黄土高原干旱区关川河“河长制”管理信息系统设计与应用

2022-12-20牛最荣张永胜尚小平

人民黄河 2022年12期

武雪，牛最荣，张芮，张永胜，尚小平

（1.甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃兰州 730000；2.甘肃省定西市水利科学研究所，甘肃定西 743000）

1 引言

近年来城镇化水平提高和人口增长对河湖水系生命健康带来了危机，化肥、农药、工业废水等多种污染物入河湖，加重了河湖负担，使经济社会发展与环境保护的矛盾日益凸显，河湖治理受到社会各界关注［1］。2007年无锡市太湖蓝藻暴发，严重影响当地饮用水安全，无锡市政府出台了《无锡市河（湖、库、荡、氿）断面水质控制目标及考核办法（试行）》［2］，要求党政负责人分别担任各河流“河长”，定期上报负责辖区的水质监测结果，“河长”这一概念由此而生［3］。水资源具有整体性、流动性、跨域性等特征，水资源的具体管理需要政府、环境保护部、水利部等的相互协调合作［4］。基于此，2008年江苏省开始推行“河长制”，按照划分的行政区域分段管护河湖，之后各省陆续开展试点工作并取得一定成效［5］。 “河长制”是水环境治理中具有行政特性的创新型管理机制［6］。为改善河道管理现状，促进河流健康发展，本文选取关川河为研究对象，采用计算机、遥感和视频监控等技术搭建“河长制”管理信息系统，将单一的信息服务转向资源共享的协同服务，加强部门联动和水岸联动机制，以提升关川河河道管理效果，推进水利信息化建设。

2 关川河概况

关川河位于甘肃省中部，是一条典型的黄土高原干旱区中小河流，流域面积3 535 km2，1974—2000年多年平均径流量0.18 亿m3，多年平均降水量仅370 mm，水面蒸发量却高达1 400 mm［7］。汛期洪水峰高量大、暴涨暴落、洪量集中，对河岸冲刷严重，容易引起河岸崩塌甚至改变河流弯曲程度。此外，汛期洪水含沙量大，实测最大含沙量达1 060 kg／m3，洪水消退之后河道基流很小，水体自净能力下降，容易造成河流污染［8］。关川河流域植被稀疏，水土流失严重，生态环境较为脆弱，1999年开始对其实施退耕还林还草工程后，植被覆盖度有所提高，改变了流域水土流失严重状况［9］。

3 管理信息系统设计与应用

3.1 系统总体架构

①采用PHP ＋MySQL 技术建设关川河“河长制”管理信息系统，该技术是目前较成熟、稳定、安全的企业级 Web 开发技术；②采用 B／S（Browser／Server）架构建立系统网站，可以简化客户端电脑载荷；③采用分布式结构开发系统主程序，便于用户操作系统界面，实现资源共享；④在搭建系统核心层时，根据需要设置不同的功能模块，对不同模块的程序分开编写，可以提高计算机的运行速度；⑤通过地图、列表、动态图、过程线及文字介绍等多种方式显示用户查询结果，实现多用户并发访问。

3.2 系统功能模块

3.2.1 水文水资源模块

通过设置水文水资源模块监测河道流量阈值，呈现河流年径流量变化趋势，防止河道流量过大形成水害，该模块包括实时流量监测与预警、年径流量变化趋势2 个子模块。

（1）实时流量监测与预警子模块。该子模块包括洪水流量、生态流量监测与预警。在洪水流量监测与预警中，根据洪峰流量经验公式计算关川河巉口水文站不同洪水频率的洪峰流量，可得关川河巉口水文站10 a 一遇、20 a 一遇、50 a 一遇洪峰流量分别为 426、579、791 m3／s。根据系统监测的实时洪水流量是否超过河道警戒流量进行预警，即当洪水流量超过10 a 一遇洪峰流量426 m3／s 时系统进行预警。关川河为季节性河流，旱季断流、雨季排洪，由于本次监测的实时洪水流量时间在1月份，旱季河道已断流，因此河道洪水流量为 0 m3／s。

