疏勒河流域現代灌區智慧應用技術體系研究

季宗虎，孫棟元，惠 磊，崔艷強，馬亞麗，趙文琦，周 敏，張發榮

(1.甘肅農業大學水利水電工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省疏勒河流域水資源利用中心，甘肅 玉門 735211)

“十四五”時期的水利工作提出目標要求，建設數字孿生流域，基于現代信息技術構建灌區管理體系，也為智慧灌區建設明確了方向和任務。為國家在灌區關鍵核心技術上的自主突破上帶來新的發展和機遇，目前我國灌區的智慧體系應用主要依靠人工來完成，遠未達到自動化的目標，因此，國家投入了大量人力和財力進行技術探索。現代化灌區智慧應用主要建立以全灌區測控調度系統、物聯網和3S為核心的全過程智能調度檢測體系，以3S技術為依托實現空間信息進行采集、分析、傳輸和應用系統化。通過自動化、物聯網感知、無線通信、大數據管理、中間件組件等技術，實現灌區用水自動化和水資源優化調度，對灌區實時運行、視頻監控數據、日常管理等相關數據進行集中管理、統計分析、數據挖掘，為不同層面的供、用、排水運行管理者提供即時、豐富的運行信息，達到信息采集、傳輸、存儲、管理和服務的網絡化、數字化和智能化[1- 2]。疏勒河智慧灌區的建設主要依靠自動模擬調度系統、控制中心及信息平臺、閘門自動控制系統、灌區水量信息收集系統來建成灌區信息系統。

1 現代化灌區智慧應用技術體系結構

疏勒河流域現代化灌區智慧應用技術體系由灌溉信息技術系統、測控調度技術體系、現代化控制體系、智慧水管理體系構成，以智能傳感器和3S技術為前端進行信息和數據采集，以物聯網、互聯網等網絡傳輸為依據，通過云服務中心進行信息和數據的處理，分析各地段的情況進行合理的調度，及時啟閉閘門對下瀉流量實時監測并傳輸到信息中心，使整個灌區實現真正的全自動化、全信息化，如圖1所示。

圖1 疏勒河灌區智慧應用技術構架

測控調度系統主要利用前端采集監測系統，對閘門統一進行調度，實現聯合自動化控制，并依靠斗口水量測體系對灌溉調度作出合理的計算與分析。現代化控制體系是結合地下水三維仿真體系和信息網絡發布系統實時監測水庫的用水信息，統計往年的用水量實現對3大水庫的聯合調度，使水庫的調水方法得到優化。灌區智慧水管理體系主要依靠3S信息技術獲取灌區內各種數據(地形、用水量、作物生長情況、渠道)并實現對海量數據的集中管理與處理，進而通過互聯網感知全灌區采集水位、水情、墑情。從而傳輸至信息中心生成合理的調度方案。

2 疏勒河現代化灌區信息技術系統

圖2[1]顯示了灌區信息技術系統由智能化灌溉信息系統和灌區信息系統2部分組成。灌區信息技術系統主要通過信息采集系統、信息綜合管理系統和信息安全系統共同建設，整個系統的架構由感知層、傳輸層、應用層3部分組成。感應層主要基于管理自助體系、閘門自動控制和水庫聯合調度的信息集成系統對灌區的水位、降水、流量、土壤濕度、溫度、濕度進行監測。網絡層的任務是將從傳感器層面獲取的數據進行傳送[1]。現有的通信手段有有線、無線、超短波等。應用層是整個系統的關鍵部分，負責數據分析、計算、數據挖掘、智能預警、制定合理的供水調度方案。

智慧灌區主要依托水利云平臺實現數據存儲、處理和信息的監控。將管理處、泵站各類自動化監控數據、灌區各類監測數據通過云平臺處理集中存儲于管理單位系統，改變傳統的數據分散存儲的模式，實現各類數據的集中存儲、集中處理及數據信息共享目標[3]。

圖2 智能化灌溉信息系統結構

智能灌溉系統是將現代人工智能、物聯網、無線通信、測控技術結合起來，可遠程控制和實時監測水量雨水，遠程啟閉和監測閘門，為灌溉管理人員提供智能服務，保障灌區工程安全運行，優化水資源配置[1]。

