王向陽

一、引言

2011年中央1號文件、2012年國務(wù)院3號文件均明確提出實行最嚴(yán)格水資源管理制度。要求確立水資源開發(fā)利用控制紅線和用水效率控制紅線，強化用水需求和用水過程管理。本文在全面梳理安徽省用水大戶現(xiàn)狀及信息系統(tǒng)建設(shè)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，以提高節(jié)水管理部門業(yè)務(wù)管理信息化水平為目標(biāo)，分析研究適應(yīng)安徽省的節(jié)約用水精準(zhǔn)監(jiān)測監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)，使得用水戶監(jiān)控體系能夠及時、準(zhǔn)確、全面地掌握全省重點用戶的用水狀況，提高用水戶精細(xì)化和規(guī)范化管理水平。

二、安徽省節(jié)水監(jiān)測現(xiàn)狀

（一）節(jié)水監(jiān)測的含義

節(jié)約用水監(jiān)測監(jiān)控主要是針對重點用水大戶的用水量進(jìn)行監(jiān)測與監(jiān)控，以促進(jìn)其節(jié)約用水。

（二）安徽現(xiàn)狀節(jié)水監(jiān)測問題

2021年1月—2022年2月，項目組走訪了安徽16家主要的農(nóng)業(yè)、工業(yè)節(jié)水用水監(jiān)測點，從實地走訪調(diào)研的情況來看，目前重點用水監(jiān)控單位均具備計量、在線監(jiān)測措施，數(shù)據(jù)回傳監(jiān)測在技術(shù)上已成熟應(yīng)用，但仍存在以下問題：

1.計量精度低

目前大多數(shù)管網(wǎng)使用的仍然是機械轉(zhuǎn)子式流量計，由于設(shè)備老化、計量精度低、電池電量不足、信號傳輸不暢等因素，監(jiān)控系統(tǒng)無法及時準(zhǔn)確自動獲取計量儀表的計量數(shù)據(jù)。此外還存在口徑量程和流量變動狀況的匹配程度差（如小表大用、大表小用等計量儀表型號及量程和實際流量失配情況）、偷盜水現(xiàn)象嚴(yán)重、人情水和關(guān)系水現(xiàn)象時有發(fā)生等情況，導(dǎo)致真實的用水規(guī)律不詳?shù)取?/p>

由于灌區(qū)多為明渠取水，所使用的計量表基本上是傳統(tǒng)的浮子式水位計，并根據(jù)水位換算成流量。這種計量器具結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高，但存在計量誤差較大、安裝時校準(zhǔn)及標(biāo)定難度大成本高等問題。

2.部分用水單位仍采用人工抄表

用水大戶使用的計量儀表一般比較分散，人工抄表費用高、效率低、時間滯后、容易出錯，無法有效監(jiān)督非正常用水和人為破壞計量儀表的情況。計量儀表如發(fā)生損壞、停表、碎表、漏水等故障，不能及時發(fā)現(xiàn)，往往要到下一次人工抄表時才可能發(fā)現(xiàn)，造成水資源的浪費。

3.智能化數(shù)據(jù)處理技術(shù)缺乏

在當(dāng)前云計算等新技術(shù)蓬勃發(fā)展的趨勢下，已經(jīng)建立了各級用水監(jiān)管系統(tǒng)，但是如何通過智能化的手段對這些監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析尚待進(jìn)一步研究。

三、節(jié)水監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)分析

根據(jù)當(dāng)前安徽省主要用水大戶實施精準(zhǔn)監(jiān)測監(jiān)控所面臨的困難，梳理國內(nèi)現(xiàn)有相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，就每個關(guān)鍵技術(shù)在節(jié)水監(jiān)測監(jiān)控應(yīng)用中的實施途徑和實施條件進(jìn)行論述。

