代表性监测井的选取遵循以下原则[1-2]：

(1)监测井水文地质条件能够代表该地区的水文地质条件，空间分布较广泛，能在区域范围内控制整个研究区，垂向上兼顾研究区的各主要含水层。

(2)以自动监测井为主，人工监测井为辅。自动监测井为专用井，数据上报及时且受人为影响较少；人工监测井一般为生产井和民用井，受开采影响较多，代表性较差。

(3)监测数据质量较高。数据的上报率、完整率、及时率都要达到监测要求。定期开展监测井洗井清淤等维护工作，确保监测数据能反映真实情况。

根据上述选取原则，采用国家地下水监测工程自动监测井为主并结合人工监测井进行监测预警工作(图1)。省级自动监测井2020年底建成，目前进入试运行期，试运行期满后并入监测预警井网。

图1 国家地下水自动监测井

国家自动监测站2017年完成建设任务，监测项目包括水位、水温和水质。水位信息每天采集6次，每间隔4 h采集一次，定时采集由采集设备控制，次日8时一次发送。信息采集传输设备主要由压力式水位传感器、遥测终端机、通信设备、电源以及用于系统安装的附属设施组成。集高精度传感器、无线通信、数据处理和存储等技术于一体，可以实现无人值守情况下的信息自动采集、传输和存储，监测站将自动采集的信息通过GPRS/GSM信道发送至省级水文监测中心，监测数据存入本级数据库，同时传输至地市级分中心，省中心和地市中心均可以同步对数据实施管理[3]。

3 监测预警系统

3.1 监测预警系统设计原则

(1)实用性原则。系统设计以满足三江平原地下水监测预警系统需要为第一要素。充分考虑在地下水管理各业务层次、各环节管理中数据传输和处理的便利性和可行性。

(2)统一性原则。统筹规划和统一设计系统结构。从全局和长远的角度统一考虑，在数据层面保持统一性，综合考虑数据模型结构、数据存储结构以及系统扩展规划等内容。

(3)先进性原则。在设计中充分利用信息化科技的发展成果，把物联网、自动控制、移动互联网、大数据等技术广泛应用在地下水监测、地下水数据管理等业务系统中。

(4)安全性原则。系统的总体设计必须具有高度安全可靠性，基于地下水资源的自身特点，建立“可信、可控、可管”的信息安全保障体系，设计上采用具有容错功能的服务器及网络设备，并使用操作权限控制、密码控制、系统日志监督等多种手段防止系统数据被窃取和篡改，确保系统按照预期运行，免受攻击和破坏。

(5)扩展性原则。监测预警系统的设计要考虑到地下水监测未来发展的需求，充分考虑不同系统的兼容性，设计简明，降低各功能模块的耦合度。

3.2 监测预警系统主要功能

系统自下而上分为四层，包括信息采集层、数据共享层、统一支撑层、业务协同层。信息安全体系、运行管理体系为整个系统提供保障环境。系统功能总体框架如图2。

图2 地下水监测预警系统

通过基础数据采集录入和地下水监测站数据自动传输，进行区域分析和空间分析，形成可以支持日常业务的成果。系统可以进行拟合度分析、偏差分析、经验分析，经比选预测水位、埋深变化。预测地下水动态变化趋势，实现地下水水位预警。

系统界面设计要强调结构化、模块化、标准化，做到界面清晰，连接畅通，做到整体布局、层次清晰、易操作，实现分级管理。实现三江平原地下水综合成果的可视化展示，并在平台上实现数据及综合地图的展示，可以对三江平原所有监测站点进行分析，挑选不同类型区内的地下水监测站，生成地下水监测站的空间分布图，展示三江平原的地下水水位、埋深变化趋势和变幅，通过过程线、柱状图或统计报表等形式实现三江平原降雨量、开采量、水位埋深实时统计数据，预测未来地下水水位、埋深等信息的可视化成果展示。

充分利用现代传输手段，广泛利用信息资源并进行深入开发，包括监测数据的采集、传输、存储、处理、统计、分析和应用，全面提升三江平原地下水资源监测预警业务的效率和效能。三江平原地下水监测预警系统功能主要表现在以下几个方面：

(1)能够高效、准确地获取地下水动态监测数据。通过采用现代化的信息采集、传输、处理手段，实现对三江平原地下水动态监测数据的全面掌控，为水行政主管部门决策提供依据。

(2)满足三江平原地下水动态变化情况统计、分析和应用的需要。便于掌握三江平原地下水的动态变化情况，受降水、蒸发、开发利用、地表水补给、农田灌溉回灌补给等因素的影响情况。

(3)满足三江平原地下水资源评价工作的需要。通过地下水动态变化情况的监测、统计和分析，为区域地下水资源评价提供数据支撑。

(4)满足对地下水自动监测站的日常运行维护进行实时监控的需要。通过平台建设，实时掌握各个地下水自动监测站运行维护情况，为运行维护工作提供信息指导。

(5)满足三江平原地下水水位预警预报工作的需要。为了确保水资源管理“三条红线”能够很好地落实，建立地下水资源业务应用系统，为各地区的地下水水位变化提供预警预报。

4 结 语

通过地下水资源信息和数据的采集、传输、管理、共享、分析应用的相关标准和流程，实现信息采集的全覆盖、数据分析的统一规范，促进地下水业务的一体化管理，使地下水业务管理决策更加科学、精准。一方面显著提升地下水业务信息和数据价值，另一方面避免地下水管理数据资源的重复利用。通过地下水监测预警系统建设为三江平原地下水业务提供规范化、精细化日常管理工具，将人力投入、人工作业为主的“人防”模式转变为通过系统功能提供敏捷、高效、规范化、精细化管理手段的“技防”模式，提高地下水资源管理能力，为三江平原在保障农业生产和国家粮食安全、生态安全上发挥重要作用。