尹自文,王立權(quán),劉 巖,王龍飛 ,韋力方

(1.黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院,哈爾濱 150080;2.黑龍江省水利科學(xué)研究院,哈爾濱 150080)

0 引 言

中國水資源人均占有量不足世界的1/4,而黑龍江省水資源擁有量在全國僅處于中游水平,但用水量居于全國前列,且取用水計量率不高,水資源短缺己嚴(yán)重影響黑龍江省國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展。為了節(jié)約和保護(hù)水資源,國家相繼出臺了一系列政策文件,如:《關(guān)于加快水利改革發(fā)展的決定》(中發(fā)〔2011〕1號)、《國務(wù)院關(guān)于實行最嚴(yán)格水資源管理制度的意見》(國發(fā)〔2012〕3號)和《黑龍江省河湖長制辦公室 黑龍江省水利廳關(guān)于進(jìn)一步深化取用水管理專項整治行動強(qiáng)化 取水監(jiān)測計量設(shè)施建設(shè)的通知》(黑河辦字〔2021〕15號)等。隨著國家水資源監(jiān)控能力建設(shè)一期、二期以及黑龍江省水資源監(jiān)控能力建設(shè)一期工程的建成,全省水資源監(jiān)控能力顯著提升,但由于黑龍江省用水量大,用水戶多且分散等特點,實際用水計量仍然無法滿足水資源管理的需求。

為進(jìn)一步做好取用水計量工作,2021年水利部印發(fā)了《水利部關(guān)于強(qiáng)化取水口取水監(jiān)測計量的意見》(水資管〔2021〕188號)(以下簡稱《意見》),要求“到2023年,基本建成較為系統(tǒng)、完整的取水口取水監(jiān)測計量體系,非農(nóng)業(yè)取水口和大中型灌區(qū)渠首取水口計量全覆蓋,取水量計量率和在線計量率明顯提高,監(jiān)測計量設(shè)施滿足相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范要求,信息平臺建設(shè)和數(shù)據(jù)共享得到有效提升,能夠及時、準(zhǔn)確、全面掌握地表水、地下水等水源取水以及各領(lǐng)域用水情況,有力支撐水資源監(jiān)管工作”[1]。為貫徹《意見》要求,黑龍江省水利廳以黑龍江省取用水管理專項整治行動核查系統(tǒng)(以下簡稱“專項整治系統(tǒng)”中登記的取水設(shè)施相關(guān)數(shù)據(jù)編制了《黑龍江省取水口監(jiān)測計量體系建設(shè)實施方案》,并根據(jù)總體建設(shè)目標(biāo),制定“黑龍江省各地市取水監(jiān)測計量2021—2023年度實施進(jìn)度,其中2021年計量率達(dá)到25%;2022年計量率達(dá)到65%;2023年計量率達(dá)到100%”的項目建設(shè)目標(biāo)。

文章按照水源類型、取水規(guī)模、取水用途、工程類型等類別對哈爾濱市取水口數(shù)量及取水量進(jìn)行分類統(tǒng)計,并通過?；鶊D對哈爾濱市66241個取水口監(jiān)測情況進(jìn)行可視化分析,闡述取水口及其監(jiān)測計量現(xiàn)狀3和問題,分析哈爾濱市2021—2023年取水口及其監(jiān)測計量的任務(wù)與目標(biāo)[2]。

1 理論方法

數(shù)據(jù)可視化技術(shù)的基本思想,是將數(shù)據(jù)庫中每一個數(shù)據(jù)項作為單個圖元元素表示,大量的數(shù)據(jù)集構(gòu)成數(shù)據(jù)圖像,同時將數(shù)據(jù)的各個屬性值以多維數(shù)據(jù)的形式表示,可以從不同的維度觀察數(shù)據(jù),從而對數(shù)據(jù)進(jìn)行更深入的觀察和分析。主要是借助于圖形化手段,清晰有效地傳達(dá)與溝通信息。數(shù)據(jù)可視化領(lǐng)域的起源,可以追溯到20世紀(jì)50年代計算機(jī)圖形學(xué)的早期。1987年,由布魯斯·麥考梅克、托馬斯·德房蒂和瑪克辛·布朗所編寫的美國國家科學(xué)基金會報告《Visualization in Scientific Computing》(意為“科學(xué)計算之中的可視化”) ,對于這一領(lǐng)域產(chǎn)生了大幅度的促進(jìn)和刺激。常用的五種可視化分析的方法包括:面積、尺寸可視化;顏色可視化;圖形可視化;地域空間可視化;概念可視化[3]。文章首先采用地域空間可視化方法展示哈爾濱市現(xiàn)有取水口分布以及在接下來三年內(nèi)實現(xiàn)計量率達(dá)到100%的取水口新建改建任務(wù)規(guī)劃圖,再采用基于桑基圖的面積、尺寸可視化方法分析哈爾濱市取水口監(jiān)測數(shù)量和取水口監(jiān)測水量現(xiàn)狀。

