智慧水利在地下水超采综合治理中的应用

张 倩，李 楠，宋 扬

（德州市水利局，山东 德州 253014）

1 智慧水利的应用背景

伴随着经济社会的高速发展，面对“碳达峰碳中和”的战略目标，水资源高效利用已成为当下全球关注的焦点。我国地域辽阔，水系众多，水利工程具有点多、面广、量大、复杂的特点，传统的水利发展模式已很难适应当前对水利发展专业化、精细化、智能化的需求，加之物联网、云计算、大数据等新一代信息通信技术飞速发展，智慧水利应运而生。

智慧水利是运用云计算、物联网、大数据、移动互联网和人工智能等新一代信息技术，以“感知、互联和智能”为特点，全面推进水利规划、工程建设、运行管理和社会服务智慧化发展的水利信息化技术，能有效提升水资源的利用效率和水旱灾害的防御能力，改善水环境和水生态，保障国家水安全和经济社会的可持续发展[1]。

2018 年中央一号文件明确指出，要大力发展实施智慧农业林业水利工程，自此国内部分地市开始积极探索“智慧水利”工作。“十三五”期间，水利信息化体系不断完善，各项水利业务向着“数字化、网络化、智能化”发展，有效促进了传统水利向现代水利转变，全面提升了水利服务和支撑能力，为“十四五”智慧水利建设奠定了一定建设基础和发展条件[2]。

2 德州市地下水超采情况

德州市水资源严重匮乏，多年平均年降水量仅561.6 mm，相当于山东省平均水平的83%；人均水资源量211 m3，仅为山东省平均水平的61%、全国平均水平的10%，远低于国际严重缺水线500 m3。随着经济社会的快速发展，全市用水需求逐年增长，地表水供水工程尚不完善，非常规水利用率较低，从20 世纪60 年代起开凿了大量工业、生活和农业取水井，对地下水的过度开发利用造成了区域性超采，形成了涉及夏津、武城、宁津、乐陵4 个县市的浅层地下水超采区，总面积1 221 km2。德州市境内所有县市区全部划为深层承压地下水禁采区，总面积10 356 km2。地下水超采不仅会引发资源的枯竭，还会带来严重的地质灾害，不利于生态和资源的循环持续利用和发展[3]。2016 年，德州市人民政府批复实施了《德州市地下水超采区综合整治实施方案》，要求在全市范围内开展地下水超采综合治理工作，计划到2020 年将浅层地下水超采量全部压减完成，深层承压水超采量压减50%以上；到2025年，将深层承压水超采量全部压减，实现浅层地下水超采区基本消除。

该方案实施以来，德州市按照先建设体制机制、后建设项目工程的总体要求，紧密结合水利改革发展和智慧水利建设，不断强化地下水资源信息建设，探索了“互联网+水权交易+阶梯水价”的水权交易模式，打造了自备井关停档案信息化亮点工程，加快推进了地下水超采综合治理工作。

3 智慧水利应用案例分析

3.1 智慧水利在水资源监测计量中的应用

做好地下水信息动态监测，及时、全面、准确地掌握地下水水位、水量、水质状况及其变化规律，是实现地下水精细化管理的必要前提，是强化地下水超采治理的重要基础，一方面能科学有效地反映地下水超采治理效果，另一方面还能为地下水管理的决策行为提供基础性数据支撑。

德州市紧跟现代水利科技发展和监督管理对象的需求变化，抢先抓住国家智慧水利建设、水利网信提升行动机遇，依托国家水资源监控能力建设项目，建设地下水资源监测计量系统，全面推进超采区域内重点用水户和农田水利工程计量设施、技术装备、信息系统现代化提升。该系统利用Internet/Intranet技术、COM/DCOM 技术、数据库技术、GIS（地理信息系统）技术、RS（遥感）技术、无线通信技术等，统一规划布设了地下水监测站点，加密监测超采区地下水位、水质动态，借助多种水位传感器、水温传感器、水质传感器以及地下水遥测终端机等装置，实现各类数据的实时上传。系统利用GIS 和Access 分别建立地下水赋存体与地下水资源三维管理模型，模拟地下水漏斗的动态变化，综合确定各时段的地下水降深警戒水位及决策系统。系统使用ArcSDE和Oracle管理空间数据和开展数据服务，通过ArcGIS 进行数据的收集、生产、加工和维护，通过WebGIS 进行信息发布，用户可通过IE 等浏览器实现基于网络的信息共享。系统的建立极大提升了地下水动态信息获取能力，有效提高了地下水监管力度，初步形成了地下水动态监管“一张图”，如图1所示，地下水监管实现信息化、数字化、智能化。

图1 地下水监测系统总体框架

依据市级438 眼深层地下水观测井实测数据，以及水文部门每月提供的超采区地下水位监测信息，对德州市地下水超采区水位变化进行分析。分析结果显示，德州市深层地下水漏斗中心区水位回升2～4 m；浅层地下水超采区平均水位埋深由2010年的8.66 m 回升到目前的8.07 m，上升了0.59 m，浅层地下水漏斗区面积缩小738 km2，地下水位下降趋势得到了有效遏制，含水层疏干、地面沉降、地裂缝频发等生态环境和地质问题得到有效遏制。

