长江流域水资源保护信息化建设与发展

作者:周绍江 苏…    文章来源:人民长江    点击数:1995    更新时间:2011/7/2

摘要:流域水资源保护信息建设是实现水利现代化的重要组成部分。加强信息化建设有利于提高流域水资源保护管理的科学决策水平,也是实现水资源可持续利用、科学发展、和谐发展的必然选择。流域水资源保护信息化建设的主要内容包括监测信息的采集和传输建设、数据库系统与决策支持系统建设,以及各种水资源保护专业应用系统建设。回顾了近年来长江流域水资源保护信息化工作成果,并介绍了下阶段工作目标和发展方向。

关键词:水资源保护;信息化;系统建设;展望

中国分类号:TP39   文献标识码:A

1 水资源保护工作及其信息化需求

当前,治江事业的形势和任务发生了很大变化,国家将水资源保护工作摆上了重要位置,强调水是基础性的自然资源和战略性的经济资源。根据水利部“由传统的工程水利向资源水利、现代水利和可持续发展水利转变”新的治水思路,流域水资源保护管理正从过去以水质监测为主,向以流域水资源保护水行政管理为主转变。遵循科学发展观的要求,长江水资源保护工作以“维护健康长江,促进人水和谐”为基本宗旨,按照“在保护中开发、在开发中保护”的原则,针对水资源保护工作面临的实际问题,提出了近期工作思路,即:围绕水功能区管理这个中心任务,妥善处理好流域管理与区域管理、综合管理与专项管理两个关系;抓住排污口管理、取水许可水质管理、重点区域的水资源保护工作等3个重要环节;加强配套法规体系、执法监督能力、信息化和水资源保护示范工程等4个方面的建设来开展工作,为不断加强流域水资源保护工作奠定基础。

流域水资源保护的主要工作包括:水资源保护规划实施管理、流域水生态保护、排污总量控制与水域纳污能力管理、水功能区管理、饮水水源地保护管理、取水许可水质管理、入河排污口管理、省界水体水质监测、水污染事故应急监测、水资源保护信息发布等,其中对水功能区的管理是今后流域水资源保护机构依法行使政府管理职能的重点。

水资源保护是一项信息密集型工作,信息来源广泛,既有基础的水文、水质监测成果数据信息,也有汇集来自自然环境、社会经济乃至交通航运、工矿企业、城镇居民生活等方方面面的外界信息,面对突发性水污染事故,还要以最快的速度有效获取和传递这些信息,并加以科学合理的分析和处理,提出正确可行的解决方案。

面对流域社会经济发展对水资源保护的需求,如何来提高水资源保护综合管理水平和能力,首当其冲的就是要解决好流域水资源保护信息化建设问题。因此,必须十分重视信息化在水资源保护工作中的作用,通过采取现代化科技手段,广泛应用数据库、网络等计算机技术的最新成果,实现水质信息采集、传输与快速处理的现代化和自动化,对繁杂的水资源保护的常规信息及空间信息进行收集、整理,在互连互通和资源共享的前提下,充分利用各种信息资源,应用先进技术,加强对重点区域和重点对象的监控,及时关注突发性水污染事故和水污染纠纷,及时采集水资源保护信息,综合分析采集到的地理信息、数据信息、图像和视频等信息,通过应用软件构建虚拟工作环境,模拟水污染的变化趋势,组织专家进行远程会商;建立与水利部、长江水利委员会的信息渠道,为决策者快速提供准确和适时的信息;加强与地方水行政主管部门和各职能单位的联系,全面提高流域行政管理的水平,提高对全流域水环境监测、水资源保护监督管理的技术指导和组织协调工作,增强决策的科学性和准确性,提高快速反应能力。

2 信息化工作回顾

长江流域水资源保护信息化建设是一项系统工程,其核心目标是建立常规信息及空间信息的收集、处理系统,并与决策程序融合,建立人机交互的管理信息系统。流域水资源保护信息化建设的主要内容包括监测信息的采集和传输建设、数据库系统与决策支持系统建设,以及各种水资源保护专业应用系统建设。

