四川省都江堰東風渠智慧灌區框架設計

萬忠海*，李杰，鄭姣

（四川省都江堰東風渠管理處，四川成都，610072）

四川省都江堰東風渠智慧灌區框架設計

萬忠海*，李杰，鄭姣

（四川省都江堰東風渠管理處，四川成都，610072）

根據水利改革發展的新形勢新要求，在前人研究的基礎上，結合四川省都江堰東風渠灌區實際，提出四川省都江堰東風渠智慧灌區框架設計。智慧灌區系統包含水資源管理模塊、防汛抗旱模塊、工程管理模塊和運維管理模塊，系統基于智能優化算法和3S技術，通過大數據收集、分析與修正以及云服務，實現水資源高效利用和水利工程的現代化管理。智能灌區系統可有效提高管理水平，最大化地利用水資源為灌區服務，為灌區信息化建設提供了一種思路。

水利信息化；智慧灌區；水資源管理；防汛抗旱；工程管理；運維管理

引言

水利部陳雷部長提出“以水利信息化帶動水利現代化”，水利信息化的全面推廣和應用被提上了日程，信息化技術已廣泛用于水資源管理、工程管理、防汛抗旱和水生態保護等領域[1-5]。伴隨著物聯網、大數據分析和云平臺的出現，智慧水務應運而生，智慧水務是水利信息化的高端、集成和深度應用，目前已應用流域管理中[6-9]。

四川省都江堰東風渠位于成都平原，常年為成都、眉山、資陽、樂山四市二十個縣（市、區）提供生活、工業、農業、環境用水服務，并承擔向仁壽縣黑龍灘水庫和簡陽市龍泉山水庫兩個水庫灌區的輸水任務。隨著城市化進程的不斷加快，灌區用水量日益增加、用水結構發生著深刻的變化[10-11]，如何科學、高效的調配水資源成為日益突出的課題。灌區水資源調配方面，學者們提出了基于智能優化算法、3S技術和虛擬現實技術的灌區水資源配置系統[12-16]，為灌區信息化建設提供了思路。安徽省淠史杭灌區首先提出智慧灌區概念，并構建集防汛抗旱、灌溉調度、水質監測和數據管理為一體的智慧灌區探索[17]。筆者在前人研究的基礎上，結合四川省都江堰東風渠灌區實際，提出四川省都江堰東風渠智慧灌區框架設計，通過智慧灌區系統進行實時監管、科學決策，以提高水資源利用率和灌區管理水平。

1 四川省都江堰東風渠灌區現狀

四川省都江堰東風渠灌區內無大型調蓄設施，屬于典型的過水性灌區，引水及用水受上游來水波動影響較大，受灌區渠系分布影響，易出現灌區局部用水不足或水量過多等現象。目前東風渠灌區主要存在如下問題：

（1）水資源管理較為粗放

東風渠現在供水制口1726個，分布廣，水情信息收集與傳遞不及時，無法實時掌握水資源的分布及使用情況；對收集的數據缺乏系統分析，在粗放的調度模式下造成區域性和時段性的水資源缺乏與浪費；無大數據積累分析，無法對后期水資源配置工作進行完善。

（2）防汛抗旱缺乏系統分析

水情、雨情、險情、墑情收集不及時、不全面，對受災影響區域、匯集雨量等數據無系統分析，防汛抗旱決策以人工經驗為主，缺乏實時的會商分析指揮系統，搶險物資、人力、機械等缺乏全局調度指揮。

（3）工程管理手段較為落后

東風渠灌區內共有干渠16條，干渠總長816Km，渠道涉及的水利工程多，建設面廣，工程信息庫不完善；建設改造與日常管理缺乏系統檔案與動態跟蹤監管。

（4）信息化設備后續管理脫節

沒有規范的維護管理機制，建多維少或只建不維，惡性循環，投入浪費。

（5）各業務孤立，各搞各

東風渠管理處內設11個職能機構，下設11個管理站。各部門系統相對孤立，不能全局統籌；部門之間信息難以共享；部門之間無法協同辦公。

2 智慧灌區設計

供水管理精準化：動態掌握全灌區水資源需求與分配情況，通過智慧系統科學預判、動態調整各節點在不同時段、不同區域的實時水量分配。按照“保證生活、滿足農業、兼顧環供”的調度原則基于多目標優化理論提供最優級調度預案，實現灌區均衡受益和水資源利用最大化。

