夹岩水利枢纽工程饮用水水源保护区智慧化监管云平台研建

（贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州 贵阳 550002）

“饮用水水源保护区”是国家为防止饮用水水源地污染、保证水源地环境质量而划定，并要求加以特殊保护的一定面积的水域和陆域。按照《水污染防治法》要求，饮用水水源保护区分为一级和二级保护区，必要时还可在饮用水水源保护区外围划定一定的区域作为准保护区。应当按照不同的水质标准和防护要求划分不同级别的保护区，对不同级别的饮用水水源保护区采取相应的保护管理措施［1］。

当前，关于饮用水水源保护区的研究主要集中于保护区划分、制度建立等方面［2］。在物联网、大数据等新技术的带动下，各行各业都朝着智能化、智慧化方向发展，而饮用水水源保护区当前的监管服务建设还停留在传统方式，关于饮用水水源保护区监管智能化、智慧化探索建设以及数字化建设都少有研究。饮用水是人类生存所需的基本要素之一，饮用水水源保护区直接关系到人民的饮用水安全问题，对于它的监管建设必须高度重视。特别是当前全国大力推行“河长制、湖长制”的背景下，饮用水水源保护区监管成为“河长制、湖长制”管理的重要组成部分，更为监管提供了重要基础平台，急需构建科学、合理的水源地智慧化监管支撑体系，加强饮用水水源地的监测监控、预警预测与应急处理能力，实现饮用水水源地监控预警和动态管理，为饮用水安全保障工作提供技术支撑，提升饮用水源地保护的智慧化监管水平［3］。

1 研究区概况与系统分析

夹岩水利枢纽及黔西北供水工程（以下简称“夹岩工程”）是贵州省最大的水利枢纽工程，工程位于贵州省毕节市和遵义市境内，水库枢纽坝址位于长江流域乌江一级支流六冲河中游。该工程是国务院确定纳入“十三五”期间分步建设的172项重大水利工程之一，为贵州水利建设“一号工程”。

工程以供水和灌溉为主，兼顾发电，并为区域扶贫开发及改善生态环境创造条件。夹岩水利工程为I等工程，由水源工程、毕大供水工程、灌区骨干输水工程等组成。工程以夹岩水库为集中供水水源，利用已建附廓水库为反调节水库，灌区现有小型水库囤蓄，黔西灌区控制节点高程1 250 m；毕节大方供水工程自库内独立取水，经泵站提水后输水至连接池；灌区总干渠从库内引水，向北干、南干分水后经由骨干工程向灌区供水。

当前，夹岩工程建成后的饮用水水源保护区所面临的主要水环境问题为缺乏大范围、宏观层面的实时、全天候有效监测手段。建立夹岩工程集中式饮用水水源保护区监管信息系统，需要以水源地所面临的主要水环境问题为导向，基于各类传感器接收的实时数据对水源地水质、水生态等多项指标进行多维分析与模型分析，利用3S技术常态化监测水源地的水环境时空内部结构变化情况，并结合视频监控和日常巡查系统，实现整个水源地全方位、全天候、实时动态监测预警和指挥调度信息化管理平台。该系统可为水源地保护管理部门提供辅助决策分析支持，综合提升饮用水水源地的监管能力［4］。

夹岩水利枢纽工程集中式饮用水水源保护区监管信息系统作为贵州省重要饮用水源工程，具有较高的安全需求，主要需求包括：应用安全、数据安全、软硬件安全、网络安全、通信安全、现场设备安全需求。

2 智慧化监管支撑体系建设

2.1 基于物联网的监测监控体系

夹岩水利枢纽工程集中式饮用水水源保护区基于物联网的监测监控体系，主要包括水质监测、水雨情测报、视频监控、水土保持监测、蒸发量监测、下放生态流量监测、日常巡查监管、泵站监控及闸门监控等（见图1），涵盖了温度、湿度、水质、气象、水雨情、流量、蒸发量、水库运行状况、视频图像或图片等监测因子。通过建设（或集成）监测监控体系，形成工程数据中心，为饮用水水源地安全监测评价分析提供了基础支撑和现场指挥调度的物理基础。

