農村飲水工程的信息化建設

楊婉寧 王潔瑜 楊文棟

(1.陜西省咸陽市禮泉縣水利管理站，陜西 咸陽 713200； 2.中國電建西北勘測設計研究院有限責任公司，陜西 西安 710000)

在數字經濟和現代信息化、智能化技術的推動下，農田水利信息化建設創新了管理模式，充分發揮了飲水工程的社會效益。作為農田水利建設中的關鍵環節，飲水工程關系到居民正常的飲水安全和畜牧業的發展，受農村人口的增加、水資源時空分布不均、國家精準扶貧戰略的影響，亟需通過信息智能化手段來提高農村飲水工程的管理水平，發揮供水效益[1]。

1 飲水工程現狀

飲水工程是重要的民生工程，它的建設關系到人民基本生活需求，在數字經濟和互聯網背景下，現狀條件下的飲水工程存在飲水資源配置率低，飲水資源利用率低，各供水廠系統之間孤立，存在信息孤島現象；而在水資源市場化背景下，較低的水資源配置率和利用率，會增加居民生活成本，缺乏統一的標準和統一管理，不僅增加人員管理成本，還無法充分保證飲水安全[2]。

作為水利信息化建設的關鍵環節，農村飲水工程信息化建設是全面建成小康社會的重要內容，就現狀條件下飲水工程存在的問題，李萍指出農村飲水工程存在飲水安全意識不足、飲水資源污染嚴重、給水技術相對落后、飲水設施較為缺乏等問題，并指出飲水工程信息化建設是解決這些問題的關鍵一招[3]；唐湘茜等人借助大數據分析、自動化控制技術，構建適用于水源地到用水戶的全過程自動化監控體系，實現“一工程一檔案”，對農村飲水工程運行進行信息化建設[4]；張立紅以固原農村安全飲水工程為研究對象，借助互聯網技術和大數據技術，進行信息化建設，不僅可以對飲水工程實時監控,還可以實現引水資源的優化調度，同時提高工程質量，降低成本[5]；劉海峰等就飲水工程存在的管理問題為適應新形勢下農業的發展對武威市涼州區飲水工程進行信息化建設[6]。

綜上，在水利信息化和精準扶貧政策引導下，加強水利工程的信息化建設可改善現狀條件下農村飲水工程的不足。

2 飲水工程信息化平臺構建的關鍵技術研究

2.1 飲水工程大數據

飲水工程不僅要保證居民飲水，也要兼顧河道生態用水需求。飲水工程大數據不僅涵蓋飲水工程自身數據，而且還包括與研究區域相關的數據。其中，飲水工程自身數據主要包含工程業務數據、工程基礎數據、工程監測數據、工程空間地理位置數據及工程中用到的一些歷史數據。而涉及研究區域的數據主要有區域水源數據、區域內用戶的用水數據、區域人口、區域面積、區域經濟產值等數據(見表1)。

表1 飲水工程大數據構成

2.2 數據共享

飲水工程數據共享主要是實現飲水行業間數據共享和其他行業共享。行業內數據的采集和整理應嚴格執行水利部相關標準，通過構建統一的水利數據資源目錄，然后根據時間節點及時更新數據，并采用系統對接、聯機查詢、在線瀏覽等方式，實現不同層級間的數據共享；同時省級水利信息化部分應該統建水利數據倉，并研發數據共享交換平臺。其他行業數據的采集和整理應該按照相關要求嚴格執行，并建立統一的數據共享機制可以提高數據的利用率。

2.3 功能應用關鍵技術

農村飲水工程管理平臺關鍵在于在對水資源預測的基礎上，通過優化調度模型，對飲水資源合理配置，充分保證飲水安全。

2.3.1 水資源預測體系

受氣候變化和人類活動的影響，需在分析流域各水文要素時空變化的基礎上，借助模型，分析地表水和地下水間得轉化關系，并對水質、水量、生態需水量做出預測。

1)地表水量預測。構建地表水SWAT模型：將土地利用、氣象、水文、植被、遙感、土壤特征等基礎數據作為輸入條件，并建立土壤屬性數據庫，借助DEM、水系、河網數據，利用ArcSWAT實現流域劃分、邊界設定、水文相映單元的生成等，利用實測徑流值對模型進行識別、調參、校準和驗證。

