安徽省节水精准监测监控关键技术分析与展望
时间：2023-03-04 17:15:03 来源：千叶帆 本文已影响人
王向阳
2011年中央1号文件、2012年国务院3号文件均明确提出实行最严格水资源管理制度。要求确立水资源开发利用控制红线和用水效率控制红线，强化用水需求和用水过程管理。本文在全面梳理安徽省用水大户现状及信息系统建设现状的基础上，以提高节水管理部门业务管理信息化水平为目标，分析研究适应安徽省的节约用水精准监测监控关键技术，使得用水户监控体系能够及时、准确、全面地掌握全省重点用户的用水状况，提高用水户精细化和规范化管理水平。
（一）节水监测的含义
节约用水监测监控主要是针对重点用水大户的用水量进行监测与监控，以促进其节约用水。
（二）安徽现状节水监测问题
2021年1月—2022年2月，项目组走访了安徽16家主要的农业、工业节水用水监测点，从实地走访调研的情况来看，目前重点用水监控单位均具备计量、在线监测措施，数据回传监测在技术上已成熟应用，但仍存在以下问题：
1.计量精度低
目前大多数管网使用的仍然是机械转子式流量计，由于设备老化、计量精度低、电池电量不足、信号传输不畅等因素，监控系统无法及时准确自动获取计量仪表的计量数据。此外还存在口径量程和流量变动状况的匹配程度差（如小表大用、大表小用等计量仪表型号及量程和实际流量失配情况）、偷盗水现象严重、人情水和关系水现象时有发生等情况，导致真实的用水规律不详等。
由于灌区多为明渠取水，所使用的计量表基本上是传统的浮子式水位计，并根据水位换算成流量。这种计量器具结构简单、可靠性高，但存在计量误差较大、安装时校准及标定难度大成本高等问题。
2.部分用水单位仍采用人工抄表
用水大户使用的计量仪表一般比较分散，人工抄表费用高、效率低、时间滞后、容易出错，无法有效监督非正常用水和人为破坏计量仪表的情况。计量仪表如发生损坏、停表、碎表、漏水等故障，不能及时发现，往往要到下一次人工抄表时才可能发现，造成水资源的浪费。
3.智能化数据处理技术缺乏
在当前云计算等新技术蓬勃发展的趋势下，已经建立了各级用水监管系统，但是如何通过智能化的手段对这些监测数据进行分析尚待进一步研究。
根据当前安徽省主要用水大户实施精准监测监控所面临的困难，梳理国内现有相关关键技术，就每个关键技术在节水监测监控应用中的实施途径和实施条件进行论述。
（一）用水量精准计量
1.新安装设备
针对新安装设备需求，首先要进行计量仪表的选型分析，没有一种计量仪表从性能和价格适合所有类型大用户，需要根据用水变化规律来合理选择计量仪表。其次，还需对流量计的口径及量程与流量进行匹配分析，大表小流量、小表大流量等实际流量和水表量程失配的情况将会影响用水计量精度。
2.传统机械式计量设备
更换传统机械式计量设备比较困难的，可以将其改造成电子式远传水表，或者改造成基于图像识别的摄像远传水表，相关技术和产品比较成熟，成本也比较低廉。
（二）基于空天遥感技术
基于卫星或者飞机的遥感技术以及视频测流技术，可以在合理规划节水灌溉工程、实时监测灌溉情况、优化水资源的配置方面为农业节水工程提供帮助。基于空天遥感技术的节水灌溉具体实施步骤如下：
首先充分利用无人机低空遥感技术手段，在研究工作区土壤、水文、作物等各要素的遥感光谱特征基础上，建立遥感色彩、形状、影纹、地形地貌等解译标志，然后构建灌区农作物的光谱影像解译方法及技术规程。在确定最佳监测波段的基础上，构建科学合理、简便高效的光谱影像解译方法及技术规程，这也是准确获取农作物生长过程中最具价值作物信息的关键。再经过解译，与农作物的各项生理生化指标建立对应关系。最后建立以肥、水、农作物产量及品质为核心的耦合模型和技术，生成高效灌溉种植制度，达到节水灌溉的目标。
