灌區農業水價綜合改革管理信息系統研發與應用
——以德令哈市懷頭他拉水庫灌區為例

余根堅，郭 靜，王 鵬，侯淑媛

(中國水利水電科學研究院，北京 100048)

0 引 言

農業是用水大戶，也是節水潛力所在。長期以來，我國農田水利基礎設施薄弱，運行維護經費不足，農業用水管理不到位，農業水價形成機制不健全，價格水平總體偏低，不能有效反映水資源稀缺程度和生態環境成本，價格杠桿對促進節水的作用未得到有效發揮，不僅造成農業用水方式粗放，而且難以保障農田水利工程良性運行。為建立健全農業水價形成機制，促進農業節水和農業可持續發展，在總結試點經驗基礎上，國務院辦公廳印發《關于推進農業水價綜合改革的意見》(國辦發〔2016〕2號，以下簡稱《意見》)[1]?！兑庖姟返闹笇枷耄喝尕瀼攸h的十八大和十八屆三中、四中、五中全會精神，認真落實黨中央、國務院決策部署，按照“四個全面”戰略布局要求，牢固樹立創新、協調、綠色、開放、共享的發展理念，圍繞保障國家糧食安全和水安全，落實節水優先方針，加強供給側結構性改革和農業用水需求管理，堅持使市場在資源配置中起決定性作用和更好發揮政府作用，政府和市場協同發力，以完善農田水利工程體系為基礎，以健全農業水價形成機制為核心，以創新體制機制為動力，逐步建立農業灌溉用水量控制和定額管理制度，提高農業用水效率，促進實現農業現代化?！兑庖姟返目傮w目標：用10年左右時間，建立健全合理反映供水成本、有利于節水和農田水利體制機制創新、與投融資體制相適應的農業水價形成機制；農業用水價格總體達到運行維護成本水平，農業用水總量控制和定額管理普遍實行，可持續的精準補貼和節水獎勵機制基本建立，先進適用的農業節水技術措施普遍應用，農業種植結構實現優化調整，促進農業用水方式由粗放式向集約化轉變。《意見》的主要工作任務：①夯實農業水價改革基礎(包括：完善供水計量設施，建立農業水權制度，提高農業供水效率和效益，加強農業用水需求管理，探索創新終端用水管理方式)；②建立健全農業水價形成機制(包括：分級制定農業水價，探索實行分類水價，逐步推行分檔水價)；③建立精準補貼和節水獎勵機制(包括：建立農業用水精準補貼機制，建立節水獎勵機制，多渠道籌集精準補貼和節水獎勵資金)。

按照黨中央、國務院決策部署，青海省政府《關于印發推進農業水價綜合改革實施方案的通知》(青政辦〔2017〕21號)[2]，綜合考慮各地實際情況和改革基礎，用10年左右時間(到2025年)，以已建的89處萬畝以上中型灌區為重點(包含全部小型灌區)，分3批、3階段實施改革工作；同時在建立科學合理的農業水價形成機制、健全系統完善的農田水利設施體系、構建良性長效的工程運行管理體制、健全集約高效的農業用水管理制度和建立精準持續的農業用水補貼和節水獎勵機制等方面提出了具體改革目標和任務。青海省水利廳下發《關于貫徹落實<省政府辦公廳關于印發推進農業水價綜合改革實施方案>的通知》(青水管〔2017〕110號)[3]，要求各市(州)、縣水利(水務)局加快農業水價綜合改革，按照時間節點要求，強化工作職責、制定實施方案和年度計劃，落實保障措施。

當前，全國范圍內農業水價綜合改革工作正在穩步推進。為貫徹落實國家、青海省政府和省水利廳等一系列文件要求，海西州德令哈市將懷頭他拉水庫灌區列入第一批農業水價綜合改革灌區名單(2017～2019年)，作為2018年省級重點推進灌區。根據海西州水利局和海西州財政局關于《德令哈市懷頭他拉水庫灌區農業水價綜合改革項目實施方案》的批復(西政水字[2018]327號)[4]，該項目除了需要開展：明確農業初始水權、灌區農業水價測算與水費計收方式、強化灌區用水管理、落實工程產權與管理權、落實農業節水精準補貼機制和節水獎勵機制、用水計量設施配套建設、閘門遠程自動控制改造、網絡信息中心建設等，還需研發灌區農業水價綜合改革管理信息系統、并實際應用。

