石羊河流域最严格地下水管理中地下水监测系统研究

康德奎，王万祯，符向前，张丽霞，徐保鹏

（1.甘肃省水利厅石羊河流域水资源利用中心，甘肃武威733000；2.武汉大学水利水电学院，湖北武汉430072）

0 引 言

石羊河流域地处于甘肃省河西走廊东部，涉及武威、金昌、张掖、白银四市九县（区）。该流域气候干旱，水资源严重短缺。自从20 世纪50年代后，石羊河流域因为地下水被超量开采和水资源被过度开发，生态环境严重恶化，且在实际工程中多次监测到水资源短缺现象。基于这种现象，于2007年12月，国家出台了以节约水资源、保护水资源和优化配置水资源为核心宗旨的《石羊河流域重点治理规划》，来解决这种生态环境恶化问题。除此之外，为了更好地推进流域重点治理计划，于2011年4月份出台启动了《石羊河流域水资源调度管理信息系统工程》，该项目工程主要监测分析石羊河流域内重点区域的水情、雨情、气象和水质，为实现流域水资源的优化配置，统一调度和管理提供了重要的信息手段和技术支持，也提高了水资源管理水平和用水效率，特别是针对地下水资源，建设了地下水位监测子系统和机井用水量实时监控系统，在一定程度上给石羊河流域最严格的水资源管理制度的实行，水资源红线的严格遵守，水环境和水生态以及地下水的严格控制提供了重要的技术支持和理论依据。2018年利用云计算，大数据，物联网技术，遥感技术，遥测技术等现代化技术手段建设石羊河流域智慧水资源管理平台，实现了石羊河流域水资源的信息化和智慧化管理。

1 石羊河流域地下水资源基本状况

石羊河流域主要分为南、北两个盆地，因此在计算地下水资源时需要对南、北两个盆地分别进行计算。具体来说，北盆地主要包括民勤盆地和金川-红崖山两个盆地；南盆地主要涉及大靖、武威、永昌3 个盆地。严格意义上来说，计算地下水资源时不仅要计算与地表水不相重复的地下水资源，还要考虑与地表水重复的那部分地下水资源。但是本文这里，将主要考虑的是与地表水不相重复的地下水资源，包括侧向流入、凝结水补给和降水等，其中沙漠地区侧向流入量为4 900 万m3，祁连山地区侧向补给量为7 700 万m3，降水和凝结水补给量共计4 300万m3，流域地下水总资源量总计为9 900 万m3。石羊河流域地下水资源计算成果分布如表1。

表1 石羊河流域地下水资源计算成果表万m3

2 系统实施前石羊河流域地下水位监测、机井监控状况

2.1 地下水位监测状况

石羊河流域地下水主要由降水、凝结水补给和侧向流入这三部分组成。地下水位监测的目的主要是监测地下水位的变化和变化过程，监测武威市漏斗区、永昌县漏斗区、民勤盆地超采区的面积和水位埋深的变化。石羊河流域水资源系统工程在2015年前共建设70 处地下水位监测点，地下水监测点数据基本能反映出流域大部分区域的地下水水位的动态变化情况，为流域地下水资源管理提供了一定的理论依据和技术支持，但受项目资金限制，前期项目未能实现全流域所有代表性区域的水位监测点的全覆盖，部分区域布点数量相对较少，不能全面、科学的反映全流域地下水变化情况。流域内有武威水文局建设的60 处地下水监测点及国土部门建设的119 处地下水监测点。监测点数据尚未得到有效的融合、共享及分析。

2.2 机井智能化计量监测

石羊河流域智能计量设施的安装使用，不仅可以在一定程度上推动流域定额管理措施的实施和用水总量的控制，还可以促进以水权为核心的流域水资源管理体系的建设。截至2015年，石羊河流域有机井19 744 眼，通过各类项目县（区）对部分智能计量设施进行了升级改造，2 489 眼机井采用了先进的超声波水表计量，占12.6%；由于投资限制，没有安装水表，以电计量共1 727只眼，占比为8.7%；其余15 577眼机井均采用治理之初安装的悬移式水表进行计量，占78.7%。悬移式水表计量为流域治理项目实施的第一代智能化计量设施，易受地下水所含泥沙淤积影响，大部分无法正常运行，大多采用井口人工经验流量录入系统计量，无法做到精准计量。同时，仅有1 704 眼机井需要实现远程实时监控，占机井总数的8%，无法进行有效的实时监控和控制。