在生态流量监测与预警中，采用最小月平均径流法计算河道最小生态基流，即对枯水期河道每月的最小流量求均值可得最小生态基流，关川河巉口水文站最小生态基流为0.22 m3／s。根据系统监测的实时生态流量是否超过最小生态基流进行预警，即当流量小于0.22 m3／s 时系统进行预警，可知监测时间内流量均大于最小生态基流。

（2）年径流量变化趋势子模块。该子模块主要根据已有数据资料计算关川河的年径流量，通过分析年径流量变化趋势了解流域水资源概况，以科学合理地规划河道用水。关川河巉口水文站共实测到关川河连续44 a 洪峰流量，符合洪水频率计算需要的径流资料系列长度。为准确计算年径流量，需对关川河上游东河、西河的径流资料进行插补延长，东河流域面积791 km2，东河和西河流域总面积1 428 km2，巉口水文站测验断面以上流域面积1 640 km2，插补延长后关川河的年径流量变化趋势见图1，经计算，1980—1989年多年平均径流量为1 730 万m3，2000年以后年径流量变化趋势较2000 以前相对平缓，表明退耕还林还草和水土流失治理等项目的实施对关川河年径流量产生一定影响。

图1年径流量变化趋势

3.2.2 水质模块

关川河流域的土地利用类型以农业用地、工业用地和城镇居民用地为主，径流污染可能包括有机污染和重金属污染，因此选取高锰酸盐指数、化学需氧量、溶解氧、5 d 生化需氧量、氨氮作为水质监测指标［10］，采用单因子水质标识指数法和单因子评价法对关川河水质进行分析。在关川河流域内把内官镇先锋村断面（上游段，干流长25.32 km）作为水质入境断面，鲁家沟镇南川村断面（下游段，干流长55.28 km）作为水质出境断面，2013—2017年关川河水质指标统计见表1。分析可知，在汛期和非汛期，溶解氧浓度均表现为入境断面＞出境断面，其余4 项指标变化与其完全相反，从单项指标分析结果来看，关川河上游水质优于下游水质。

表1 2013—2017年关川河水质指标统计

3.2.3 物理结构模块

物理结构模块主要由河床冲淤、河流形态、河流弯曲程度、河岸带植被覆盖度4 个子模块组成。

（1）河床冲淤子模块。收集 1980年、1985年、1990年、1995年、2000年巉口水文站实测大断面河床冲淤变化的相关数据资料以及2015年和2017年大羊营水文站实测大断面河床冲淤变化的相关数据资料，分别得到巉口水文站和大羊营水文站河底高程变化情况，见图 2。分析可知，1980—2000年 20 a 间巉口水文站的河底高程没有发生明显变化，说明河床稳定；2015—2017年大羊营水文站河床也基本稳定，在起点距17～40 m 之间有轻微的淤积，淤积厚度0.18～0.77 m。

图2 关川河巉口水文站、大羊营水文站河底高程变化情况

（2）河流形态子模块。通过了解关川河河道渠化、人为拓宽、改道和裁弯取直情况，分析河道整体形态是否有明显变化，根据Landsat TM／OLI 遥感影像30 m 空间分辨率数据，1990年关川河河道实际长88.02 km，2016年关川河河道实际长80.06 km，裁弯取直7.96 km，河道渠化11.57 km。其中：上游城区河段河道实际长7.72 km，已全部渠化，河流形态明显改变；中游巉口河段河道实际长17.06 km，有3.00 km 河道渠化；下游鲁家沟河段河道实际长55.28 km，有0.85 km 河道渠化，河流形态没有明显变化。以上结果说明1990—2016年关川河河流形态整体变化不大，仅局部区域的河流形态有所改变。

（3）河流弯曲程度子模块。通过计算河流弯曲率Ka分析1990—2016年关川河的河流弯曲程度变化情况，公式为

式中：L为河道实际长度；I为河道直线长度。

关川河上游城区河段河道直线长度为6.95 km、中游巉口河段河道直线长度为9.85 km、下游鲁家沟河段河道直线长度为31.59 km，1990—2016年关川河各河段河道的河流弯曲率计算结果见表2。可知1990—2016年关川河上游河段河流弯曲率从1.97 下降到1.11，河流弯曲率小于1.30 的河流为平直型河流，虽然对排洪有利，但不利于河流健康；1990—2016年关川河中游河段河流弯曲率略微下降；1990—2016年关川河下游河段河流弯曲率基本没有变化。

