夾巖水利樞紐工程飲用水水源保護區智慧化監管云平臺研建

（貴州省水利水電勘測設計研究院，貴州 貴陽 550002）

“飲用水水源保護區”是國家為防止飲用水水源地污染、保證水源地環境質量而劃定，并要求加以特殊保護的一定面積的水域和陸域。按照《水污染防治法》要求，飲用水水源保護區分為一級和二級保護區，必要時還可在飲用水水源保護區外圍劃定一定的區域作為準保護區。應當按照不同的水質標準和防護要求劃分不同級別的保護區，對不同級別的飲用水水源保護區采取相應的保護管理措施［1］。

當前，關于飲用水水源保護區的研究主要集中于保護區劃分、制度建立等方面［2］。在物聯網、大數據等新技術的帶動下，各行各業都朝著智能化、智慧化方向發展，而飲用水水源保護區當前的監管服務建設還停留在傳統方式，關于飲用水水源保護區監管智能化、智慧化探索建設以及數字化建設都少有研究。飲用水是人類生存所需的基本要素之一，飲用水水源保護區直接關系到人民的飲用水安全問題，對于它的監管建設必須高度重視。特別是當前全國大力推行“河長制、湖長制”的背景下，飲用水水源保護區監管成為“河長制、湖長制”管理的重要組成部分，更為監管提供了重要基礎平臺，急需構建科學、合理的水源地智慧化監管支撐體系，加強飲用水水源地的監測監控、預警預測與應急處理能力，實現飲用水水源地監控預警和動態管理，為飲用水安全保障工作提供技術支撐，提升飲用水源地保護的智慧化監管水平［3］。

1 研究區概況與系統分析

夾巖水利樞紐及黔西北供水工程（以下簡稱“夾巖工程”）是貴州省最大的水利樞紐工程，工程位于貴州省畢節市和遵義市境內，水庫樞紐壩址位于長江流域烏江一級支流六沖河中游。該工程是國務院確定納入“十三五”期間分步建設的172項重大水利工程之一，為貴州水利建設“一號工程”。

工程以供水和灌溉為主，兼顧發電，并為區域扶貧開發及改善生態環境創造條件。夾巖水利工程為I等工程，由水源工程、畢大供水工程、灌區骨干輸水工程等組成。工程以夾巖水庫為集中供水水源，利用已建附廓水庫為反調節水庫，灌區現有小型水庫囤蓄，黔西灌區控制節點高程1 250 m；畢節大方供水工程自庫內獨立取水，經泵站提水后輸水至連接池；灌區總干渠從庫內引水，向北干、南干分水后經由骨干工程向灌區供水。

當前，夾巖工程建成后的飲用水水源保護區所面臨的主要水環境問題為缺乏大范圍、宏觀層面的實時、全天候有效監測手段。建立夾巖工程集中式飲用水水源保護區監管信息系統，需要以水源地所面臨的主要水環境問題為導向，基于各類傳感器接收的實時數據對水源地水質、水生態等多項指標進行多維分析與模型分析，利用3S技術常態化監測水源地的水環境時空內部結構變化情況，并結合視頻監控和日常巡查系統，實現整個水源地全方位、全天候、實時動態監測預警和指揮調度信息化管理平臺。該系統可為水源地保護管理部門提供輔助決策分析支持，綜合提升飲用水水源地的監管能力［4］。

夾巖水利樞紐工程集中式飲用水水源保護區監管信息系統作為貴州省重要飲用水源工程，具有較高的安全需求，主要需求包括：應用安全、數據安全、軟硬件安全、網絡安全、通信安全、現場設備安全需求。

2 智慧化監管支撐體系建設

2.1 基于物聯網的監測監控體系

夾巖水利樞紐工程集中式飲用水水源保護區基于物聯網的監測監控體系，主要包括水質監測、水雨情測報、視頻監控、水土保持監測、蒸發量監測、下放生態流量監測、日常巡查監管、泵站監控及閘門監控等（見圖1），涵蓋了溫度、濕度、水質、氣象、水雨情、流量、蒸發量、水庫運行狀況、視頻圖像或圖片等監測因子。通過建設（或集成）監測監控體系，形成工程數據中心，為飲用水水源地安全監測評價分析提供了基礎支撐和現場指揮調度的物理基礎。

