（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(qū)”是國家為防止飲用水水源地污染、保證水源地環(huán)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(qū)分為一級和二級保護區(qū)，必要時還可在飲用水水源保護區(qū)外圍劃定一定的區(qū)域作為準保護區(qū)。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(qū)，對不同級別的飲用水水源保護區(qū)采取相應的保護管理措施［1］。

當前，關于飲用水水源保護區(qū)的研究主要集中于保護區(qū)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(yè)都朝著智能化、智慧化方向發(fā)展，而飲用水水源保護區(qū)當前的監(jiān)管服務建設還停留在傳統(tǒng)方式，關于飲用水水源保護區(qū)監(jiān)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(qū)直接關系到人民的飲用水安全問題，對于它的監(jiān)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(qū)監(jiān)管成為“河長制、湖長制”管理的重要組成部分，更為監(jiān)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(jiān)管支撐體系，加強飲用水水源地的監(jiān)測監(jiān)控、預警預測與應急處理能力，實現飲用水水源地監(jiān)控預警和動態(tài)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(jiān)管水平［3］。

1 研究區(qū)概況與系統(tǒng)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(jié)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(fā)電，并為區(qū)域扶貧開發(fā)及改善生態(tài)環(huán)境創(chuàng)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(qū)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(jié)水庫，灌區(qū)現有小型水庫囤蓄，黔西灌區(qū)控制節(jié)點高程1 250 m；畢節(jié)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(qū)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(qū)供水。

當前，夾巖工程建成后的飲用水水源保護區(qū)所面臨的主要水環(huán)境問題為缺乏大范圍、宏觀層面的實時、全天候有效監(jiān)測手段。建立夾巖工程集中式飲用水水源保護區(qū)監(jiān)管信息系統(tǒng)，需要以水源地所面臨的主要水環(huán)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(tài)等多項指標進行多維分析與模型分析，利用3S技術常態(tài)化監(jiān)測水源地的水環(huán)境時空內部結構變化情況，并結合視頻監(jiān)控和日常巡查系統(tǒng)，實現整個水源地全方位、全天候、實時動態(tài)監(jiān)測預警和指揮調度信息化管理平臺。該系統(tǒng)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(jiān)管能力［4］。

夾巖水利樞紐工程集中式飲用水水源保護區(qū)監(jiān)管信息系統(tǒng)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(jiān)管支撐體系建設

2.1 基于物聯網的監(jiān)測監(jiān)控體系

夾巖水利樞紐工程集中式飲用水水源保護區(qū)基于物聯網的監(jiān)測監(jiān)控體系，主要包括水質監(jiān)測、水雨情測報、視頻監(jiān)控、水土保持監(jiān)測、蒸發(fā)量監(jiān)測、下放生態(tài)流量監(jiān)測、日常巡查監(jiān)管、泵站監(jiān)控及閘門監(jiān)控等（見圖1），涵蓋了溫度、濕度、水質、氣象、水雨情、流量、蒸發(fā)量、水庫運行狀況、視頻圖像或圖片等監(jiān)測因子。通過建設（或集成）監(jiān)測監(jiān)控體系，形成工程數據中心，為飲用水水源地安全監(jiān)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(jiān)測監(jiān)控體系

2.2 基于多因子的水源地安全監(jiān)測評價指標體系

2.2.1 水源地重要區(qū)域及敏感帶區(qū)劃監(jiān)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(jiān)測結果，并計算多期監(jiān)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(qū)內的人工干擾易發(fā)區(qū)。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(qū)水體污染易發(fā)區(qū)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(qū)域劃分評價體系，通過動態(tài)監(jiān)測獲得動態(tài)的飲用水水源保護區(qū)污染關鍵區(qū)域，對其進行重點關注和監(jiān)控，保證整個水源保護區(qū)的飲用水安全［5］。

圖2 水源地重要區(qū)域及敏感帶區(qū)劃

2.2.2 基于景觀指數的水源地生態(tài)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(qū)生態(tài)安全分析模型體系，搭建飲用水源地保護區(qū)生態(tài)安全分析和監(jiān)測系統(tǒng)，通過信息化系統(tǒng)直觀展示水源地保護區(qū)的生態(tài)安全狀況。主要的景觀分析方法包括：生態(tài)安全景觀多樣性指數、生態(tài)安全景觀優(yōu)勢度指數、生態(tài)安全景觀均勻度指數、生態(tài)安全景觀破碎化指數、生態(tài)安全景觀聚集度指數、生態(tài)安全景觀分維度指數和生態(tài)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(yōu)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(yōu)勢度越??；景觀的優(yōu)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(tài)系統(tǒng)內廊道（公路、鐵路、堤壩、溝渠）的總長度；Si為i類生態(tài)系統(tǒng)的總面積；Ni為i類生態(tài)系統(tǒng)類型的自然度。