表2 各河段河道实际长度与河流弯曲率

（4）河岸带植被覆盖度子模块。根据水陆河岸带边界线不同将河流划分为陆域和水域，对陆域范围内的乔木、灌木、草本植物进行植被覆盖度评估，基于Landsat TM／OLI 遥感影像30 m 空间分辨率数据，周期性提取归一化植被指数NDVI，公式为

式中：NIR为近红外波段的反射值；RED为红光波段的反射值。

植被覆盖度FC计算公式为

式中：NDVIsoil为无植被覆盖区域的归一化植被指数；NDVIveg为有植被覆盖区域的归一化植被指数。植被覆盖度为0 时，区域呈无植被覆盖；植被覆盖度为10%～40%时，区域呈中度覆盖；植被覆盖度为40%～75%时，区域呈重度覆盖。

利用ArcMap 平台面积统计工具计算关川河（干流）及上游城区河段、中游巉口河段、下游鲁家沟河段的植被覆盖度，结果见表3。可知关川河河岸面积581.56 hm2，植被覆盖面积296.83 hm2，植被覆盖度51.04%，上、中、下游河段植被覆盖度基本为50.00%左右，表明关川河总体呈重度覆盖。关川河整体河段中乔木覆盖面积0.25 hm2，植被覆盖度0.04%；灌木覆盖面积66.79 hm2，植被覆盖度11.49%；草本植物覆盖面积229.79 hm2，植被覆盖度39.51%。从覆盖的植物种类看，草本植物覆盖面积最大，乔木覆盖面积最小。

表3 关川河各河段河岸带植被覆盖度统计

3.2.4 视频监控模块

主要在巉口水文站、周家庄、朱家庄和蔡家庄4 个地区安装了5 个无线传输的高清摄像头，每个摄像头都可以变倍、变焦和旋转，通过视频监控系统可以24 h实时查看河道状况。砂石是一种重要的建筑材料，维持着河道稳定和水沙平衡，关川河流域内砂石储量较大，多年平均含沙量 223 kg／m3，2014年划定 6 个禁采区、5 个可采区，视频监控系统可以加强对砂石的管理，保障河道河势稳定。除砂石外，对涉河建筑物和排污口的监控也是加强水环境安全的重要措施，目前关川河流域有21 座跨干流桥梁、26 座入河排污口，入河方式包括明渠、暗渠和涵闸，利用视频监控系统可有效解决河道脏乱差问题，防止河流生态遭到破坏。

3.2.5 数据查询模块

数据查询模块主要由研究区概况、水文水资源、社会服务功能和水生生物等子模块组成。用户通过该模块可进行数据查询，实时了解研究区水文数据资料和河流动态，有效整合河道信息，提高“河长制”管理效率。

3.2.6 后台管理模块

后台管理模块主要针对系统管理人员进行数据录入、数据修改和权限管理。数据录入就是管理人员对数据查错以及审核，将审核通过的数据录入数据库；数据修改就是管理人员对数据库中的数据进行维护，如增加、删除数据以及修改错误数据等；权限管理就是系统的部分功能只对特定人员开放，其他人员没有权限，有助于对系统重要数据的管理和维护。

4 结论与建议

4.1 结论

水资源是影响经济社会发展的重要因素，建立“河长制”管理信息系统是促进黄土高原干旱地区中小河流水资源科学规划和合理分配的必要措施。通过建立关川河“河长制”管理信息系统，对水文水资源、水质、物理结构、视频监控、数据查询和后台管理6 个模块进行管理与应用，以提高河道管理水平和事件处理效率，促进水资源管理部门、“河长”和社会公众形成河流治理合力，健全“河长制”常规化、长效化发展机制，营造良好的流域水生态环境。