桑基圖(Sankey diagram),即?；芰糠至鲌D,也叫桑基能量平衡圖。它是一種特定類型的流程圖,右圖中延伸的分支的寬度對應(yīng)數(shù)據(jù)流量的大小,通常應(yīng)用于能源、材料成分、金融等數(shù)據(jù)的可視化分析。因1898年Matthew Henry Phineas Riall Sankey繪制的“蒸汽機(jī)的能源效率圖”而聞名,此后便以其名字命名為“?；鶊D”。文章通過?；鶊D展示取水規(guī)模、取水用途、計量設(shè)施類型之間的組成和占比關(guān)系,分析了哈爾濱市取水口監(jiān)測計量目前存在的問題,并對哈爾濱市未來三年的取水口建設(shè)目標(biāo)與任務(wù)進(jìn)行分析。按照《意見》要求取水規(guī)模按非農(nóng)業(yè)和農(nóng)業(yè)分別確定,非農(nóng)業(yè)取水按照達(dá)到地表水年許可水量50萬m3及以上、地下水年許可水量5萬m3及以上的非農(nóng)業(yè)取水口為規(guī)模以上取水口;農(nóng)業(yè)取水按照設(shè)計灌溉面積3333hm2以上的大中型地表水灌區(qū)渠首取水口以及管徑20cm以上的農(nóng)業(yè)灌溉機(jī)井為規(guī)模以上取水口。取水用途分為工業(yè)自備、農(nóng)業(yè)灌溉、農(nóng)飲工程、城鎮(zhèn)供水、服務(wù)業(yè)和其他用水。計量設(shè)施包括水表,流量計(超聲波流量計和電磁流量計),明渠測流和其他[4-5]。

2 取水口及其監(jiān)測計量現(xiàn)狀

2.1 取水口現(xiàn)狀

依托專項整治系統(tǒng)中登記的取水口信息,2019年,哈爾濱市共登記正在使用和在建取水口66241個,實際取水量43.81億m3。按照水源類型統(tǒng)計,2019年,全市地表水取水口448個,其中規(guī)模以上取水口62個;地下水取水口65793個,其中規(guī)模以上取水口60046個。

按照取水用途統(tǒng)計,2019年全市工業(yè)自備取水口1095個,年取水量1.62億m3;農(nóng)業(yè)灌溉取水口共59704個,取水量37.00億m3,占取水總量的84.61%;農(nóng)飲工程取水口4659個,取水量0.93億m3,占取水總量的2.05%;生態(tài)補(bǔ)水等其他用水取水口15個,取水量0.16億m3;服務(wù)業(yè)取水口400個,取水量0.12億m3;城鎮(zhèn)供水取水口368個,年取水量3.98億m3。

2.2 取水口監(jiān)測計量現(xiàn)狀

2.2.1 總體情況

2019年全市現(xiàn)狀取水口66241萬個,取水量43.81億m3,已安裝監(jiān)測計量設(shè)施(不含已認(rèn)可的折算)取水口5598個,取水口計量率8.45%,計量取水量27.96億m3,取水量計量率63.82%。已實現(xiàn)在線監(jiān)測計量取水口293個,取水口在線計量率0.44%,在線計量取水量13.77億m3,取水量在線計量31.42%。

2.2.2 按取水規(guī)模劃分

2019年全市規(guī)模以上取水口60108個,取水量31.60億m3,計量取水口675個,計量取水量18.45億m3,取水口計量率1.12%、取水量計量率58.39%;其中在線計量取水口143個,在線計量取水量8.01億m3,取水口在線計量率0.24%、取水量在線計量率25.35%。

全市規(guī)模以下取水口6133個,取水量12.21億m3,計量取水口4923個,計量取水量9.51億m3,取水口計量率80.27%、取水量計量率77.89%;其中在線計量取水口150個,在線計量取水量5.75億m3,取水口在線計量率2.45%、取水量在線計量率47.09%。哈爾濱市不同規(guī)模取水口監(jiān)測情況,見表1。

表1 哈爾濱市不同規(guī)模取水口監(jiān)測情況

3.2.3 按取水用途劃分

2019年全市農(nóng)業(yè)計量取水口212個,計量取水量21.50億m3,其中在線計量取水口144個,在線計量取水量13.50億m3;非農(nóng)業(yè)計量取水口5386個,計量取水量6.46億m3,其中在線計量取水口149個,在線計量取水量0.27億m3。哈爾濱市不同用途取水口監(jiān)測情況,見表2。

表2 哈爾濱市不同用途取水口監(jiān)測情況

3.2.4 桑基圖

文章中借助于Sankey軟件制作哈爾濱市取水口“規(guī)模-用途-計量設(shè)施現(xiàn)狀”的數(shù)量以及取水量分布?；鶊D。

3.3 存在的問題

目前,監(jiān)測計量存在以下2個方面的問題:

1)整體計量覆蓋率不夠,各行業(yè)覆蓋率不均衡:目前,哈爾濱市取水口監(jiān)測計量主要以非農(nóng)業(yè)為主,農(nóng)業(yè)的監(jiān)測計量主要集中在萬畝以上地表水灌區(qū),而農(nóng)業(yè)80%以上的取水口均為農(nóng)業(yè)灌溉機(jī)井,均未安裝計量設(shè)施,而為以電折水、以油折水。而監(jiān)測計量設(shè)施以水表計量的取水口數(shù)量最多,但計量水量不大;安裝超聲波流量計和電磁流量計的取水口比例較水表少,但監(jiān)測計量水量比例較大,表明流量計是大型取水口監(jiān)測計量的主要設(shè)施類型,主要集中在農(nóng)業(yè)灌溉地表水取水口。

2)農(nóng)業(yè)灌溉機(jī)井監(jiān)測計量需加強(qiáng):因哈爾濱地處中國北部,冬季時間較長,農(nóng)業(yè)灌溉機(jī)井因天氣原因易發(fā)生故障,同時取用水戶運維管理不到位,故農(nóng)機(jī)井整體采取以電折水、以油折水等折算的方案計算區(qū)域地下水開采量。

4 目 標(biāo)

按照水利部《意見》中關(guān)于強(qiáng)化取水口監(jiān)測計量體系建設(shè)的具體要求,結(jié)合《黑龍江省取水口監(jiān)測計量體系建設(shè)實施方案(2021—2023年)》要求,哈爾濱市取水口監(jiān)測計量建設(shè)總體目標(biāo)如下:從2021年起,分3個階段在現(xiàn)有取用水計量水平基礎(chǔ)上,到2023年,基本建成較為系統(tǒng)、完整的取水監(jiān)測計量體系。根據(jù)總體建設(shè)目標(biāo),現(xiàn)制定哈爾濱市取水監(jiān)測計量2021—2023年度實施進(jìn)度,其中:①2021年在線計量率達(dá)到15%,離線計量率達(dá)到80%;②2022年在線計量率達(dá)到60%,離線計量率達(dá)到90%;③2023年在線和離線計量率都達(dá)到100%。

注:1)在線計量建設(shè)任務(wù)包括:取用地表水年許可水量50萬m3及以上、地下水年許可水量5萬m3及以上非農(nóng)業(yè)取水口在線計量設(shè)施安裝。水資源超載區(qū)取用地表水年許可水量10萬m3及以上、地下水年許可水量1萬m3及以上非農(nóng)業(yè)取水口在線計量設(shè)施安裝。3333hm2及以上的大中型灌區(qū)渠首取水口在線計量設(shè)施安裝。

2)離線計量建設(shè)任務(wù)包括:工業(yè)、生活、服務(wù)業(yè)等非農(nóng)業(yè)取水離線計量設(shè)施安裝。3333hm2以下的中型灌區(qū)渠首取水口計量設(shè)施安裝。小型地表水灌區(qū)典型樣本配備計量設(shè)施。灌溉井計量設(shè)施安裝[3]。

5 任 務(wù)

按照《黑龍江省取水口監(jiān)測計量體系實施方案》中對哈爾濱市的分段計量率建設(shè)目標(biāo),并參考最嚴(yán)格水資源管理制度考核要求,根據(jù)以上對哈爾濱市取水口監(jiān)測計量現(xiàn)狀的可視化分析,哈爾濱市取水口監(jiān)測計量建設(shè)任務(wù)如下:

5.1 取水口監(jiān)測計量新建任務(wù)

按照《意見》要求,根據(jù)哈爾濱市新建任務(wù)需求,全市需要新建監(jiān)測計量取水口總數(shù)1908處,其中新建在線直接計量點58處,新建離線直接計量點1251處,新建折算(間接計量)點539處,新建推算點6處。

5.2 取水口監(jiān)測計量改建任務(wù)

按照《意見》要求,根據(jù)哈爾濱市改建任務(wù)需求,全市需要改建監(jiān)測計量取水口總數(shù)4070處,其中離線改在線直接計量點通過更換流量計共計561處,維修直接計量點3509處。

6 結(jié) 語

全市取水口監(jiān)測計量體系建設(shè)項目按照2021年、2022年和2023年3個年度進(jìn)行建設(shè)。面對落實國務(wù)院實行最嚴(yán)格的水資源管理制度以來復(fù)雜廣泛的取水口數(shù)據(jù),通過對取水口監(jiān)測計量現(xiàn)狀進(jìn)行可視化分析,更為直觀了解哈爾濱市整體計量覆蓋率不高,監(jiān)測計量主要以非農(nóng)業(yè)為主的現(xiàn)狀;然后對按照水利部《實施方案》中關(guān)于強(qiáng)化哈爾濱市取水口監(jiān)測計量體系建設(shè)的具體要求的統(tǒng)計分析,可以分析出哈爾濱市取水口監(jiān)測計量體系建設(shè)過程中可能遇到的風(fēng)險并做出合理的對策。

項目建設(shè)完成后,通過實時了解取用水信息,可以提高取水用戶取用水量的在線監(jiān)管,加強(qiáng)節(jié)約用水理念:①提高水資源的利用率,促進(jìn)水生態(tài)環(huán)境的逐步改善;②增加水資源費的征收依據(jù)和力度,提高水資源費的征收比,促進(jìn)水利與經(jīng)濟(jì)社會、生態(tài)環(huán)境協(xié)同發(fā)展。