智慧灌區建設探討

邱俊楠，王宏偉，李樹元，王 姝

（1.中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222；2.天津市龍網科技發展有限公司，天津 300171）

1 灌區信息化與智慧灌區

1.1 灌區信息化現狀

我國灌區信息化建設開始于20 世紀80 年代，當時稱為計算機技術在灌區中的應用。一些水利單位和科研單位開始了研究和試點，取得了一批研究成果，并在生產實踐中應用。

自2000 年左右國家啟動續建配套與節水改造工作以來，解決了灌區嚴重病險、“卡脖子”工程的問題，提高了灌區骨干工程的配套率和設施完好率，改善了灌區效益衰減的狀況。但是由于國內大部分灌區仍然以粗放式管理為主，且灌區工程多為兼顧灌溉、防洪、城市供水等于一體的系統工程，灌區管理工作涵蓋雨水情監控、水資源調配、工程管理等多方面業務。雖然目前我國灌區信息化具備了一定的基礎，但仍不能滿足各行業對灌區高質量服務的需求[1]。

1.2 灌區信息化存在的問題

受到管理體制、經費投入等方面的制約，灌區信息化管理水平仍比較低下，存在以下幾方面問題。

1.2.1 信息化標準不統一，共享性差 盡管水利行業出臺了一系列系統開發標準，但鑒于灌區管理的特殊性，目前灌區信息化尚無統一的設備安裝、數據庫設計及軟件開發標準。各灌區管理系統或采用通用信息化標準進行開發，或根據業務要求自定義設計規則，此做法導致灌區信息化軟件重復開發率高、共享性差，嚴重制約了灌區信息化的發展。

1.2.2 重硬件建設，輕軟件投入 目前灌區信息化尚處于數據采集與傳輸階段，只重視硬件設備建設，對采集的數據進行簡單的統計、分析，沒有充分挖掘數據價值，如建立灌區水量利用過程模型并智能模擬，導致目前的灌區系統不能指導灌區水資源的優化調配，沒有真正實現灌區智慧化。

1.2.3 未產品化發展，綜合集成能力差 多年來，國家在灌區信息化方面做了諸多工作，取得了一定的成果，但灌區管理工作復雜、涉及面廣，目前灌區系統尚未產品化。雖然各灌區、部門根據其特定的業務需求，開發了雨水情查詢、灌溉預報、供水分析、水費收繳等一系列系統，但由于這些系統沒有統籌規劃，導致系統間各自為政，且硬件資源利用率低，綜合集成能力不高。

1.3 灌區智慧化的必要性

大中型灌區是保障國家糧食安全的重要基礎。我國現有部分灌區已經實現信息化，但僅限于基礎信息的采集、存儲，缺少結合灌區業務實際對信息進行深度分析、利用的機制，尚未實現智慧化。

水利部2018 年印發《深化農田水利改革的指導意見》中提到，農田水利是保障國家糧食安全、促進農業現代化的重要基礎，是實施鄉村振興戰略的有力支撐，深化農田水利改革是推動農田水利持續健康發展的根本保障。2019 年農村水利水電工作年度報告中指出，2016—2019 年全國累計安排358 處大中型灌區開展大中型灌區續建配套與節水改造，為我國灌區信息化發展打下了堅實的基礎。

隨著《鄉村振興戰略規劃》《關于開展“十四五”大型灌區續建配套與現代化改造實施方案編制工作的通知》等的發布，加快農業現代化步伐、開展灌區智慧化建設，是我國“十四五”及未來相當長一段時間的工作。因此，以灌區工程管理、統籌用水、防洪調度等為導向，結合灌區實際業務，開展智慧灌區建設已成為必然趨勢[2]。

2 智慧灌區解決的問題

圍繞灌區水資源分配與利用、水工程監控與管理、水經濟發展等問題，基于感知數據和3S 技術構建灌區一張圖，集合人工智能、大數據、云計算等新一代技術，建立從灌區來水預測到用水管理，從工程巡檢到管理單位考評的全方位、多角度智慧化灌區管理平臺[3-5]。

2.1 智慧灌區的數據流程

智慧灌區以空間、基礎、監測、業務、多媒體等基礎數據為基礎，實現灌區雨量、水位、流量、水量等信息查詢。在此基礎上，結合灌區實際業務，應用水量統計算法、來水預測模型、用水分析模型，實現量測水監控、水費計收、工程巡檢等業務管理。最后，結合設施自動執行模型，為用戶提供汛情警戒、配水調度和灌溉規劃。智慧灌區的數據流程如圖1 所示。