懷頭他拉水庫灌區農業水價綜合改革管理信息系統(以下簡稱：系統)以水情、工情等信息采集和閘門遠程自動控制為基礎，綜合應用軟件開發、自動控制、數據庫和地理信息等技術，對灌區取用水信息自動采集、傳輸和處理，實現測、監、管、控一體化。結合懷頭他拉水庫灌區在用水管理工作中的實際情況，以計算機方式抽象到系統中，取代原有灌區人工量測水和手動控制閘門等工作，提高灌區用水管理工作的效率和精度，使得灌區工作人員可以方便快捷、直觀有效地對所在灌區范圍內的重要渠道、管道、閘門、監測站等水利設施的水量信息進行測量、計量、監視與控制[5]，為灌區水資源的合理利用、灌區配水調度、水費征收、防汛抗旱等工作提供有力的支持，也為提升灌區管理部門決策和管控能力、提高對農民的供水服務水平、實現灌區現代化提供智慧、高效的信息化管理工具。

1 系統建設背景

德令哈市位于青海省西北部，位于海西州中部的巴音河畔。地理位置處于東經96°15′～98°15′，北緯36°55′～38°22′，平均海拔2 980 m，總面積2.77 萬km2，其中市區面積25 km2。懷頭他拉水庫灌區的灌溉用水來源于懷頭他拉水庫，設計灌溉面積2 100 hm2，現狀有效灌溉面積800 hm2，現狀灌溉水利用系數為0.46。

德令哈市懷頭他拉水庫灌區農業水價綜合改革以保障糧食安全、供水安全和建設現代農業為導向，以促進農業節水和農田水利工程良性運行為目標，完善農田水利設施體系，健全農業水價形成機制，創新農田水利管理體制機制，逐步建立農業灌溉用水總量控制和定額管理制度，提高農業用水效率和效益，助推灌區現代化和農村經濟可持續發展。

以明晰水權、定額管理為前提，以配套完善供水計量設施為基礎，以強化水費征收為前提，采用科學、系統、現代的手段，有效使用互聯網、物聯網、大數據技術，建設懷頭他拉水庫灌區集監測、控制、計量和信息化等技術在內的灌區農業水價改革管理信息系統。系統提供信息監視與服務、閘門自動化監控、灌區水費計收、綜合統計分析和灌區基礎信息等服務，實時掌握區域用水總量、利用大數據技術實現對灌溉數據的多維度分析、統計分析水資源利用情況、輔助制定節水辦法，促進水資源合理配置和高效利用[6]。

2 系統總體設計

“灌區農業水價改革管理信息系統”是以提高灌溉水利用率、合理配調水資源、保障灌區可持續發展為出發點，采用可靠、開放的體系架構保障系統的可靠運行，從配套完善供水計量設施、提高測量精度入手，由信息采集與傳輸獲取各類數據，建設和開發數據中心；以統一的應用支撐平臺為框架，開發灌區業務管理應用系統，逐步掌握區域用水情況、掌握區域水資源利用情況；以信息安全體系和標準規范體系為保障，面向灌區管理部門、取用水戶等提供服務，逐步實現農業用水有效管理，提高農業用水效率和效益，助推灌區現代化可持續發展[7]。

2.1 系統總體架構

基于SOA(面向對象的服務)思想提出灌區農業水價改革管理信息系統的總體架構，從技術實現和提供服務的角度總體架構可以劃分為七個層次和兩個體系。七個層次分別是：信息采集傳輸層、通訊網絡層、硬件設備層、數據資源層、應用支撐層、業務應用層和應用交互層；兩個體系分別是：安全保障體系和標準規范體系。從下至上在統一的標準、規范、安全保障下，各層都以服務的方式接入企業服務總線，實現靈活構建、可拆可合[8]。系統總體架構見圖1。

圖1 系統總體架構圖Fig.1 Overall architecture diagram of the system

2.2 系統功能介紹

2.2.1 信息監視與服務

以GIS為平臺，以簡潔鮮明的圖、文、聲、像等方式對各關鍵點的各項指標數據(水位、流速、流量、閘位、設備狀態)進行實時監測、數據分析和報警處理，當實時信息出現超警戒值或超設計值時，報警系統以紅燈閃爍和聲音等形式進行自動報警，提示工作人員采取應對措施。見圖2。

