沧州“数字水利”信息化建设思路探讨

刘长征，武中强，耿海菊，房学英

(1.河北省沧州市水利科学研究所，河北 沧州061000;2.河北海河工程技术有限公司，河北 沧州 061001;3.河北省通信建设有限公司，河北石家庄050021)

沧州地处河北东部平原、九河下梢、海河流域下游，属海河流域黑龙港水系。自史以来，沧州水旱灾害十分严重，交替发生，历史上旱则赤地千里，涝则一片汪洋。平均1.68年就有一次较大范围的旱灾。河北省的5条国家级必保堤防，沧州就占了3条。境内的大清河、子牙河、漳卫南运河三大河系承担着海河流域50%的面积的泄洪任务，是河北中南部地区洪沥水下泄的总闸门，又是保卫京津的南大门。加之境内有千亩以上易涝洼地103个，成灾率在40% ～60%。沧州是全国严重缺水的地区之一，全市水资源总量12.64亿 m3，人均水资源占有量192 m3，仅相当于全国平均水平的8%。

1 “数字水利”的内涵

“数字水利”是借助计算机等信息设备、全数字摄影测量、遥测、遥感(RS)、地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS)等现代化信息手段及传统手段采集基础数据，通过微波、超短波、光缆、卫星等快捷传输方式，对地区的自然、经济、社会等要素构建一体化的数字集成平台和虚拟环境，在这一平台和环境中，以功能强大的系统软件与数学模型对水利治理开发和管理的各种方案进行模拟、分析和研究，并在可视化的条件下提供决策支持，增强水利工作决策的科学性和预见性。通俗地讲，“数字水利”就是把水利装进我们的计算机，从而可方便地模拟、分析、研究水利的自然现象，探索其内在规律，为水利治理、开发和管理的各种方案决策提供科学技术支持。

2 “数字水利”的现状分析

近年来，沧州的“数字水利”基础设施建设有了一定的成绩，为提高水利现代化建设提供了有利的基础，但应用发展速度较缓慢，软硬件设施相对落后，并存在不少亟待解决的问题。一是对信息化的认识在一个时期相对不到位，缺乏紧迫感，没有形成统一指挥和建设的机制，缺乏统一的规划和明确的发展目标，缺乏全局建设的有序性。二是水利信息化投入不足。信息基础设施十分薄弱，信息源开发严重不足，信息采集和传输手段普遍落后，至今还没有形成覆盖全市水务行业的信息网络。涉及国计民生的防洪抗旱、水资源管理、水质监测、水土保持等重要领域，都没有形成全市范围的应用系统。三是沧州市的水利公用信息平台还未建成，难以实现网络的互联互通和信息的大规模集成。四是规划和管理水平不能适应信息化的需要。另外，信息化队伍的综合素质也有待于进一步提高，需建立、健全专门的职能部门负责统一管理“数字水利”建设工作，沧州的“数字水利”建设及应用水平仍处于起步阶段。

3 沧州“数字水利”构筑

进入新世纪以来，沧州的水矛盾仍十分突出，洪水威胁是沧州的心腹之患，干旱和水资源严重匮乏制约着经济发展。沧州“数字水利”是联接水利行业和信息技术，立足于为可持续发展水利提供先进的技术支持，为水利行业的全面技术升级提供完整的解决方案，着眼于可持续发展这一新的治水思路基本理念涉及的专业知识和技术极其广泛，内涵十分丰富。沧州“数字水利”过程至少应包括数据采集系统、数据传输系统、数据存储及处理系统、数学模拟系统和决策支持系统等环节。其关键技术主要包括:计算机技术、微电子技术、3S技术(遥感、地理信息系统、全球定位系统)、通信网络技术、数学模拟技术、数据库技术、CAD/CAM技术、系统集成技术等。

3.1 防汛减灾信息系统

防汛减灾是“数字水利”建设的首要目标，防汛减灾信息系统即综合运用计算机网络技术、远程自动遥测技术、3S技术、通信网络技术、数值预报技术和数据库技术实现防汛信息的自动采集、传输、处理、存储、查询和集成，做到信息传递及时、洪水预报准确、调度指挥优化、防汛管理可视，为现代防汛指挥提供强大的决策支持。

3.1.1 降雨预报

降雨预报精度的高低，预见期的长短，是防汛决策最关键的依据。现在，遥测、遥感与卫星技术已飞速发展起来，并在气象水文预报上发挥了重要作用，它大量提供了过去不可能获得的水文信息，使得我们有条件提高降雨预报的精度，同时，也完全有条件延长降雨的预见期。