工程管理現代化：按渠系、類別、功能用途等建立完整的工程信息庫，對重點建筑物、工程項目實行身份證管理，規范靜態建設管理機制。建立“有圖有真相”的動態巡渠管理體系，提高并強化日常管理水平，建立動態電子巡查臺賬。

防汛抗旱科學化：實時掌握水情、雨情、墑情，通過平臺綜合分析，預判險情級別與影響力度，建立與水資源管理和工程管理相結合的實時防汛抗旱科學指揮系統。

運維管理程序化：運維管理可延長水利信息化系統的生命周期[18]。隨著信息化建設的加快，通過外購部份運維服務或整體打捆承包的方式，建立完備的運維管理系統[19]，既保證系統的正常運行又減少業主單位在人員與資金上的投入。

業務管理網絡化：通過平臺整合復雜的多部門業務，實現各單位、各部門信息共享、協同管理辦公。

3 智慧灌區的具體內容

3.1 水資源管理模塊

圖1 水資源管理目標Fig.1 The objectives of Water Resources Management

圖1所示為水資源管理的目標，水資源管理模塊是智慧灌區的核心內容。按照供水原則，以配水計劃為基礎，制定各制口各時段的用水基礎預案，在基礎預案執行過程中結合上游來水量、末端特殊需求、河道情況、區域降雨量等不同情況下所采集的數據，以充分發揮水資源最大利用率為目標，利用智能優化算法[11-12]實時修正基礎預案，解決各個用水節點“在什么時候用、用多大、用多久”的問題?；A預案修訂原則見圖2。

圖2 基礎預案修訂原則Fig.2 The Principle of Revising the Basic Plan

用水分析：通過對上游來水與各個制口用水情況進行長系列資料分析，對數據偏差較大的查找原因，形成水損分析圖。結合水損分析圖和數據分析修正模型組件可實現用水調度管理的實時修正校驗、工程運行狀態的實時校核，同時也可用于經濟效益與建設成本投入的經濟分析。

水資源管理模塊要求具有較強的擴展性，能結合灌區用水計量以及第三方的用水數據接入（比如國控水資源監測等），實現并完善灌區內末級單點用水數據的融匯和分析，真正建立起完整的東風渠水資源調度標準體系。水資源管理模塊同時也可建立水資源相關費項管理、征收子模塊。結合東風渠實際穩步推進國家農業水價改革相關建設工作。

3.2 防汛抗旱指揮模塊

現階段，我們事后才知各節點雨量信息，無法對各重要斷面節點進行提前預判，無法確定旱情或洪災影響范圍，全憑人為感知與經驗對渠道上游經流進行適度控制與人員物質調配。利用RS收集基礎信息，通過氣象云圖以及區域降雨量對灌區影響的長系列數據進行分析，防汛抗旱指揮模塊通過數據計算推演模型組件推算出降雨對灌區徑流的影響，進而為防汛抗旱調度提供依據。防汛抗旱模塊拓撲圖見圖3。

圖3 防汛抗旱模塊拓撲圖Fig.3 The Topology Map of Flood Control and Drought Resistance Module

在保證區域防汛安全、用水安全以及最大化利用水的基礎上科學、合理、安全的進行水的疏導和防汛調度，即提供科學的防汛抗旱解決方案。

圖4 防汛抗旱解決方案Fig.4 The Solution ofFlood Control and Drought Resistance

3.3 工程管理模塊

靜態管理：通過巡渠人員實時傳輸的資料以及其他文檔資料為各個工程設施、建筑物站點建立詳細的信息庫，以供工作人員查詢和工程設施、建筑物后期維修使用。通過信息庫的靜態管理可建立河堤、建筑物、閘門以及橋梁等設施身份檔案。

建設運行動態管理：通過時間軸逐一記錄建設項目的立項、招投標、設計、施工以及維修等情況，建立工程完整記錄。同時，歸類管理項目中涉及的圖片、視頻和文字資料。

行為日常動態管理：灌區巡檢人員在巡渠工作過程中，利用GPS使其運動軌跡在中心平臺GIS地圖中顯示，同時記錄各類事件（工程運行建設情況、供水管理情況、水政違法情況等），并傳到管理值班中心。

3.4 運維管理模塊

運維管理模塊可對所有信息化設備進行實時在線監控管理，實現設備進行有問題就修、壞了就換，有資料顯示設備損壞不維護導致設備報廢概率將增加，幾千上萬的設備不維護它的價值就是零，通過系統監控規劃維護使每一個設備達到它應有的價值。