圖2 水位動態信息圖Fig.2 Dynamic information diagram of water level

以MIS為平臺，以簡潔、明了的圖表方式，方便快捷地查詢各類實時的和歷史的水位、流速、流量、設備狀態、用水量等數據信息，并可以根據各種情況進行動態分析，便于工作人員實時了解數據信息演進變化情況。

2.2.2 閘門自動化監控

通過傳感技術、自動化控制技術、計算機軟硬件技術、網絡通信技術等，實現閘門上、下游水位、閘門荷重、閘門啟閉狀態與開度、圖像信息自動化采集與傳輸，達到能夠在監控中心遠程控制閘門啟閉以及閘門自動控制和系統聯動[9]。通過實時圖像可以直觀了解閘門的運行工況以及周邊環境，系統使得遠程操作更加可視，達到無人值守、統一調度的目標。

閘門自動化監控系統負責數據庫與現場閘門設備的數據交互和水量計算[10]，設備通過網絡與中心軟件建立數據連接，軟件獲取現場監測數據包括閘門開度、瞬時流量、閘前水深、閘后水深、累計流量、報警狀態以及通訊時的信號強度信息并將數據存入數據庫。見圖3。

圖3 閘門監控界面圖Fig.3 Interface diagram of gate monitoring

2.2.3 灌區水費計收

綜合考慮農業用水定額、用水戶承受能力等，以灌區農業用水實行“骨干工程水價+末級渠系水價”的終端水價制度為指導，合理確定農業用水價格。根據《德令哈市懷頭他拉水庫灌區農業水價綜合改革項目實施方案》中的灌區農業水價測算成果，確定的定額范圍內的全成本終端水價為0.157 元/m3、運行成本終端水價為0.052 元/m3。

實行農業用水定額管理和超定額累進加價制度[11]，定額內用水原則上比照工程運行維護成本實行優惠水價；超定額用水實行階梯價格。綜合考慮節水潛力、承受能力、管理需求和可操作性等，合理確定超定額水量階梯和累進加價幅度[12]。

以灌區用水計量數據為基礎，根據具體的收費管理模式，進行灌區水費計收管理，具體功能包括：水量統計、應交水費計算、水費收繳統計查詢、水價標準查詢等。見圖4。

圖4 水費計收界面圖Fig.4 Water charge interface diagram

2.2.4 綜合統計分析

運用物聯網中間件技術構建以支持多層次數據應用的云計算數據中心[13]，以BI分析為平臺，實現灌區各類信息的匯總和綜合展示、統計、對比分析等。

綜合統計分析滿足在線監測和非在線監測的信息服務需求，從渠系、用水戶、灌水時間等多個維度綜合分析灌區用水信息。以直方圖和曲線圖、棒圖等多種方式清晰直觀地顯示分析結果，從而為灌區水量調度管理提供科學準確、全面、詳細、及時的信息服務。見圖5。

圖5 信息統計圖Fig.5 Information statistical figure

2.2.5 灌區基礎信息

灌區用水是一個復雜的系統，對灌區基礎信息進行全面、高效的管理是灌區用水管理現代化能夠充分發揮作用的前提和基礎。灌區基礎信息主要包括渠系、管網及建筑物情況和灌區管理職能分配情況。見圖6。

圖6 灌區基礎信息圖Fig.6 Irrigation basic information map

2.3 關鍵技術

(1)面向服務的系統架構。采用SOA面向服務的系統架構，SOA是基于開放的Internet標準和協議、支持對應用程序或應用程序組件進行描述、發布、發現和使用的一種應用架構。SOA支持將可重用的數據應用作為應用服務或功能進行單獨開發集成，并可以在需要時通過網絡訪問這些服務或功能。它將業務應用功能以服務的形式提供出來，以便更好地復用、組裝和與外部系統集成，從而降低開發成本，提高開發效率。

(2)基于事件驅動的模型服務。將業務實體構建為靜態模型，以靜態模型為基礎，通過實時信息采集和監控跟蹤業務實體的動態數據，從而將業務實體在信息空間進行全要素重建，形成實體-靜態與動態屬性-事件的映射，以事件驅動與復雜事件處理技術作為引擎形成具有實時感知、分析、決策、執行能力的信息服務。

