貴州省大中型灌區(qū)信息化建設(shè)研究

摘 要：本文從平羅灌區(qū)的基礎(chǔ)情況入手，開展灌區(qū)信息化發(fā)展現(xiàn)狀與建設(shè)內(nèi)容的分析，確定其信息化建設(shè)的主要內(nèi)容是實(shí)現(xiàn)重要水情站點(diǎn)數(shù)據(jù)的自動采集、傳輸、接收、處理和存儲以及實(shí)現(xiàn)總閘、干渠級別重要分水口的自動啟閉及量測水。通過主要硬件設(shè)備的設(shè)計(jì)與選型，包括灌區(qū)信息化總體結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)信息流程、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、閘門測控系統(tǒng)以及灌區(qū)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)工作，實(shí)現(xiàn)基于GIS、GPS等手段的灌區(qū)基礎(chǔ)信息的電子化管理和灌區(qū)的可視化，形象直觀地反映歷年工程建設(shè)情況，極大地提高了灌區(qū)管理工作效率。

關(guān)鍵詞：信息化；監(jiān)測設(shè)備；數(shù)據(jù)庫；平羅灌區(qū)

一、灌區(qū)基礎(chǔ)情況

平羅灌區(qū)規(guī)劃灌溉面0.35萬hm2，現(xiàn)狀有效灌溉面0.08萬hm2，本次設(shè)計(jì)灌面0.14萬hm2。通過防滲、恢復(fù)、新建渠道4條，總長21.791 km。其中，新建明渠1條，長0.170 km；新建暗渠1條，長0.161 km；改造渠道4條，長

18.908 km。新建隧洞1座（落雨寨隧洞），長183 m；改造涵洞1座（清明山涵洞），長300 m。新建DN400管道（栗木管道）長2 883 m；改造DN1000倒虹管1座（小滿口倒虹管），長84 m。維修渡槽1座（栗木渡槽），長114 m。新建量水設(shè)施及自動化系統(tǒng)9處。新增、恢復(fù)、改善灌面0.14萬hm2（新增0.010萬hm2，改善0.083萬hm2，恢復(fù)0.043萬hm2），新增糧食和經(jīng)濟(jì)作物197.55萬kg，節(jié)水

1 142萬m3。

推進(jìn)平羅灌區(qū)信息化建設(shè)，不僅是全面提升灌區(qū)水利工程運(yùn)用的效率、效能和實(shí)現(xiàn)灌區(qū)水利現(xiàn)代化的需要，也是水利事業(yè)發(fā)展的方向。貴州省大中型灌區(qū)的信息化建設(shè)必將為整個灌區(qū)社會經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展提供更加有力的保障，平羅灌區(qū)信息化建設(shè)具有顯著的社會效益和生態(tài)環(huán)境效益[1]。

二、灌區(qū)信息化發(fā)展現(xiàn)狀與建設(shè)內(nèi)容

（一）發(fā)展現(xiàn)狀

平羅灌區(qū)在信息化建設(shè)方面一直都在進(jìn)行積極嘗試，但由于灌區(qū)多為貧困山區(qū)，信息化建設(shè)工作認(rèn)識尚淺，管理人員素質(zhì)不高、技術(shù)落后，管護(hù)經(jīng)費(fèi)難以到位，不能有效地管理好、利用好信息設(shè)備與技術(shù)。目前還未進(jìn)行過系統(tǒng)的信息化建設(shè)，水庫隧洞放水多為雙向轉(zhuǎn)動閘閥控制，采用手搖式啟閉機(jī)方式，結(jié)構(gòu)老化，運(yùn)行極不方便。雖然在灌片管理站和水庫管理所都配備了雨量筒，但未安裝自動化監(jiān)測與控制設(shè)備，仍然采用人工觀測的方式，存在不同程度的安全問題。