3 疏勒河現代化灌區測控調度技術體系的研究

3.1 測控調度系統

灌區的測量、控制和配置的目標是實現“少人服務或無人服務”。大型測控系統和就地測控系統的流程圖可分為4層：中心測控層、本地測控層、現場控制層和設備驅動與檢測層[4]。

疏勒河灌區的實時監控調度管理系統，可按照用水方案進行在線的即時調度與管理。該管理系統主要由農村灌區的基本信息管理模塊、GIS模型、信息采集與監控子系統、灌區水利施工安全與監控子系統、閘門管理子系統、調度計費子系統，以及防洪抗旱預警模型等構成。控制系統將利用前端采集的監測系統，收集灌區降雨信號、水工建筑信號以及用水人用水量信號等，并按照灌區水資源分配預案，進行水資源的動態調整與有效計費管理。在雨季或旱災來臨時，控制系統將針對水旱情適時作出動態調度，以保障灌區內各種用水者的合理用水，以適應國家抗洪抗旱的要求，并減少險情和事件的出現[4- 5]。“中心測控調度系統”的一級數據流程分析如圖3所示。

3.2 閘門測控一體化技術

疏勒河綜合水信息管理、地表水資源優化配置系統、閘門控制系統和網絡視頻監控系統只能點對點工作，無法充分利用。因此，有必要開發一個全面的管控平臺，統一當前閘門監測、水情測量和報告等業務，實現聯合自動化監控，實現閘門、水情、安全監控等的綜合調度、綜合分析和綜合應用。它不僅可以有效提高灌區的智能化管理水平，還可以降低值班人員和管理辦公室人員在灌溉過程中的工作強度[6]。

閘門測控一體化以灌區量水原理、水力學以及自動化理論知識為支撐，并將理論研究與試驗研究有機結合，集合水利、自動化、計算機等多學科交叉研究的優勢，利用現場控制設備RTU、測流用傳感器和通用分組無線服務技術(GPRS)無線通信。測流用傳感器負責水位、閘門開度等數據的測量；RTU負責數據的采集、處理和傳輸，并接收調度中心的指令控制現場設備；GPRS無線通信則實現RTU與調度中心間的數據傳輸以及RTU接收的遠程指令[7]。

閘門監控系統包括年水量、公共閘門配置系統、公共閘門監控系統、公共閘門監控系統、公共閘門監控系統評價等。另外，應該能夠實現昌馬、雙塔和花海3個區域的局部布局，并對其進行了授權控制。分灌區及其責任區的規劃方案，須經上級部門批準后方可實施。該系統應具有自動監控系統和手動控制模式，以便在緊急情況下進行手動干預。

圖3 中心測控調度系統圖

閘門綜合測控系統包括安裝在調度中心的灌區取水實時監控管理系統和安裝在各級渠道的閘門綜合測控終端。測控一體化閘門終端分為閘門主體、控制系統和電源系統3大模塊[4，7]。結構如圖4所示。

3.3 斗口水量測系統

在3個灌區內的各渠首、主干渠分水口均設置了水況監控斷面，并通過雷達數據水位計的自動測流，及時將信息傳送至局調度中心和管理辦公室、水管所，為灌溉調度規劃的合理實施與監測提供了正確的依據。同時，還在所屬3個灌區建設的末級渠系設置了斗口水量實時監控信息系統平臺，并通過磁致伸縮水位計為斗口測量設施采集終端，利用采集終端即時收集的水況信息，再利用GS/GPRS公網作為信息傳遞載體的方法傳送至局信息調度管理中心，灌區斗口水量實時監控管理系統，完成了各斗口水位流量數據的實時在線監控，歷史上水情信息、水量數據匯總，進而完成了灌區工程的水況采集和用水測量自動化[8]。與此同時，隨著現代水務的進一步推進以及灌區建設項目內用水權管理制度試驗建立工作的逐步深入，在3大灌區建設項目的末級渠系上建立了斗口水量監控系統。該系統主要由檢測現場、通信網絡和檢測中心3部分組成，如圖5所示，現場檢測利用測流堰、水位計采集渠道相應水位，經過數據采集終端處理轉化為渠道流量；通信網絡利用GPRS/GSM網絡將采集到的數據實時傳送到監測中心，監測中心服務器布設“灌溉渠道流量監測系統”軟件，接收、處理、存儲分析相關數據和信息。實現各斗口水位、流量的自動監測和記錄，以及計算機遙測計量和分析。

