黑龍江省典型灌區信息化管理系統設計

劉長榮，趙漢哲，王瀚琦

(1.黑龍江省農村水利水電保障中心，哈爾濱 150040；2.哈爾濱工業大學，哈爾濱 150000；3.吉林大學，長春 130022)

信息化是灌區現代化的基礎和標志，也是灌區可持續發展的必然要求，灌區信息化建設是提升灌區管理水平和提高灌溉效益的有效手段之一。灌區信息化就是在充分利用現代信息技術的基礎上，廣泛利用灌區的各種信息資源，大力提高信息采集與加工的準確性以及傳輸的時效性，做出及時、準確的反饋和預測，為灌區管理部門制定決策提供科學依據，從而降低管理成本，提升灌區管理的效率和水平，促進灌區實現科學高效管理。然而，與西方發達國家相比，我國水利行業信息化起步較晚，灌區信息化建設目前仍處于試點階段，現代科技還不能及時在水利行業中發揮效益，灌區信息化建設仍面臨資金短缺、信息化標準和通用程度較低、信息采集手段相對落后、軟件開發和推廣應用環節薄弱、資源共享程度低、系統綜合集成能力差等一系列問題[1-2]。因此，在試點灌區信息化建設中，應結合灌區的實際發展需求和投資情況，以提升灌區管理的快速反應能力、促進灌區管理效率以及科學決策水平為目標，提出因地制宜的灌區信息化管理系統設計方案。

黑龍江省是中國最北、最冷的寒區省份，大田作物為一年一熟制，農作物生長季為4-9月。全省灌區一般只灌溉水稻，其他農作物主要靠雨養，且水稻有較獨特的育秧、插秧、田間管理以及灌溉方式。龍鳳山灌區地處黑龍江省南部的五常市境內，設計灌溉面積(全部為稻田)2.65萬hm2，是黑龍江省大型灌區之一，在全省灌區中具有代表性，灌區受益人口約22萬。1998年，龍鳳山灌區被列入全國大型灌區續建配套節水改造項目灌區，共完成投資27793萬元，整修總干渠2條，長98.3km；干渠5條，長142km；分干渠9條，長107km；支渠176條，長358.9km；排水干溝28條，長200.55km；排水支溝12條，長49.4km；配套建筑物373座。灌區的灌排體系已經形成，工程配套率和完成好率均在80%以上，具備了開展灌區現代化建設和管理的基礎條件。2001年，灌區成立了龍鳳山灌區管理機構，下設包括光輝灌溉站、小山子灌溉站、民意灌溉站、衛國灌溉站、營城子灌溉站、二總干管理站的6個灌溉管理站，灌區的管理體系和運行機制均已完備。因此，以龍鳳山灌區為例，研究該灌區的信息化升級設計方案，對于促進黑龍江省灌區現代化建設具有重要的指導與借鑒意義。

1 黑龍江省灌區信息化管理系統需求分析

1.1 提高灌區管理水平的需求

由于人員不足，技術力量薄弱，利用現代信息技術，對灌區實現現代化精細化管理水平，逐步提高灌區基礎信息的管理與應用水平，是目前全省灌區信息化建設最重要的工作。

1.2 實現水資源優化配置的需求

如何利用好水資源，包括對水資源的開發利用、保護與管理，解決水資源供需矛盾和用水競爭，實現水資源的可持續性利用，利用現代化的信息技術手段，如何科學有效地實現灌區內的水資源優化配置，是灌區發展迫切需要的[3]。

1.3 灌區量水測水管理的需求

黑龍江省灌區現行的流量監測方法都是先通過標準斷面測量水位，再通過流量公式換算得出流量，計算流量存在誤差，并且工作量較大，致使灌區用水量計量和水費收繳工作存在效率低、收入不透明、數據查詢檢索困難等問題。建立基于現代信息技術的灌區用水計量和水費收繳系統，可以讓農民及其他用水戶花錢放心，能有效提高水費的收繳率[4]。

1.4 灌區險工段監控管理的需求

由于缺少視頻監測手段，管理人員需經常到灌區巡視，尤其在汛期，每天都要到灌區險工段現場進行巡檢，不僅消耗了大量的人力和物力，也帶來了的較大工作量，而且不能第一時間掌握現場突變的情況。建立水情、雨情監測拍照系統，通過對現場情況進行定時拍照，可以更加直觀地了解現場情況，為管理人員提供真實的現場資料。

2 龍鳳山灌區信息化管理系統設計框架

參考我國其他省份在灌區信息化管理系統設計方面的成功經驗，結合黑龍江省自然地理特點以及龍鳳山灌區管理現狀需求，提出“三測、三網、一平臺”的信息化管理系統設計框架，為龍鳳山灌區管理單位提供準確、及時的各種數據采集信息。“三測”是指對數字、圖片及視頻3類信息進行實時監測。數字信息包括渠首、渠道的水情信息，灌區降水量信息以及灌區水質信息等；圖片信息監測包括對關鍵節制閘、排洪閘以及險工險段的現場情況圖像進行定時采集；視頻信息監測是指對渠首、提水泵站、管理站等地點進行視頻信息實時采集。“三網”是指光纖網絡、GPRS公網、互聯網[5-8]。“一平臺”表示一個綜合平臺，即通過計算機、投影、軟件等構建平臺，對水雨情動態監測管理、量水測水管理、工情及巡檢管理、水費計收管理和電子地圖等進行平臺展示。“三測、三網、一平臺”的設計框架結構詳見圖1。

