新疆智慧灌區信息化管理平臺架構與設想

海衣沙爾·尼瓦爾

（新疆生產建設兵團第十師一八六團農業發展服務中心，新疆維吾爾自治區 吉木乃縣 836800）

新疆地處于歐亞大陸腹地，水資源嚴重匱乏，水資源利用率較低。新疆是農業大省，耕地面積高達524.23 hm2，農業是新疆地區經濟發展的基石，對社會穩定具有重要作用。因此，協調轄區內的水源和引輸水分配，確保農田能科學灌溉，該舉措在新疆具有舉足輕重的地位[1]。

1 智慧灌區的定義和基本功能

智慧灌區是在云平臺的基礎上，通過互聯網技術將現實灌區與數字灌區相互交融，整合灌區生產運行過程中的各項信息[2]。借助互聯網技術，實時監測各渠道節點流量、控制各節點水利機電設施、定期監控灌區整體維修保養狀況。實現灌區精準化管理和信息公開[3]。目前，智慧灌區包含以下4個基本功能：能對灌區內不同類型的信息要素進行系統性地觀測，并通過云平臺進行整合，便于工作人員對灌區進行科學監管；能通過機器語言、數值模擬等現代化方法，優化多源數據，準確解譯出灌區現狀，包括水量分配、土壤墑情、作物長勢等，預警灌區發生自然災害的風險程度和作物水分虧缺現狀；以開發人工智能技術為核心，通過對灌區各類信息的模擬分析為管理人員提供水資源調度和配置、水旱災害防治、生態環境保護等優化方案，減輕灌區工作人員工作壓力，提升工作效率；以互聯網為基礎，通過灌區信息化建設，公開涉及民生的各類信息，如水費計價與收取制度、日常辦公管理模式、人員任免制度、政府財政補貼制度等，提高灌區管理單位的透明度，提升政府公信力。

2 頭屯河灌區現階段信息化狀況

新疆頭屯河灌區位于天山北坡中段，準噶爾盆地南緣，地理坐標為東經86°42′~87°37′、北緯43°10′~44°44′。灌區土地總面積19 233.33 km2，可耕面積380 km2，控制灌溉面積268 km2。截至2018 年，灌區內種植糧食作物103.73 km2，占37.03%；種植經濟作物152.67 km2，占54.53%；種植飼草作物2.27 km2，占0.81%；人工灌溉林地21.33 km2，占7.63%。灌區現有各類干渠5 條，總長度46.63 km，建筑物數量為75 座，配套率為89.3%；支渠22 條，總長度117.76 km，建筑物120 座，配套率為88.9%；斗渠105 條，總長885.24 km，排水渠3 條，總長20.51 km，建筑物450座。

3 頭屯河灌區現階段信息化存在的問題

相比其他灌區，頭屯河灌區存在耕地面積廣、灌溉面積大，輸配水參數繁多等現象。信息化建設程度明顯低于同等條件下的灌區，不能滿足灌區現代化建設的需求。目前主要存在問題如下：①灌區各級渠系信息采集點少、采集方式落后。尤其是斗級以下渠系以人工觀測為主，測量精度較低。難以為灌區智能化管理提供參數支撐；②缺乏對土壤墑情、作物長勢、地下水水位等監控設備，無法監測灌區內作物生長監測和環境變化；③灌區信息傳輸手段落后。目前灌區干支渠監測數據采用模擬信號通過有線或人工通過電話傳輸，信號實時性差。而斗渠以下多為人工記錄，信息傳輸時效性更低，難以滿足實時調水、配水的需求；④灌區信息化系統的綜合集成能力差。其雨量采集、灌溉需水分析、水資源監控、供水調控、水費收繳、內部管理、決策咨詢等系統各自獨立，無法滿足灌區日常管理工作的聯通要求。

4 頭屯河智慧灌區信息化管理平臺設計

智慧灌區信息化管理平臺是集灌區智能管理、運行監測、水資源配置與調度、作物生長監測和生態環境穩定性監測為一體的復合結構化平臺。它能夠實現灌區信息的采集、處理、加工、存儲、傳輸、反饋的一體化和自動化，科學指導水資源調配和農田灌溉，全面提高灌區水資源的利用效益，并為管理單位提供準確、可靠、及時的灌區水信息[4]，頭屯河智慧灌區信息化管理平臺結構設計框架見圖1。頭屯河智慧灌區信息化管理平臺設計的主要功能如下。

圖1 頭屯河智慧灌區信息化管理平臺結構設計Fig.1 Structure design of information management platform of Toutunhe intelligent irrigation district

4.1 灌區物聯監控

依托灌區感知監測設備及傳輸網絡，實時監控頭屯河灌區降水量、各級渠系水位、閘門開閉程度、泵站和機井運行情況等信息，并借助互聯網技術，將上述參數存儲并上報至灌區信息化管理平臺，實現灌區輸配水遠程監控。

