引青灌區數字化建設發展方向研究

趙來生　趙長明

摘要：全面推進數字灌區建設是實現灌區智慧水利的重要內容，本文從引青灌區實際出發，立足于灌區現狀，對灌區數字化發展進行了需求分析，并找到了灌區數字化發展的目標及方向，對于大中型灌區數字化灌區建設起到了一定的指導作用。

關鍵詞：灌區；數字化；發展；目標；方向

盧龍縣引青灌區位于河北省盧龍縣青龍河東岸，以青龍河水作為主要水源。灌區總面積4.25萬hm2，設計灌溉面積2.4萬hm2，灌溉保證率50%。1999年，引青灌區順利納入全國大型灌區續建配套與節水改造項目，自1999年開始改造，經過十余年改造工程，引青灌區的骨干渠系得到進一步完善，主干渠輸水能力增強，各個分干得到疏浚和延長，新增、改造了若干渠系建筑物，使得灌區灌溉面積不斷增加，水量分配、管理調度能力進一步加強。2021 年6 月28 日，李國英部長在水利部召開“三對標、一規劃”專項行動總結大會中提出，推進智慧水利建設，按照“需求牽引、應用至上、數字賦能、提升能力”要求，以數字化、網絡化、智能化為主線，構建數字孿生流域，開展智慧化模擬，支撐精準化決策，全面推進算據、算法、算力建設，加快構建具有預報、預警、預演、預案功能的智慧水利體系，推動新階段水利高質量發展。因此，全面推進數字灌區建設在國家政策上是勢在必行的。

1 引青灌區數字化現狀

引青灌區現有信息中心1處（引青灌區管理處）、信息分中心7處（包括：秀各莊渠首管理站、大嶺管理站、棋盤山管理站、武家溝管理站、十八里管理站、楊山溝管理站、黃家村管理站），信息中心軟硬件設備運行正常；已建29處水情監測點，其中部分設備由于建設時間較久，設備損壞或老化，無法正常運行；已建9處雨量監測點、9處視頻監視系統，設備運行正常；已建灌區業務應用系統2套，分別為灌區信息采集處理系統、灌區量測水管理系統，目前軟件系統運行正常。

目前灌區網絡系統主要是通過租用運營商網絡和局部自建光纖，形成了信息傳輸、處理的重要通道。信息中心與下屬管理站所通過VPN組建局域網，管理站所附近的視頻通過自建光纖與管理站所進行信息傳輸。水雨情監測站通過租用GPRS / 4G網絡與信息中心進行數據傳輸。

灌區經過前期數字化的建設，軟件具備信息采集監測、水量統計、實時水位、流量的查閱功能，提高了管理人員的水量計算效率，減輕了勞動強度。通過建設水情監測系統，實現了渠首及部分分干渠、管理段交接水斷面的水量精確計量。通過建設雨情監測系統，實時監測灌區各片區降雨情況，為灌區灌溉管理提供了輔助決策。通過建設視頻監控系統，可查看渠道水位、重要建筑物及管理站周邊環境，為工程運行及管理站工作人員安全提供了保障。

灌區數字化系統建成以來，在用水管理、工程管理、防汛抗旱、水資源優化調配等方面發揮了重要的作用，取得了一定的社會效益和經濟效益，但是隨著現代化科技的不斷發展，目前灌區數字化建設還存在以下問題：

（1）現有的信息采集體系還不完善，采集種類不全、覆蓋范圍有限，信息的數字化和規范化程度不高，能夠提供網絡共享的信息較少；

（2）灌區未進行過閘門自動化控制的建設，調配水效率低下。水利工程自動監視系統的建設還處于起步階段，缺乏應急搶險能力；

（3）灌區業務應用系統及信息服務體系建設不夠完善，現有系統平臺功能有限，只具備簡單的信息采集監測、水量統計、實時水位、流量的查閱功能，不能為灌區優化調度提供輔助決策。

（4）支撐水利各類業務應用系統的數據中心建設力度不夠，系統及信息安全體系建設薄弱。水利通信網絡不夠完善，在覆蓋范圍和容量上無法滿足數字化發展需求。

2 引青數字化需求分析

引青灌區經過多年的發展建設，雖然已建設數字化，但社會經濟發展迅猛，以及新時期新形勢對灌區發展提出的要求越來越高，灌區歷史遺留問題和與新時期發展不相適應問題也越來越突出，逐漸成為后續灌區發展建設，落實“水利工程補短板，水利行業強監管”的重大制約因素。主要包括以下幾個方面的主要問題：