（二）建設(shè)內(nèi)容

通過與平羅灌區(qū)管理局的深入交流與現(xiàn)場實(shí)際調(diào)研，綜合考慮水庫灌區(qū)效益較好、需求迫切、認(rèn)識到位程度、人員配置及管理情況、技術(shù)成熟度以及易于實(shí)施等基礎(chǔ)條件，選取大沖水庫灌片、均民水庫灌片作為本次項(xiàng)目實(shí)施區(qū)域，主要建設(shè)內(nèi)容分為硬件和軟件兩部分。建設(shè)內(nèi)容主要如下，一是灌區(qū)工情信息的采集與監(jiān)測，包括基礎(chǔ)工情信息和部分實(shí)時工情信息。將灌區(qū)的圖片和資料通過掃描儀和數(shù)字化儀轉(zhuǎn)化為圖片文件，包括灌區(qū)氣象、水文、土壤、作物基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及灌區(qū)概況、渠系分布、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、歷年工程批復(fù)建設(shè)情況、工程效益及績效評估等方面的基本概況數(shù)據(jù)。通過圖形實(shí)時模擬顯示計(jì)算成果，提高系統(tǒng)管理操作的直觀性和可視性。二是重要分水口的自動啟閉及量測水的遠(yuǎn)程控制。通過在灌區(qū)水庫水源出水口閘門的自動化改造，實(shí)現(xiàn)總閘的自動啟閉、自動放水、自動量水，干渠重要分水口閘門的自動啟閉及量測水。三是通過對泵站出水管道的流量監(jiān)測、壓力監(jiān)測和高位水池水位的自動監(jiān)測來實(shí)現(xiàn)泵的自動化控制；管理人員在信息中心可實(shí)時查看高位水池水位數(shù)據(jù)、出水管道壓力和流量數(shù)據(jù)，來控制泵的啟閉。通過實(shí)時掌握水池水位、管道流量、壓力、泵站開關(guān)狀態(tài)、電壓和電流等各種監(jiān)測指標(biāo)，為水庫灌區(qū)取用水安全運(yùn)行提供保障。四是通過灌區(qū)信息化建設(shè)加強(qiáng)灌區(qū)基層人才培訓(xùn)，提高灌區(qū)信息化應(yīng)用水平，體現(xiàn)灌區(qū)信息化建設(shè)的優(yōu)勢。

三、主要硬件設(shè)備設(shè)計(jì)與選型

（一）水庫水位監(jiān)測設(shè)備

灌區(qū)中的水庫大多具有供水、灌溉等功能，同時還具備調(diào)蓄、防洪功能。因此，對灌區(qū)水庫水位進(jìn)行監(jiān)測一直是水文、水利部門的重點(diǎn)。實(shí)時動態(tài)監(jiān)測水庫水位，對保證灌區(qū)正常用水乃至灌區(qū)的安全有著重要的意義。雖然部分灌區(qū)水庫都配備了水位尺，但仍然采用人工觀測，還未安裝自動化監(jiān)測與控制設(shè)備。本次灌區(qū)信息化建設(shè)擬實(shí)現(xiàn)水庫水位監(jiān)測的自動化，滿足水庫雨水情自動化監(jiān)測的需求。

雷達(dá)式水位計(jì)是一種高精度、非接觸式的水位測量儀。通過往水面發(fā)射高頻雷達(dá)波，接受水面反射比，測量到水面的距離，測量中不與水面接觸，不受渾水、污泥、水生植物等因素的影響，并且安裝工作量比較小，只需安裝一個懸臂。該設(shè)備的最主要的優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)，不受溫度、風(fēng)、蒸汽等影響，安裝、使用、維護(hù)方便。以RTU為核心單元，使用雷達(dá)式水位計(jì)，利用GPRS公網(wǎng)傳送數(shù)據(jù)，采用市電進(jìn)行供電。

（二）流量監(jiān)測設(shè)備

本灌區(qū)主要涉及閘門計(jì)量，根據(jù)上述渠道流量監(jiān)測方法對比，結(jié)合本灌區(qū)水源泥沙量大的現(xiàn)實(shí)情況，采用超聲波多普勒進(jìn)行測量。

1.傳感器安裝

灌溉渠道大多數(shù)都是明渠，形狀為矩形、梯形，少部分是U字型的。小部分灌溉的暗渠是圓形的。對上游和下游渠道的要求：在傳感器上游，要有渠道寬度10倍的直渠道；如果上游是閘門、水泵，傳感器和閘門、水泵之間要有渠道寬度30倍的直渠道，傳感器的下游要有渠道寬度5倍的直渠道。

2.活動支架安裝法

如果有沉積物如淤泥，要把傳感器安裝在沉積物的旁邊或者上面。此時就需要用到安裝支架，因?yàn)槊總€現(xiàn)場安裝支架的高度和寬度都不相同，一般在現(xiàn)場附近找人制作。

傳感器的支架和岸邊起固定作用的支架之間用螺絲擰在一起，當(dāng)需要維修和維護(hù)的時候，把岸邊支架上的螺母擰掉，即可把傳感器從水中撈出。

四、系統(tǒng)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

（一）信息化總體結(jié)構(gòu)