3.2 智慧水利在水权交易中的应用

水权交易是在初始水权分配的基础上，运用市场方式对水资源的再次分配，从而提高水资源利用和分配效率、解决水资源供需矛盾、促进水资源节约集约的基本手段，在地下水超采治理中起到节水压减的作用[4]。

德州市以宁津县为试点，深入推进水权水市场建设，建立了初始水权确认、水权交易流转、水资源配置与监管、基层用水组织管理等制度体系，形成了“互联网+水权交易+阶梯水价”的水权交易模式。首先将水权分配到区域，即分配给乡镇，作为总量控制红线；再把水权分配到各行业用水户，作为各行业用水户的控制指标；当用水户水权用完或有结余时，即可开展水权交易。为了规范管理水权交易市场，使交易信息更明确、交易流程更便捷、交易数据更安全，联合多家软件公司开发了“互联网+水权”交易管理平台。平台融合信息查询发布、数据统计分析、水权交易管理等功能，可向水权交易双方提供水权交易价格指导和政策咨询，可随时根据用水户自身用水情况，及时发布可交易水权挂牌信息或提出水权交易申请，年末公布节水奖励情况，实现了与多个系统平台的数据交互，如图2所示。

图2 多平台交互方式

具体交易模式记述如下：首先将用水户水权等信息录入数据库，用水户实行充值刷卡用水，当用水户为射频卡充值时，终端设备将拟充值电量转换为水量并连接互联网，联网成功后服务器端审查拟充水量，当水量小于等于用水户水权时可顺利充值，当大于水权时将无法充值，用水户只有购买水权再行充值。充值或水权交易成功后，打印机自动打印小票，小票记录充值或交易情况，充值或水权交易就像使用POS 机消费一样方便快捷。通过平台，变原来农民无限制充值为定额内充值，管理机构能够适时动态掌握农民用水情况，并将用水量控制在水权指标内，达到了平台管理、刷卡计量、以电控水的目的。

经过6 a 的水权水市场深化改革，成功构建了“互联网+水权交易+阶梯水价”的水权交易模式，形成了一套完整的管理体系、交易制度和奖补政策，极大提升了水资源利用的高效性和灵活性。水权交易的实施，一方面促使各行业用水主体自发研究节水办法，有力促进了各行业用水方式的转变，全面提升了居民百姓的自主节水意识；另一方面有效减少了地下水取用量，地下水源得到充分涵养，地下水超采问题得到有效缓解，水资源得到了更好的保护。

3.3 智慧水利在自备井信息管理中的应用

地下水取水工程具有工程隐蔽、单个工程规模小而又高度分散等特点，如若机井建设管理不规范，报废封填监管缺失，极易出现违法开采地下水问题，因此进一步强化自备井规范管理十分必要[5]。

德州市自实施地下水超采综合治理以来，累计关停深层承压水井1 649眼、浅层地下水井2 959眼，关停数量多、涉及类型广、覆盖范围大。为进一步规范封井工作，打造地下水压采信息化亮点，对全市取用地下水用水量、地下水位和自备井封停后续管理实现精准监控和精细化管理，德州市建立了自备井备案信息系统。自备井关停以后，及时将所关停自备井信息上传系统，系统将所有关停水井用不同的标记按照取水层位、封井方式标识到卫星地图上，可清晰查看其地理位置。所有封井信息包括编号、所属单位、地理位置、井深、管井、封停时间、封井影像等均可在该系统实时查看。所有封存备用水井均装有远程监控设备，向系统实时上传水量信息，并对断电或者开箱等情况报警提示，有效防止违规取用地下水。系统还设有详细的统计模块，从封井年份、封井方式、取水区域、取水层位等不同角度统计分析封井情况。

当前智能手机和无线通信技术发展迅猛，二维码作为一种新兴的信息存储和自动识别技术，具有存储信息量大、信息识别快的特点，已在各领域广泛运用[6]。将二维码识别技术运用到自备井关停工作中，可极大地提升自备井信息化管理效率和水平。在封井现场为每眼井设立二维码扫描标识，扫描二维码即可获得该眼井的全部信息。后期又整合优化了自备井备案信息系统和深层地下水监控系统，将监测点地图信息、水量、水位、封井管理4个板块整合升级，使地下水超采治理进展情况一目了然，为地下水资源的可持续开发与利用、综合保护与管理提供科学依据和支撑。

4 小结与展望

德州市自实施地下水超采区综合治理以来，浅层地下水水位逐渐回升，深层地下水水位下降幅度趋于平缓，地下水生态环境得到有效改善。智慧水利的运用全面提升了地下水资源信息化管理水平，实现了地下水监管的系统化、数字化、智慧化，不仅为地下水超采治理效果分析评估提供有效数据支撑，还有力推动了水利改革发展不断深化。

地下水修复和治理是一个长期缓慢的过程，如何将治理工作长期有效地坚持下去，是目前需要关注的重点。错综复杂的地下水系统需要结合水化学、数值模拟等多方面分析，才能揭示其变化特征，更全面完整地掌握地下水动态变化。伴随水利信息数字化、网络化和重点领域智能化水平的快速提升，智慧水利在水利变化规律分析、态势研判、趋势预测和决策优化等方面优势凸显，成为未来进一步探索的重点。