近年来,长江流域水资源保护局以长江委行使的水资源保护管理职责为主线,已经开展了流域水资源保护信息化的初步工作,水资源保护的信息化建设呈现良好的发展势头。长江流域水资源保护信息化工作可以概括为:规划先行、完善网络、突出重点、技术保障。

2.1 合理规划、统筹兼顾

信息化规划是在流域水资源保护发展战略的指导下,在理解水资源保护发展战略目标和业务规划的基础上,诊断、分析、评估水资源保护管理工作和信息化建设现状,优化工作流程,结合所属行业信息化方面的实践经验和对最新信息技术发展趋势的掌握,提出水资源保护信息化建设的远景目标和战略,制定信息化系统的架构、确定信息系统各部分的逻辑关系,以及具体信息系统的架构设计、选型和实施策略,对信息化目标和内容进行整体规划,全面系统地指导信息化进程,充分利用所属单位的资源,协调推进信息技术的应用,以促进水资源保护发展战略目标的实现,满足水资源保护事业可持续发展的需要。

信息化规划在时间上的跨度一般是5-10a,需要定期根据面临的新环境、水资源保护事业的新发展和技术上的新趋势等因素对其做出调整和完善。2002年《长江水利委员会信息化规划》中水资源保护的信息化规划以长江流域水质监测与评价信息系统为主,已不能满足水资源保护工作的需要。长江流域水资源保护局利用此次规划修编,重新调整水资源保护信息化建设的思路,增加了流域水资源保护宏观规划管理、水功能区管理系统、监督管理系统、会商系统、决策支持系统等与水资源保护密切相关的业务应用,作为水资源保护信息化建设的基本纲领和总体指向,是信息系统设计和实施的前提与依据。

2.2 建立和完善信息采集网络

水环境监测与管理是一项涉及面广的系统管理工作,其主要作用是对不同来源的水质及相关水环境、水生态信息进行采集、处理和评价,全面反映水质现状,分析主要影响因素,研究其变化规律和发展趋势。

早在1985年,长江流域水资源保护局就在全国率先成立了以流域为单元的跨地区、跨部门的“长江水质监测网”。每年定期召开工作会议,经常兴办培训班,指导长江水质监测工作的开展。对监测站网的设置原则、站网规划与监测技术、资料整编等作出了统一规定。长江流域水环境监测网络不断完善,长江流域水环境监测中心与长江委水文局所属水环境监测中心、流域内19个省(自治区、直辖市)水环境监测中心开展了长期的水质监测工作。目前已有520多个主要监测站,近700年监测断面,基本覆盖了流域地表水体。多年来,获取了大量的监测数据和信息,建立了流域水质数据库,累计入库数据1500多万个。建立了长江流域水环境信息管理系统,按照管理要求科学地管理流域各类生态环境信息,建立与工作流程相一致的数据信息加工处理流程,把水质监测数据、水生态环境监测数据、统计评价模型与数据库、GIS有机地结合起来,实现流域水环境信息管理、查询和分析的空间化、可视化和图表化,提高环境管理和决策的科学性、可靠性、时效性。

2.3 突出重点,注重实效

在科学规划,统筹安排的基础上,围绕重点工作和信息综合反映要求高的工作为重点,长江流域水资源保护局开展了一系列工作。

1)三峡水质自动监测实验站。三峡水质自动监测实验站位于三峡大坝上游兰陵溪村江南沿江公路148km、三峡工程右岸电厂上游约45km处,20065月进入试运行阶段。三峡水质自动监测实验站是水利系统在长江干流建设的第一个水质自动监测站,它以在线自动分析仪器为核心,结合水质自动监测、系统集成控制、远程监控与传输等技术,组成一个综合性的实时水质自动监测系统。三峡水质自动监测实验站的建成,将进一步加强三峡库区水质监测和监测技术实验研究工作,加大库区水污染预警预报的力度,并为库区的水资源保护和管理提供科学依据。