（三）低功耗无线数据传输
低功耗广域网络技术为自动抄表提供了便利，且节省人工成本。可根据不同的场景设计不同的安装和传输方式。
针对井内无电、潮湿的环境，需要将无线传输模块隐蔽安装在井内，并采用电池供电，防止被盗被破坏，抄表终端每天定时采集、上报流量数据，监控中心自动接收、存储各测点抄表数据。
针对水计量装置安装在露天的情况，可以采用市电或者太阳能为数据采集和无线传输系统供电。
针对井内、井外都有水计量装置的情景，采用接力方式抄表。
（四）管网漏损识别定位
目前，安徽平均管网漏损率约为15%以上。传统管网漏损识别定位方法总体分为设备法和模型法两类，主要包括基于CNN-LSTM的管网漏损识别定位、Bi-LSTM模型、卷积神经网络三种，实际应用中选择方法取决于管道特性、流体种类、外部环境和成本等因素。
（五）智能压力管理
压力管理即在保证用户正常用水的前提下，通过加装调压设备，根据用水量调节管网压力至最优的运行条件。采取压力管理方法，确保供水管网满足用户压力需求的前提下降低管网的富余压力，可大大降低管网由于压力过高造成漏失的频率。另外，压力管理还可以有效降低爆管事故发生的概率，延长管道的使用寿命。压力管理可采用的技术手段有多种，常见的形式有分区管理、安装减压阀、水泵控制、阀门水泵协同控制等。
（六）用水量预测
用水量预测就是通过分析历史用水量数据的变化规律，综合考虑经济、社会、环境、气候等因素，利用经验的、科学的或系统的数学方法等，在符合一定精度要求的前提下，对未来某段时间内的用水量进行预测。用水量预测是供水管网系统计算、分析和优化调度的前提和基础，可作为供水管网智能调度、异常报警的依据，便于及时发现漏损、排查及检修，增加管网安全性和可靠性。用水量预测模型主要包括基于统计理论的预测方法、基于传统人工智能的预测方法和基于组合模型的预测方法。主要包括间序列分析法、回归分析法、自回归整合移动平均模型（ARIMA）、基于LSC-DBN的用水量预测等。
（七）基于互联网的节水潜力预测
节水潜力预测所依托的数据包括由监控系统、各类传感器获得的水务基础信息数据、空间数据和共享数据，这类数据获取时延大、分辨率低、不确定性高。应引入水利新闻、媒体报告、媒体社会监控数据等互联网多源数据，通过边界条件进行大数据初步分类，降低数据量级；
通过自动文本聚合、摘要和排序进行数据清洗、关键词提取，以提高节水潜力预测系统的预测能力和应急能力。结合“互联网+”背景，应将互联网多源数据获取、大数据处理和基于深度学习的预测技术结合，形成数据获取、处理、预测的闭环。同时面向公众关心的节水热点问题，形成节水水务社会化服务数据的收集、处理、预测、发布“一体化”模式。通过互联网实现多源数据获取，构建应用架构，实现底层数据监测和节水潜力预测模型的无缝集成。
近年来，物联网、遥感技术、大数据、GIS地理信息系统等新技术发展迅猛，综合利用多种新型技术，对水资源使用的各环节实现即时精准监测管理，并利用云端智能算法分析找出节水工作中潜在的漏洞和改进措施建议，对于进一步推进水资源高效利用具有重要意义。
本文以提高安徽省节水管理信息化水平为目标，梳理当前用水监测监控状况，并在此基础上分析节约用水精准监测监控关键技术，为提高用水户精细化和规范化管理水平，并为实施最严格水资源管理制度、实现用水总量控制、提高用水效率、建设高标准节水型社会提供决策支撑
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