基于GIS的城市水资源动态管理应用研究——以台州市为例

林金双，朱文俊

(台州市地理信息测绘中心有限公司，浙江 台州 318000)

台州市地处浙江省中部沿海，依山面海，东濒东海，地势由西向东倾斜，西北山脉连绵，东南丘陵缓延，平原滩涂宽广，河道纵横，属中亚热带季风区，四季分明，雨水充沛。台州市水资源的特点是时空分布不均衡，空间上一般西北部山区多，东南沿海少；时间上年内分配不均，受季风气候影响，降水大部分集中在4～10月。按照人口计算，人均拥有水资源量1 700 m3，低于全省人均水资源量2 000 m3，属于中度缺水[1]。2016年，台州市出台的《台州市“十三五”水利发展规划》明确提出了推进“互联网+水利”的行动，大力推进智慧水利和水利工程信息化建设，强化物联网、大数据、云计算和移动互联网四大技术在水资源管理中的应用，加快建设水资源信息管理平台，以水利信息化带动水利现代化[2]。本文利用GIS技术、物联网技术、云计算和通信技术，对台州市水资源调研后，构建了水资源大数据库，搭建了水资源信息管理平台，实现水资源从供给、利用、应急、排放的全过程管理和监测，提高了水资源开发、利用、配置、节约和保护全方位科学的管理水平[3]。

1 总体思路设计

1.1 研究目标

1.1.1 构建以“一张图”管理城市水资源的动态管理模式

目前台州市已有相应的水资源信息化管理平台，但是随着近年来技术的进步和城市规模的扩大，水资源管理的方式较为落后，缺少以地图作为基础底图，集成城市水资源空间数据和业务数据，对城市水资源进行动态管理的信息化平台。因此，本文采用以1:5 000电子地图和遥感影像数据等基础地理信息数据为底图，在统一的坐标系下，集成城市水资源空间数据，形成城市水资源管理“一张图”。在“一张图”的基础上，实现对城市水资源的管理和监测。

1.1.2 构建城市水资源大数据库

通过对城市水源地数据、地下水数据、地表水数据、供水数据、排污口数据、监测数据等进行梳理和处理，将数据进行空间化，挂接到“一张图”上，建立图与水资源数据之间联系，形成城市水资源大数据库。

1.1.3 搭建城市水资源信息管理平台

搭建一套集展示、预警、辅助和决策为一体的城市水资源信息管理平台，实现城市统一的水资源实时监测和管理的平台[4]，提高城市水资源的开发、利用、配置、节约和保护水平。

1.2 平台框架设计

平台采用面向服务的SOA架构，可根据需求通过网络对松散耦合的粗粒度应用组件进行分布式部署、组合和使用[5]。平台架构设计包括五大部分：软硬件支撑层、数据层、服务层、应用层和用户层[6]。平台框架设计示意图如图1所示。

软硬件支撑层提供整个平台运行所需的存储设施、服务器设施、网络设施、安全设施、操作系统、GIS软件等，并且在云环境下实现硬件虚拟化、存储虚拟化、网络虚拟化和防火墙安全保护等；数据层是在统一的标准下管理城市水资源的空间数据、实时监测数据以及业务数据，构建了城市水资源大数据库，为城市水资源应用及辅助决策提供详实、可靠的数据支撑；服务层是SOA架构的基础，平台可直接调用安全认证服务、规则运算服务、消息引擎、地理信息服务、数据服务以及权限管理服务等；应用层是平台的“一张图”展示窗口，包括水资源实时监测管理、水资源水源工程管理、水资源地下水管理、水资源征费管理、水资源节约管理、水资源保护、水资源应急管理以及运维管理等；用户层是平台的使用人员，主要包括水资源管理部门、水资源工程建设单位、水资源取水大户以及公众等。平台架构两侧是运行和保障机制，包括城市水资源管理办法、水资源规范体系、保障体系、信息安全体系。

2 城市水资源大数据库建设

2.1 数据库建设内容

根据水资源信息管理平台建设的目标，对平台涉及的数据进行了全面的梳理和分析，总体上分为空间大数据和属性大数据[7]。空间大数据包括基础地理信息数据、水资源空间数据、水资源监测数据等，如：1:5 000电子地图、遥感影像数据、水库数据、监测站数据、地下水井数据等，该类数据会在“一张图”进行直观显示；属性大数据包括水资源业务数据和多媒体数据，如：供水管理数据、应急管理数据、排水管理数据等，该类数据统一存储在属性表中，通过与水资源空间数据进行挂接，从而可以在平台上进行显示。城市水资源大数据库建设内容示意图如图2所示。