该站水质自动监测系统主要由取水单元、配水单元及水样预处理单元、水质自动监测仪器、辅助系统、控制通讯及软件系统等部分组成。站房内安装有COD分析仪、氨氮分析仪、总磷总氮分析仪、溶解氧采样器等多种水质监测仪器设备,监测项目包括水温、pH值、溶解氧、浊度、电导率、高锰酸盐指数、氨氮、总磷、总氮以及叶绿素、藻蓝素共11项,监测项目多、精度高、稳定性好。各监测仪器的实时监测数据传输经控制单元处理后,可进行统计分析,自动生成日、周、月、季、年平均数据、最大值、最小值等的统计报告及图表(柱状图、曲线图、多轨迹图、对比图等),对异常数据发出预警警报。该站可以实现远程监控,自动向设在武汉的长江流域水环境监测中心传输水质监测数据,也可通过控制中心远程控制仪器设备运行。在20069月三峡库区156m蓄水期和2008175m试验性蓄水期间,为监控和研究蓄水期库区水质变化提供了大量的实时水质信息,及时反映了三峡水库坝前水体的水质状况、对水质变化及时做出预警预报。

2)网站与发布系统建设。长江流域水资源保护局网站始建于2002年,至今已经历数次改版。网站以反映长江流域水资源保护局工作为重点,面向广大关心长江水资源事业的群众,宣传水资源保护事业,水资源保护的政策法规,水利部和长江委的路线、方针、政策和治江新思路,实时反映水资源保护的动态,跟踪报道流域的水污染事故的处理情况,发布长江水资源质量公报等。利用国际互联网这个现代交互式传播媒介,加强了和群众的联系,起到了桥梁和纽带作用。

信息发布是网站的基本功能之一。长江流域水资源保护局网站定期向社会发布长江水资源质量公报、省界水体水质公报、水功能区水质通报等信息。为直观体现长江流域水资源保护信息,2005年,长江流域水资源保护局还尝试构建了基于WEBGIS的长江流域及西南诸河水资源保护信息发布系统。该系统能在Internet网上通过图形方式快速查询重点水质站的水质状况,可以按省界和水资源分区,单独显示指定的省份和水资源分区;能以图形方式查询当月长江水资源质量公报,查询长江干流及主要支流水质情况;流域内主要湖泊、水库水质情况;省界水体水质状况;主要城市供水水源地水质情况;以醒目的方式显示超标的重点监测站,并能绘出某一监测站当年的水质变化状况。

长江水资源保护科研所和长江流域水资源保护局丹江口局也制作了自己的网站。与此同时,一个面向长江流域水环境监测技术人员的专业技术型网站--长江流域水环境监测网网站与在开发试用中,围绕水质检测、质量控制、统计评价、数据分析和技术培训等方面内容,搭建起一个交流平台,力图从整体上提高流域监测技术水平和管理水平,形成流域水环境监测中心与各省市区水环境监测中心之间的良好沟通渠道。

3)长江流域水资源保护监督管理系统。全球地理信息系统搜索软件Google Earth打破了传统空间信息技术的思维定式,提供了高清晰度的遥感图像、简捷清晰的空间信息表达方法、灵活方便的操作和标准开放的体系架构。为流域的水资源保护信息化建设提供了新的解决思路和技术手段。长江流域水资源保护局将Google EarthSQL数据库结合,开发了长江流域水资源保护监督管理系统。该系统充分应用Google Earth的查询检索功能,可快速、直观地搜索长江干流的排污口、水功能区的相关信息。目前该系统正在不断地完善中。

2.4 加强关键技术研究,提供管理保障

近年来,长江流域水资源保护局在信息化建设中开展了一些探索性和示范性研究,并取得了一定的成效。模拟预测技术方面,采取二维模拟技术完成了丹江口库区、三峡库区重庆江段、长寿江段、涪陵江段、万州江段、三峡坝区江段以及开县小江江段的水质预测模拟研究;完成了整个三峡库区600多千米的一维水质预测研究,在水质预测预报技术方面奠定了良好的基础。

