基于桑基图的哈尔滨市取水口监测计量可视化分析

尹自文,王立权,刘 岩,王龙飞 ,韦力方

(1.黑龙江大学水利电力学院,哈尔滨 150080;2.黑龙江省水利科学研究院,哈尔滨 150080)

0 引 言

中国水资源人均占有量不足世界的1/4,而黑龙江省水资源拥有量在全国仅处于中游水平,但用水量居于全国前列,且取用水计量率不高,水资源短缺己严重影响黑龙江省国民经济和社会发展。为了节约和保护水资源,国家相继出台了一系列政策文件,如:《关于加快水利改革发展的决定》(中发〔2011〕1号)、《国务院关于实行最严格水资源管理制度的意见》(国发〔2012〕3号)和《黑龙江省河湖长制办公室 黑龙江省水利厅关于进一步深化取用水管理专项整治行动强化 取水监测计量设施建设的通知》(黑河办字〔2021〕15号)等。随着国家水资源监控能力建设一期、二期以及黑龙江省水资源监控能力建设一期工程的建成,全省水资源监控能力显著提升,但由于黑龙江省用水量大,用水户多且分散等特点,实际用水计量仍然无法满足水资源管理的需求。

为进一步做好取用水计量工作,2021年水利部印发了《水利部关于强化取水口取水监测计量的意见》(水资管〔2021〕188号)(以下简称《意见》),要求“到2023年,基本建成较为系统、完整的取水口取水监测计量体系,非农业取水口和大中型灌区渠首取水口计量全覆盖,取水量计量率和在线计量率明显提高,监测计量设施满足相关技术标准和技术规范要求,信息平台建设和数据共享得到有效提升,能够及时、准确、全面掌握地表水、地下水等水源取水以及各领域用水情况,有力支撑水资源监管工作”[1]。为贯彻《意见》要求,黑龙江省水利厅以黑龙江省取用水管理专项整治行动核查系统(以下简称“专项整治系统”中登记的取水设施相关数据编制了《黑龙江省取水口监测计量体系建设实施方案》,并根据总体建设目标,制定“黑龙江省各地市取水监测计量2021—2023年度实施进度,其中2021年计量率达到25%;2022年计量率达到65%;2023年计量率达到100%”的项目建设目标。

文章按照水源类型、取水规模、取水用途、工程类型等类别对哈尔滨市取水口数量及取水量进行分类统计,并通过桑基图对哈尔滨市66241个取水口监测情况进行可视化分析,阐述取水口及其监测计量现状3和问题,分析哈尔滨市2021—2023年取水口及其监测计量的任务与目标[2]。

1 理论方法

数据可视化技术的基本思想,是将数据库中每一个数据项作为单个图元元素表示,大量的数据集构成数据图像,同时将数据的各个属性值以多维数据的形式表示,可以从不同的维度观察数据,从而对数据进行更深入的观察和分析。主要是借助于图形化手段,清晰有效地传达与沟通信息。数据可视化领域的起源,可以追溯到20世纪50年代计算机图形学的早期。1987年,由布鲁斯·麦考梅克、托马斯·德房蒂和玛克辛·布朗所编写的美国国家科学基金会报告《Visualization in Scientific Computing》(意为“科学计算之中的可视化”) ,对于这一领域产生了大幅度的促进和刺激。常用的五种可视化分析的方法包括:面积、尺寸可视化;颜色可视化;图形可视化;地域空间可视化;概念可视化[3]。文章首先采用地域空间可视化方法展示哈尔滨市现有取水口分布以及在接下来三年内实现计量率达到100%的取水口新建改建任务规划图,再采用基于桑基图的面积、尺寸可视化方法分析哈尔滨市取水口监测数量和取水口监测水量现状。

桑基图(Sankey diagram),即桑基能量分流图,也叫桑基能量平衡图。它是一种特定类型的流程图,右图中延伸的分支的宽度对应数据流量的大小,通常应用于能源、材料成分、金融等数据的可视化分析。因1898年Matthew Henry Phineas Riall Sankey绘制的“蒸汽机的能源效率图”而闻名,此后便以其名字命名为“桑基图”。文章通过桑基图展示取水规模、取水用途、计量设施类型之间的组成和占比关系,分析了哈尔滨市取水口监测计量目前存在的问题,并对哈尔滨市未来三年的取水口建设目标与任务进行分析。按照《意见》要求取水规模按非农业和农业分别确定,非农业取水按照达到地表水年许可水量50万m3及以上、地下水年许可水量5万m3及以上的非农业取水口为规模以上取水口;农业取水按照设计灌溉面积3333hm2以上的大中型地表水灌区渠首取水口以及管径20cm以上的农业灌溉机井为规模以上取水口。取水用途分为工业自备、农业灌溉、农饮工程、城镇供水、服务业和其他用水。计量设施包括水表,流量计(超声波流量计和电磁流量计),明渠测流和其他[4-5]。

2 取水口及其监测计量现状

2.1 取水口现状

依托专项整治系统中登记的取水口信息,2019年,哈尔滨市共登记正在使用和在建取水口66241个,实际取水量43.81亿m3。按照水源类型统计,2019年,全市地表水取水口448个,其中规模以上取水口62个;地下水取水口65793个,其中规模以上取水口60046个。

按照取水用途统计,2019年全市工业自备取水口1095个,年取水量1.62亿m3;农业灌溉取水口共59704个,取水量37.00亿m3,占取水总量的84.61%;农饮工程取水口4659个,取水量0.93亿m3,占取水总量的2.05%;生态补水等其他用水取水口15个,取水量0.16亿m3;服务业取水口400个,取水量0.12亿m3;城镇供水取水口368个,年取水量3.98亿m3。

