京津地区重要水源地水资源实时监控系统开发与运用研究
 
摘要：我国北方地区近些年来持续干旱，北京、天津城市严重缺水，通过建设京津地区重要水源地实时监控系统，对主要供水水库水雨情信息、两省市地下水分布信息、地表水水质水量信息进行全面监控，建立水资源调度决策系统，可有效的缓解京津地区供水紧张的局面，对解决我国城市供水问题做了一个有益的尝试。

关键词：水源地；水资源；实时监控；研究

近年来我国水资源短缺的问题日渐突出，尤其是我国北方地区，以严重的制约和影响到经济的发展和人民的生活质量的提高。目前国家在大力提倡节水的同时，修建了包括“南水北调”、“引滦入津”在内的大量跨流域引水工程，有效的缓解了城市供水紧张的局面。但通过工程措施调水投资大、工期长、输水损失大、调入水量有限不利于短期解决城市缺水问题。通过建立城市水源地水资源实时监控系统，有效的监控地表水和地下水的水量和水质、通过科学的水资源预报调度，实现水资源的高效使用，可有效的缓解城市供水紧张的状况。

１ 京津地区水资源现状

据统计目前我国600多个城市中，400多个城市存在供水不足的情况。严重缺水的城市达100个。城市缺水量达60亿m３。并且水污染严重，50％的地下水被污染，90％以上的城市水域污染严重。北京市水资源短缺严重。年均水资源可利用量(50%保证率)只有41亿m３，人均水资源量不足300 m３，水资源和水环境的承载能力都已开发到了极限。天津本地自产水人均水资源量仅为160m３，居全国各省市之末，加上引滦水和入境水人均水资源量为380 m３。由于天津是水资源极度短缺，国家不得不赤巨资多次引黄济津，确保城市供水。

２ 工程建设由来

京津地区是我国经济、文化中心，具有十分重要的战略地位。由于经济的快速发展和人口的增加，水资源短缺的矛盾日益突出，长期以来地表水过度开发，地下水严重超采，造成了一系列的生态危机，目前在充分利用现有水利工程的基础上，利用一系列高科技手段，建立京津地区重要水源地水资源实时监控系统，实现增加水库可供水量、提高水资源的利用率、改善水生态环境的目标。

2002年4月，海河水利委员会根据水利部的统一安排和部署，在国内专家的大力支持和指导下，在流域内有关省市和协作单位的共同努力下，经过多次的讨论和修改，编制完成了《京津地区重要水源地水资源实时监控系统项目建议书》，并于８月份完成了《京津地区重要水源地水资源实时监控系统第一期工程实施方案》。该工程总投资2992万元，分三批投资，三年完成。

３ 系统建设目标

密云水库为北京市的主要供水水库，潘家口水库、大黑汀水库为天津市的主要供水水库。一期工程建立覆盖密云水库、潘家口水库、大黑汀水库库区和上游地区的水雨情信息监测网、水质水量监测网和覆盖京津地区（含廊坊）的1.8万km2地下水信息监测网，以及覆盖上述地区的信息采集系统、信息传输系统、和信息网络系统、利用信息技术，实现对密云水库、潘大水库、京津地下水等重要水源地的水量水质信息的自动采集、实时传输、分项处理、远程控制。同时通过密云水库和潘家口水库预报调度等手段，有效增加可供水量，初步实现保障京津地区城市供水安全，改善水生态环境的目的。

４ 工程主要建设内容

京津地区重要水源地水资源实时监控系统一期工程在充分利用现有工程的基础上，考虑今后的发展趋势，建成以GIS 为平台，虚拟现实为表现手段，信息采集系统为基础，通讯及信息网络为纽带，数据库为核心，辅助决策支持系统和监控系统为应用的综合信息系统。

系统主要由信息采集系统、信息传输系统、信息网络系统、数据库系统、工程监控系统、辅助决策支持系统等六部分组成。

５ 主要工程建设

５.1 信息采集系统

信息采集系统建设是实现京津地区重要水源地实时监控系统的基础，主要任务是实时采集区域内各类水雨情信息、地下水信息和水质信息，并通过多种通讯方式将采集的各类信息传送到分中心和信息处理中心，为整个系统提供基础、准确、可靠的数据。实现京津地区重要水源地水量水质的实时监控及水资源的控制调度，掌握京津地区污染物排放总量，和水质变化趋势及地下水变化情况。为水资源优化配置提供及时、可靠、准确的信息来源。本项目利用北京分中心、天津分中心对现有遥测站信息进行实时采集。