在系统关键技术研究方面也取得了突破,为突发水污染事件应急管理系统建设起到关键性的技术保障,运用了GISRS、网络、三维仿真及虚拟现实等高新技术、集成水动力学、污染物迁移扩散等方面的众多模型,在三维虚拟环境中动态模拟突发性水污染扩散情况,并可通过模型的计算获得任一时刻任一位置的水位、流畅及浓度数据,为应急方案的制定提供可靠的数据支持。如以三峡万州段为例开展突发水污染事件应急管理系统关键技术研究,取得了阶段性成果,建立了万州段平面二维水质模型,可模拟库区水域突发性水污染物扩散过程,从时间和空间上对突发水污染滞件进行预警预报,并计算不同时段不同区域水质状况,实现了三维虚拟环境的交互式可视化系统与二维GIS系统的无缝结合,根据水质预测结果和相关水质标准,对水体水质进行分级,并以不同颜色代表不同级别的水质状况,动态显示和统计分析污水团演进变化过程与污染影响范围。

开展的长江流域水资源保护决策支持系统关键技术研究,主要是以GIS数据管理为主线,集成了GIS地图编辑功能和SQL数据查询管理功能,涵盖了地理信息、水环境信息、监测站信息等多种处理信息,以提供信息资源的查询检索,及对信息进行直观可视化分析,除满足水质监测数据管理、水质统计评价的需要外,还为水功能区管理、取水口管理、排污口管理和突发性污染事故管理等系统提供数据支撑。该系统以汉江流域为例,根据水资源保护工作流程,在决策支持系统架构以及GIS与数学模型有效结合等方面进行了探索性研究。

3 未来发展

虽然长江流域水资源保护信息化工作取得了初步进展,但与当前维护“健康长江,把好第一道防线”的要求差距较大。在信息的采集方面,采集手段落后,难以获取实时管理信息。在计算机网络通讯方面,缺乏畅通的信息传输渠道,网络体系的机动性和互补性功能较差。在应用系统建设方面,决策支持体系尚未建立,管理信息资源共享性差,从资料收集到模型选择、数据计算等自动化程度低,处理突发性水污染事故机动能力和应急能力差,水资源保护信息化建设工作有待进一步提高。

长江流域水资源保护信息化建设的总体构想是,最终建成以信息采集为基础,综合数据库建设为纽带,以虚拟现实技术为表现手段的综合性信息化工程系统。它对流域现有各类水资源保护信息化资源进行充分集成和整合,将各省界、重要水源地、入河排污口等水资源监测中心与长江流域水资源保护局水资源保护监控中心连接起来;加强办公自动化建设,实现局属各单位办公自动化;加强水资源保护应用系统建设,解决水量、水质等基础信息的自动采集、传输和分析决策,最终实现长江流域在线监测、系统仿真、实时监控和水资源优化配置,提高流域水资源保护工作对政府的支持能力和水资源保护信息的社会化服务能力;全面开发水资源保护信息资源,健全信息化管理体制,形成水资源保护信息化的法规、标准规范和安全框架。下一阶段长江流域水资源保护信息化工作要继续按照总体思路和信息化规划做好以下几项工作。

3.1 继续完善标准化体系建设和制度建设

信息化标准建设是水资源保护信息化保障环境的重要组成部分,是全面推进水利信息化支撑和重要基础,也是避免重复建设、保证信息共享的迫切要求。为了保证水利信息化建设的顺利实施,对已建信息化项目实施有效的管理,目前要加快流域水资源保护信息化急需标准的制订工作,如水资源实时监控系统信息采集及处理技术标准,水资源数据库标志符等;在流域水资源保护信息化过程中重视标准的运用,尽早使流域水资源保护信息化建设走上规范化的轨道。

信息化制度建设是信息化建设工作的基础和保障,完善水资源保护信息化建设的制度并有效地执行是实现水资源保护管理信息化的先决条件。只有建立完善的水资源保护信息化工作制度,才能确保在信息化建设和应用过程中做到分工明确、责任到人,才能为实施信息化及后期应用提供行动纲领和行动准则。也只有有力地执行水资源保护信息化工作制度,才能确保信息化建设的有序进行,确保信息化建设与应用规范管理。