4 東風渠智慧灌區總體建設架構設計

基于四川省水利廳提出的“ 一套體系、一個中心、一張地圖、一個平臺 ”的理念，以標準體系建立和規范各類基礎站點；通過安全網絡傳輸并建立云端數據中心，規范數據存儲和調用格式；在一張GIS地圖上分類實時顯示系統分析處理后的內容；以需求為主導，建立各具特色的管理子模塊，為灌區智慧管理提供科學的依據與決策，從而使管理發揮最大社會效益、經濟效益和生態效益。

圖5 智慧灌區系統拓樸圖Fig.5 The Topology Map of the Wisdom Irrigation Districts system

4.1 采集層

站點采集：重要節點的基礎數據由分布在灌區各個監測點的水雨情與工情信息器采集，利用RS原理實時對水量、雨量、水位、水質、墑情等信息全過程、全天候、全方位采集。次要節點的基礎數據通過巡渠儀或手機 APP進行階段性采集，以減少建設與運維成本，目前四川省都江堰東風渠管理處已推行的用水計量系統就可實現對次要站點的水情、水質等情況采集傳輸。

內部共享：利用水利系統內部其他部門資源建立統一共享數據庫[20]，實現和省水文水資源勘測局水資源系統、水文監測系統、以及水利廳防汛抗旱系統的數據對接，避免重復建設。

同時還應實現其他第三方主管部門（如國土、環境、氣象）數據共享與數據借用，以節約建設與維護成本。

4.2 支撐層

由數據交換與云服務構成，是應用系統的基礎支撐，保障系統具有良好的適應性、擴展型和資源的高度共享。

4.3 組件層

由GIS組件、三維模型組件、數據計算分析模型組件、數據推演修正模型組件等。組件也叫微服務，所有組件互相之間無直接約束關系，可根據業務需要不斷增加業務組件，并且系統的成長性主要體現在這些業務組件的不斷豐富上面。

4.4 應用層

應用層集中展現水資源管理、工程管理、防汛抗旱指揮、運維管理。應用層可以擴展，以滿足不斷變更和增加的業務內容，其他的各層均為支撐應用層存在，可以滿足應用層的彈性擴展需要。

5 結束語

應用創新思維理念、切實結合實際需求，才能研發出一套真正適用于灌區的智慧管理的系統。灌區智慧管理系統，不僅僅是一個輔助的最初級顯示工具；不僅僅是對數據的整理與顯示；更應該通過數據的不斷積累，應用大數據分析，為經驗行為矯正、為管理思維糾偏，并不斷精益求精，真正為灌區管理提供科學的決策依據，最大化發揮出灌區的社會效益、經濟效益和生態效益。

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The Framework Design of Wisdom Irrigation Districts Construction in the Dujiangyan Dofengqu Irrigation Districts of Sichuan Province

WAN Zhonghai*,LI Jie,ZHENG Jiao
(Sichuan Dujiangyan Dongfengqu Management Department,Sichuan,Chengdu 610072,China )

According to the new situation and the new requirement of water conservancy reform,the framework design of wisdom irrigation districts construction in the Dujiangyan Dofengqu irrigation districts of Sichuan province is proposed based on the previous studies and combined with the actual situation of the Dujiangyan Dofengqu irrigation districts of Sichuan province.The wisdom irrigation districts system had four modules,the Water Resources Management module,the Flood Control and Drought Resistance module,the Engineering Management module and the Operation Dimension Management module,based on the intelligent optimization algorithm,the 3S technology,the Large date collection & analysis & revision and the cloud service.Efficient utilization of water resources and modern management of hydraulic engineering can be true in the proposed system.By using the proposed wisdom system,management level is improved,water resources is maximized for servicing Irrigation Districts.The results provide a new idea for Water Resources Informatization of Irrigation Districts .

Water Resources Informatization; Wisdom Irrigation Districts; Water Resources Management; Flood Control and Drought Resistance; Engineering Management; Operation Dimension Management

TV213.4

A

1672-9129(2017)04-0176-05

萬忠海,李杰,鄭姣.四川省都江堰東風渠智慧灌區框架設計[J].數碼設計,2017,6(4):62-66.

Cite：WAN Zhonghai,LI Jie,ZHENG Jiao.The Framework Design of Wisdom Irrigation Districts Construction in the Dujiangyan Dofengqu Irrigation Districts of Sichuan Province[J].Peak Data Science,2017,6(4):62-66.

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.04.045