地表水預測：利用構建的SWAT模型，將氣象、水文等基礎數據輸入模型，利用SWAT模型，對地表水做出預測。

2)地表水與地下水耦合。通過分析鉆孔情況和水文地質資料，獲得流域地下水補給、徑流、排出的條件，利用Visual MODFLOW Flex6.1建立概念模型，生動刻畫出地下水的真實流場；同時借助ArcGIS，建立基于SWAT地下水補給、潛水蒸發對應表，在時間和空間尺度上對地表水和地下水進行耦合。

3)水質預測。考慮未來氣候變化的影響條件下，人類活動對地表水水量和水質的影響，利用地表水評價標準，對地表水現狀進行評價。選取水質評價指標，根據模型預測未來水平下地表水和地下水水質情況。

2.3.2 水資源配置模型

在農村飲水配置過程中，建立水資源配置模型，以農村所有用戶總缺水量最小和水庫總棄水量最小為目標，利用SWAT做出水資源預測的基礎上，以需水量、輸水能力等為約束，利用優化算法進行求解，得到最優的飲水資源配置方案。以總缺水量和總棄水量最小為目標，目標函數如式(1)所示：

(1)

其中，aj為第j個用戶的權重系數；Tj,t為第j個用戶在第t時段缺水量；Oi,t為第t時段第i水庫的棄水量；γ為水庫棄水的懲罰系數。此外約束條件為：

水庫蓄量約束：

Vmin,i≤Vi,t≤Vmax,i

(2)

其中，Vmin,i為第i水庫蓄水量的最小值，一般為死庫容；Vmax,i為第i水庫蓄水量的最大值，應充分保證水庫自身安全，一般取值正常蓄水位對應的庫容。

最小需水能力約束：

Gj,t≤Xj,t

(3)

其中，Gj,t為第t時段給第j用戶的供水量；Xj,t為第t時段給第j用戶的需水量。

干渠輸水能力約束：

GQSm≤GQSs,m

(4)

其中，GQSm為總干渠第m個分水口向下輸水量；GQSs,m為第m個分水口處總干渠的設計流量值。

變量非負約束：

B≥0

(5)

其中，B為任意變量。

3 飲水工程信息化平臺應用研究

農村飲水安全信息化管理平臺系統主要是根據當前業務需求，運用新一代的信息化技術，借助智能設備實時感知水務狀態，采集水務信息，通過構建統一融合的公共管理平臺，對海量數據進行實時分析處理，用更科學、更現代化、更精細的管理方式，實現從制水、供水、用水整個水務生產流程的全管控，提升農村水務管理與服務水平，適應未來農村水務的發展。

3.1 總體框架

農村飲水工程信息化管理平臺總體框架如圖1所示。

1)感知層。感知層共分為兩部分：信息感知，是通過各類傳感器，將供水過程的各類數據，包含視頻圖像、水位、流量、壓力、水質、泵站的電流電壓等數據進行廣泛感知；設施控制，通過先進的計算機網絡及控制計算，實現對供水工程中各類設施進行“集中管理，分散控制”，達到安全生產，快速反應，遠程調度的目的。

2)傳輸層。采用GPRS/4G/5G及光纖有線等相結合的通信方式，實現數據傳輸和互聯互通。

3)數據層。數據層是數據的存儲分析平臺，主要實現將多源異構數據源分類存儲，避免數據混亂，實現數據的存儲、數據的調用等功能，主要包括基礎信息數據庫、地理信息數據庫、實時數據庫、歷史數據庫、水利空間屬性數據庫、模型數據庫和多媒體數據庫。

4)應用層。通過聚合分散和異構的應用和信息資源，制定統一的數據標準，利用統一的訪問入口，將結構化數據資源、非結構化文檔和其他互聯網資源進行集成，同時無縫接入各應用系統數據庫，為用戶提供一個支持信息訪問、傳遞和協作的集成平臺。

5)業務應用層。業務應用層主要負責將數據層的數據進行匯總分析，并按照平臺用戶類型應用到實際生活中。針對不同的用戶,提供相應的信息技術服務。如面向水廠,提供相關數據報表,實時監測供水管網的運行情況，實時監測飲水資源的水質，同時根據用戶用水需求和水資源配置模型，對水資源合理配置使系統總缺水量最小。

