基于智慧水利的水資源數據融合與價值提升

陳海牛

（張掖市甘州區大滿水利電力管理處，甘肅 張掖 734000）

1 灌區概況

灌區位于甘肅省張掖市甘州區張大公路K40+016里程處。灌區總灌溉面積37 340.93 hm2，其中：耕地面積34 017.60 hm2、生態林面積3 323.33 hm2。下轄小滿、大滿、黨寨、堿灘、三閘及上秦等6個鄉（鎮）48個行政村和11個國營機關農、林場，總人口7.65×104人。灌區現已建成干渠1條，長度59.70 km，建筑物216座，分干渠1條，長度16.45 km，建筑物180座；支渠、分支渠40條，長245.24 km，建筑物2 333座；斗渠528條，長579.40 km，建筑物7 230 座；農用機電井1 555 眼；小（1）型水庫1 座，總庫容400×104m3；灌區現有支渠、分支渠39條，長245.24 km。

2 水資源數據管理系統建設

2.1 建設思路

近年來，國家層面對加強水力信息化建設十分重視，在嚴格水資源管理、保證水安全方面先后出臺了《水利部信息化建設與管理辦法》《關于全面推行河長制的意見》等系列文件，為水安全保證能力提升、水力監管強化、水利現代化建設及智慧水利的發展指明了方向。灌區智慧水利的實現必須依托無線網絡、物聯網技術、云計算等現有技術，借助水質水壓表、數采儀等監測設備，通過無線網傳輸數據，并為水務管理、水質監測、水資源調配、防汛抗旱等提供監測、預警、預測等智慧應用。

2.2 智慧水利系統構成

面向智慧水利的水資源管理系統由底層硬件設施、數據庫、用戶等模塊構成，所以說水資源數據管理系統屬于綜合性很強的系統性工程，其構建囊括了網絡硬件的搭建、數據庫創建、數據備份、確定業務管理需求、開發系統軟件等諸多層面。該管理系統以網絡硬件搭建為基石，以業務管理需求為系統建立的目標，以數據庫創建為軟件系統開發的基礎。以上各要素在水資源管理系統建設的過程中相互關聯，互為條件。該系統涉及要素較為復雜，目標量化存在一定難度，為此必須注重數據融合，互聯互通，開放共享，加強頂層設計。

就整體架構而言，面向智慧水利的水資源管理系統自下而上包括應用層、數據層、網絡層、感知層，具體構成情況見圖1。由圖可知，感知層屬于信息獲取層，借助監控攝像頭、傳感器、多媒體終端、GPS 等工具實時感知并快速獲取水資源配置信息。網絡層則通過有線網絡或藍牙、4G網等無線網絡，連接感知層和水利專網，達到廣域互聯（具體見圖2）。數據層的數據主要來自各類監測點、子系統、業務系統日常運行及監測結果，并通過網絡傳輸提取、標準化轉化而形成，進而形成各種類型的數據庫；以上系統在運行過程中會產生大量數據，為此必須借助云平臺存儲數據；與此同時，所收集到的數據采集終端、運行系統、格式等均存在差異，面臨較大的數據標準化融合難度。應用層則主要集成水利數據信息，為用戶提供各類數據查詢、應用、分析等服務。

圖1 水資源數據管理系統架構圖

圖2 灌區智慧水務通信網絡圖

大滿灌區水資源數據管理涉及數個部門，為達到水資源數據高效融合及價值提升應用，進而構建起完善的面向智慧水利的水資源數據集成系統，必須基于以上構建思路，充分利用系統工程理論，分階段實施。具體而言，可分為以下四個步驟：一是聘請領域內相關專家和技術人員，加強大滿灌區水資源數據屬性、類型、分布狀況、集成過程等的定性研究與論證，相應提出數據融合所面臨的重點、主要難點及挑戰、應對思路；二是基于定性分析結果，進行相關數據定量分析；三是對定量數據展開后處理，并針對相關問題提出解決思路；四是不斷重復以上過程，直至得出與灌區現階段水資源管理需求相吻合的數據集合，為灌區水利管理單位提供技術及數據支持。

3 水資源數據價值挖掘

3.1 注重灌區社會服務水利信息需求

在灌區水資源數據價值挖掘的過程中，必須結合灌區農業發展實際，依托國內外實地調研和比較研究等分析思路，以助力灌區精準灌溉、精準監測、遠程監控，作為水資源數據價值提升的突破口，與信息技術深度融合后開展水資源配置信息分析，為系統平臺功能設計做好相關規劃。

3.2 整合水利信息資源

梳理灌區水利部門所收集和整合的水資源數據信息，并研究信息共享技術與途徑。與此同時，深入調查灌區農業生產者個性化需求，研究4G/5G等主要信息來源下各類信息感知終端的信息接入方式；并對灌區內水庫、閘站、水文站、氣象站等小型水利工程相關平臺展開信息化管理。

3.3 規劃水利信息平臺

從微觀層面而言，智慧水利主要服務于個體。個體需求存在一定程度差異，例如對于灌區農業生產者而言，種植區域、主要作物種類、作物需水量、灌溉設施等均存在差異；然而，灌區水資源數據表現方面卻存在一致性和趨同性，例如土壤溫濕度、灌區氣候環境、灌區主要作物類型等。此外，農業生產者種植過程又存在明顯的時變性。綜上，通過灌區管理部門或政府層面的行為展開個性化智慧水利信息服務推送必然存在滯后性、信息傳遞誤差等問題，必須積極轉變常規服務模式，向灌區農業生產者等信息使用者推薦移動端、PC 端等主要服務路徑，以便向其提供依托水資源數據管理系統的定制化服務。

3.4 提升水利數據價值

大滿灌區水資源數據涉及灌溉、抗旱、防汛等諸多部門，為此，必須從多角度出發探索水資源價值提升的可行方案。在信息開放的基礎上，借助水利部門基礎數據接入信息，滿足墑情、汛情、旱情等的定制要求；灌區農業生產單元自行上傳作物種植感知信息，并利用系統的數據統計分析功能，提供輔助決策。

3.5 創新智慧水利服務模式

技術的不斷進度為灌區智慧水利服務模式的創新提供了契機。首先，必須積極探索灌區水資源數據價值提升與智慧水利有機結合的可行路徑，例如，灌區主要作物個性化的種植、灌溉過程數據可為科學種植與節水灌溉提供翔實的數據來源，相關數據在服務農業生產者個體的同時，也為灌區智慧農業發展提供了可能；通過對此類數據展開知識挖掘，充分指導灌區相關農業生產者不斷優化種植及水資源利用方案，實現農業生產者個人利益和灌區水資源利用效率的最大化。此外，必須積極探索人工智能在灌區水資源利用方面的落腳點，借助創新性技術轉移，實現水資源數據信息創造、收集、利用、融合、價值提升的良性循環。

4 結語

綜上所述，水資源數據融合是灌區智慧水利發展及水資源信息管理系統集成的關鍵性環節，也是中國傳統的水利行業實現現代化、數據化、信息化管理以及嚴格水資源考核、輔助性決策支撐的關鍵所在。為促成水資源數據深度融合和價值提升目的的實現，必須充分利用大數據挖掘技術分析、預測關鍵數據指標，通過驗證平臺加強分析驗證，為灌區智慧水利建設提供思路和路徑。