(3)基于大數據分析的智能服務?；诖髷祿治龅闹悄芊帐峭ㄟ^高性能事件引擎、海量數據處理技術，融合多網、多源、異構的海量數據，并能對獲取的大量感知事件進行高效處理，對匯聚形成的海量數據進行高效快速分析與智能化處理，為綜合分析應用提供高效數據服務支撐。

3 系統在灌區管理的應用

懷頭他拉水庫灌區農業水價改革管理信息系統的建設提升了該灌區現代化建設所需要的監測、控制、計量和信息化管理能力，為灌區管理提供了科學、系統的手段，推動了傳統灌溉向現代灌溉轉變，提高了水資源利用效率和效益，推進農業發展方式的轉變。

(1)節水效益。以現狀灌區有效灌溉面積800 hm2計，采用青海省地方標準《用水定額》(DB63/T 1429-2015)[14]和現狀作物種植結構核定的農業初始水權為1 098.2 萬m3(定額61.01 m3/hm2)；相比未改革前實際的用水量1 306.23 萬m3(實際72.57 m3/hm2)，共計節水208.03 萬m3，農業用水下降18.94%?？梢姡涍^農業水價改革，對灌區用水量使用計量設施監測后，應用信息管理系統加強水量和水價管理，灌區的節水效益顯著。

(2)經濟效益。懷頭他拉水庫灌區水費原來實行按畝征收，水價為22.6 元/hm2，年均水費為17.81 萬元；但因為取水口、各級渠(管)道未安裝計量設施，無法準確計量取用水量，農戶繳費意愿不強，經常無法足額收繳水費。實施了農業水價綜合改革項目、明確了農業初始水權、安裝了取用水計量設施以及應用了信息管理系統之后，加強了水量和水價的管理，實現按方收費，水量和水費一目了然，每年可實現足額收繳水費。以運行成本終端水價0.052 元/m3執行，每年可收繳水費57.11 萬元，比原先按畝收費多收39.3 萬元，提高220.66%；若以全成本終端水價0.157 元/m3執行，每年可收繳水費172.42 萬元，比原先按畝收費多收154.61 萬元，提高868.11%。對比可知，經濟效益非常顯著！

通過建立合理水價形成機制和價格杠桿作用，體現灌溉水的資源屬性；在節水優先的前提下，進一步增強農田水利基礎設施建設，解決灌排工程運行維護經費，確保灌排工程良性運行。

(3)管理效益。懷頭他拉水庫灌區實施了農業水價綜合改革項目，尤其是運行了管理信息系統以后，以信息化管理方式取代原有人工量測水和手動控制閘門等工作，做到了實時實地對渠道、管道、閘門和監測站等水情工情信息進行自動采集、測量、計量、監視、決策與控制，實現了測、監、管、控一體化；大幅度地節省了人力成本，提高了對用水戶的供水服務水平，提升了灌區管理部門的決策和管控能力，極大地提高了工作效率與效益，初步實現了灌區管理現代化[15]。

(4)環境效益。系統實施后，有效地控制灌區水資源需求過度增長，退減擠占的生態環境用水和減少地下水超采，維持河道基本生態用水，提高資源環境承載力，促進經濟社會與環境的協調發展，改善水生態環境。

(5)社會效益。通過水資源有效管理、優化配置、節水技術推廣應用，促進發展方式轉變及產業結構調整、優化升級、土地流轉，使經濟結構進一步適應水資源承載能力，促進德令哈市經濟社會可持續發展；同時提高水資源利用效率，有效控制需求過度增長，緩解了供需矛盾，保障供水安全和糧食安全，促進經濟社會又好又快發展。

4 結 語

在當前全國范圍內穩步推進農業水價綜合改革工作的大好形勢下，懷頭他拉水庫灌區農業水價綜合改革管理信息系統的運行應用表明：利用互聯網技術、物聯網技術、云計算平臺，建設集監測、控制、計量和信息化等技術在內的灌區農業水價改革管理信息系統，應用計算機技術等現代化管理方法對灌區傳統的管理方式進行升級打造，提供信息采集與監視、閘門自動化監控、灌區水費計收、綜合統計分析和灌區基礎信息等服務；在取得節水、增效的同時，能有效地解決農田水利“最后一公里”問題，逐步建立農業灌溉用水總量控制和定額管理制度，提高農業用水效率和效益，助推灌區現代化和農村經濟可持續發展。

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