2.2 取水口监测计量现状

2.2.1 总体情况

2019年全市现状取水口66241万个,取水量43.81亿m3,已安装监测计量设施(不含已认可的折算)取水口5598个,取水口计量率8.45%,计量取水量27.96亿m3,取水量计量率63.82%。已实现在线监测计量取水口293个,取水口在线计量率0.44%,在线计量取水量13.77亿m3,取水量在线计量31.42%。

2.2.2 按取水规模划分

2019年全市规模以上取水口60108个,取水量31.60亿m3,计量取水口675个,计量取水量18.45亿m3,取水口计量率1.12%、取水量计量率58.39%;其中在线计量取水口143个,在线计量取水量8.01亿m3,取水口在线计量率0.24%、取水量在线计量率25.35%。

全市规模以下取水口6133个,取水量12.21亿m3,计量取水口4923个,计量取水量9.51亿m3,取水口计量率80.27%、取水量计量率77.89%;其中在线计量取水口150个,在线计量取水量5.75亿m3,取水口在线计量率2.45%、取水量在线计量率47.09%。哈尔滨市不同规模取水口监测情况,见表1。

表1 哈尔滨市不同规模取水口监测情况

3.2.3 按取水用途划分

2019年全市农业计量取水口212个,计量取水量21.50亿m3,其中在线计量取水口144个,在线计量取水量13.50亿m3;非农业计量取水口5386个,计量取水量6.46亿m3,其中在线计量取水口149个,在线计量取水量0.27亿m3。哈尔滨市不同用途取水口监测情况,见表2。

表2 哈尔滨市不同用途取水口监测情况

3.2.4 桑基图

文章中借助于Sankey软件制作哈尔滨市取水口“规模-用途-计量设施现状”的数量以及取水量分布桑基图。

3.3 存在的问题

目前,监测计量存在以下2个方面的问题:

1)整体计量覆盖率不够,各行业覆盖率不均衡:目前,哈尔滨市取水口监测计量主要以非农业为主,农业的监测计量主要集中在万亩以上地表水灌区,而农业80%以上的取水口均为农业灌溉机井,均未安装计量设施,而为以电折水、以油折水。而监测计量设施以水表计量的取水口数量最多,但计量水量不大;安装超声波流量计和电磁流量计的取水口比例较水表少,但监测计量水量比例较大,表明流量计是大型取水口监测计量的主要设施类型,主要集中在农业灌溉地表水取水口。

2)农业灌溉机井监测计量需加强:因哈尔滨地处中国北部,冬季时间较长,农业灌溉机井因天气原因易发生故障,同时取用水户运维管理不到位,故农机井整体采取以电折水、以油折水等折算的方案计算区域地下水开采量。

4 目 标

按照水利部《意见》中关于强化取水口监测计量体系建设的具体要求,结合《黑龙江省取水口监测计量体系建设实施方案(2021—2023年)》要求,哈尔滨市取水口监测计量建设总体目标如下:从2021年起,分3个阶段在现有取用水计量水平基础上,到2023年,基本建成较为系统、完整的取水监测计量体系。根据总体建设目标,现制定哈尔滨市取水监测计量2021—2023年度实施进度,其中:①2021年在线计量率达到15%,离线计量率达到80%;②2022年在线计量率达到60%,离线计量率达到90%;③2023年在线和离线计量率都达到100%。

注:1)在线计量建设任务包括:取用地表水年许可水量50万m3及以上、地下水年许可水量5万m3及以上非农业取水口在线计量设施安装。水资源超载区取用地表水年许可水量10万m3及以上、地下水年许可水量1万m3及以上非农业取水口在线计量设施安装。3333hm2及以上的大中型灌区渠首取水口在线计量设施安装。

2)离线计量建设任务包括:工业、生活、服务业等非农业取水离线计量设施安装。3333hm2以下的中型灌区渠首取水口计量设施安装。小型地表水灌区典型样本配备计量设施。灌溉井计量设施安装[3]。

5 任 务

按照《黑龙江省取水口监测计量体系实施方案》中对哈尔滨市的分段计量率建设目标,并参考最严格水资源管理制度考核要求,根据以上对哈尔滨市取水口监测计量现状的可视化分析,哈尔滨市取水口监测计量建设任务如下:

5.1 取水口监测计量新建任务

按照《意见》要求,根据哈尔滨市新建任务需求,全市需要新建监测计量取水口总数1908处,其中新建在线直接计量点58处,新建离线直接计量点1251处,新建折算(间接计量)点539处,新建推算点6处。

5.2 取水口监测计量改建任务

按照《意见》要求,根据哈尔滨市改建任务需求,全市需要改建监测计量取水口总数4070处,其中离线改在线直接计量点通过更换流量计共计561处,维修直接计量点3509处。

6 结 语

全市取水口监测计量体系建设项目按照2021年、2022年和2023年3个年度进行建设。面对落实国务院实行最严格的水资源管理制度以来复杂广泛的取水口数据,通过对取水口监测计量现状进行可视化分析,更为直观了解哈尔滨市整体计量覆盖率不高,监测计量主要以非农业为主的现状;然后对按照水利部《实施方案》中关于强化哈尔滨市取水口监测计量体系建设的具体要求的统计分析,可以分析出哈尔滨市取水口监测计量体系建设过程中可能遇到的风险并做出合理的对策。

项目建设完成后,通过实时了解取用水信息,可以提高取水用户取用水量的在线监管,加强节约用水理念:①提高水资源的利用率,促进水生态环境的逐步改善;②增加水资源费的征收依据和力度,提高水资源费的征收比,促进水利与经济社会、生态环境协同发展。