平羅灌區(qū)信息化建設(shè)總體結(jié)構(gòu)分為信息采集、信息傳輸、信息管理、信息應(yīng)用四大部分，建設(shè)項(xiàng)目主要包括通信傳輸網(wǎng)絡(luò)、中心管理平臺、水庫水閘自動監(jiān)測控制系統(tǒng)、干渠渠道流量閘門監(jiān)測控制系統(tǒng)和視頻監(jiān)測系統(tǒng)五大部分[2]，總體結(jié)構(gòu)如圖所示。

（二）數(shù)據(jù)信息流程

1.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

包括水庫水位實(shí)時監(jiān)測、渠道流量

總體結(jié)構(gòu)圖

實(shí)時監(jiān)測、氣象墑情實(shí)時監(jiān)測、視頻實(shí)時監(jiān)測等[3]。系統(tǒng)主要功能是為平羅灌區(qū)灌域日常管理提供信息服務(wù)。在綜合數(shù)據(jù)庫和GIS的支持下，為管理部門和相關(guān)單位提供各類相關(guān)信息查詢服務(wù)和預(yù)警信息，提供及時準(zhǔn)確的在線信息查詢等信息服務(wù)。同時，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測信息的接收處理。

現(xiàn)場監(jiān)測站采集水位、流量信息等數(shù)據(jù)通過GPRS無線傳輸網(wǎng)絡(luò)將信息傳輸至數(shù)據(jù)中心，存儲在實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)庫中，主要監(jiān)測數(shù)據(jù)有水庫水位、渠道流量、渠道水位、閘位、區(qū)域氣象信息（空氣溫濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、降雨量、大氣壓力及太陽輻射）以及土壤墑情信息（包括土壤含水率和地表溫度）等。通過地理信息系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)加工、地圖基本操作、測站定位查詢、監(jiān)測信息分析，主要基于地形圖、矢量圖、影像圖采用WEBGIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)工程上圖，通過空間化展示方式實(shí)現(xiàn)信息的查詢、定位、分析，使用戶更直觀地看到工程運(yùn)行情況。

2.通信傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

根據(jù)灌區(qū)信息化集中式管理需要，灌區(qū)內(nèi)所有信息需要匯集到灌區(qū)管理局信息中心，可以看到所有監(jiān)測站點(diǎn)的情況。水庫管理所信息分中心可以查看本轄區(qū)范圍內(nèi)所有監(jiān)測站點(diǎn)的情況。灌區(qū)管理局信息中心可以通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)取水庫管理所信息分中心的數(shù)據(jù)。

3.信息管理中心

灌區(qū)管理局信息中心，是所有信息的集散地，通過網(wǎng)絡(luò)向需要數(shù)據(jù)的站點(diǎn)提供數(shù)據(jù)支持。水庫管理所信息分中心，可以查看水庫管理所所屬灌域的站點(diǎn)信息情況。

本次信息化需要建設(shè)信息中心與各信息分中心的骨干網(wǎng)絡(luò)，視頻監(jiān)視站點(diǎn)到所屬管理所的寬帶網(wǎng)絡(luò)，管理所與信息中心連接成一個局域網(wǎng)絡(luò)，在信息中心建立數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)平臺，對遠(yuǎn)程控制、實(shí)時采集數(shù)據(jù)提供傳輸通道，同時也為業(yè)務(wù)應(yīng)用子系統(tǒng)建立網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用平臺。

根據(jù)需求分析及上述的方案設(shè)計(jì)，灌區(qū)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、辦公業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸、視頻信息傳輸?shù)刃枰邘挕⒎€(wěn)定可靠的通信保障。因此，需要自建光纜通信網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行輔助的通信；流量、閘位等信息采集屬于小數(shù)據(jù)量通信，采用GPRS公網(wǎng)通信。

五、灌區(qū)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)灌區(qū)業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的特點(diǎn)，灌區(qū)數(shù)據(jù)層規(guī)劃為數(shù)據(jù)平臺的建設(shè)模式，其數(shù)據(jù)庫從框架上規(guī)劃為道區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和地理信系數(shù)據(jù)庫，本次信息化建設(shè)實(shí)施方案中主要涉及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的建立。

灌區(qū)數(shù)據(jù)庫建設(shè)包括兩方面，即數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)的建設(shè)和數(shù)據(jù)庫內(nèi)容的建設(shè)。數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)指通過對灌區(qū)的剖析，對灌區(qū)的信息進(jìn)行合理分類，按數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的有關(guān)理論和方法設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)合理、技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)、滿足應(yīng)用要求且安全穩(wěn)定的邏輯數(shù)據(jù)庫和物理數(shù)據(jù)庫。灌區(qū)數(shù)據(jù)庫平臺統(tǒng)一存儲和管理的是與灌區(qū)工程管理、用水管理和行業(yè)管理緊密相關(guān)，具有基礎(chǔ)性、專業(yè)性、時效性和共事性等特征的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，并可為灌區(qū)其他專業(yè)信息系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用提供有力的數(shù)據(jù)支持。與此同時，灌區(qū)數(shù)據(jù)庫平臺還應(yīng)具有較為規(guī)范統(tǒng)一的信系格式和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，可在行業(yè)內(nèi)部進(jìn)行信息的交換、統(tǒng)計(jì)分析和評價等。