2.1 立體感知體系需求分析

灌區現有的信息采集體系還不完善，采集種類不全、覆蓋范圍有限，信息的數字化和規范化程度不高，能夠提供網絡共享的信息較少。

引青灌區前期只在渠首及部分干支渠、管理段交接水斷面建設了自動化計量設施，共29處。目前引青灌區主要的干支渠計量點共計62處，由于自動化量測設備覆蓋不全面，目前大部分渠道仍然采用人工測量，測水員現場讀取水位及流速數據，依據面積法換算出流量值，耗時、耗力，且觀測的數據精確度及時效性較差，導致實際灌區用水量測量不精準。為提高灌區量測水精確度及時效性，需要在灌區主要的干支渠配水口補充33處水情自動監測系統。

目前灌區的信息采集的種類主要局限在水位、流量、雨量等要素監測。缺乏對引水水質情況的監測。為了提升對突發水質污染事故的預警與處置能力，需要在渠首引水口建設1處水質自動監測系統。

2.2 自動控制體系需求分析

灌區未進行過閘門自動化控制的建設，調配水效率低下。水利工程自動監視系統的建設還處于起步階段，缺乏應急搶險能力。

引青灌區現有主干渠1條，分干渠12條。目前干渠/分干渠上多數閘門為手動啟閉，部分閘門采用電動啟閉。灌區還未進行過閘門自動化控制的建設，閘門啟閉還需要工作人員前往閘門操作間進行操作。灌溉季節配水以及暴雨季節需要頻繁啟動閘門，工作人員奔赴現場啟動閘門時需要一定時間，時效性較差，導致灌區日常調配水效率低下。同時工作人員在惡劣的環境下奔赴現場也存在人身安全隱患。對灌區內關鍵引（配）水閘實現現地和遠程自動化控制，共計17處（23孔），并實現對閘的工作狀況和引（配）水情況的遠程視頻監視等功能，建設13處視頻監控，以提高灌區配水調度管理手段和水平。

灌區下屬有8個管理站，主要負責灌區內干支渠口以上骨干水利工程的檢查、觀測、維護及安全運行；負責灌區灌溉用水調配等工作。目前各管理站所圍內的安防設施不夠完善，部分管理站尚未建設安防設施。存在水安全、工程安全和管理站所的安全隱患。建設配套的視頻監視系統8處，提高工程管理及站所安全防范水平。

2.3 智能應用體系需求分析

灌區業務應用系統建設不夠完善，現有系統平臺功能還有限，只具備簡單的信息采集監測、水量統計、實時水位、流量的查閱功能，不能為灌區優化調度提供輔助決策。

目前灌區供水季節主要是“憑經驗”進行用水計劃及調度，灌溉用水效率低，不能保證用水及時性；水費收繳仍然采用人工管理手動計算的模式，存在著工作開展慢、計收不透明、數據查詢檢索困難、統計誤差大等問題。缺少全灌區水利工程分布電子地圖，對水利工程尚無法做到工程位置和確權劃界上電子圖，屬性數據入基礎數據庫的臺賬式數字化管理；為進一步提高灌區的工作效率，提升灌溉管理水平，優化水資源配置。需建設相應的配水調度管理系統、水費計收管理系統、灌區管理一張圖系統、灌區工程管理系統、閘站監控系統、視頻監視系統，并對灌區原有數字化系統平臺進行升級。

2.4 信息服務體系需求分析

由于基層水管單位電腦普及率不高，且人員操作能力有限，在灌溉季節，基層水管工作人員基本不在電腦旁，量測水記錄、用水需求信息、引配水信息、水費情況以及工程運行情況等信息不能及時、準確地反饋給主管領導與農戶，同時，渠道所處地形復雜、水利建筑物分布比較分散等原因，實現有線的監控管理難度很大。為便于管理人員宏觀管理并監督水費收繳，同時方便基層水管工作的順利開展，更好地為廣大農戶服務，借助移動智能終端應用APP。

由于灌區水費收繳仍然采用人工管理手動計算的模式，存在著計收不透明、數據查詢檢索困難等問題。為了便于用水戶、管理人員了解灌區水情、水費計收等情況，需要借助灌區的官方微信公眾服務平臺，實現水情、水費、灌溉等情況的信息推送，便于用水戶查詢應交水費與交費情況，擴展了水量、水價、水費“三公開”，提高水費收取的透明度。