6)用戶層。用戶層主要是指使用該系統的各類用戶，包括移動用戶和靜態用戶，主要有水廠、用水戶、農引管理單位、水利管理單位及政府機構，它們可以通過有線或無線網絡與中間層進行通信，從而完成所需的工作。

3.2 功能應用

利用公共管控平臺，結合相關的監測設備，實時監測供水水質和水量，并結合自控設備，實現對水庫險情實時監測預警與自動控制，然后利用圖表實時統計分析用戶供水數據，對農村供水信息進行綜合分析，結合視頻會商進行專家決策，對供水情況給出綜合的解決方案。

1)綜合監管門戶。以GIS為手段，整合地形、影像和道路等基礎地理信息數據和水廠、地上地下管網、水渠、水閘等供水工程數據，構建供水工程三維模型和虛擬現實場景，實現供水工程虛擬場景的三維漫游、設備信息查詢、空間位置查詢、供水實時監控和供水工程的可視化管理，為供水管理人員提供供水工程的三維可視化管理，實現農村供水的信息化和現代化管理。

2)管網實時監測系統。管網實時監測系統主要是通過布置監測點，并利用GPRS網絡實時傳輸技術，將各監測點所測的水位、水壓、流量、水質信息等數據傳輸到監控中心，實現供水管網實時運行情況的在線監測，同時為控制中心及有關部門提供真實準確的運行數據，供分析決策使用，保證供水質量，滿足日益增長的用水量的需求。

3)水質監測與評價系統。水質監測與評價系統主要是利用監測設備、水質監測處理軟件等，通過固定、移動、自動等方式相結合的水質信息采集手段，定期采集水質監測數據，分析水質監測、快速監測突發性水污染信息，同時利用水質信息數據，結合相關的預測模型，對水質趨勢進行預測，及時進行水質預警預報，確定主要的污染源，并制定相應的措施預案，對水質情況進行評估。

4)視頻監控系統。視頻監控系統主要是利用網絡傳輸技術，通過監控設備為用戶提供圖像、聲音和各種報警信號遠程采集、傳輸、儲存、處理，各水庫、水廠建立相應的視頻監控系統，利用網絡技術實時傳輸視頻監控數據至監控中心服務平臺，監控中心通過以集中式分區劃運營方式為用戶提供便捷、經濟、有效的遠程監控整體解決方案。

5)供水會商系統。供水會商系統是以先進的視頻會議系統為主，輔以數字會議系統、攝像系統、音響系統等硬件設備，然后通過供水管控平臺，借助平臺決策支持、自動管控、管網監控、水質監測與評價、安防視頻監控、三維信息可視化平臺等軟件系統，充分耦合計算機網絡技術、數據庫技術、三維GIS技術等先進技術，將信息采集、遠程監控、決策分析有機結合在一起，實現會議協商、會商指揮、遠程監控等多項功能，為決策人員提供強有力的、功能齊全的分析、決策和指揮調度環境。

6)自動化管控系統。自動化管控系統主要是借助PLC控制系統，實現數據的實時采集和傳輸，PLC系統通過網絡傳輸協議與監控平臺主機進行數據交換，實時管控各生產環節設備的運行狀態，并通過PLC系統對水廠處理系統(包括格柵、機械混合池、凈化、提水泵站等設備)進行全自動化管控，同時借助PLC系統對數據進行分析處理，并對設備運行狀態進行預測，及時發現設備問題并處理。

7)遠程收費系統。遠程收費系統主要是為水利及水廠等部門提供水費征收管理的系統，通過采用遠程智能抄表技術，采集供水用戶的水量數據，然后根據用水戶的基礎資料，打印相關的票據和收費單，并同時將抄表員及收費員等信息，連通用戶用水的基礎數據進行統一存儲和管理，方便管理者對用水用戶的水費情況進行查詢和統計分析，有助于各水管部門獲取決策信息，提高工作效率，提升服務質量。

4 結語

通過農村飲水工程的信息化建設，可以優化飲水水資源配置，對水資源合理調度，提高飲水資源利用率，充分保障人畜飲水安全，在水權交易市場背景下可以獲得經濟效益；通過視頻監控系統和飲水工程信息化管理平臺，可以實時監測供水管網的運行動態，針對不安全問題可做到及時發現、及時行動，降低風險，同時可以降低運維成本；此外對飲水工程的信息化建設可以方便管理者管理，創新管理模式，提高管理效率，為科學安全的決策提供可靠依據。