3.1.2 洪水预报

目前，洪水预报主要采取三种方法:第一种是降雨径流相关法，第二种是洪峰流量相关法，第三种是利用洪水预报模型预报。应该说，在预报的方法上不存在困难，难就难在对流域产汇流规律的认识和把握上。沧州的主要暴雨洪水来源区是上游河流和丰水期的本地大气降水，沧州属干旱半干旱地区，下垫面条件极其复杂，近年来由于人类活动加剧，下垫面条件始终处于不断的变化之中，因此，一定要下大力气弄清流域内下垫面条件，及时掌握其不断变化的新情况，通过卫星获取高质量的影像，配合遥感(RS)、地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS)平台，对下垫面数据进行立体管理。

3.1.3 防洪工程联合调度

根据洪水预报结果，可对水库、河流、堤防在计算机上进行多方案模拟调度运用，从中选择最优方案，科学地确定各水库对某种洪水的防洪运用次序及蓄洪量在各水库之间的分配，以充分发挥各级水库、河流的防洪作用。

3.1.4 洪水演进

3S和数字高程模型(DEM)技术的日渐成熟，传统的洪水演进技术正在向以下两个方向发展:一个是在二维数字化地形图上叠加各种水文要素、经济社会及生态信息，借助数字高程模型(DEM)和遥感影像图形成三维可视化模型，进行三维量测和分析模拟。另一个是直接建立三维数字模型，综合表达流域水文要素和各种地理实体的空间分布。有了这样的洪水演进系统，下游滩区什么时间洪水演进到什么地方;哪个地方先淹，哪个地方后淹;哪座控导工程靠溜，哪座控导工程不靠溜;哪段堤防临水，哪段堤防不临水等，与防汛有关的重要信息都可以非常直观地反映在计算机的屏幕上，一目了然。

3.2 水量调度系统

随着沧州地区经济的飞速发展，水资源的供需矛盾日益尖锐。为了使有限的水利水资源得到科学合理的分配，必须对水利水量调度实现现代化。因此，要积极建设水利水量调度中心，并使之早日投入使用。

3.2.1 枯水期径流预报

枯水期径流预报是水量分配的重要依据。过去，我们较多地注重汛期洪水预报，而对枯水期的径流预报考虑的较少，甚至不曾考虑过。目前，美国国家气象局组织开发的“河流水情预报系统”，可以提供中长期(旬、月、季节)的水情概率预报，能够较好地服务于水资源的管理。欧洲开发的NASIM降水径流模型已广泛应用于枯水期的水管理。今后，应积极借鉴国际先进经验，下大力气研究水利流域枯水期的径流预报，并将其作为“数字水利”的重要内容进行建设。

3.2.2 建立水库、河口地区生态模拟系统

河流下游的河口地区，生态系统处在比较原始的状态，淡水补给是水库、河口地区生态系统得以维持的基本前提，也是其生物多样性的基本保障。应将这些地区的生态系统实现数字化，通过分析主体生物的繁殖率，以及群体生物的新陈代谢等生态指标对水利淡水补给量的要求，提出不同季节不同时段水库补给水、水量入海应保持的最小流量和最小径流量。

3.2.3 水资源实时配置调配

以计算机通信网络技术为依托，以规范化、标准化的水资源综合数据库为基础，以水资源供需平衡和优化调度模型为内核，实现水资源优化配置管理。

通过建立现代化的水资源实时调配系统来解决。不同行业之间按照用水保证率进行分配，即第一，城市居民生活用水;第二，工业用水;第三，农业用水。其中，农业是用水大户，对于农业用水分配，可对每个灌区的作物种植结构及生育期不同时段作物需水量输入计算机，通过遥感遥测手段对灌区内土壤墒情进行分析，再根据每个灌区控制面积大小等因素作出在各个灌区引水闸之间的合理分配。

3.2.4 引水口门的自动监控系统

配水流量的监测和控制主要是通过对各引水口门的流量测量来实现的。流量的测量可采用超声波技术，对重要的引水口门采用视频监控并逐步推广到所有的引水口。将摄像头摄录的图像信号通过数据通信网络传输到中央控制室，通过软件自动扫描现场不同位置摄像头的图像，实现自动触发报警。