5.1.1 水雨情采集

密云水库水雨情信息采集：密云水库1960年建成，控制流域面积15788 km2，水雨情遥测系统布设中心站1个，分中心3个，中继站3个，遥测站33个，目前投入运用的有２３个遥测站。

潘大水库水雨情信息采集：潘家口水库1980年建成，控制流域面积33700 km2，水雨情遥测系统布设中心站１个，中继站5个，遥测站35个，目前投入运用的有25个遥测站。

5.1.2 地下水信息采集

地下水信息主要利用现有746眼覆盖京津（含廊坊）地区1.8 km2的地下水监测井网实施地下水的实时采集。其中建设278眼监测井具有自动采集功能，其中128眼监测井具有自动传输功能。同时对北京市、天津市地下水管理中心部分传输设备进行更新。本次规划新建60眼地下水监测井。

5.1.3 水量水质信息采集

一期工程主要建设３个自动水质水量监测站，包括密云水库上游戴营自动监测站、潘家口水库自动监测站、官厅水库上游响水堡自动监测站。戴营、响水堡自动监测站以列入《２１世纪初期首都水资源可持续利用规划》实施，目前已建设完成，投入运行。本项目只建设潘家口水库坝上水质自动监测站。

5.1.4 信息传输方式

海委监控中心负责全部信息的收集和处理。其他主要信息分别传输到北京分中心、北京市水利局分中心、天津市分中心、和潘家口水库分中心。

密云水库、潘家口水库水雨情信息通过计算机广域网传输到海委；地下水信息通过自动采集监测站经网络传送到北京、天津分中心；水质水量信息其中戴营自动监测站信息通过卫星和电话线路传送到北京分中心，潘家口水库站通过计算机网络传输到潘家口分中心。

5.2 信息传输系统

信息传输系统主要功能是开通海委监控中心至控制分中心和分中心、遥测中心站到分中心的信息传输通道。该通道能达到数据、视频、语音的多种信息的实时传输。为信息传输提供一个宽带、高效的骨干传输网络。主要建设工程包括连接海委监控中心至４个分中心；潘家口水库到大黑汀水库局域网工程；武清站（海委到水利部SDH线路）到通讯站（天津水利局到于桥水库PDH线路）PDH线路建设。

5.2.1 海委到潘家口分中心站线路

本段线路租用中国电信公网光纤线路（包括两端终端设备），租用带宽为２ⅹ２Mbps。其中2兆用于视频数据的传输，另外2兆用于电视会议系统数据传输。

5.2.2 潘家口水库、大黑汀水库局域网工程

将潘家口水库到大黑汀水库的数字光缆线路升级到100Mbps，建设潘家口水库骨干网和大黑汀水库骨干网。

5.2.3 武清水利局到通讯站PDH线路

开通武清水利局到通讯站的微波线路，实现海委、水利部、北京市水利局、天津市水利局的网络互联。

5.3 信息网络系统

信息网络系统是京津地区重要水源地水资源实时监控的信息交换的硬件平台，利用信息传输系统实现信息的及时、快速的传输。主要建设海委监控中心到北京分中心、潘家口分中心、北京市水利局分中心、天津市水利局分中心的计算机广域网。完善海委监控中心、北京分中心的局域网工程。

5.3.1 广域网工程

海委监控中心到４个分中心信息传输距离长，网络结构采用树型拓扑结构。系统可靠性强。在设备的选择上达到满足目前及以后一段时间内应用的要求，又要考虑到设备的更新换代。所选择的设备是当今主流设备，普及程度高，能够提供模块化的服务，以便于今后的扩展。

5.3.2 局域网工程

海委监控中心局域网工程，是数据存储、传输控制、网络管理、应用系统后台服务及远程会商与调度的平台，是整个网络骨干系统的核心。网络工程为千兆以太网。

5.3.3 网络管理及网络安全

京津地区重要水源地水资源实时监控系统整体网络结构由于地域分散，因此采用集中和分散的管理模式，海委网络中心全面负责整个网络的监测、管理和运行。

网络系统传输的是水雨情、水质水量、水资源管理等重要信息，数据安全尤为重要。

在工程中主要考虑的安全措施包括：路由器地址屏蔽、数据加密、安装入侵监测软件、配置防火墙、完善管理制度等措施，确保网络安全。

5.4 数据库系统

目前海河流域结合不同的项目建设了较为齐全的数据库，水源地项目对已有数据库进行完善、补充和调整。同时新建一批满足决策支持系统需要的基本数据库。

5.4.1 数据库结构

结合实时监控系统的特点，数据库采用集中和分布相结合的方式，静态数据库集中管理，动态数据库分布存储。海委监控中心数据库，存放和管理整个实时数据和相关历史数据以及空间数据。４个分中心建立实时数据库，管理各自的实时数据。