图2 城市水资源大数据库建设内容示意图

2.2 数据处理和入库

城市水资源大数据库在统一的坐标系下，实现非结构化和结构化数据的汇集、存储、处理和入库，实现城市水资源的有效整合。以城市水资源水源地数据处理和入库为例，将水源地数据的位置信息和范围等加工处理为水源地图斑，并输入属性数据后，制作成水源地专题数据并入库。通过ArcGIS Server 发布成服务，在平台上调用服务并进行展示[8]。还可以将实时监测数据、照片数据、视频数据与水源地图层进行挂接，完善水源地数据。城市水资源水源地数据处理和入库流程如图3所示。

图3 城市水资源水源地数据处理和入库流程示意图

3 平台功能实现

城市水资源信息管理平台基于SOA架构进行设计，遵循SOA的体系标准和业务规范，对城市水资源成果进行统一的管理。服务器操作系统采用Windows Server 2012；平台开发软件采用Eclipse3.6以上版本；GIS平台软件采用ArcGIS10.5以及利用ArcGIS API for Java Script进行Web开发；数据库平台采用Oracle11g+ArcSDE[9]。平台实现的核心功能有水资源实时监测管理、水资源水源工程管理、水资源地下水管理、水资源征费管理、水资源节约管理、水资源应急管理等。平台功能结构示意图如图4所示。

图4 平台功能结构示意图

3.1 水资源实时监测管理

水资源实时监测管理是通过物联网技术，在取水口、地表监测站、地下水井口、入河排污口等区域布设感知设备，并通过网络与平台进行连接，实时传输监测数据，并且当监测数据超过安全值后，进行预警。水资源实时监测的内容主要包括：水情雨情监测、地下水井用水大户监测、水源地水质监测、入河排污口监测等。水资源水情实时监测界面示意图如图5所示。

图5 水资源水情实时监测界面示意图

3.2 水资源水源工程管理

水资源水源工程管理主要包括用水水源保护、内陆河网综合整治和近岸海域污染治理三方面，通过平台实现水源工程的基础信息管理、查询和新建工程管理。水源工程基础信息管理，可以在“一张图”查询水源工程的空间和属性信息，并以图表的方式进行显示；水源工程查询可以分成工程类别查询、企业农业灌区查询和行政区划查询；水源新建工程管理是对新建的水源工程项目提供申请登记、行政审批、工程论证等功能。

3.3 水资源地下水管理

水资源地下水管理包括地下水基本信息管理、地下水取水管理、地下水水位管理和地下水井管理。地下水基本信息管理是对地下水基础性数据进行录入、编辑、更新和展示，包括各类取水单位每日、月的取水量、取水井计量表等资料；地下水取水和水位管理是读取感知设备传输回来的实时监测数据，在“一张图”的基础上，以图表的方式显示取水量、水位、水质等信息，并且可以按照年、月、日进行多时间序列的比对，直观反映数据的变化趋势和变化幅度。

3.4 水资源节约管理

水资源节约管理包括用水定额管理、节水计划管理和节水信息管理。用水定额管理是依据现有水资源的用水计划对行政区、行业和企业进行用水定额控制；节水计划管理根据现有用水量，制定行政区、行业和企业年度节水量计划；节水信息管理包括编写节水技术方案设计、查看节水设施和产品信息以及对行政区、行业和企业进行考核记录。

3.5 水资源征费管理

水资源征费管理包括水费基本信息查询、水费征收、水费征收标准和水费使用管理。水费基本信息查询提供取水用户按月查询实际取水量以及查看历史缴费信息；水费征收实现了水费收缴、欠费管理和水费缓缴审批；水费征收标准依据取水水源的类型和用水量，制定不同的水费单价标准；水费使用管理包括管理费用、基础性费用、设备费用、科研费用和其它费用等。水资源征费管理流程示意图如图6所示。

图6 水资源征费管理流程示意图

3.6 水资源应急管理

水资源应急管理包括突发事件管理、应急会商、指挥调度和应急事后处理，实现水资源的突发事件从发生、处理和总结全过程管理[10]。突发事件管理是对突发事件接收并上报，应急会商管理是根据突发事件的等级，主要领导和专家对突发事件进行预案选择，制定方案。指挥调度是对突发事件进行处理。应急事后处理是对突发事件进行总结汇报和文档存档。

4 结 论

本文借助GIS、物联网和通信技术，开发了城市水资源信息管理平台，实现了在“一张图”的基础上对城市水资源进行开发、利用、配置、节约和保护。目前平台运行良好，能够满足城市水利管理部门的需求，但也存在水资源监测设备返回的监测数据不及时、网络连接不稳定、信息录入不完善等问题。下一步平台建设一方面加强网络建设，确保信息传输的稳定；另一方面对平台进行升级改造，不断完善平台的功能，促进城市水资源信息化发展，推动“智慧水利”的建设。