4.2 作物生長狀況分析

以現階段常用作物需水模型和作物生長模型為基礎，通過對作物生長信息進行實時監控和模擬研究，分析灌區內作物生長現狀，明確作物需水情況，為灌區工作人員提供作物信息用于優化灌溉制度。

4.3 生態環境需水分析

以水文學法和整體分析法為基礎，同時考慮灌區內生態、水文、水力學等要素，綜合確定灌區內動植物生存發展所需的適宜生境范圍，供灌區工作人員提升灌區生態環境提供參考。

4.4 灌區水量分配及調度

以作物需水和生態需水為基礎，結合灌區工程供水能力及效益，開展灌區供需平衡分析，建立多目標用水配置模型，提高灌溉用水效率，實現灌區水資源優化配置。

4.5 灌區水費精確計量

對灌區的灌溉用水計劃、用水量及水費計量信息，制定多級臺賬管理制度。劃分不同種植作物，通過農業用水精確定量和水計量進行差額計費，通過水價計量增加農戶節水用水意識，增加農業灌溉用水利用率，實現經濟結構調整與水資源配置的雙向促動[5]。

4.6 公共信息網

統籌構建專用門戶，并在門戶網站發布灌區實時動態、法律法規、人事任免、公益科普等欄目，提高灌區精神文明建設水平，拓寬灌區與廣大用水農戶和社會公眾與地方政府及灌區管理人員信息溝通渠道，提高人民群眾對水利設施的保護意識，樹立良好的道德風尚，增強政府公信力。

4.7 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，構建灌區一張圖。實現灌區內渠道水位、水量分配、作物長勢、土壤墑情、生態環境狀況等綜合監測，并基于灌區信息化管理平臺對各類參數進行接收、計算、存儲、預警預報、人工校正和統計分析處理，實現頭屯河灌區監測感知信息的可視化展示[6]。

5 頭屯河智慧灌區建設維護注意事項

5.1 加強信息系統的安全建設

一方面各類數據傳輸設備極易受到外界極端天氣（如高溫、冰雹、暴雨、閃電等）的破壞。如何在突發事件發生時確保數據平臺能夠接收到正確的信息，是一個不可忽視的問題。因此，在灌區信息化建設時，增加傳感器和傳輸端口抵抗極端天氣影響的同時，也要優化信息平臺，使信息平臺能夠自主檢測端口損壞和異常值問題。另一方面智能灌區通過網絡進行信息傳輸，要防止不法分子的侵害。因此，在構建灌區信息化管理平臺時，一定要采用安全的服務器、防火墻等硬件、軟件，并開通漏洞修復、病毒查殺等功能，完善信息安全管理機制。防止被一些不法分子以非法手段入侵而造成數據信息泄漏或丟失[7]。

5.2 注重以信息化為基礎的人才梯隊建設

在開展智能化建設時，應制定切實可行的人才培養方案，提升人才培訓戰略地位。通過建立健全人才培訓計劃，采取“請進來、走出去”的模式培養專業型、復合型人才，綜合提高灌區工作人員的綜合能力，尤其是對信息技術的開發與應用、對灌區的信息化知識的認知能力。

5.3 多元化拓展智慧灌區的投資方式

灌區智能化建設不僅需要大量的勘查工作，還涉及眾多傳感器和通訊設備，及各種新型灌區、作物、生態模型。如果沒有充足的資金支持，極易成為“樣子工程”，影響各地區灌區信息化系統建設。灌區基礎建設主要由政府出資，但新疆地區經濟較為落后，政府難以全部承擔灌區現代化建設所需資金。因此，有關單位必須拓展資金來源的路徑，重視社會資本的參與力度，積極宣傳并引導更多社會資本參與智慧灌區的建設。穩步開展農業水價改革，減少灌區財政赤字，提升灌區綜合經濟效益。政府應以實地智慧灌區為基礎，采用政企合作方式積極開展新一代智慧灌區的產品研發，在充分發揮灌區信息化的社會價值和社會效益，強化灌區設備技術更新，促使智慧灌區可以自主更新換代。

6 結語

灌區的信息化、數字化及智慧化建設是水利信息化建設的必然結果，也是社會和農業經濟發展對現代灌區的核心需要之一。新疆頭屯河灌區涉及耕地面積廣、灌溉面積大，在新疆灌區占有重要地位。但灌區內各級渠系信息采集點少，采集數據單一、采用方式落后，造成灌區功能單一，灌溉和水資源輸配運行效率相對低下。為進一步提高灌區信息化水平，優化灌區管控運行效率，降低農業灌溉水利用系數，提升水資源優化配置強度，必須升級灌區智慧化水平。依據頭屯河灌區現狀，提出了以服務應用層、云服務平臺和信息感知層為基礎的智慧灌區信息化管理平臺設計的總體架構，設計了灌區物聯監控、作物生長狀況分析、生態環境需水分析、灌區水量分配及調度等多種功能。灌區后期維護和發展必須注重智慧灌區多元化拓展、信息系統的安全和人才梯隊建設。通過現代化的新技術、新理念打造適宜頭屯河地區的智慧灌區，為新疆地區智慧灌區的構建提供參考依據。