灌區(qū)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)主要包括水情數(shù)據(jù)庫、閘控?cái)?shù)據(jù)庫、工情數(shù)據(jù)庫、管理數(shù)據(jù)庫和水利空間屬性數(shù)據(jù)庫[4]。水情數(shù)據(jù)庫，包括水位流量、商量監(jiān)測站基本信息、監(jiān)測站實(shí)時水位、統(tǒng)計(jì)水位信息、流量、統(tǒng)計(jì)流量信息以及實(shí)時雨量、累計(jì)雨量信息等。數(shù)據(jù)存儲采用數(shù)字、字符格式。數(shù)據(jù)共享方式為部分外部公開，其余為內(nèi)部共享。閘控?cái)?shù)據(jù)庫，包括閘控站基本信息、閘門開啟高度等實(shí)時監(jiān)控信息。數(shù)據(jù)存儲格式以字符、數(shù)字為主。數(shù)據(jù)共享方式為部分外部公開，其余為內(nèi)部共享。工情數(shù)據(jù)庫，主要包括水源，渠道工程及附著在其上的水利工程建筑物的資料，包括在建工程和已經(jīng)完成的工程。數(shù)據(jù)分類為工程的基本特征信息、技術(shù)指標(biāo)信息、運(yùn)行狀況信息及圖片圖像信息等。這類數(shù)據(jù)需要人工輸入。管理數(shù)據(jù)庫，包括灌區(qū)的行政管理信息、經(jīng)濟(jì)情況、固定資產(chǎn)信息、人事工程財(cái)務(wù)行政檔案、財(cái)務(wù)情況以及用水戶協(xié)會信息等。水利空間屬性數(shù)據(jù)庫，灌區(qū)范圍內(nèi)的所有水源、水利工程、管理設(shè)施、監(jiān)測站點(diǎn)及地形地貌的空間屬性信息[5]。

六、結(jié)語

平羅灌區(qū)信息化建設(shè)主要為灌區(qū)管理、用水調(diào)度管理、行政辦公決策與管理提供服務(wù)，具有顯著的社會效益、生態(tài)效益，總體上屬于社會公益性工程。平羅灌區(qū)信息化建設(shè)的效益集中體現(xiàn)于通過各種用水信息的采集分析，建立科學(xué)的用水調(diào)度管理模式，為科學(xué)灌溉、合理用水、節(jié)約用水提供依據(jù)，提高灌溉保證率，提高灌溉效益、供水效益，提高農(nóng)作物產(chǎn)量，改善當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的生活條件。同時，通過先進(jìn)的量水設(shè)施精確計(jì)量實(shí)用水量，不僅可以增加灌區(qū)水費(fèi)收益，而且可以大大減少交接水雙方的矛盾，從而確保灌區(qū)的社會穩(wěn)定，為灌區(qū)水利現(xiàn)代化和經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展提供可靠保障。

通過平羅灌區(qū)的信息化建設(shè)，逐步整合與共享灌區(qū)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)資源，進(jìn)一步提升灌區(qū)用水管理決策能力，為灌區(qū)全面實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)綜合水價改革打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通過在灌區(qū)渠道、管道流量和渠首設(shè)置流量監(jiān)測站，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水總量的自動化監(jiān)測，為開展最嚴(yán)格水資源管理制度考核工作提供重要依據(jù)，同時為逐步實(shí)現(xiàn)灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)的自動化測算提供重要的技術(shù)手段。此外，通過灌區(qū)信息化建設(shè)逐步實(shí)現(xiàn)灌區(qū)現(xiàn)代化建設(shè)目標(biāo)，促進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展。（基金項(xiàng)目：貴州省水利廳科研項(xiàng)目“貴州農(nóng)村生活污水收集雨處理技術(shù)模式研究”；貴州省水利廳科研項(xiàng)目“貴州現(xiàn)代灌區(qū)智能節(jié)水灌溉關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與示范”，項(xiàng)目編號：KT201613；貴州省水利廳科研項(xiàng)目“模糊控制方法智能灌溉發(fā)明專利應(yīng)用推廣”，項(xiàng)目編號：KT201715）

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