疏勒河斗口水量實時監控使用磁致舒卷水平計進行水量的計算。使用磁致舒卷用水計為灌區斗口供水測量設備收集終端，再運用采集端口收集的水況數據，采取使用GSM/GPRS公網作為信息傳送媒介的方法傳送至局數據調度管理中心，由數據調度管理中心實現了對數據的采集、管理、整編、歸檔。在灌區建有斗口供水實時監控信息系統，完成了各斗口用水流量數據的實時在線監控、歷史水情數據、供水數據匯總，進而完成了灌區工程的水況實時收集和用水計算自動化[9]。

圖4 測控一體化閘門控制系統結構示意圖

圖5 系統結構組成圖

4 疏勒河灌區現代化控制體系研究

4.1 地下水三維仿真體系

地下水三維仿真系統主要是依據當年水量和地下水開采量，形成了灌區內地下水流量的初始場，以確定預報周期，并形成內部流場、地下水位深度等數據文件，通過模型計算后預報當年的水位采樣量和觀測孔水位。上述統計數值作為預報結果加以綜合處理，生成流場圖、埋藏水位深度圖、水位下降圖表、觀測氣孔水位變化圖表等特殊數值。并結合GIS區域分析方法，通過深入研究流域水文條件，預測地下水動態變化規律，分析與評價工程對地下水環境保護的影響，提供流域水資源可持續使用規劃管理意見與防治對策，優化灌區建設地表水與地下水資源配置。本系統實現了灌溉數據的采集、管理、處理、分析、顯示和應用。

地下水三維仿真軟件系統主要由遙感工作站、遠程數據通訊網絡系統、中央站、中繼站等綜合應用處理軟件構成。

4.2 信息網絡發布系統

主要服務于疏勒河灌區的服務數據信息、地下水服務以及灌區灌溉水調度服務，系統通過網頁結合WeB GIS網站的形式在全國不同地區互聯網上分布，采用B/S結構系統，使用者能夠很簡單的利用互聯網訪問信息，把全部的應用邏輯都在客戶端上實現，從而減少了客戶端的系統要求和系統整體的服務成本[10]。信息發布除通過網絡信息化灌區調度中心平臺應用設計實時刷新信息外，設計還考慮采用室內外顯示屏和多媒體觸摸查詢一體機3種形式，更好地進行信息發布、數據展示、動態提示、交互查詢。信息發布采用客戶服務器架構，后臺接入灌區信息化系統的應用服務器，實現信息的推送和數據的更新。

利用互聯網和云平臺技術實時監測灌區渠道水量，并且分析干、支、斗、農渠的日、月、年和分時段水量；實時更新灌區氣象、墑情監測；實時查看水閘、泵站、管道及時進行控制達到水量有效利用，管理人員通過手機APP端查看及時做出合理的指令。信息網絡發布系統如圖6所示。

圖6 信息網絡發布

4.3 三大水庫調度體系

水庫調度以蓄水水情、大壩及閘門運行狀態信息的自動采集為基礎，以公私結合的信息網絡平臺為支撐，是蓄水工程安全運行的主體，是蓄水信息管理和決策支持的核心，也是蓄水閘門自動監控的核心，在實施3座水庫自動模擬調停系統建設中，利用遙測技術、地理信息和數字模擬技術，建立了一個先進、實用、高效、可靠的基于計算機網絡的水庫自動調停系統，覆蓋了疏勒河的整個灌區[6]。