图1 基于物联网的监测监控体系

2.2 基于多因子的水源地安全监测评价指标体系

2.2.1 水源地重要区域及敏感带区划监测模型

利用面向对象的方法对遥感影像进行解译获得长时间和大范围的变化监测结果，并计算多期监测解译结果的土地利用分类转移矩阵，设定评价指标系数，得到水源保护区内的人工干扰易发区。利用多源（多光谱高光谱等）遥感影像对相关水质参数进行遥感反演得到水质状况的定量评价结果，生成水源保护区水体污染易发区空间分布图（见图2）。综合以上两类指标，建立水源保护敏感区域划分评价体系，通过动态监测获得动态的饮用水水源保护区污染关键区域，对其进行重点关注和监控，保证整个水源保护区的饮用水安全［5］。

图2 水源地重要区域及敏感带区划

2.2.2 基于景观指数的水源地生态安全评价模型

利用遥感解译获得的土地利用分类结果，运用景观安全分析方法建立饮用水源地保护区生态安全分析模型体系，搭建饮用水源地保护区生态安全分析和监测系统，通过信息化系统直观展示水源地保护区的生态安全状况。主要的景观分析方法包括：生态安全景观多样性指数、生态安全景观优势度指数、生态安全景观均匀度指数、生态安全景观破碎化指数、生态安全景观聚集度指数、生态安全景观分维度指数和生态安全景观干扰度指数［6］。

景观多样性指数H：

式中，Pi为景观类型i所占面积的比例；m为景观类型数目。

景观的优势度与多样性指数成反比，对于景观类型数目相同的不同景观，多样性指数越大，其优势度越小；景观的优势度指数为

景观i的破碎度指数Ci：

式中，Ni为景观i的斑块数；Ai为景观i的总面积。

相对聚集度指数RC：

式中，RC取值范围为0～1之间；C为复杂性指数，Cmax是C的最大可能取值。

分维数指数D：

式中，P为斑块周长；A为斑块面积。

受干扰强度指数Wi：

式中，Li为i类生态系统内廊道（公路、铁路、堤坝、沟渠）的总长度；Si为i类生态系统的总面积；Ni为i类生态系统类型的自然度。

2.2.3 基于3S的时空动态反演评价模型

应用遥感和无人机航测技术获取高精度影像［7］，分区域按重要程度定时定点进行常态化的遥感面向对象的解译和相关水质参数反演监管。通过建立基于GIS的分析预测系统，利用内部结构分析模型、时间序列的分析模型、空间特征分析模型，形成基于3S的时空动态反演评价体系（见图3），进行直观的可视化效果展示和报警预测［8］。

图3 基于3S的时空动态反演评价模型

2.3 基于“一张图”的预警预测与应急指挥调度体系建设

在建设饮用水水源地保护区自动监测预警及视频监控系统、污染关键区识别及遥感监测预警系统和生态安全分析及监测系统［8］的基础上，对整个保护区的监测监控达到全方位覆盖、重点区域长效实时监测的目标。需要在此基础上建立基于“一张图”的水源保护区应急指挥调度系统，有针对性地解决发现的问题，结合周边的自然和人文信息进行决策支持（快速查找周边救援人员、救援车辆、救援物资等情况），通过建立三维地理信息平台，在指挥中心即可达到科学有效地指挥作战的目的［9］。

3 系统设计与实现

基于3S技术的饮用水水源保护区智慧化监管云平台是一套完整的全生命周期信息化系统，其中包括对现有信息化系统及其数据的集成共享和深层次业务功能模块的实现。饮用水水源地保护区“一张图”管理系统建设任务包括：饮用水水源地保护区自动监测预警及视频监控系统建设、饮用水水源地保护区污染关键区识别及遥感监测预警系统建设、饮用水水源地保护区生态安全分析及监测系统、饮用水水源地保护区应急监测处置系统及饮用水水源地信息化综合管理云平台等。

信息系统体系的整体架构主要为“五层两体系”，如图4所示。

（1）基础设施层。主要包括信息采集与远程监控系统，即各类信息的采集、传输、加工处理、存储和管理，如自动采集、人工上报、外单位接入的各类信息。该系统可采集移动终端的视频、照片、水质、水位等实时数据；可与电话、手机等通信终端互通；可接入环保、水利现有的视频和未来增设的视频；可采集环保、水利现有信息系统平台的数据。首先需要按照相关的标准规范体系进行分析集成现有数据，可在重要区域补充建设。