3.2.5 地下水观测系统

地下水主要赋存在松散岩类孔隙中，而沧州地区的咸水区深层淡水，水位埋深大，不能直接接收降雨等补给。沧州连续多年的干旱，已经使缺水地层无法补给水源，但由于工农业用水量的剧增，超量开采有增无减，由于长期超采，导致形成华北地区最大的“漏斗”群。为实现水利流域水资源的优化配置和科学调度，对地表水和地下水必须统一考虑，要将采集到的分布在这些地区地下水观测井的数据信息及时存储于计算机数据库，以可视化的形式对地下水位及其变化作出反映。通过构造地下水水流测试模型，对区域水量平衡进行分析。

3.3 水环境综合治理 水质监控

综合运用遥感技术、GIS技术对卫星照片进行解译和信息处理，建立各区域水土保持动态监测系统;以水质站网为依托，以污染源数据库为基础，以水量水质模拟为核心，以GIS系统作为查询交互平台，建立水环境动态监测管理系统。

在水利干流断面和主要支流设置水质监测断面，对各断面水质状况进行实时监测，并建立实时监测数据库。通过构造河流中污染物的扩散输移模型，对污染物的扩散及输移进行模拟分析，进而对河流水质状况及其变化作出预测，为用水户特别是为城市居民用水的引水口作出水质预警预报。

3.4 水土流失治理与监测

“数字水利”建设要把水土流失治理与监测作为其重要内容，大力提倡并推广运用3S技术，通过GPS的准确定位，借助RS及时获取水土流失及治理信息，可以对某一小流域或某一区域的水土流失状况及治理程度进行动态了解和掌握，同时借助GIS对水土流失治理的经济、社会及生态效益作出宏观评价。

3.5 水利工程运行与管理

建立水利控制性水利工程与堤防的运行和管理系统。通过远程视频技术的应用，实时了解和掌握水利上重要的水利枢纽工程的运行状况。从规划、设计、施工到运行维护均可采用一系列以计算机技术为核心的信息技术全面提升水利工程运行与管理的自动化管理水平。规划信息管理系统的建立可以实现滚动规划和管理，CAD设计平台可以大大提高设计方案的准确性和成图效率，项目管理软件可以加快项目施工进度和节约成本，水利工程的自动化监控可以全面提高工程的运行管理水平。

3.6 电子政务

水利电子政务的建设目标主要是实现办公自动化，信息资源化，以大大提高办公效率和准确率，同时降低办公成本。目前，应重点加强基础设施建设和各相关数据库的建设，如文档及档案资料数据库、科技资料数据库、政策法规数据库、人事管理数据库、行政管理资料数据库、水利多种经营数据库等，在局域网上实现信息交换、信息发布、信息服务、视频会议、决策支持等。

3.6.1 计算机网络

计算机网络是“数字水利”建设的基础性环节，沧州水务系统要建设三级计算机网络，即第一级为市局机关(包括各种管理及指挥中心)，第二级为直属单位，第三级为各重要信息采集站点。建设计算机网络中，不应忽视网络的安全性问题。

3.6.2 办公自动化系统

从水利政务组织机构入手，认真分析水利政务信息流程，以各级水利部门局域网和全国水利广域网为支撑，在水信息网站建设的基础上，全面实现机关公文运转、防汛、水文、政务信息传递等实现了网上操作，同时实现了对市属部分重点工程的远程监控，机关办公和管理基本上做到了规范化、网络化、实时化，工作效率和管理水平明显提高。建设、健全水务局内部办公业务网系统，，建立政令上下传递快速、业务数据自动处理、信息网上查询发布、办公界面简洁方便的办公自动化系统，实现水利政务办公的自动化平台。

3.3 门户网站

建立独立、专业的水务门户网站是“数字水利”建设的必要条件，是及时发布信息、交流沟通、确立形象、协调联动、宣传水务工作的窗口，同时也是联系群众的纽带和桥梁。实现水利信息资源与行业、社会共享、外界了解沧州水务特点的重要途径。

4 结语

沧州“数字水利”建设是一项系统工程，必须紧密结合新世纪新时期的治水思路，整体布局、统一规划、分步实施、先急后缓、注重实效。在完成水利业务的过程中注重运用信息技术以提高工作的水准，在推进“数字水利”的过程中注重运用信息技术改造传统水利，以信息化带动水利行业，以水利信息化推动水利现代化，发挥后发优势，努力实现“数字水利”的跨越式发展。

［1］周宏仁.中国信息化形势分析与预测(2012)社会科学文献出版社.2012.

［2］范玉顺.信息化管理战略与方法.清华大学出版社.2008.

［3］周宏仁.信息化论人民出版社.2008.

［4］2011年度.中国水利信息化发展报告.水利水电出版社.2012.

［5］薛显林.水利信息化基础知识教程.黄河水利出版社.2003.