圖1 龍鳳山灌區信息化管理系統設計框架結構圖

3 系統模塊設計

3.1 水雨情監測系統

考慮到設備所處的高溫、高壓、高寒、高濕度等自然條件，結合龍鳳山灌區渠道和建筑物布局及結構形式，對RTU、傳感器、攝像機、通信方式、供電方式進行比選后，選用以RTU為核心單元。本方案擬建設水位監測站點和圖像采集站點各3處，水位監測站點設在營城子自流干渠攔河壩，圖像采集站點設在衛國常安干渠渠首1處、閆家崗節制閘1處、金家窩棚節制閘1處。灌區水情采集采用隨機自報和定時自報相結合的工作方式，信息中心的數據接收設備始終處于值守狀態。

3.2 水質養分及重金屬信息采集系統

水質養分及重金屬信息采集系統根據作物灌溉中所需要的監測信息，通過高精度離子類傳感器和智能云終端，指導灌溉作業，方便精準地了解水源生態環境。水質養分及重金屬信息采集系統包括傳感器、智能適配模塊、智慧農業云終端、傳輸網絡和業務應用軟件等。

灌區水質采集工作采用召測上報和定時自報相結合的自報工作方式，在八一干渠閉流區的進、出口各設水質監測站點1處，水質監測站點主要建設在衛國八一干渠進水閘1處，衛國八一干渠排水口1處。召測上報是指每當用戶需要水質指標時，即可通過軟件喚醒水質監測站點，監測站點即自動向信息中心采集并報送一次最新數據；定時自報是指每隔1h，不管參數有無變化，即采集和報送一次數據，信息中心的數據接收設備始終處于值守狀態。

3.3 量水測水管理系統

根據龍鳳山灌區的量測水現狀，結合明渠量水規范，灌區量水測水管理系統將各種量水方法固化到系統中，系統架構采用B/S結構，服務端軟件基于數據庫SQLServer開發，可以運行于Windows系統平臺，能夠承接信息采集處理系統采集端處理后的水、雨情數據，支持大部分的量測水方法。無論是流速儀量水，還是水工建筑物量水，都能根據用戶傳回的最新數據，并采用相應的計算公式來換算成相應的流量，最終得到水量信息，提供自動水位-流量曲線擬合功能，只要用戶將實際測量的水位-流量對應值錄入到系統中，系統自動會使用曲線擬合方法得到相應的水位-流量關系曲線方程。

3.4 水費計收管理系統

根據目前龍鳳山灌區的水費收繳的現狀，結合各地區水費收繳方面的成功經驗，將水費收繳的業務流程集成到系統中，用戶可以方便快捷、直觀有效的對所在灌區范圍內的受益單位、用水戶的灌溉面積、用水量、交費金額以及各年度的水費收繳情況進行管理和查詢統計。系統采用B/S結構，服務端軟件基于數據庫SQLServer開發，可以運行于Windows系統平臺，能夠承接量測水系統計算整編過的水量數據，有效支持絕大部分灌區的水費收繳方式，及受益單位和用水戶的管理模式，見圖2。

圖2 水費計收管理系統示意圖

3.5 信息化平臺系統

以龍鳳山灌區各類信息為依托，形成一個以數據采集為基礎，互聯網絡傳輸為骨干，云計算中心為樞紐，云服務為支撐，應用對象為主體的統一的現代灌區“云”服務管理平臺。灌區信息化平臺系統整體采用分層設計，業務架構見圖3：

整個系統界面設置以人性化為主，界面風格不拘于傳統操作系統，力爭表現水利行業的專業風格，方便用戶操作，畫面應整體和諧，美觀大方。

圖3 灌區信息化管理系統平臺架構圖

4 結論與討論

通過灌區信息化建設的管理系統平臺通用性和運行效果，顯著提升了的社會效益和經濟效益，可為黑龍江省灌區信息化建設提供借鑒和參考。

4.1 建立新型管理模式，提高了灌區管理效能

通過信息化建設，灌區開展了水雨情等信息自動監測，閘門自動測控，泵站自動監視監控工作，并通過用水管理系統、工情GIS地理信息系統、水費管理系統等業務軟件的應用，逐步實現以“計算機管理為主，人工輔助”的新型管理模式，農民用水戶對灌區水費管理模式普遍認可，灌區水費收繳率均達到98%，為早日建設數字化灌區奠定基礎支撐。

4.2 及時掌握水情和工情，提高了工程安全可靠性

灌區自動水、雨情信息監測點的建設，極大地提高了水情、雨情的測報能力和優化調度水平。通過水雨情遙測系統和閘門監控系統，不僅能及時有效掌握主要控制斷面的來水情況、渠道沿線水情，重點部位雨情的實時發生過程，并能及時控制流量，充分保證灌區用水和水工建筑物的安全運行。

4.3 改善工作環境，提高了管理人員素質

各開展信息化建設的灌區均能使用互聯網絡，部分技術骨干初步掌握了信息化軟、硬件技術。通過信息化建設，部分工作由計算機輔助完成，改變了人工看水尺、現場操作閘門、手工寫材料、通信用信函的傳統方式，初步實現了自動化的現代工作模式。