3.2 加强业务系统建设

1)基础网络系统。继续完善网络建设,通过有线与无线、局域与广域方式相结合,建成安全、可靠、快速的信息网络,上连长江委、水利部、国家基础信息数据中心,内连局属科研所、流域监测中心、上海局、丹江局局域网,外连流域内各省、自治区、直辖市水行政管理部门,水质自动监测站,移动实验室的安全网络体系,实现各类信息自动传输。

2)信息采集系统。实现水质自动监测、移动监测、遥感监测、部分动态监测站自动和人工相结合方式的水质信息采集,实现流域中心主要大型监测仪器水质信息的自动采集;流域内常规水质监测站、省界水质监测站水质信息、水资源质量公报等水质信息实现自动转换、自动输入。

3)数据库系统。建立标准化、规范化、完善的水资源保护与管理数据库体系,完成长江流域水质数据库由小型数据库向大型数据库的转换工作;建立流域中心实验室信息管理系统数据库、水污染事故应急监测和自动监测站实时数据库;根据现有资料,建立包括流域基础生态环境信息库、水功能区数据库、方法库、标准与法律法规数据库等,实现数据查询、编辑、更新、转换、维护、分析、管理和信息发布。

4)业务应用系统。建成完善流域地表水和地下水水质评价系统、水功能区管理系统、取水口与入河排污口管理系统、水资源保护监督管理系统、信息发布系统等,实现行政管理的各个业务应用系统与决策支持的无缝连接,并能根据管理的要求与发展,扩展业务应用系统。

5)决策支持系统与会商系统。初步建成由数据库系统支撑层、各个业务应用分析层和人机交互层的三层结构的基本决策支持系统,具有简单数学模型、决策分析、统计分析和专家经验的初步决策,实现与有关业务应用系统的无缝连接或独立分别运行,满足水功能区管理、入河排污口管理、取消许可水质管理以及相关行政审查审批基本要素的决策要求,为水资源先生管理(包括水资源优化配置管理)和各项政策的制度提供科学和合理的决策依据;能根据各项技术的进步与发展更新技术,并能方便快捷地扩展决策支持模型、知识库与方法库等。基本建成与长江委有关单位的视频沟通和包含重要水域GIS或三维可视化平台的会商系统;完成典型多发性水污染事故类型的预案库、方法库、知识库的建立;对供水安全构成威胁的敏感点、水域等做出快速判断;应急监测信息能及时反应到会商平台上。并能通过长江委信息管理系统实现水污染灾情缓解水量调配以及生态用水调配的方案快速制定、实施、监督和指挥。

3.3 加强科技创新,加快新技术应用

继续开展水质模型与GIS的集成研究。流域水质模型包括二维、三维、可变界、有限差分法、有限元法等一系列数学水质模型,是分析和预测流域水质的有效途径,但传统的数学模型建设周期长,计算结果表达效果差。随着地理信息系统、遥感等空间信息技术的深入应用,GIS中复杂的图层叠加分析功能和其他空间分析功能模拟模型参数的自动获取成为可能,并为流域模拟模型自动构模提供基础,还可对流域的模拟结果进行可视化表达。加强水质模型与GIS的集成研究是提高流域水资源保护管理的重要手段。

开展遥感技术在水资源保护中的应用研究。加强卫星遥感技术和低空遥感技术在流域水资源保护中的应用研究,尤其是遥感技术在水资源监测和水资源生态、环境调查,以及大型水利工程建设中的分析评价中的应用研究,是提高流域水资源保护监测管理的重要手段。

在流域水资源保护信息管理系统中增加空间数据挖掘的功能,在大量的非结构化的空间数据中,发掘出隐含的、潜在有用的空间特征和空间模式,实现空间信息、空间关系、空间分布规律的自动分析、归纳、判断,克服目前较多依赖于人机交互、无法充分发挥计算机处理能力的弊病,实现海量数据的智能化处理。

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