水利信息化技术在莘县地下水超采治理中的应用

赵广涛

（山东省聊城市莘县水利局，山东 莘县 252499）

1 莘县概况

莘县是山东省聊城市下辖县，位于山东省西部、聊城市西南部，冀鲁豫三省交界处，属聊城市辖区，与河北省大名县接壤，南枕金堤，西临卫河，东与阳谷县相邻，北与冠县、东昌府区相接，为聊城市防洪之屏障。莘县现有耕地8.53万hm2，有效灌溉面积8万hm2，占全县总耕地面积的93.75%，辖20个镇、4个街道办事处，现有总人口104万人。种植以小麦、玉米、林果和蔬菜为主，有中国“洋香瓜之乡”、“双孢菇之乡”等称号，工业主要有石油化工、盐化工、玻璃、纺织及其他产品加工。彭楼引黄入鲁复灌工程，虽然结束了莘县不能引黄的历史，但由于工程不配套、标准低，引水渠道不通畅，“竹节沟”现象严重，有水不能引。

2 地下水超采现状分析

2.1 地下水超采

地下水超采是指在一定时期，地下水开采量超过地下水可开采量，造成地下水位持续下降，引发生态环境恶化或环境地质灾害的现象。莘县2018年地下水超采量统计见表1。

表1 莘县2018年地下水超采量统计表

2019年莘县被列入“2019年度国家地下水超采综合治理项目县”，争取到国家资金4 200万元，实施了徒骇河片区治理工程和马西片区治理工程。通过项目的实施，建设了一批调蓄工程，增加了区域雨洪水拦蓄能力，最大限度存蓄错峰水，可充分调蓄区域内雨洪资源用于农业灌溉，实现地表水挖潜，压采地下水348.4万m3。其中浅层318万m3，深层30.4万m3。通过深化农业水价综合改革、加强基层服务体系建设、水利工程产权制度改革等措施，全面完成了地下水超采区年度压减任务，地下水超采现象得到了进一步遏制，有力保障了莘县水资源的可持续利用和水生态文明建设的深入推进。

2.2 莘县地下水超采分区

地下水超采区分浅层地下水超采区和深层承压水超采区，浅层地下水超采区又分为浅层地下水一般超采区和严重超采区；深层承压水超采区根据深层承压水“开采即为超采”的原则划定。浅层地下水一般超采区为限采区，浅层地下水严重超采区为禁采区，深层承压水超采区全部为禁采区。按此标准，莘县境内存在浅层地下水超采区和深层承压水超采区。划定在浅层超采区内的镇、办事处为：燕塔办事处、莘州办事处、东鲁办事处、莘亭办事处、朝城镇、观城镇、大张家镇、古云镇、王庄集镇、张寨镇、董杜庄镇、俎店镇、妹冢镇、张鲁镇、大王寨镇、王奉镇、燕店镇、魏庄镇、河店镇、十八里铺镇。莘县境内均为深层承压水超采区，面积1 413 km2，涉及全县24个镇、办事处，深层承压水超采量较大区域主要集中在城区和古云工业园区。

2.3 莘县地下水超采原因

一方面，莘县作为农业大县，需要大量的灌溉水资源。全县现有耕地面积9.326万hm2。2018年全县农作物总播种面积16.26万hm2，主要作物以小麦和玉米为主。经统计分析，莘县多年平均径流深位于30～60 mm，径流量小，地表水资源匮乏。另一方面，人民生活水平不断提高，节水意识薄弱，导致严重的水资源供需矛盾，在旱涝交替、连旱连涝频发的不良气象条件下，进一步加剧了水资源供需矛盾。

由于莘县地表水资源紧缺，为满足农业生产用水，自20世纪七、八十年代建成了覆盖全县范围的地下水取水工程。对地下水资源的严重依赖，导致了当地长期过度开采地下水，形成了大范围的地下水超采区。根据山东省地下水超采区评价结果，全县浅层地下水超采区面积达1 151 km2，约占全县国土面积的81%；而深层承压水超采区面积达1 413 km2，与全县国土面积相当。地下水超采区的存在，地下水位长期维持在低位，对当地生态环境产生了深远影响，并随之带来一系列复杂的生态问题。

3 信息化技术在地下水超采治理中的应用

结合地下水自动化控制和远程监控，地表水、地下水资源动态监测，以及引水调水和水资源监督管控有关案例[1-7]，根据莘县超采地下水实际情况，分析探讨超采区治理对策。

3.1 地表水自动化监控技术应用

地表水的调度是通过控制水闸实现的，水闸作为地下水超采区综合治理工程中控制性工程，除了满足水利部门的调水、蓄水需求外，在防洪、保护工农业生产和人民生命财产安全以及环境保护等诸多方面都发挥着巨大的积极作用。闸门自动化监控系统主要包括闸门自动化控制、闸门远程视频监控以及水工的自动观测功能。智能化闸门监控系统具备敏捷性，能够快速准确地根据操作指令以及闸前、闸后水位变化作出判断，并执行命令。自动化水闸监控系统性能可靠、稳定，可提高水利工程的运行效率。