（一）用水量精準(zhǔn)計量

1.新安裝設(shè)備

針對新安裝設(shè)備需求，首先要進(jìn)行計量儀表的選型分析，沒有一種計量儀表從性能和價格適合所有類型大用戶，需要根據(jù)用水變化規(guī)律來合理選擇計量儀表。其次，還需對流量計的口徑及量程與流量進(jìn)行匹配分析，大表小流量、小表大流量等實際流量和水表量程失配的情況將會影響用水計量精度。

2.傳統(tǒng)機械式計量設(shè)備

更換傳統(tǒng)機械式計量設(shè)備比較困難的，可以將其改造成電子式遠(yuǎn)傳水表，或者改造成基于圖像識別的攝像遠(yuǎn)傳水表，相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品比較成熟，成本也比較低廉。

（二）基于空天遙感技術(shù)

基于衛(wèi)星或者飛機的遙感技術(shù)以及視頻測流技術(shù)，可以在合理規(guī)劃節(jié)水灌溉工程、實時監(jiān)測灌溉情況、優(yōu)化水資源的配置方面為農(nóng)業(yè)節(jié)水工程提供幫助?；诳仗爝b感技術(shù)的節(jié)水灌溉具體實施步驟如下：

首先充分利用無人機低空遙感技術(shù)手段，在研究工作區(qū)土壤、水文、作物等各要素的遙感光譜特征基礎(chǔ)上，建立遙感色彩、形狀、影紋、地形地貌等解譯標(biāo)志，然后構(gòu)建灌區(qū)農(nóng)作物的光譜影像解譯方法及技術(shù)規(guī)程。在確定最佳監(jiān)測波段的基礎(chǔ)上，構(gòu)建科學(xué)合理、簡便高效的光譜影像解譯方法及技術(shù)規(guī)程，這也是準(zhǔn)確獲取農(nóng)作物生長過程中最具價值作物信息的關(guān)鍵。再經(jīng)過解譯，與農(nóng)作物的各項生理生化指標(biāo)建立對應(yīng)關(guān)系。最后建立以肥、水、農(nóng)作物產(chǎn)量及品質(zhì)為核心的耦合模型和技術(shù)，生成高效灌溉種植制度，達(dá)到節(jié)水灌溉的目標(biāo)。

（三）低功耗無線數(shù)據(jù)傳輸

低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為自動抄表提供了便利，且節(jié)省人工成本?？筛鶕?jù)不同的場景設(shè)計不同的安裝和傳輸方式。

針對井內(nèi)無電、潮濕的環(huán)境，需要將無線傳輸模塊隱蔽安裝在井內(nèi)，并采用電池供電，防止被盜被破壞，抄表終端每天定時采集、上報流量數(shù)據(jù)，監(jiān)控中心自動接收、存儲各測點抄表數(shù)據(jù)。

針對水計量裝置安裝在露天的情況，可以采用市電或者太陽能為數(shù)據(jù)采集和無線傳輸系統(tǒng)供電。

針對井內(nèi)、井外都有水計量裝置的情景，采用接力方式抄表。

（四）管網(wǎng)漏損識別定位

目前，安徽平均管網(wǎng)漏損率約為15%以上。傳統(tǒng)管網(wǎng)漏損識別定位方法總體分為設(shè)備法和模型法兩類，主要包括基于CNN-LSTM的管網(wǎng)漏損識別定位、Bi-LSTM模型、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)三種，實際應(yīng)用中選擇方法取決于管道特性、流體種類、外部環(huán)境和成本等因素。

（五）智能壓力管理

壓力管理即在保證用戶正常用水的前提下，通過加裝調(diào)壓設(shè)備，根據(jù)用水量調(diào)節(jié)管網(wǎng)壓力至最優(yōu)的運行條件。采取壓力管理方法，確保供水管網(wǎng)滿足用戶壓力需求的前提下降低管網(wǎng)的富余壓力，可大大降低管網(wǎng)由于壓力過高造成漏失的頻率。另外，壓力管理還可以有效降低爆管事故發(fā)生的概率，延長管道的使用壽命。壓力管理可采用的技術(shù)手段有多種，常見的形式有分區(qū)管理、安裝減壓閥、水泵控制、閥門水泵協(xié)同控制等。