圖1 基于物聯網的監測監控體系

2.2 基于多因子的水源地安全監測評價指標體系

2.2.1 水源地重要區域及敏感帶區劃監測模型

利用面向對象的方法對遙感影像進行解譯獲得長時間和大范圍的變化監測結果，并計算多期監測解譯結果的土地利用分類轉移矩陣，設定評價指標系數，得到水源保護區內的人工干擾易發區。利用多源（多光譜高光譜等）遙感影像對相關水質參數進行遙感反演得到水質狀況的定量評價結果，生成水源保護區水體污染易發區空間分布圖（見圖2）。綜合以上兩類指標，建立水源保護敏感區域劃分評價體系，通過動態監測獲得動態的飲用水水源保護區污染關鍵區域，對其進行重點關注和監控，保證整個水源保護區的飲用水安全［5］。

圖2 水源地重要區域及敏感帶區劃

2.2.2 基于景觀指數的水源地生態安全評價模型

利用遙感解譯獲得的土地利用分類結果，運用景觀安全分析方法建立飲用水源地保護區生態安全分析模型體系，搭建飲用水源地保護區生態安全分析和監測系統，通過信息化系統直觀展示水源地保護區的生態安全狀況。主要的景觀分析方法包括：生態安全景觀多樣性指數、生態安全景觀優勢度指數、生態安全景觀均勻度指數、生態安全景觀破碎化指數、生態安全景觀聚集度指數、生態安全景觀分維度指數和生態安全景觀干擾度指數［6］。

景觀多樣性指數H：

式中，Pi為景觀類型i所占面積的比例；m為景觀類型數目。

景觀的優勢度與多樣性指數成反比，對于景觀類型數目相同的不同景觀，多樣性指數越大，其優勢度越小；景觀的優勢度指數為

景觀i的破碎度指數Ci：

式中，Ni為景觀i的斑塊數；Ai為景觀i的總面積。

相對聚集度指數RC：

式中，RC取值范圍為0～1之間；C為復雜性指數，Cmax是C的最大可能取值。

分維數指數D：

式中，P為斑塊周長；A為斑塊面積。

受干擾強度指數Wi：

式中，Li為i類生態系統內廊道（公路、鐵路、堤壩、溝渠）的總長度；Si為i類生態系統的總面積；Ni為i類生態系統類型的自然度。

2.2.3 基于3S的時空動態反演評價模型

應用遙感和無人機航測技術獲取高精度影像［7］，分區域按重要程度定時定點進行常態化的遙感面向對象的解譯和相關水質參數反演監管。通過建立基于GIS的分析預測系統，利用內部結構分析模型、時間序列的分析模型、空間特征分析模型，形成基于3S的時空動態反演評價體系（見圖3），進行直觀的可視化效果展示和報警預測［8］。

圖3 基于3S的時空動態反演評價模型

2.3 基于“一張圖”的預警預測與應急指揮調度體系建設

在建設飲用水水源地保護區自動監測預警及視頻監控系統、污染關鍵區識別及遙感監測預警系統和生態安全分析及監測系統［8］的基礎上，對整個保護區的監測監控達到全方位覆蓋、重點區域長效實時監測的目標。需要在此基礎上建立基于“一張圖”的水源保護區應急指揮調度系統，有針對性地解決發現的問題，結合周邊的自然和人文信息進行決策支持（快速查找周邊救援人員、救援車輛、救援物資等情況），通過建立三維地理信息平臺，在指揮中心即可達到科學有效地指揮作戰的目的［9］。

3 系統設計與實現

基于3S技術的飲用水水源保護區智慧化監管云平臺是一套完整的全生命周期信息化系統，其中包括對現有信息化系統及其數據的集成共享和深層次業務功能模塊的實現。飲用水水源地保護區“一張圖”管理系統建設任務包括：飲用水水源地保護區自動監測預警及視頻監控系統建設、飲用水水源地保護區污染關鍵區識別及遙感監測預警系統建設、飲用水水源地保護區生態安全分析及監測系統、飲用水水源地保護區應急監測處置系統及飲用水水源地信息化綜合管理云平臺等。

信息系統體系的整體架構主要為“五層兩體系”，如圖4所示。

（1）基礎設施層。主要包括信息采集與遠程監控系統，即各類信息的采集、傳輸、加工處理、存儲和管理，如自動采集、人工上報、外單位接入的各類信息。該系統可采集移動終端的視頻、照片、水質、水位等實時數據；可與電話、手機等通信終端互通；可接入環保、水利現有的視頻和未來增設的視頻；可采集環保、水利現有信息系統平臺的數據。首先需要按照相關的標準規范體系進行分析集成現有數據，可在重要區域補充建設。