闸门自动化系统，由PLC自动化控制单元、闸门开度监测单元、闸前闸后水位监测单元及中心组态管理单元等构成，主要实现对闸门的自动控制、远程状态监测，系统还具有当前数据的显示、数据存档、历史曲线、日志查询、数据报表打印等功能。闸门视频监控及闸前水位监测系统，采用中国移动4G网络进行视频图像和闸前水位的采集，并结合云端视频、数据服务器，通过PC客户端或手机APP客户端实现对现场视频监控及水位数据的随时调用、按需查看；闸门视频监控及闸前水位监测设施，由红外4G网络高清智能球机、Micro SD存储卡、微功耗遥测终端机、超声波液位计、太阳能供电系统、防雷设备、三防机箱及安装架杆等辅材部分组成。

闸门视频监控及闸前水位监测站的建设，有利于水利管理部门实时了解各闸门的运行状态及闸前水位情况，进一步提高莘县地下水超采区综合治理工程的可视化管理水平。首先高效的闸门自动化监控系统可提高地下水超采区地表水资源的及时供给和调配；其次对重点部位节制闸、涵闸的远程视频监控及闸前水位监测，可及时掌握支渠地表水的水位和利用情况。为充分发挥莘县各干渠上节制闸、涵闸的综合利用效益，尽可能减少洪涝灾害损失，提高地下水超采综合治理的决策水平，拟对马颊河干渠的务庄节制闸，建设1处闸门自动化及视频监控系统。对焦庄、耿楼、李凤桃、八里庄及前店子等15处节制闸及涵闸，建设4G远程视频监控及闸前水位监测站；对另外5处节制闸及涵闸，建设闸前水位监测站；统一将图像信息纳入莘县超采区综合治理信息化管理平台。

3.2 地下水自动化监控系统

在整合统筹现有地下水监测设施基础上，完善地下水监控系统，实现地下水水位、水量双监控；提高地下水资源监控自动化、科学化管理水平，加大对地下水用水大户监控力度；加强地下水监督执法建设，配套完善监管设备，全面推进莘县地下水综合整治工程。

2020年莘县共有51眼自动观测井，深层地下水监测数量与密度能够满足检测要求，浅层地下水观测井数量及密度均不能满足观测要求，计划新打浅层地下水观测井13眼，以满足浅层地下水观测井数量及密度要求。观测井配置一体化微功耗水位监测仪及专用保护装置，用以监测地下水位的变化；建设完成后，将及时与莘县水文监测站网并网，2020年莘县部分新打浅层地下水监测井见表1。

表1 2020年莘县部分新打浅层地下水监测井

3.3 封停自备井信息管理系统

莘县超采区封停自备井备案信息系统，是莘县地下水超采区综合治理信息化管理系统的重要组成部分，实现了超采区封停自备井档案管理的电子化。电子档案包括自备井位置、压采水量、取水层位井深、封井时间、封井后现场图片等信息，并通过建设封停自备井电子信息加强监控，提高莘县水利局对封停自备井的监管能力。

根据超采区自备井成井质量、水质状况以及供水对象等情况，分别采取封存备用、永久填埋两种封停措施。超采区封停自备井备案信息系统，是在原有莘县地下水超采综合治理信息化平台基础上，开发了莘县超采区封停自备井备案信息子系统；完成63眼封停自备井档案信息的扫描录入；在GIS地图上标注63眼封停自备井的具体地理位置，并进行信息链接；制作63眼封停自备井的二维码信息标识牌，并现场安装每眼封停自备井的二维码标识桩。

通过扫描标识桩二维码可轻松了解自备井的封停情况，通过提示的举报途径对私自修复、启用自备井的违规行为进行举报，彻底杜绝修复自备井私采地下水行为。

3.4 水资源远程视频监控系统

为确保取水计量监测设备的正常运行，杜绝个别用水企业出现的取水计量设备通讯正常，但计量设备断电、流量传感器浸水或接触不良等人为断电、损坏、私采地下水的情况，增设6处水资源远程视频监控站，对莘县已建6处重点企业取水计量监测站的取水泵房、管道及取水计量监测设备进行远程视频监控。

远程视频监控站，采用中国移动4G网络进行视频图像采集，并结合云端视频服务器，通过PC客户端或手机APP客户端，实现对现场视频监控的随时调用、按需查看；远程视频监控站由红外4G网络高清智能球机、Micro SD存储卡、交直流互备电源供电系统、防雷设备、三防机箱及安装架杆等辅材组成。水资源远程视频监控站建设，降低了水资源管理部门的现场巡查频次，降低了管理成本。

4 结语

采用水利信息化技术，建立莘县地下水超采区综合治理信息化管理系统，实现对全县主要水利工程的节制闸、涵闸进行自动化控制和远程监控，对全县地表水、地下水资源进行动态监测，为莘县引水、调水及水资源监督管理提供了可靠的依据和技术支撑。全面推进莘县地下水超采综合治理，提高了水利工程应用调度监控、水资源监控的自动化、科学化水平，促进了莘县超采区地下水修复，确保了地下水超采区综合治理目标的全面实现。