2.2.3 基于3S的時空動態(tài)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(qū)域按重要程度定時定點進行常態(tài)化的遙感面向對象的解譯和相關水質參數反演監(jiān)管。通過建立基于GIS的分析預測系統(tǒng)，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(tài)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(tài)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(qū)自動監(jiān)測預警及視頻監(jiān)控系統(tǒng)、污染關鍵區(qū)識別及遙感監(jiān)測預警系統(tǒng)和生態(tài)安全分析及監(jiān)測系統(tǒng)［8］的基礎上，對整個保護區(qū)的監(jiān)測監(jiān)控達到全方位覆蓋、重點區(qū)域長效實時監(jiān)測的目標。需要在此基礎上建立基于“一張圖”的水源保護區(qū)應急指揮調度系統(tǒng)，有針對性地解決發(fā)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(zhàn)的目的［9］。

3 系統(tǒng)設計與實現

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

信息系統(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)，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(tǒng)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(huán)保、水利現有的視頻和未來增設的視頻；可采集環(huán)保、水利現有信息系統(tǒng)平臺的數據。首先需要按照相關的標準規(guī)范體系進行分析集成現有數據，可在重要區(qū)域補充建設。

（2）網絡通信層。主要包括網絡系統(tǒng)與通信系統(tǒng)。網絡系統(tǒng)為該信息化系統(tǒng)各平臺及平臺中的各節(jié)點間提供數據交換網絡通道。網絡系統(tǒng)承載在通信傳輸系統(tǒng)上，即由通信傳輸系統(tǒng)為網絡系統(tǒng)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(tǒng)主要由程控交換系統(tǒng)、通信傳輸系統(tǒng)、時鐘同步及通信綜合網管系統(tǒng)、通信管道、通信光電纜等部分組成。

圖4 系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)及數據備份系統(tǒng)3部分組成。共享數據包括：水源保護區(qū)涉水要素數據、生態(tài)環(huán)保廳的水質在線監(jiān)測數據、農業(yè)農村廳的規(guī)?；B(yǎng)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(fā)改委生態(tài)保護紅線數據、住建、林業(yè)等其他廳局相關數據。

（4）應用支撐層。連接數據中心和業(yè)務應用的橋梁，實現資源的有效共享和應用系統(tǒng)的互聯互通，為應用系統(tǒng)的功能實現提供技術支持、多種服務及運行環(huán)境，是實現應用系統(tǒng)之間、應用系統(tǒng)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(tǒng)一用戶認證、統(tǒng)一權限管理、GIS引擎、大數據分析等服務或組件。

（5）業(yè)務應用層。以水源保護區(qū)管理部分為目標，建立飲用水水源地保護區(qū)自動監(jiān)測預警及視頻監(jiān)控系統(tǒng)建設、飲用水水源地保護區(qū)污染關鍵區(qū)識別及遙感監(jiān)測預警系統(tǒng)建設、飲用水水源地保護區(qū)生態(tài)安全分析及監(jiān)測系統(tǒng)、飲用水水源地保護區(qū)應急監(jiān)測處置系統(tǒng)、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(qū)信息、實時監(jiān)控信息，應急指揮調度及系統(tǒng)的日常維護。指揮中心的主要組成由指揮調度視頻系統(tǒng)、大屏幕顯示系統(tǒng)、圖像拼接控制器、高清視頻矩陣、管理電腦、音響系統(tǒng)、防雷接地等組成。

（6）標準規(guī)范體系。建立完善的信息化標準規(guī)范體系，整理、編制一套符合飲用水水源保護“智慧化監(jiān)管”云平臺的標準規(guī)范，為各部件、各環(huán)節(jié)、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(guī)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(guī)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(guī)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(tǒng)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(qū)監(jiān)管信息系統(tǒng)以“信息化全過程智慧化監(jiān)管”的理念為建設目標，能夠全面感知工程自然系統(tǒng)（水質、水情、環(huán)境）和人工系統(tǒng)（重要取水口等水工建筑物）的運行態(tài)勢?；谝惑w化平臺實現集中遠程監(jiān)視、遙感反演、在線監(jiān)測等，構建水源保護區(qū)管理、綜合監(jiān)控監(jiān)測、應急預警等業(yè)務功能，貫徹于水源保護區(qū)運行管理的各個環(huán)節(jié)，實現了保護區(qū)全周期、全業(yè)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(qū)有序、健康、和諧發(fā)展。

系統(tǒng)以現地測控系統(tǒng)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(tǒng)一處理，并存入實時數據庫；構建統(tǒng)一的數據共享平臺，統(tǒng)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(tǒng)一數據平臺中的數據進行專業(yè)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(jiān)控監(jiān)測應用，并在此基礎上實現綜合監(jiān)控監(jiān)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(guī)范體系，為全面提高工程各項業(yè)務的處理能力、實現水源保護區(qū)保護和管理提供強有力的支撐。