（2）網絡通信層。主要包括網絡系統與通信系統。網絡系統為該信息化系統各平臺及平臺中的各節點間提供數據交換網絡通道。網絡系統承載在通信傳輸系統上，即由通信傳輸系統為網絡系統提供組網鏈路。在網絡與通信傳輸網之間依據不同層次和寬帶需求采用不同的接口連接。通信系統主要由程控交換系統、通信傳輸系統、時鐘同步及通信綜合網管系統、通信管道、通信光電纜等部分組成。

圖4 系統體系架構

（3）數據資源層。主要作用是滿足海量數據的存儲管理要求。整合系統資源，避免或減少重復建設，降低數據管理成本，并保證數據的完整性和一致性。通過數據的容災備份，保證數據的安全性。數據資源管理平臺主要由各類數據庫、數據庫管理系統及數據備份系統3部分組成。共享數據包括：水源保護區涉水要素數據、生態環保廳的水質在線監測數據、農業農村廳的規?；B殖場數據、應急管理廳防汛抗旱數據、自然資源廳土地利用數據、省發改委生態保護紅線數據、住建、林業等其他廳局相關數據。

（4）應用支撐層。連接數據中心和業務應用的橋梁，實現資源的有效共享和應用系統的互聯互通，為應用系統的功能實現提供技術支持、多種服務及運行環境，是實現應用系統之間、應用系統與其他平臺之間進行信息交換、傳輸、共享的核心。主要包括統一用戶認證、統一權限管理、GIS引擎、大數據分析等服務或組件。

（5）業務應用層。以水源保護區管理部分為目標，建立飲用水水源地保護區自動監測預警及視頻監控系統建設、飲用水水源地保護區污染關鍵區識別及遙感監測預警系統建設、飲用水水源地保護區生態安全分析及監測系統、飲用水水源地保護區應急監測處置系統、飲用水水源地信息化綜合管理云平臺等。通過指揮中心展示飲用水源保護區信息、實時監控信息，應急指揮調度及系統的日常維護。指揮中心的主要組成由指揮調度視頻系統、大屏幕顯示系統、圖像拼接控制器、高清視頻矩陣、管理電腦、音響系統、防雷接地等組成。

（6）標準規范體系。建立完善的信息化標準規范體系，整理、編制一套符合飲用水水源保護“智慧化監管”云平臺的標準規范，為各部件、各環節、各部門實現互聯互通和信息共享提供依據。主要包括：數據標準規范，即地圖數據標準、數據庫元數據、數據共享接口、數據評價體系；準規范，即基礎架構庫（ITIL）。

（7）安全保障。按照國家網絡安全等級保護要求，開展定級備案、安全建設整改及測評工作，遵循同步規劃、同步建設、同步投入運行的原則，從物理安全、網絡安全、應用安全、數據安全4個方面完善系統安全建設，構建信息化網絡安全防御體系。

4 結語

基于3S技術的飲用水水源保護區監管信息系統以“信息化全過程智慧化監管”的理念為建設目標，能夠全面感知工程自然系統（水質、水情、環境）和人工系統（重要取水口等水工建筑物）的運行態勢?；谝惑w化平臺實現集中遠程監視、遙感反演、在線監測等，構建水源保護區管理、綜合監控監測、應急預警等業務功能，貫徹于水源保護區運行管理的各個環節，實現了保護區全周期、全業務、一體化、智慧化管理，促進夾巖水利樞紐一期工程集中式飲用水水源保護區有序、健康、和諧發展。

系統以現地測控系統和遙感航測為基礎，以數據處理與交互平臺為紐帶，全面、及時地采集所需數據，進行統一處理，并存入實時數據庫；構建統一的數據共享平臺，統一安全可靠地進行數據存儲管理；通過一體化應用支撐平臺，對統一數據平臺中的數據進行專業化的數據分析與處理，并提供不同應用領域以及綜合的數據、應用服務支撐。在一體化應用支撐平臺上提供水質、水情等各類綜合監控監測應用，并在此基礎上實現綜合監控監測、應急預警功能。通過一體化基礎支撐、安全防護管理及標準規范體系，為全面提高工程各項業務的處理能力、實現水源保護區保護和管理提供強有力的支撐。