5.4.2 数据库要求

层次分明布局合理，数据结构化、规范化、标准化，具有独立性和扩展性、共享数据的一致性和正确性，稳定安全性，和其他数据库兼容性。

5.4.3 数据库运行环境

硬件环境：海委监控中心配备空间数据库服务器２台，其他数据服务器４台。各分中心配备服务器一台。

软件环境：海委监控中心采用ORCLE9i 数据库管理软件。各分中心采用Microsoft SQL Server 2000 数据库管理软件。

5.5 工程监控系统

监控系统包括引滦枢纽监控系统和监控中心大屏幕系统两部分

5.5.1 引滦枢纽工程监控系统

利用先进的工程视频远程监控技术，对引滦枢纽工程进行视频监视，以数据文本、图形图像、音频视频等媒体形式，表现工程的运行信息。

对潘大水库大坝、泄水建筑物、电厂及附属设备、管理区等安装视频采集设备，其中潘家口地区安装47个摄像采集点、3个独立的监控集群和4个监控中心。大黑汀地区安装了41个摄像采集点、2个独立的监控集群和1个监控中心。同时建设潘家口水库、大黑汀水库、海委监控中心的三方会议系统。

5.5.2 引滦枢纽闸门监控系统

对潘家口18个表孔闸门、大黑汀水库28孔表孔闸门、大黑汀５孔分水闸门，安装自动控制设备，并建设潘家口水库、大黑汀水库控制中心，实现对上述闸门的远程自动控制。

5.5.3 监控中心系统

在海委监控中心和潘家口水库监控中心建设大屏幕投影墙。它作为计算机网络系统的一个数据显示终端、同时又是异地会商的终端，也是综合信息查询、水资源调度指挥中心。

海委监控中心建设２ⅹ３TOSHIBA DLP 大屏幕投影单元和会议系统。潘家口水库监控中心建设２ⅹ２TOSHIBA DLP 大屏幕投影单元和会议系统。

5.6 辅助决策支持系统

包括管理平台、地下水动态管理模型、水质预测分析系统、水库预报调度系统等。

5.6.1 管理平台

管理平台是京津地区重要水源地水资源实时监控系统的最终所用功能的显示界面。将实现信息采集、数据传输、计算机网络、数据库系统、各种应用系统的有机结合。并提供友好的人机交互界面。

5.6.2 地下水管理系统

建立地下水动态模拟模型，对地下水实时监测数据进行分析，掌握地下水变化规律。

5.6.3水质预测分析系统

实现对京津地区重要水源地水质信息、评价结果及水质趋势预测，对水污染事故及时分析、预警预报。本项目确定对潘家口水库进行重点分析研究。

5.6.4 水库预报调度系统

一期工程主要建设、完善潘家口水库、密云水库预报调度系统。建设潘家口水库枯水期径流预报调度模型。

6 工程建设的主要特点

6.1 涉及专业众多

京津水源地实时监控项目不同一般的信息化项目，涉及到水文、水资源、通讯、水质、水环境、建筑、计算机、网络、工业自动控制、视频等众多领域。本系统科技含量高，建设难度大。将众多领域内的高科技成果运用到水利行业在国内也是首次，经过试运行，各个系统能有机的通过管理平台连接在一起，运行安全可靠。

6.2 建设及监测区域广

一期工程主要监测密云水库和潘家口水库的水雨情信息、京津地区的地下水信息，主要河道和水库的水质信息，将形成海委到５个监控分中心的物理连接网络。建设及监测面积达1.8万km2，由于工程建设地域跨省市、管理跨不同的行政部门，工程建设的管理及协凋难度大。