2.5 支撐保障體系需求分析

支撐水利各類業務應用系統的數據中心建設力度不夠，系統及信息安全體系建設薄弱；水利通信網絡不夠完善，在覆蓋范圍和容量上無法滿足數字化發展需求。

目前灌區通信機房配置了2臺服務器（IBM System x3650，2016年項目安裝）、1臺UPS電源6K、1臺中心VPN、1臺8口LCD KVM切換器；信息中心數據存儲設備容量有限，且缺少相應的網絡安全建設，存在網絡風險。為滿足灌區業務擴展及現代化發展需求，需對現地數據中心進行擴容，并進行網絡安全等保建設，為各應用系統的正常運行提供安全保障。

目前灌區網絡系統主要是通過租用運營商網絡和局部自建光纖，形成了信息傳輸、處理的重要通道。信息中心與下屬管理站所通過VPN組建局域網，管理站所附近的視頻通過自建光纖與管理站所進行信息傳輸。水雨情監測站通過租用GPRS / 4G網絡與信息中心進行數據傳輸。一定程度上滿足了灌區前期管理的需要。但信息中心及下屬各管理站所網絡基礎建設時間較長，現有網絡帶寬已無法滿足新業務的信息傳輸需求，需要對信息中心及各管理站通信網絡進行升級擴容。閘門控制信號要求實時性、穩定性強，視頻信號數據量大，傳輸距離遠，且控制系統傳輸網絡需要與外部網絡進行隔離，確保網絡環境安全，因此要實現新建閘門控制、視頻監控等系統的信息傳輸。需要自建光纖39km，實現各系統的遠程監測監控。

3 引青灌區發展目標及方向

引青灌區數字化建設按照“需求牽引、應用至上、數字賦能、提升能力”要求，以灌區業務應用為導向，以數字化、網絡化、智能化為主線，在灌區已建數字化平臺的基礎上重點開展灌區業務管理軟件系統的升級擴展，補充水情監測站點實現灌區骨干渠道水量計量信息自動監測率100%全覆蓋；補充閘門自動控制站點和視頻監控站點，完善通信網絡，建立網絡安全可靠的保障體系，初步建成骨干渠系水閘自動化控制及配套視頻監控系統，骨干渠道閘站遠程監控率達到32.08%；強化灌區一張圖在灌區業務管理方面的應用，使灌區業務系統用率達到75%，為構建具有預報、預警、預演、預案功能的數字化引青灌區進一步夯實基礎。

3.1 提升灌區業務管理數字化、標準化規范化的水平

按照“統一整合，優化資源”的原則，在已建數字化軟件平臺的基礎上，充分結合灌區日常業務的管理需求，升級灌區量測水管理系統，擴展灌區管理一張圖、配水調度管理、水費計收管理、工程管理等系統，為灌區日常業務處理提供一個高效便捷的管理手段，提升灌區業務管理數字化、標準化、規范化的水平。

3.2 提升工程運行安全監控能力和風險防范能力

按照“統一規劃，分步實施”的原則，在已建閘門控制和視頻監控的基礎上補充渠首進水閘、干渠節制閘、退水閘、支渠進水閘等閘門自動控制及配套視頻監控，并對已建視頻進行集中接入，實現工程安全運行智能分析功能，提升工程安全監控和風險防范能力。

3.3 提升灌區監測能力和供水調度能力

按照“統一規劃，分步實施”的原則，在已建水情監測系統的基礎上，健全水情監測信息，配合閘門自動控制系統、量測水系統以及配水調度系統，提升灌區監測能力和供水調度能力，為構建具有預報、預警、預演、預案功能的數字化引青灌區進一步夯實基礎。

3.4 完善灌區水利信息網絡的傳輸能力

在灌區現有網絡系統的基礎上，結合本期監測監控系統的應用范圍、信息傳輸的重要性和安全性擴展通信網絡建設，提升灌區傳輸網絡全面的覆蓋能力，完善灌區一張網。

3.5 提升灌區一張圖應用能力

通過基礎數據、監控數據、業務數據、空間數據、紙質檔案的整編入庫，搭建引青灌區一張圖系統，實現灌區各類專題圖層數據，深化一張圖在灌區的業務管理的應用。

3.6 提高灌區網絡安全能力

根據《GBT22239-2019信息安全技術網絡安全等級保護基本要求》，結合等級保護相關標準以及國內外最新的安全防護體系模型，通過技術措施和管理措施進行安全建設，形成網絡安全綜合技術防護體系，實現全方位主動防御、動態防御、整體防控和精準防護，從而提高灌區網絡安全能力。

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