3 水资源信息管理系统地下水子系统

增强对石羊河流域水资源的综合治理和统一管理至关重要，因此需要在全流域建立一个水资源配置和节水管理统一信息系统，其中包括调度管理决策支持系统和监测地下水系统。本文主要构造了监测地下水系统。地下水系统主要包括：地下水水位监测、地下水水量监测、地下水蓄变量、补给降水量、灌区取水量模拟、机井水量计量。用来展示石羊河流域不同区域的地下水分布情况以及实时监测数据情况。

3.1 地下水水位监测

在大数据平台支撑下的地下水水位监测数据，以专题图的方式展现地下水水位监测信息。地下水水位监测信息包括水站名称、水站类型、所属平原区、所属行政区划、监测方式、建设时间、管理单位、监测时间、水位等。采用分段设色的方式，对处于不同水位区间范围的地下水测站按照不同的颜色进行渲染，直观的展现地下水水位的空间分布特征。通过设置查询条件，可查看不同区域、不同水位范围的地下水水位信息；同时可按照系统的发布时间，查看前一次、前两次、前三次、前四次发布的地下水水位信息；系统支持针对地下水水站名称的模糊查询，可查询满足条件的站点的水位信息。在地图显示区单击某一地下水站，可查看该地下水站的基本信息和监测信息。

图1 地下水监测过程线

图2 地下水埋深分布图

3.2 地下水水量监测

在大数据平台支撑下的地下水水量监测数据，以专题图的方式展现地下水水量监测信息。地下水水量监测信息包括水站名称、水站类型、所属平原区、所属行政区划、监测方式、建设时间、管理单位、监测时间、水量等。采用分段设色的方式，对处于不同水量区间范围的地下水测站按照不同的颜色进行渲染，直观的展现地下水水量的空间分布特征。通过设置查询条件，可查看不同区域、不同水位范围的地下水水量信息；同时可按照系统的发布时间，查看前一次、前两次、前三次、前四次发布的地下水水量信息；系统支持针对地下水水站名称的模糊查询，可查询满足条件的站点的水量信息。在地图显示区单击某一地下水站，可查看该地下水站的基本信息和监测信息。

地下水水位及变化：接入大数据平台的地下水水位及变化情况数据，以列表、图形、等值面/等值线图、三维剖面图等方式展现地下水水位及变化信息。地下水水位及变化信息包括月平均埋深信息、月平均埋深与去年同月对比信息、月平均埋深与同年上月对比信息。

图3 地下水变幅分布图

（1）月平均埋深信息展现。月平均埋深信息包括行政区划、月平均埋深、月最大埋深、月最大埋深发生时间、月最小埋深、月最小埋深发生时间。

（2）月平均埋深与去年同月对比信息。支持根据同比及时间，展现月平均埋深与去年同月对比信息。

月平均埋深与去年同月对比信息包括行政区划、月平均埋深、月最大埋深、月最大埋深发生时间、月最小埋深、月最小埋深发生时间、平均埋深与去年同期对比。

（3）月平均埋深与同年上月对比信息。支持根据环比及时间，展现月平均埋深与同年上月对比信息。

月平均埋深与同年上月对比信息包括行政区划、月平均埋深、月最大埋深、月最大埋深发生时间、月最小埋深、月最小埋深发生时间、月平均埋深与同年上月对比信息。

（4）地下水位等值线。根据地下水监测数据，提供地下水等值线生成功能。

（5）三维剖面图。根据地下水监测数据，提供地下水水层的三维剖面图。

3.3 地下水蓄变量

在大数据平台支撑下的地下水蓄变量数据，以列表、等值面图两种方式展现地下水蓄变量信息。地下水蓄变量信息包括月蓄水变量信息与去年同期对比信息、年蓄水变量信息与去年同期对比信息。