圖1 智慧灌區數據流程

2.2 智慧灌區的優勢

智慧灌區可實現物聯監測全域覆蓋、多源數據融合、閘門泵站遠程控制，并基于監測及歷史數據，建立灌區來水及作物灌溉過程模型，全局統籌灌區水資源調配。

2.2.1 全時空感知 基于灌區渠首、分水口等立體化監測體系，實現多手段、全方面、超便捷、實時化的感知。

2.2.2 多維度決策 建立預測預報、水量調度、計量收費、灌溉服務、行業監管、輔助決策于一體的灌區業務全生命周期的決策支持。

2.2.3 網格化監管 依托區塊鏈技術，實現灌區用水精準計量，確保臺賬數據及時同步，且防泄漏、防篡改、可追溯。

2.2.4 全景化監視 融合多源數據，構建“灌區一張圖”，實現灌區監視信息全方位、多視角、遞進式的展示。

2.2.5 精細化管控 集成灌區內閘閥、泵站等智能控制設備，實現遠程精細化自動控制和智能巡檢。

3 智慧灌區的實現

3.1 總體框架

依據安全保障及標準規范，將遙感、雨水情、水質等全時空感知數據通過高速網絡傳輸至數據中心，利用大數據分析、數據交換與分享、人工智能等云端互聯支撐技術，充分結合灌區實際業務，以應用門戶和移動端形式提供物聯監控、灌區一張圖、水量調度、用水監督、效益分析、工程管理等應用，為各級管理單位及農戶提供服務，解決其在日常工作中的痛點，有效提高各環節工作效率，提升灌區用水效益。智慧灌區的總體架構如圖2 所示[6-7]。

圖2 智慧灌區總體架構

3.2 智慧灌區功能

3.2.1 物聯監控 依托灌區感知監測設備及傳輸網絡，實時監控雨量、渠首水位、泵站、機井等信息，依據管轄范圍權限，對轄區內管理者提供預警提醒，為灌季實時查看監測信息提供便捷。

基于智能遠程控制柜等先進設備，借助物聯技術，將水閘、泵站、水表等的參數存儲上報至手機，并接收手機一系列指令，實現遠程啟動/停用、遠程配置、遠程升級。

針對工程運行過程，提供人工填報機組運行狀態、時長等信息入口，準確計算水閘、泵站等工程用水量，與終端控制結合，實現灌區輸水工程遠程管理。

3.2.2 灌區一張圖 基于全國水利基礎和水利空間服務，充分整合灌區空間數據資源，應用“天地圖”等公共服務資源，構建灌區一張圖。

以一張圖為底板，分層次、分業務、分專題、多角度對監測數據進行監視、預警，實現對灌區雨水情、閘門監測及自動控制、墑情、干渠水量、支渠口及斗口測控、田間農渠口測控、泵站水量、機井水量、行政邊界水量等信息的直觀監控，建立網格化量水體系，實現灌溉用水精準計量，為灌區規劃、管理提供數據支撐[8]。

3.2.3 水量調度 應用相似年法、多元線性回歸分析等模型，精準預報灌區不同時間尺度的可利用水量，應用Penman-Monteith 公式、土壤濕潤層水量平衡推求作物需水、灰色動態模型、PPR（投影追蹤回歸模型）等研究成果，預測灌區不同作物的灌溉需水量。

結合灌區工程供水能力及效益，建立多目標用水配置模型，開展灌區供需平衡分析，為灌區統籌用水提供決策支持，達到節約灌溉用水和科學高效管理灌區的目的，為實現灌區水資源優化配置、提高灌溉用水效率和保障灌區可持續發展發揮重要作用。

3.2.4 用水監管

3.2.4.1 用水申請痕跡化：以灌區灌溉用水審批業務流程為導向，建立自管理處至管理局的用水申請及審批管理，方便用戶在線辦理審批業務，同時提供灌溉用水調度令的下發及在線預覽功能，節省灌季用水的申請周期，提高工作效率。

3.2.4.2 用水臺賬多級化：對灌區取用水量、取用水計劃及水費計收信息進行臺賬管理，形成從市級→縣級→鄉鎮→村級4 級灌區的用水臺賬，服務灌區管理和水費收繳。

3.2.4.3 水費計收實時化：以用水計量為基礎，采用IC 卡智能管理終端實現取水水權配額許可管理，依托區塊鏈技術，按照水價計費自動征收，對每個用水戶的用水量遠程傳輸至上一級水資源信息管理平臺，實時監測匯總，加強過程監管。通過對用水進行計量分析，提高水資源利用率，實現經濟結構調整與水資源配置的雙向促動。

3.2.5 效益分析 以灌區實時水位、閘控監測為基礎，結合灌季人工填報水閘記錄信息，對灌溉用水進行實時調度分析、高效配水，實時掌控灌區水量使用情況。基于用水申請及實時灌溉記錄，結合經濟、社會、管理等因素，綜合分析年度灌溉用水效益，為來年灌溉用水分配及制定用水計劃提供依據，支撐灌區高效節水[9]。

3.2.6 工程管理 以灌區工程巡檢、白蟻防治、水政執法、險情上報等業務流程為導向，實現自管理段巡檢員至管理局業務部門的工程檢查在線處理，方便用戶開展業務，實時統計工程檢查情況。

基于工程自身的獨立編號生成二維碼，通過手機掃碼的方式輕松實現設備巡檢，實現實時、快速的上報檢查信息，提高巡檢效率，縮短工程檢查管理周期。

4 智慧灌區的預期成效

智慧灌區為傳統的水庫、渠道、管道等水利基礎設施插上信息化的翅膀，通過“天網”和“地網”的結合實現水利基礎設施精細化管理和高效運營，將灌區管理由目前的信息化向數字化、智能化、高效化轉變，全面提升灌區綜合管理水平，促進現代化農業的發展。