（六）用水量預(yù)測

用水量預(yù)測就是通過分析歷史用水量數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，綜合考慮經(jīng)濟、社會、環(huán)境、氣候等因素，利用經(jīng)驗的、科學(xué)的或系統(tǒng)的數(shù)學(xué)方法等，在符合一定精度要求的前提下，對未來某段時間內(nèi)的用水量進(jìn)行預(yù)測。用水量預(yù)測是供水管網(wǎng)系統(tǒng)計算、分析和優(yōu)化調(diào)度的前提和基礎(chǔ)，可作為供水管網(wǎng)智能調(diào)度、異常報警的依據(jù)，便于及時發(fā)現(xiàn)漏損、排查及檢修，增加管網(wǎng)安全性和可靠性。用水量預(yù)測模型主要包括基于統(tǒng)計理論的預(yù)測方法、基于傳統(tǒng)人工智能的預(yù)測方法和基于組合模型的預(yù)測方法。主要包括間序列分析法、回歸分析法、自回歸整合移動平均模型（ARIMA）、基于LSC-DBN的用水量預(yù)測等。

（七）基于互聯(lián)網(wǎng)的節(jié)水潛力預(yù)測

節(jié)水潛力預(yù)測所依托的數(shù)據(jù)包括由監(jiān)控系統(tǒng)、各類傳感器獲得的水務(wù)基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)和共享數(shù)據(jù)，這類數(shù)據(jù)獲取時延大、分辨率低、不確定性高。應(yīng)引入水利新聞、媒體報告、媒體社會監(jiān)控數(shù)據(jù)等互聯(lián)網(wǎng)多源數(shù)據(jù)，通過邊界條件進(jìn)行大數(shù)據(jù)初步分類，降低數(shù)據(jù)量級；通過自動文本聚合、摘要和排序進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗、關(guān)鍵詞提取，以提高節(jié)水潛力預(yù)測系統(tǒng)的預(yù)測能力和應(yīng)急能力。結(jié)合“互聯(lián)網(wǎng)+”背景，應(yīng)將互聯(lián)網(wǎng)多源數(shù)據(jù)獲取、大數(shù)據(jù)處理和基于深度學(xué)習(xí)的預(yù)測技術(shù)結(jié)合，形成數(shù)據(jù)獲取、處理、預(yù)測的閉環(huán)。同時面向公眾關(guān)心的節(jié)水熱點問題，形成節(jié)水水務(wù)社會化服務(wù)數(shù)據(jù)的收集、處理、預(yù)測、發(fā)布“一體化”模式。通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)獲取，構(gòu)建應(yīng)用架構(gòu)，實現(xiàn)底層數(shù)據(jù)監(jiān)測和節(jié)水潛力預(yù)測模型的無縫集成。

四、總結(jié)

近年來，物聯(lián)網(wǎng)、遙感技術(shù)、大數(shù)據(jù)、GIS地理信息系統(tǒng)等新技術(shù)發(fā)展迅猛，綜合利用多種新型技術(shù)，對水資源使用的各環(huán)節(jié)實現(xiàn)即時精準(zhǔn)監(jiān)測管理，并利用云端智能算法分析找出節(jié)水工作中潛在的漏洞和改進(jìn)措施建議，對于進(jìn)一步推進(jìn)水資源高效利用具有重要意義。

本文以提高安徽省節(jié)水管理信息化水平為目標(biāo)，梳理當(dāng)前用水監(jiān)測監(jiān)控狀況，并在此基礎(chǔ)上分析節(jié)約用水精準(zhǔn)監(jiān)測監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)，為提高用水戶精細(xì)化和規(guī)范化管理水平，并為實施最嚴(yán)格水資源管理制度、實現(xiàn)用水總量控制、提高用水效率、建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)節(jié)水型社會提供決策支撐