（1）月蓄水变量信息与去年同期对比信息。月蓄水变量信息与去年同期对比信息包括行政区划、平原区面积、月降水量均值、月降水量距平值、月蓄变量合计值。

（2）年蓄水变量信息与去年同期对比信息。年蓄水变量信息与去年同期对比信息包括行政区划、平原区面积、去年各月降水量均值、去年各月降水量距平值、年蓄变量合计值。

（3）地下蓄水等值线。根据地下蓄水数据，提供地下蓄水等值线生成功能。

3.4 补给降水量

在大数据平台支撑下的补给降水量数据，以列表、等值面图两种方式展现地下水补给降水量信息。地下水补给降水量信息包括月补给降水量信息与去年同期对比信息、年补给降水量信息与去年同期对比信息。

（1）月补给降水量信息与去年同期对比信息。月补给降水量信息与去年同期对比信息包括行政区划、平原区面积、月降水量均值、月降水量距平值、月补给降水量合计值。

补给降水量信息按月发布，在查询条件中选择所要查看的年月信息，即可查看该年月的补给降水量信息。

（2）年补给降水量信息与去年同期对比信息。年补给降水量信息与去年同期对比信息包括、行政区划平原区面积、去年各月降水量均值、去年各月降水量距平值，全年补给降水合计值。

（3）补给降水等值线。根据补给降水量数据，提供补给降水等值线生成功能。

3.5 灌区取水量模拟

在大数据平台支撑下的禁采区、超采区范围内各灌区机井取水量数据，实现旬月年比较、同期比较。

3.6 机井水量计量

实现灌区基础信息、管理站基础信息、机井基础信息、管理站用水月/季/年报表等信息的查阅管理。

4 机井用水量实时监控系统

本文构建了一套机井用水量实时监测系统。

前期建设的清源、金塔、古浪河、西营灌区部分机电井进行远程实施监控仅1 704 眼，占流域现有机井19 744 眼总量的8%，未实现远程监控18 040 眼，达机井总数的92%。流域内禁采区、超采区各灌区现已建设机井水量计量设施，大部分计量水表采用叶轮式机械水表，部分改造为超声波水表，基本可以做到精确计量，数据已上传到各灌区水管单位，未发送至石管局进行共享，本次建设进行水量实时监控，流域内建设522眼机井改造安装远程传输系统，与信息系统已建成的清源、金塔、古浪河、西营灌区1 704 眼机井，共同作为县（区）整体地下水取水情况的代表性监测机井，实时监控流域各县（区）用水情况，模拟了全流域和分区地下水开采量。布点原则如下：

（1）在流域在流域禁采区、超采区各井灌区选取机井总量的5%，在各灌区内均匀分布。

（2）计量及控制设施采用现有设备，仅增设数据远通信模块及接口设备。

机井水量远程传输系统建设规模表见表2。

表2 机井水量计量系统配置表

目前机井水量计量数据传输流向见图4。

图4 机井水量计量数据传输流程

图5 机井水量计量总体框架

机井计量远程传输系统主要由地下水计量设施、数据远程传输网络模块、井灌区管理处、石管局调度中心等几部分组成。各地下水计量设施通过中国移动的或中国联通或中国电信的4G 网络将数据通过通信模块将数据发送到石管局建设的云平台数据库；石管局调度中心、井灌区管理处通过安装有流域“一张图”系统的工作站使用账户密码登陆系统，通过公网获取相应权限的软件界面及数据。

4 结 语

本文首先构造了石羊河流域水资源调度管理信息系统的地下水监测系统，然后对该地下水子系统进行了总体研究，进而分析了实施前的地下水监测系统的建设情况以及机井智能化计量监测的建设情况，从地下水监测系统及机井用水量实时监控系统的功能与数据源、数据传输等方面做了详细的设计，本文构造的地下水监测系统及机井用水量实时监控系统包含在《石羊河流域水资源调度管理信息系统工程》中实施，通过近十年来对石羊河流域的机动井用水量的实时监控和地下水资源的实行监测，为流域水资源的统一调度、管理和合理优化配置提供了重要的理论依据和技术支持。除此之外，也提高了流域水资源的用水效率和管理水平。□