水庫調度體系通過對水庫來水預測、水庫蓄水量以及國民經濟各部分所需水量的總體調查研究，并通過模型庫進行各種測算。水庫來水預報依據1954年以來的水文氣象統計資料，運用來預報模式和頻率分析法，得到下年度的水庫來水預報成果。灌區供水量預報則通過對各主要功能區的種植區域、主要經濟作物種類、灌水輪次、主要作物供水量、工業儲水能力，以及環境供水量。調用主要農作物的灌溉用水模型、工業蓄水模型，以及生態蓄水模型得到供水量預報成果。水庫聯合調節方法通過對水庫汛期時間、洪峰值水位、灌區供水量、河源涌水量，以及庫存儲水能力的庫存優化調節模擬，得到了水庫優化調節方法和水庫聯合調水方法。水庫的實時調節功能模塊利用了三庫聯動調節模式，從時間和空間上對塘堰蓄水量實行了調節、控制和調整[11- 12]，有效合理配置了灌區工業、農業和生態水源資源，為發展疏勒河流域水利事業提供了最大經濟效益。

5 疏勒河灌區智慧水管理體系的建設

5.1 3S技術管理系統

3S信息技術是遙感(RS)、地理信息系統(GIS)和全球定位體系(GPS)的統稱。它是運用遙感、空中地理計算資料、衛星定位導航、無線電網絡等信息技術來獲取、分析、傳播和使用空間信息的現代信息技術[13]。“3S”集成信息技術在灌區中的運用是充分發揮各自的信息技術優點，迅速、精確、經濟地向人們提出有關農業灌區信息內容的科學技術手段。其基本思路是，使用RS提取更新的農業灌區信息內容圖片(包含渠道、鄉村、公路、鐵道、作物生長等)，使用GPS提出圖片信息內容中所需的方位信息內容(如灌區建筑的高程和寬度等)，并把使用GPS和RS所獲得的豐富地形資料和使用其他方法所獲得的各種信息內容提交給GIS，由于運用空間數據庫技術，GIS能夠完全集成于屬性數據的管理中，并允許對各種屬性數據的保存、分類與管理工作[14]。空間技術能夠更高效地管理和處置各種地理信息和綜合分析數據信息，并實現對海量數據的集中管理，有效促進了灌區信息內容的檢索、數據分析、決定、輸入與傳遞。

5.2 物聯網技術體系

系統的設計以水利信息資源的短缺與共性問題為切入點，以提升水利信息處理能力、提供高層次的專業應用服務為重點，緊緊圍繞“系統集成、資源釋放”主線，致力于防汛抗旱、水資源調配與管理、水質監測與評價、水土保持監測與管理、水利工程建設與管理，農村水電與電氣化管理水利規劃與規劃、行政資源管理與水利信息平臺整合為一個面向政府、企業和個人的多層次、綜合性水利信息平臺。運用MSTP、3S、云計算、3G、智能傳感器等技術，準確把握和科學地管理節水信息資源[15- 16]。

根據物聯網系統，智能水利系統分為感知、傳輸和應用三個層次。感知層實現灌區內所有遙測站點全方位物聯，傳輸層負責將遙測站點采集到的水位、雨量、墑情、圖像等信息通過無線網絡傳輸至云計算平臺，進行統一管理，為灌區的信息化建設提供數據支撐。部署在云計算平臺的管理信息系統，負責對所有遙測站點采集的信息進行分析、處理，生成調度方案，并通過物聯網下發指令，實現灌區輸配水遠程控制，為灌區內水資源合理利用提供科學的依據。其中，安全體系、技術標準和施工運營管理為整個系統提供了可靠的保障環境。系統總體框架如圖7所示。

6 結論

疏勒河智慧灌區利用物聯網水網感知技術、3S技術、測控技術等，對整個灌區進行實時的圖像監控，完成灌區水況采集和用水測量自動化、3大水庫調度系統自動調停和全方位監控。。

疏勒河流域現代化灌區須加強智能綜合數據庫的建設，采用先進信息采集技術與軟件系統耦合利用。加強綜合性、多領域人才的培養，使灌區管理水平、工作效率、管理水平得到顯著提升。結合水利信息化要求，采用傳感技術、定位技術、視頻技術等，對灌區水系、水利設施、水利管理活動等進行了全方位監控，為灌區智慧化建設提供強有力支持和動力。

圖7 基于物聯網技術的智慧水利系統總體框架圖