6.3 施工难度大

潘家口水库及大黑汀水库视频监控系统，由于地域范围广、环境条件差，施工难度大。

潘、大水库闸门监控系统要求安装精度高、安全系数高，系统建设较为复杂。潘家口水库水质自动监测站取水设施由于取水高程变化大，取水设施安装调试困难。

6.4 软件开发起点高

本系统中软件开发占有一定比例，辅助决策支持系统中主要水文、水资源软件已涉及到目前的最前沿领域，系统精度有了较大的提高、实用性增强、操作更加快捷方便。

7 系统建设的主要经验

7.1 加强工程管理确保工程质量

各项目建设严格执行基建程序，实行项目法人制、招投标制、工程监理制。确保工程的质量和资金的高效使用。明确项目法人，主要工程全部公开招标，聘请天津市华朔水利工程监理公司为本项目的监理。水利部水利工程质量监督总站海河流域分站对整个工程进行了全程质量监督。

7.2 合理工程项目划分

本系统涉及领域多，因此合理项目划分对提高工程建设水平至关重要。项目开工前项目办结合工程特点制定了较为合理的项目划分。本工程按工程性质划分为8个单位工程、29个分布工程、75个单元工程。

7.3 完善质量监控体系

水利信息化项目由于涉及的领域多，目前没有一套完备的质量管理体系和验收标准，为此，项目办结合有关标准编制了“京津地区重要水源地水资源实时监控系统质量验收评定标准”，和“京津地区重要水源地水资源实时监控系统工程建设外观质量验收评定标准”，确保了工程建设质量。

7.4 严格组织验收

对单元工程、分布工程、单位工程的验收，严格按照有关标准和合同要求执行。施工管理及监理人员在施工过程中严把质量关，及时提出问题及修改意见。

7.5 认真组织培训工作

对每个完工项目制定了详细的培训计划，使管理人员从原理、性能上做到了解；在维护、使用上做到熟炼掌握。确保系统效益的正常发挥。

8 系统建设的主要问题及建议

8.1 信息采集难度大

对京津地区实时地下水信息、水质信息的采集，资料的保证率有待进一步的提高及加强。需建立起一套完整的信息采集管理办法，对地下水信息要做到及时准确的采集和传输，对自动水质监测站的数据要实现即时采集，对水质观测数据要确定时间定时上传。

8.2 信息传输带宽不够

海委到潘家口水库的光纤线路目前为２ⅹ２兆，在同时进行多路信息传输时带宽不够，建议增加带宽，或增加部分卫星线路传输。如果开通潘家口水库到天津市于桥水库的微波线路，带宽问题可基本解决。

8.3 提高专业管理软件的科技水平

地下水模型及水质预测模型为本次开发项目的难点，随着科技技术水平的发展，建议要加强对其的研究。研究分析地下水演变规律和河道水库水质变化规律，对地下水和水质变化有更加深刻的认识，更好的服务于水资源调度管理。

8.4 加强系统功能

本系统中只对目前京津主要水源地水资源实施监控，对北京市、天津市的需水状况和未来用水趋势没有分析，尤其是2008年“南水北调”水量进入北京、天津后，水资源供需会发生变化。因此需增加用水分析预测功能，增加京津地区水资源调度决策支持和京津两省市联合调度决策支持的内容，使本系统成为不仅能实时监控水资源，又具有分析预测用水需求的京、津地区水资源决策支持系统。

8.5 系统运行维护问题

系统投入运行以后，涉及使用的单位较多，应建立起一套完整的运行管理办法和运行制度，做到专门部门管理、专人管理，确保系统的正常运行。本系统没有考虑后期系统运行管理费用，这样会给管理单位带来一定的负担，尤其是硬件系统维护费用较高，为确保系统的正常运行，建议每年筹集一部分资金用于运行管理。

8.6 尽快安排二期工程的实施

本项目一期工程只监控的地表水水库只有潘家口水库和密云水库，应尽快安排包括北京市官厅水库、天津市于桥水库等重要水源水库的实时监控项目（二期工程）的实施。确保今京津地区水资源的高效利用，使其发挥更大的作用。

9 结语

京津地区重要水源地水资源实时监控系统是水利部的一个试点工程，也是水利信息化建设的一个重点工程，此项工程的投入使用可有效地提高京津地区城市供水的保证率和水利自动化管理水平。水利信息化建设属于刚刚起步阶段，缺乏一定的经验，需要在今后的工作中进一步总结提高。今后需对本系统进行进一步的完善，要加强对系统的后期维护工作，使其发挥应有的作用，对全国类似水源地水资源实时监控工程起到重要的参考作用。

作者简介：

丛黎明 高级工程师

工作单位：水利部海河水利委员会水资源保护科学研究所