（2）网络通信层。主要包括网络系统与通信系统。网络系统为该信息化系统各平台及平台中的各节点间提供数据交换网络通道。网络系统承载在通信传输系统上，即由通信传输系统为网络系统提供组网链路。在网络与通信传输网之间依据不同层次和宽带需求采用不同的接口连接。通信系统主要由程控交换系统、通信传输系统、时钟同步及通信综合网管系统、通信管道、通信光电缆等部分组成。

图4 系统体系架构

（3）数据资源层。主要作用是满足海量数据的存储管理要求。整合系统资源，避免或减少重复建设，降低数据管理成本，并保证数据的完整性和一致性。通过数据的容灾备份，保证数据的安全性。数据资源管理平台主要由各类数据库、数据库管理系统及数据备份系统3部分组成。共享数据包括：水源保护区涉水要素数据、生态环保厅的水质在线监测数据、农业农村厅的规模化养殖场数据、应急管理厅防汛抗旱数据、自然资源厅土地利用数据、省发改委生态保护红线数据、住建、林业等其他厅局相关数据。

（4）应用支撑层。连接数据中心和业务应用的桥梁，实现资源的有效共享和应用系统的互联互通，为应用系统的功能实现提供技术支持、多种服务及运行环境，是实现应用系统之间、应用系统与其他平台之间进行信息交换、传输、共享的核心。主要包括统一用户认证、统一权限管理、GIS引擎、大数据分析等服务或组件。

（5）业务应用层。以水源保护区管理部分为目标，建立饮用水水源地保护区自动监测预警及视频监控系统建设、饮用水水源地保护区污染关键区识别及遥感监测预警系统建设、饮用水水源地保护区生态安全分析及监测系统、饮用水水源地保护区应急监测处置系统、饮用水水源地信息化综合管理云平台等。通过指挥中心展示饮用水源保护区信息、实时监控信息，应急指挥调度及系统的日常维护。指挥中心的主要组成由指挥调度视频系统、大屏幕显示系统、图像拼接控制器、高清视频矩阵、管理电脑、音响系统、防雷接地等组成。

（6）标准规范体系。建立完善的信息化标准规范体系，整理、编制一套符合饮用水水源保护“智慧化监管”云平台的标准规范，为各部件、各环节、各部门实现互联互通和信息共享提供依据。主要包括：数据标准规范，即地图数据标准、数据库元数据、数据共享接口、数据评价体系；准规范，即基础架构库（ITIL）。

（7）安全保障。按照国家网络安全等级保护要求，开展定级备案、安全建设整改及测评工作，遵循同步规划、同步建设、同步投入运行的原则，从物理安全、网络安全、应用安全、数据安全4个方面完善系统安全建设，构建信息化网络安全防御体系。

4 结语

基于3S技术的饮用水水源保护区监管信息系统以“信息化全过程智慧化监管”的理念为建设目标，能够全面感知工程自然系统（水质、水情、环境）和人工系统（重要取水口等水工建筑物）的运行态势。基于一体化平台实现集中远程监视、遥感反演、在线监测等，构建水源保护区管理、综合监控监测、应急预警等业务功能，贯彻于水源保护区运行管理的各个环节，实现了保护区全周期、全业务、一体化、智慧化管理，促进夹岩水利枢纽一期工程集中式饮用水水源保护区有序、健康、和谐发展。

系统以现地测控系统和遥感航测为基础，以数据处理与交互平台为纽带，全面、及时地采集所需数据，进行统一处理，并存入实时数据库；构建统一的数据共享平台，统一安全可靠地进行数据存储管理；通过一体化应用支撑平台，对统一数据平台中的数据进行专业化的数据分析与处理，并提供不同应用领域以及综合的数据、应用服务支撑。在一体化应用支撑平台上提供水质、水情等各类综合监控监测应用，并在此基础上实现综合监控监测、应急预警功能。通过一体化基础支撑、安全防护管理及标准规范体系，为全面提高工程各项业务的处理能力、实现水源保护区保护和管理提供强有力的支撑。